Bu jarayon 1915-yilda ixtiro qilgan taniqli polshalik olim va Rossiya imperiyasining fuqarosi Yan CHoxralskiy sharafiga nomlangan. Bu kashfiyot tasodifan sodir bo'ldi, garchi Choxralskiyning kristallarga bo'lgan qiziqishi, albatta, tasodifiy emas edi, chunki u geologiyani juda yaqindan o'rgangan.
Ilova
Ehtimol, bu usulni qoʻllashning eng muhim sohasi sanoat, ayniqsa ogʻir sanoatdir. Sanoatda u hali ham metallar va boshqa moddalarni sun'iy ravishda kristallash uchun ishlatiladi, bunga boshqa yo'l bilan erishib bo'lmaydi. Shu munosabat bilan, usul o'zining deyarli muqobil emasligi va ko'p qirraliligini isbotladi.
Kremniy
Monokristalli kremniy - mono-Si. Uning boshqa nomi ham bor. Czochralski usuli bilan o'stirilgan kremniy - Cz-Si. Bu Czochralski kremniyidir. Bu kompyuterlar, televizorlar, mobil telefonlar va barcha turdagi elektron uskunalar va yarim o'tkazgich qurilmalarida qo'llaniladigan integral mikrosxemalar ishlab chiqarishda asosiy materialdir. kremniy kristallarian'anaviy mono-Si quyosh xujayralarini ishlab chiqarish uchun fotovoltaik sanoat tomonidan katta miqdorda ham qo'llaniladi. Mukammalga yaqin kristall strukturasi kremniyga yorug‘likdan elektrga o‘tishning eng yuqori samaradorligini beradi.
Eritish
Yuqori toza yarimo'tkazgichli kremniy (faqat bir million aralashmaning bir necha qismi) odatda kvartsdan yasalgan 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K) da tigelda eritiladi. Bor yoki fosfor kabi dopant aralashmalari atomlari eritilgan kremniyga doping uchun aniq miqdorda qo'shilishi mumkin va shu bilan uni turli xil elektron xususiyatlarga ega p- yoki n-tipli kremniyga o'zgartiradi. Aniq yo'n altirilgan novda urug'i kristalli eritilgan kremniyga botiriladi. Urug' kristalining poyasi asta-sekin yuqoriga ko'tariladi va bir vaqtning o'zida aylanadi. Harorat gradyanlarini, tortish tezligini va aylanish tezligini aniq nazorat qilish orqali eritmadan katta bitta kristalli ignabargli parchani olib tashlash mumkin. Eritmada istalmagan beqarorliklarning paydo bo'lishini harorat va tezlik maydonlarini o'rganish va vizualizatsiya qilish orqali oldini olish mumkin. Bu jarayon odatda argon kabi inert atmosferada, kvarts kabi inert kamerada amalga oshiriladi.
Sanoat nozikliklari
Kristallarning umumiy xarakteristikalari samaradorligi tufayli yarimo'tkazgich sanoati standartlashtirilgan o'lchamdagi kristallardan foydalanadi. Dastlabki kunlarda ularning boullari kichikroq, atigi bir necha dyuym edikengligi. Ilg'or texnologiyalar bilan yuqori sifatli qurilma ishlab chiqaruvchilari 200 mm va 300 mm diametrli plitalardan foydalanadilar. Kenglik haroratni aniq nazorat qilish, aylanish tezligi va urug' ushlagichini olib tashlash tezligi bilan boshqariladi. Ushbu plitalar kesilgan kristalli ingotlar uzunligi 2 metrgacha va bir necha yuz kilogramm og'irlikda bo'lishi mumkin. Kattaroq gofretlar ishlab chiqarish samaradorligini oshirishga imkon beradi, chunki har bir gofretda ko'proq chiplar tayyorlanishi mumkin, shuning uchun barqaror haydovchi kremniy gofretlarning hajmini oshirdi. Keyingi qadam, ya'ni 450 mm, hozirda 2018 yilda joriy etilishi rejalashtirilgan. Kremniy gofretlari odatda taxminan 0,2-0,75 mm qalinlikda bo'lib, integral mikrosxemalar yaratish yoki quyosh batareyalarini yaratish uchun tekstura qilish uchun katta tekislikka sayqallanishi mumkin.
Isitish
Bu jarayon kamera taxminan 1500 daraja Selsiyga qizdirilganda, kremniy eritilganda boshlanadi. Kremniy to'liq eriganida, aylanadigan milning uchiga o'rnatilgan kichik urug 'kristal erigan kremniy sirtidan pastga tushguncha asta-sekin tushadi. Mil soat sohasi farqli o'laroq aylanadi va tigel soat yo'nalishi bo'yicha aylanadi. Keyin aylanadigan novda juda sekin yuqoriga tortiladi - yoqut kristalli ishlab chiqarishda soatiga taxminan 25 mm - taxminan silindrsimon bula hosil qiladi. Tigeldagi kremniy miqdoriga qarab, bulon bir metrdan ikki metrgacha bo'lishi mumkin.
