خدمات

روشهای رشد بلور :

1.رشد از مذاب 

به مواد جامدی که اجزای سازنده‌ی آنها (مولکول،اتم یا یون‌ها) در سه جهت فضایی به صورت منظمی کنار هم قرار گرفته باشند، کریستال یا بُلور می‌گویند. ساختارهای بلورین نظم بلند دامنه داشته و خواص ناهمسانگرد دارند.بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیکی و مدارهای مجتمع استفاده می‌شوند، باید به صورت دقیق رشد داده شده و ناخالصیهای آنها جدا گردد. در زیر به سه روش رشد این بلورها اشاره می‌کنیم.
پیشرفت تکنولوژی قطعات حالت جامد نه تنها به توسعه مفاهیم قطعات الکترونیکی بلکه به بهبود مواد نیز وابسته بوده است. شرایط رشد بلورهای نیم رسانا که برای ساخت قطعات الکترونیک استفاده می‌شود، بسیار دقیق‌تر و مشکل‌تر از سایر مواد است. علاوه بر این که نیم رساناها باید به صورت تک بلورهای بزرگ در دسترس باشند، باید خلوص آنها نیز در محدوده بسیار ظریفی کنترل شود. مثلا تراکم بیشتر ناخالصیهای مورد استفاده در بلورهای سیلیسیوم فعلی از یک قسمت در ده میلیارد کمتر است. چنین درجاتی از خلوص ، مستلزم دقت بسیار در استفاده و بکارگیری مواد در هر مرحله از فرآیند ساخت است.

تاریخچه

اولین ارجاع به آرایش منظم ذرات سازنده‌ی بلورها در آثار ستاره‌شناس مشهور ج.کپلر (۱۶۱۹) و رابرت هوک (۱۶۶۵) کاشف میکروسکوپ یافت می‌شود. مدتی بعد دانشمند مشهور کریستین هوگنز (۱۶۹۰) خواص نوری کریستال‌های کلسیت (CaCO3) را بررسی کرده و فرضیه‌ای را ارائه کرد که کریستال‌ها از ذرات بسیار کوچکی با شکل مشخص ساخته شده‌اند. پس از آن م.و. اومونوسوف (۱۷۶۵-۱۷۱۱) تئوری ذره‌ای ساختار مواد را کامل کرد. او فرض کرد که ذرات شکل کروی داشته باشند.
رشد سیلیسیوم تک بلور اولین بار در آغاز و میانه دهه ۱۹۵۰ انجام گرفت که هم اکنون نیز در ساخت مدارهای مجتمع از آن استفاده می‌شود.

روشهای رشد بلور

۱- رشد از مذاب
یک روش متداول برای رشد تک بلورها ، سرد کردن انتخابی ماده مذاب است به گونه‌ای که انجماد در راستای یک جهت بلوری خاص انجام می‌پذیرد.
ـ یک مثال
ظرفی از جنس سیلیکا (کوارتز شیشه‌ای) در نظر بگیرید که دارای ژرمانیوم (Ge) مذاب است و می‌توان آن را طوری از کوره بیرون آورد که انجماد از یک انتها شروع شده به تدریج تا انتهای دیگر پیش رود. با قرار دادن یک دانه بلوری کوچک در نقطه شروع انجماد می‌توان کیفیت رشد بلور را بالا برد. شکل بلور بدست آمده توسط ظرف ذوب تعیین می‌شود. ژرمانیوم ، گالیم آرسنیک (GaAs) و دیگر بلورهای نیم رسانا اغلب با این روش که معمولا روش بریجمن (Bridgman) افقی نامیده می‌شود، رشد داده می‌شوند.

معایب رشد بلور در ظرف ذوب

در این روش ماده مذاب با دیوارهای ظرف تماس پیدا می‌کند و در نتیجه در هنگام انجماد تنش‌هایی ایجاد می‌شود که بلور را از حالت ساختار شبکه‌ای کامل خارج می‌سازد. این نکته بویژه در مورد Si که دارای نقطه ذوب بالایی بوده و تمایل به چسبیدن به مواد مذاب را دارد، مشکل جدی است.

۲- روش جایگزین
یک روش جایگزین ، کشیدن بلور از مذاب در هنگام رشد آن است. در این روش یک دانه بلوری در داخل ماده مذاب قرار داده شده و به آهستگی بالا کشیده می‌شود و به بلور امکان رشد بر روی دانه را می‌دهد. معمولا در هنگام رشد ، بلور به آهستگی چرخانده می‌شود تا علاوه بر هم زدن ملایم مذاب از هر گونه تغییرات دما که منجر به انجماد غیر همگن می‌شود، متوسط گیری کند. این روش ، روش چوکرالسکی (Czochoralski) نامیده می‌شود.
۳- پالایش ناحیه‌ای و رشد ناحیه شناور
استفاده از ناحیه مذاب متحرک به خصوص وقتی که رفت و برگشتهای متعددی در راستای شمش انجام می‌پذیرد، موجب خلوص قابل توجهی در ماده اولیه می‌شود. این فرایند پالایش ناحیه‌ای نامیده می‌شود. تکنیکهای متداول برای ذوب شمش عبارتند از : تابش گرما از یک گرماده مقاومتی ، گرمایش القایی و گرمایش بوسیله بمباران الکترونی در فصل مشترک مایع و جامد که در حال انجماد است. توزیع خاصی از ناخالصیها بین دو فاز وجود خواهد داشت، کمیت مهمی که این ویژگی را مشخص می‌کند، ضریب توزیع Distribution Coefficient است که به صورت نسبت تراکم ناخالصی در جامد به تراکم آن در مایع در حالت تعادل تعریف می‌شود.

