سميت هذه العملية على اسم العالم البولندي البارز والمواطن في الإمبراطورية الروسية ، يان كزوشرالسكي ، الذي اخترعها في عام 1915. حدث الاكتشاف بالصدفة ، على الرغم من أن اهتمام تشوكرالسكي بالبلورات ، بالطبع ، لم يكن مصادفة ، لأنه درس الجيولوجيا عن كثب.
التطبيق
لعل أهم مجال لتطبيق هذه الطريقة هو الصناعة ، وخاصة الصناعات الثقيلة. في الصناعة ، لا يزال يُستخدم لبلورة المعادن والمواد الأخرى بشكل مصطنع ، وهو ما لا يمكن تحقيقه بأي طريقة أخرى. في هذا الصدد ، أثبتت الطريقة عدم تناوبها المطلق تقريبًا وتعدد استخداماتها.
السيليكون
أحادي السليكون - أحادي سي. كما أن لها اسم آخر. السيليكون المزروع بطريقة Czochralski - Cz-Si. هذا هو تشوخرالسكي السيليكون. وهي المادة الرئيسية في إنتاج الدوائر المتكاملة المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر والتلفزيونات والهواتف المحمولة وجميع أنواع الأجهزة الإلكترونية وأجهزة أشباه الموصلات. بلورات السيليكونتستخدم أيضًا بكميات كبيرة من قبل الصناعة الكهروضوئية لإنتاج الخلايا الشمسية التقليدية أحادية Si. يمنح الهيكل البلوري شبه المثالي للسيليكون أعلى كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء.
ذوبان
سليكون أشباه الموصلات عالي النقاء (أجزاء قليلة فقط لكل مليون من الشوائب) يذوب في بوتقة عند 1425 درجة مئوية (2.597 درجة فهرنهايت ، 1.698 كلفن) ، وعادة ما تكون مصنوعة من الكوارتز. يمكن إضافة ذرات الشوائب المخدرة مثل البورون أو الفوسفور إلى السيليكون المصهور بكميات دقيقة من أجل المنشطات ، وبالتالي تغييره إلى السيليكون من النوع p أو n بخصائص إلكترونية مختلفة. إن بلورة بذرة القضيب الموجهة بدقة مغمورة في السيليكون المصهور. يرتفع جذع بلورة البذور ببطء ويدور في نفس الوقت. من خلال التحكم الدقيق في تدرجات درجة الحرارة ، وسرعة السحب وسرعة الدوران ، يمكن إزالة قطعة بلورية واحدة كبيرة من المصهور. يمكن تجنب حدوث عدم استقرار غير مرغوب فيه في الذوبان عن طريق فحص وتصور مجالات درجة الحرارة والسرعة. تتم هذه العملية عادة في جو خامل مثل الأرجون ، في غرفة خاملة مثل الكوارتز.
الدقيقة الصناعية
نظرًا لفعالية الخصائص العامة للبلورات ، تستخدم صناعة أشباه الموصلات بلورات ذات أحجام قياسية. في الأيام الأولى ، كانت كراتهم أصغر ، فقط بضع بوصاتالعرض. مع التكنولوجيا المتقدمة ، يستخدم مصنعو الأجهزة عالية الجودة ألواح قطرها 200 مم و 300 مم. يتم التحكم في العرض عن طريق التحكم الدقيق في درجة الحرارة وسرعة الدوران وسرعة إزالة حامل البذور. يمكن أن يصل طول السبائك البلورية التي تقطع منها هذه الألواح إلى مترين وتزن عدة مئات من الكيلوجرامات. تسمح الرقائق الأكبر حجمًا بكفاءة تصنيع أفضل لأنه يمكن تصنيع المزيد من الرقائق على كل رقاقة ، وبالتالي فإن المحرك الثابت زاد من حجم رقائق السيليكون. من المقرر حاليًا تقديم الخطوة التالية ، 450 ملم ، في عام 2018. يبلغ سمك رقائق السيليكون عادة حوالي 0.2-0.75 مم ويمكن صقلها لتسطيح كبير لإنشاء دوائر متكاملة أو نسيج لإنشاء خلايا شمسية.
تدفئة
تبدأ العملية عندما يتم تسخين الحجرة إلى حوالي 1500 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى ذوبان السيليكون. عندما يذوب السيليكون تمامًا ، تنخفض بلورة بذرة صغيرة مثبتة في نهاية العمود الدوار ببطء حتى تصبح تحت سطح السيليكون المصهور. يدور العمود عكس اتجاه عقارب الساعة وتدور البوتقة في اتجاه عقارب الساعة. ثم يتم سحب القضيب الدوار لأعلى ببطء شديد - حوالي 25 مم في الساعة في صناعة بلورة الياقوت - لتشكيل كرة أسطوانية تقريبًا. يمكن أن تكون الكرة من متر إلى مترين ، اعتمادًا على كمية السيليكون في البوتقة.
