Bu proses 1915-ci ildə onu icad edən görkəmli polyak alimi və Rusiya İmperiyasının vətəndaşı Yan Çoxralskinin şərəfinə adlandırılmışdır. Kəşf təsadüfən baş verdi, baxmayaraq ki, Czochralskinin kristallara marağı, əlbəttə ki, təsadüfi deyildi, çünki o, geologiyanı çox yaxından öyrənmişdi.
Tətbiq
Bu metodun bəlkə də ən mühüm tətbiq sahəsi sənaye, xüsusilə ağır sənayedir. Sənayedə hələ də metalları və digər maddələri süni şəkildə kristallaşdırmaq üçün istifadə olunur, buna başqa bir şəkildə nail olmaq mümkün deyil. Bu baxımdan, metod demək olar ki, mütləq alternativsizliyini və çox yönlülüyünü sübut etdi.
Silikon
Monokristal silisium - mono-Si. Onun başqa adı da var. Czochralski üsulu ilə yetişdirilən silikon - Cz-Si. Bu, Czochralski silisiumudur. Kompüterlərdə, televizorlarda, mobil telefonlarda və bütün növ elektron avadanlıqlarda və yarımkeçirici cihazlarda istifadə olunan inteqral sxemlərin istehsalında əsas materialdır. silisium kristallarıfotovoltaik sənaye tərəfindən adi mono-Si günəş elementlərinin istehsalı üçün də böyük miqdarda istifadə olunur. Mükəmməl kristal quruluşu silikona ən yüksək işıqdan elektrikə çevrilmə səmərəliliyini verir.
Ərimə
Yüksək təmizlikli yarımkeçirici silikon (bir milyon çirkin yalnız bir neçə hissəsi) adətən kvarsdan hazırlanmış 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K) tigedə əridilir. Bor və ya fosfor kimi qatqı çirkləri atomları, dopinq üçün dəqiq miqdarda ərinmiş silisiuma əlavə edilə bilər və bununla da onu müxtəlif elektron xassələrə malik p- və ya n-tipli silikona dəyişdirmək olar. Dəqiq yönümlü çubuq toxumu kristalı ərimiş silikona batırılır. Toxum kristalının gövdəsi yavaş-yavaş yuxarı qalxır və eyni zamanda fırlanır. Temperatur qradiyentlərinin, çəkmə sürətinin və fırlanma sürətinin dəqiq idarə edilməsi vasitəsilə ərintidən böyük tək kristal çubuq çıxarıla bilər. Temperatur və sürət sahələrinin tədqiqi və vizuallaşdırılması ilə ərimədə arzuolunmaz qeyri-sabitliyin qarşısını almaq olar. Bu proses adətən arqon kimi inert atmosferdə, kvars kimi inert kamerada həyata keçirilir.
Sənaye incəlikləri
Kristalların ümumi xüsusiyyətlərinin effektivliyinə görə yarımkeçiricilər sənayesi standart ölçülərə malik kristallardan istifadə edir. İlk günlərdə onların budaqları daha kiçik idi, cəmi bir neçə düymeni. Qabaqcıl texnologiya ilə yüksək keyfiyyətli cihaz istehsalçıları 200 mm və 300 mm diametrli lövhələrdən istifadə edirlər. Genişlik dəqiq temperatur nəzarəti, fırlanma sürəti və toxum tutucunun çıxarılması sürəti ilə idarə olunur. Bu lövhələrin kəsildiyi kristal külçələrin uzunluğu 2 metrə qədər, çəkisi isə bir neçə yüz kiloqram ola bilər. Daha böyük vaflilər daha yaxşı istehsal səmərəliliyinə imkan verir, çünki hər bir vaflidə daha çox çip hazırlana bilər, beləliklə, sabit sürücü silikon vaflilərin ölçüsünü artırdı. Növbəti addım olan 450 mm-in hazırda 2018-ci ildə təqdim edilməsi planlaşdırılır. Silikon vaflilər adətən təxminən 0,2-0,75 mm qalınlığa malikdir və günəş batareyaları yaratmaq üçün inteqral sxemlər və ya tekstura yaratmaq üçün böyük düzlüyə qədər cilalana bilər.
İsitmə
Proses kamera təxminən 1500 dərəcə Selsiyə qədər qızdırıldıqda, silisium əridildikdə başlayır. Silikon tamamilə əridikdə, fırlanan şaftın ucuna quraşdırılmış kiçik bir toxum kristalı ərimiş silisiumun səthinin altına düşənə qədər yavaş-yavaş aşağı enir. Şaft saat əqrəbinin əksinə fırlanır və tige saat yönünün əksinə fırlanır. Sonra fırlanan çubuq çox yavaş-yavaş yuxarıya doğru çəkilir - yaqut kristalının istehsalında saatda təxminən 25 mm - təxminən silindrik bir bula əmələ gəlir. Titadakı silikonun miqdarından asılı olaraq bula bir metrdən iki metrə qədər ola bilər.