ضریب توزیع تابعی از ماده ، ناخالصی دمای مرز مشترک بین جامد و مایع و سرعت رشد است. اگر مرورهای متعددی صورت گیرد، طول بیشتری از شمش خالص شده و پس از مرورهای متعدد اکثر ناخالصی‌ها به انتهای شمش کشیده می‌شود که می‌توان آن را برید و جدا کرد و در نتیجه یک بلور با خلوص خیلی زیاد باقی می‌ماند. ضریب توزیع که روند بالایش ناحیه‌ای را کنترل می‌کند، در هر گونه رشد از مذاب نیز اهمیت دارد.

روش‌های تبلور و رشد بلور

روش‌های مختلفی برای تبلور و رشد بلور وجود دارند که در میان رایج‌ترین آنها می‌توان به روش‌های زیر اشاره کرد:
1-روش‌های فاز بخار
رسوب شیمیایی بخار (‎CVD)‏
رسوب فیزیکی بخار (‎PVD)‏
2-روش‌های بر پایه محلول
استفاده از ضد محلول‌ها
کم کردن دما و رساندن محلول به حالت فوق اشباع
انجماد حلال و جدا کردن رسوبات
کلوخه‌کردن و استفاده از دستگاه مرکزگریز (سانتریفوژ)

 

 

2. رشد از محلول

 

روشهای مشخصه یابی بلور

1.مشخصه یابی اپتیکی

2.مشخصه یابی الکتریکی

3.مشخصه یابی مغناطیسی

4.مشخصه یابی جرمی

 

 

ساختار بلوری ماده، تاثیر قابل توجهی روی خواص و ویژگی‌های آن ماده دارد، از این رو مطالعه و شناخت ساختار بلوری مواد از اهمیت فراوانی برخوردار است. از آنجا که مواد جامد دارای نظم بلند برد و یا کوتاه برد هستند، به دو دسته‌ی بلوری و بی‌شکل (آمورف) تقسیم می‌شوند. جامدات بلوری خود به دو دسته تک‌بلور و چندبلور تقسیم می‌شوند. چندبلورها دارای دانه‌هایی هستند که در جهات مختلف رشد کرده‌اند و محل برخورد آنها به یکدیگر مرزدانه نام دارد. دانه‌بندی و مرزدانه‌ها نقش قابل توجهی روی خواص ماده دارند. از دیگر موارد مهم در بلورشناسی، تعیین سلول واحد یک ساختار بلوری است. سلول واحد انتخابی باید به خوبی نماینده ساختار کل بلور باشد. به این منظور باید دارای ویژگی‌هایی باشد که در این مقاله به آنها پرداخته شده است. هم‌چنین در این مقاله به توضیح دسته‌بندی جامدات، مقایسه انرژی حالت بلوری و بی‌شکل، انجماد مذاب فلزی و ایجاد چندبلور و تعریف شبکه/پایه در شکل‌دهی یک ساختار کریستالی پرداخته شده است.

 

۱-مقدمه

در علم بلورشناسی، حالت‌های مختلف بلوری در مواد، قوانین حاکم بر آن‌ها، آرایش‌های اتمی یا مولکولی و نواقص بلوری، روش‌های مشخصه‌یابی بلورها، خواص و ساخت بلورها و شبکه های بلوری مطالعه و بررسی می‌شود. در گذشته در بلورشناسی تمرکز بیشتر روی شکل بیرونی ساختارهای بلوری بود (مثلا در کانی‌شناسی)، ولی امروزه بررسی‌ها بیشتر معطوف به ساختار داخلی بلورهاست. این تحول به ویژه پس از کشف پرتو ایکس توسط رونتگن در قرن ۱۹ رخ داد، چراکه دانشمندان می‌توانستند به کمک آن اطلاعات ارزشمندی از ساختار داخلی بلورها بدست بیاورند. به‌صورت کلی بلورشناسی را می‌توان به عنوان شاخه‌ای از علم که به توصیف هندسه و چینش اتم‌‌ها در ساختار داخلی بلورها می‌پردازد، تعریف نمود. در حقیقت بلورشناسی یکی از حوزه‌های کلیدی برای درک خواص مختلف است و با دانستن آن می‌توان دلیل ویژگی‌های بسیاری از مواد را توضیح داد و ساختار مواد را قبل از تولید آن‌ها تعیین نمود [۱,۲].