التوصيل الكهربائي
يتم ضبط الخصائص الكهربائية للسيليكون بإضافة مادة مثل الفوسفور أو البورون إليه قبل صهره. تسمى المادة المضافة dopant وتسمى العملية dopant. تستخدم هذه الطريقة أيضًا مع مواد أشباه الموصلات بخلاف السيليكون ، مثل زرنيخيد الغاليوم.
الميزات والفوائد
عندما يزرع السيليكون بطريقة Czochralski ، يتم احتواء الذوبان في بوتقة السيليكا. أثناء النمو ، تذوب جدران البوتقة في الذوبان ، وتحتوي المادة الناتجة على أكسجين بتركيز نموذجي يبلغ 1018 سم -3. يمكن أن يكون لشوائب الأكسجين آثار مفيدة أو ضارة. يمكن أن تؤدي ظروف التلدين المختارة بعناية إلى تكوين رواسب الأكسجين. إنها تؤثر على التقاط الشوائب المعدنية الانتقالية غير المرغوب فيها في عملية تُعرف باسم gettering ، مما يؤدي إلى تحسين نقاء السيليكون المحيط. ومع ذلك ، فإن تكوين رواسب الأكسجين في أماكن غير مقصودة يمكن أن يدمر أيضًا الهياكل الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لشوائب الأكسجين تحسين القوة الميكانيكية لرقائق السيليكون عن طريق تثبيت أي خلع قد يحدث أثناء معالجة الجهاز. في التسعينيات ، تم إثبات أن تركيز الأكسجين العالي مفيد أيضًا لصلابة الإشعاع لكاشفات جسيمات السيليكون المستخدمة في بيئات الإشعاع القاسية (مثل مشاريع CERN LHC / HL-LHC). لذلك ، تعتبر أجهزة الكشف عن إشعاع السيليكون المزروعة في Czochralski مرشحة واعدة للعديد من التطبيقات المستقبلية.تجارب في فيزياء الطاقة العالية. لقد ثبت أيضًا أن وجود الأكسجين في السيليكون يزيد من امتصاص الشوائب في عملية التلدين بعد الزرع.
مشاكل رد الفعل
ومع ذلك ، يمكن أن تتفاعل شوائب الأكسجين مع البورون في بيئة مضاءة. يؤدي هذا إلى تكوين مركب بورون-أكسجين نشط كهربائيًا ، مما يقلل من كفاءة الخلايا. ينخفض خرج الوحدة النمطية بنسبة 3٪ تقريبًا خلال الساعات القليلة الأولى من الإضاءة.
يمكن الحصول على تركيز الشوائب البلورية الصلبة الناتج عن تجميد الحجم من اعتبار معامل الفصل.
بلورات متزايدة
النمو البلوري هو عملية يصبح فيها البلورة الموجودة مسبقًا أكبر مع زيادة عدد الجزيئات أو الأيونات في مواقعها في الشبكة البلورية ، أو يتحول المحلول إلى بلورة وتتم معالجة المزيد من النمو. طريقة Czochralski هي أحد أشكال هذه العملية. يتم تعريف البلورة على أنها ذرات أو جزيئات أو أيونات مرتبة في نمط مرتب متكرر ، وهي شبكة بلورية تمتد عبر الأبعاد المكانية الثلاثة. وبالتالي ، فإن نمو البلورات يختلف عن نمو انخفاض السائل في ذلك أثناء النمو ، يجب أن تقع الجزيئات أو الأيونات في المواضع الصحيحة للشبكة حتى تنمو البلورة المرتبة. هذه عملية ممتعة للغاية أعطت العلم العديد من الاكتشافات المثيرة للاهتمام ، مثل الصيغة الإلكترونية للجرمانيوم.
تتم عملية زراعة البلورات بفضل الأجهزة الخاصة - القوارير والشبكات ، حيث يحدث الجزء الرئيسي من عملية بلورة المادة. توجد هذه الأجهزة بأعداد كبيرة في كل مؤسسة تقريبًا تعمل مع المعادن والمعادن والمواد المماثلة الأخرى. أثناء عملية العمل مع البلورات في الإنتاج ، تم إجراء العديد من الاكتشافات المهمة (على سبيل المثال ، الصيغة الإلكترونية للجرمانيوم المذكورة أعلاه).
الخلاصة
الطريقة التي خصص لها هذا المقال لعبت دورًا كبيرًا في تاريخ الإنتاج الصناعي الحديث. بفضله ، تعلم الناس أخيرًا كيفية إنشاء بلورات كاملة من السيليكون والعديد من المواد الأخرى. أولاً في ظروف المختبر ، ثم على المستوى الصناعي. لا تزال طريقة زراعة البلورات المفردة ، التي اكتشفها العالم البولندي العظيم ، مستخدمة على نطاق واسع.