Elektrik keçiriciliyi
Silisiumun elektrik xüsusiyyətləri, ərimədən əvvəl ona fosfor və ya bor kimi bir material əlavə edilməklə tənzimlənir. Əlavə edilmiş material dopant adlanır və proses dopinq adlanır. Bu üsul, həmçinin qallium arsenid kimi silikondan başqa yarımkeçirici materiallarda da istifadə olunur.
Xüsusiyyətlər və Faydalar
Silikon Czochralski üsulu ilə yetişdirildikdə, ərinti silisium potasında saxlanılır. Böyümə zamanı potanın divarları ərimədə həll olur və nəticədə yaranan maddə 1018 sm-3 tipik konsentrasiyada oksigen ehtiva edir. Oksigen çirkləri faydalı və ya zərərli təsirlərə malik ola bilər. Diqqətlə seçilmiş yumşalma şərtləri oksigen yataqlarının meydana gəlməsinə səbəb ola bilər. Onlar ətrafdakı silisiumun saflığını yaxşılaşdıraraq əldə etmə kimi tanınan bir prosesdə arzuolunmaz keçid metal çirklərinin tutulmasına təsir göstərir. Bununla belə, nəzərdə tutulmayan yerlərdə oksigen yataqlarının əmələ gəlməsi elektrik strukturlarını da məhv edə bilər. Bundan əlavə, oksigen çirkləri cihazın işlənməsi zamanı daxil ola biləcək hər hansı dislokasiyaları hərəkətsizləşdirməklə silikon vaflilərin mexaniki möhkəmliyini yaxşılaşdıra bilər. 1990-cı illərdə yüksək oksigen konsentrasiyasının sərt radiasiya mühitlərində (məsələn, CERN-in LHC/HL-LHC layihələri kimi) istifadə olunan silikon hissəcik detektorlarının radiasiya sərtliyi üçün də faydalı olduğu eksperimental olaraq göstərildi. Buna görə də, Czochralski tərəfindən yetişdirilən silikon radiasiya detektorları bir çox gələcək tətbiqlər üçün perspektivli namizədlər hesab olunur.yüksək enerji fizikasında təcrübələr. Həmçinin göstərilmişdir ki, silikonda oksigenin olması implantasiyadan sonrakı tavlama prosesində çirkin udulmasını artırır.
Reaksiya problemləri
Lakin işıqlı mühitdə oksigen çirkləri borla reaksiya verə bilər. Bu, hüceyrələrin səmərəliliyini azaldan elektrik aktiv bor-oksigen kompleksinin meydana gəlməsinə səbəb olur. Modul çıxışı işıqlandırmanın ilk bir neçə saatı ərzində təxminən 3% azalır.
Həcmin dondurulması nəticəsində yaranan bərk kristal çirklilik konsentrasiyası seqreqasiya əmsalı nəzərə alınmaqla əldə edilə bilər.
Böyüyən kristallar
Kristal böyüməsi kristal qəfəsdəki mövqelərindəki molekulların və ya ionların sayı artdıqca əvvəllər mövcud olan kristalın böyüdüyü və ya məhlulun kristala çevrildiyi və sonrakı böyümənin emal edildiyi prosesdir. Czochralski metodu bu prosesin bir formasıdır. Kristal nizamlı, təkrarlanan nümunədə düzülmüş atomlar, molekullar və ya ionlar, hər üç məkan ölçüsündə uzanan kristal qəfəs kimi müəyyən edilir. Beləliklə, kristalların böyüməsi maye damlasının böyüməsindən fərqlənir ki, böyümə zamanı nizamlı bir kristalın böyüməsi üçün molekullar və ya ionlar qəfəsin düzgün mövqelərinə düşməlidir. Bu, elmə germaniumun elektron düsturu kimi bir çox maraqlı kəşflər bəxş edən çox maraqlı bir prosesdir.
Kristalların yetişdirilməsi prosesi xüsusi qurğular - kolbalar və barmaqlıqlar sayəsində həyata keçirilir ki, burada maddənin kristallaşması prosesinin əsas hissəsi baş verir. Bu cihazlar metallar, minerallar və digər oxşar maddələrlə işləyən demək olar ki, hər bir müəssisədə çox sayda mövcuddur. İstehsalda kristallarla işləmə prosesi zamanı bir çox mühüm kəşflər edilmişdir (məsələn, yuxarıda qeyd olunan germaniumun elektron formulası).
Nəticə
Bu məqalənin həsr olunduğu üsul müasir sənaye istehsalı tarixində böyük rol oynamışdır. Onun sayəsində insanlar nəhayət silikonun və bir çox başqa maddələrin tam hüquqlu kristallarını necə yaratmağı öyrəndilər. Əvvəlcə laboratoriya şəraitində, sonra isə sənaye miqyasında. Böyük polyak alimi tərəfindən kəşf edilmiş monokristalların yetişdirilməsi üsulu indi də geniş istifadə olunur.