۲- دسته‌بندی جامدات

به‌صورت کلی می‌توان جامدات را باتوجه به نحوه قرارگیری واحدهای سازنده‌شان (این واحدها می‌توانند اتم‌ها، مولکول‌ها و یا یون‌ها باشند) در کنارهم، به دو دسته عمده تقسیم نمود. این دو دسته عبارتند از جامدات کریستالی و جامدات غیرکریستالی یا بی‌شکل. جامدات کریستالی دارای نظم بلندبرد (نظم در سه جهت فضایی در امتداد طولانی) می‌باشند در حالیکه جامدات بی‌شکل نظم کوتاه‌برد دارند. این مورد در شکل ۱ نمایش داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، اتم‌های تشکیل‌دهنده در هر دو ساختاراکسیژن و سیلیسیوم هستند، اما وجود نظم با برد بلند و کوتاه در آنها باعث ایجاد ساختارهای مختلف با خواص متفاوتی شده است. منظور از نظم کوتاه‌برد در شکل۱ این است که در تمام این ساختار اطراف اتم سیلیسیوم، ۴ اتم اکسیژن قرار گرفته‌ است. به عبارت دیگر هر واحد SiO2 دارای نظم اتمی است اما در مقیاس بلند واحدهای SiO2 به‌صورت منظم در کنار یکدیگر قرار نگرفته‌اند. البته با توجه به اینکه شکل دو بعدی است سه اتم اکسیژن قابل مشاهده است و اتم چهارم در خارج از صفحه قرار دارد. با این وجود در شکل ۱ - ب نه تنها نظم اتمی در واحدهای SiO2 برقرار است بلکه واحدهای SiO2 در یک امتداد بسیار طولانی در سه جهت فضایی با ساختار شش ضلعی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند (نظم بلند دامنه).

قابل ذکر است که از لحاظ ترمودینامیکی مواد شیشه‌ای (منظور موادی با ساختار بی‌شکل است)، شبه پایدار هستند، یعنی اگر زمان و انرژی گرمایی کافی به آنها داده شود و بتوانند ساختار خود را بازچینش کنند و ساختار بلوری بیابند، سطح انرژی پایین‌تری را خواهند داشت. همان‌طور که می‌دانید از لحاظ ترمودینامیکی همه مواد در طبیعت تمایل دارند که سطح انرژی کمتری را داشته باشند و زمان و انرژی، امکان کاهش سطح انرژی مواد را مشخص می‌کند. در شکل۲ مقایسه سطح انرژی بین حالت کریستالی و بی‌شکل آورده شده است. مطابق این شکل مشاهده می‌شود که حالت بلوری سطح انرژی پایین‌تری نسبت به حالت بی شکل دارا می‌باشد

حال که مشاهده می‌شود ساختار بلوری سطح انرژی کمتری از بی‌شکل دارد پس دلیل شکل‌گیری ساختارهای بی‌شکل چیست؟ یکی از دلایل این است که ساختار مواد تشکیل‌دهنده ماده پیچیده هستند (از جهت تعداد و تفاوت اندازه) و به سادگی نمی‌توانند با نظمی سه‌بعدی و بلندبرد در کنار یکدیگر قرارگرفته و ساختار بلوری را تشکیل دهند. دلیل دیگر این است که ممکن است ساختار جامد به سرعت شکل بگیرد (مثلا یک مذاب فلزی سریع جامد شود) و اتم‌ها یا مولکول‌ها فرصت کافی را پیدا نکنند تا در یک ساختار بلندبرد بلوری در کنار یکدیگر قرار بگیرند

قابل ذکر است که خود مواد بلوری نیز به دو دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از مواد تک‌بلورو چندبلور. 

آرایش اتم‌ها در مواد تک‌بلور به‌طور منظم، متناوب و تکرارشونده در سراسر یک جامد بلوری است. اما مواد چندبلور دارای تعداد زیادی از بلورهای ریز (به آنها دانه گفته می‌شود) هستند. در هر یک از این دانه‌ها می‌توانند جهت‌های بلوری متفاوتی نسبت به دانه‌های دیگر داشته باشند. در نتیجه، یک جامد چندبلور دارای دانه‌های بلوری است که با یکدیگر در جهت بلوری‌شان تفاوت دارند. برای فهم بهتر این موضوع، بهتر است فرآیند انجماد یک مذاب فلزی را بررسی کنیم.

در حین انجماد یک مذاب فلزی، به مرور با کاهش دما، بلورهای جامد کوچکی که به آنها هسته می‌گوییم، در نقاط مختلف مذاب تشکیل می‌شوند که دارای یک نظم بلند برد هستند، ولی اندازه بسیار کوچکی دارند (شکل۴-الف). با گذشت زمان و کاهش تدریجی دما، به مرور اتم‌های بیشتری از مذاب به هسته‌های ایجاد شده می‌پیوندند و باعث رشد آنها در جهت‌های بلوری مختلفی می‌شوند (شکل۴-ب). در نهایت با انجماد کامل مذاب، ساختار چندبلوری به دست می‌آید که در آنها تفاوت جهت بلوری از دانه‌ای به دانه دیگر وجود دارد (شکل۴-ج). به مرز بین این دانه‌ها که در واقع محل رسیدن دو دانه با جهت‌های بلوری متفاوت هستند، مرزدانه گفته می‌شود.