Самый ценный кристалл

Выращивать кристаллы люди научились сравнительно недавно. Первыми были получены искусственные самоцветы — рубины и сапфиры. Уже в начале XX века они производились в промышленном масштабе. Спрос на красивые ювелирные камни был всегда, но, начиная с середины прошлого века, не они, а ничем внешне не примечательные технические кристаллы, обладающие поистине фантастическими свойствами, становятся самыми востребованными и дорогими. Это, например, кристаллы кварца, прозрачные для ультрафиолета, пьезоэлектрические кристаллы (дигидрофосфат аммония, сегнетова соль), нелинейно-оптические кристаллы (метаборат бария, триборат лития), превращающие невидимые инфракрасные лучи в видимый свет, полупроводники германий и селен, лазерные рубины, монокристаллы вольфрама и молибдена. Даже благородный красавец алмаз — кристалл углерода — больше ценится как сверхтвердый материал, нежели украшение.

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Без преувеличения можно сказать, что самый ценный кристалл современности и ближайшего будущего, царь и бог кристаллов — скромный, невзрачный с виду кремний. Старт его восхождению на кристаллический Олимп был дан в 1954 году американским физиком Гордоном Тилом, сделавшим первый кремниевый транзистор. В 1959 году появилась первая интегральная микросхема на кремниевом кристалле. Теперь монокристаллическая кремниевая пластина — основа всех микросхем.

Место кремния в таблице Менделеева — прямо под углеродом. Если углерод — основа органического мира, то кремний — мира минералов и горных пород. Запасы его огромны — около 28% массы земной коры приходится на кремний. Встречается он в виде кремнезема, силикатов и алюмосиликатов. Все природные кристаллические вещества — как правило, поликристаллы, то есть множество слепленных друг с другом мелких, хаотически ориентированных монокристалликов, с примесями, трещинами и дефектами. Технический же монокристалл должен иметь высокую степень химической чистоты и идеальную кристаллическую структуру.

Вырастить кристалл можно разными способами: кристаллизацией из расплава, из раствора или из газовой фазы. Именно так превращается в лед замерзающая вода, выпадает в осадок соль при испарении, образуются снежинки при охлаждении пара. Технические кристаллы выращивают из расплавов, и растут они не в садах, а в цехах заводов с самым современным оборудованием.

Для микроэлектронной промышленности (микросхем, твердотельных электронных приборов) нужен сверхчистый кремний — как говорят, электронного качества, с содержанием его 99,999% по весу. Чуть менее чистый, с содержанием кремния 99,99%, используется в фотоэлектрических панелях и называется кремнием солнечного качества. Давайте посмотрим, как растет кремниевый монокристалл.

Более 80% электронного кремния получают методом Чохральского, названным в честь польского химика начала XX века (см. «Химию и жизнь» 2002 №1 «Как выращивают камни»). Однажды он нечаянно уронил в тигель с расплавленным оловом металлическое перышко. Медленно вытаскивая его, чтобы не обжечься, ученый заметил, что перо тянет за собой нитку застывающего олова. Оказалось, она представляет собой монокристалл. Почти полвека никто не вспоминал о Яне Чохральском. Наконец в 1950 году в США его методом впервые был успешно выращен полупроводниковый монокристалл германия.

По методу Чохральского монокристалл растет благодаря перемещению атомов из жидкой фазы вещества в твердую на поверхности границы раздела. Во вращающийся кварцевый тигель с расплавленным кремнием при температуре чуть выше точки плавления помещают так называемую затравку — крошечный «зародыш» будущего кристалла. Он имеет заданную упорядоченную структуру и определенную кристаллографическую ориентацию. Растущий кристалл тоже вращается, но в сторону, противоположную вращению тигля. Когда расплав обволакивает затравку, на ее поверхности образуется неподвижный жидкий слой. Атомы кремния в нем выстраиваются в таком порядке, чтобы продолжить, достроить кристаллическую решетку затравочного кристалла. Процесс идет в вакууме или разреженной атмосфере аргона. Специальный механизм постепенно вытягивает монокристалл из расплава. Чем меньше скорость роста, тем совершеннее он будет. Готовый кристалл представляет собой цилиндрический слиток диаметром до 300 мм и длиной до двух метров.

Для расплава используют поликристаллический кремний, получаемый многоступенчатой очисткой металлургического или технического кремния, который, в свою очередь, восстанавливается из кварцевого песка коксом при температуре 1800°C. Значит, есть доля истины в словах тех, кто утверждает, что начинку компьютеров делают из песка.

Итак, прекрасный цветок — монокристалл сверхчистого кремния — выращен и сорван, то есть вытянут из тигля. Что дальше? В отличие от срезанной розы ему уготована долгая жизнь. Он станет сложнейшим электронным прибором, например микропроцессором — мозгом и сердцем компьютера. Или солнечной батареей — фотоэлектрической панелью, преобразующей солнечное излучение в электричество, надежным источником энергии на Земле и в космосе.