Elektrotkazuvchanlik
Kremniyning elektr xarakteristikalari uni eritishdan oldin unga fosfor yoki bor kabi material qo'shish orqali o'rnatiladi. Qo'shilgan material dopant deb ataladi va jarayon doping deb ataladi. Bu usul kremniydan tashqari yarimo'tkazgichli materiallarda ham qo'llaniladi, masalan, galliy arsenid.
Xususiyatlar va imtiyozlar
Kremniy Choxralski usulida yetishtirilganda, eritma kremniy tigelda saqlanadi. O'sish jarayonida tigelning devorlari eritmada eriydi va hosil bo'lgan moddada odatda 1018 sm-3 konsentratsiyada kislorod mavjud. Kislorodli aralashmalar foydali yoki zararli ta'sir ko'rsatishi mumkin. Ehtiyotkorlik bilan tanlangan tavlanish sharoitlari kislorod konlarining shakllanishiga olib kelishi mumkin. Ular olish deb nomlanuvchi jarayonda kiruvchi o'tish metall aralashmalarining ushlanishiga ta'sir qiladi, atrofdagi kremniyning tozaligini yaxshilaydi. Biroq, ko'zda tutilmagan joylarda kislorod konlarining shakllanishi ham elektr inshootlarini buzishi mumkin. Bundan tashqari, kislorodli aralashmalar qurilmani qayta ishlash jarayonida yuzaga kelishi mumkin bo'lgan har qanday dislokatsiyani immobilizatsiya qilish orqali kremniy gofretlarning mexanik kuchini yaxshilashi mumkin. 1990-yillarda yuqori kislorod kontsentratsiyasi qattiq radiatsiya muhitida (masalan, CERNning LHC/HL-LHC loyihalari) ishlatiladigan kremniy zarracha detektorlarining radiatsiya qattiqligi uchun ham foydali ekanligi eksperimental ravishda ko'rsatildi. Shu sababli, Czochralski tomonidan ishlab chiqarilgan kremniy nurlanish detektorlari ko'plab kelajakdagi ilovalar uchun istiqbolli nomzodlar hisoblanadi.yuqori energiya fizikasi bo'yicha tajribalar. Shuningdek, kremniyda kislorod mavjudligi implantatsiyadan keyingi tavlanish jarayonida nopoklikning so'rilishini oshirishi ko'rsatilgan.
Reaktsiya muammolari
Biroq, kislorodli aralashmalar yoritilgan muhitda bor bilan reaksiyaga kirishishi mumkin. Bu elektr faol bor-kislorod kompleksining shakllanishiga olib keladi, bu hujayralar samaradorligini pasaytiradi. Yoritishning dastlabki bir necha soati davomida modul chiqishi taxminan 3% ga kamayadi.
Hajmning muzlashi natijasida hosil boʻladigan qattiq kristall aralashmaning kontsentratsiyasini ajratish koeffitsientini hisobga olgan holda olish mumkin.
Oʻsayotgan kristallar
Kristal o'sishi - bu kristall panjaradagi o'rinlaridagi molekulalar yoki ionlar soni ortishi yoki eritmaning kristallga aylanishi va keyingi o'sish qayta ishlanishi natijasida oldindan mavjud bo'lgan kristalning kattalashishi jarayoni. Czochralski usuli bu jarayonning shakllaridan biridir. Kristal - bu tartiblangan, takrorlanuvchi naqshda joylashgan atomlar, molekulalar yoki ionlar, barcha uchta fazoviy o'lchamlar bo'ylab cho'zilgan kristall panjara. Shunday qilib, kristallarning o'sishi suyuqlik tomchisining o'sishidan farq qiladi, chunki o'sish jarayonida tartiblangan kristal o'sishi uchun molekulalar yoki ionlar panjaraning to'g'ri joylariga tushishi kerak. Bu fanga germaniyning elektron formulasi kabi koʻplab qiziqarli kashfiyotlar bergan juda qiziq jarayon.
Kristallarni etishtirish jarayoni moddaning kristallanish jarayonining asosiy qismi sodir bo'ladigan maxsus qurilmalar - kolbalar va panjaralar tufayli amalga oshiriladi. Ushbu qurilmalar metallar, minerallar va boshqa shunga o'xshash moddalar bilan ishlaydigan deyarli har bir korxonada juda ko'p miqdorda mavjud. Ishlab chiqarishda kristallar bilan ishlash jarayonida ko'plab muhim kashfiyotlar qilingan (masalan, yuqorida aytib o'tilgan germaniyning elektron formulasi).
Xulosa
Ushbu maqola bag'ishlangan usul zamonaviy sanoat ishlab chiqarishi tarixida katta rol o'ynadi. Unga rahmat, odamlar nihoyat kremniy va boshqa ko'plab moddalarning to'liq huquqli kristallarini qanday yaratishni o'rganishdi. Avval laboratoriya sharoitida, keyin esa sanoat miqyosida. Buyuk polshalik olim tomonidan kashf etilgan monokristallarni etishtirish usuli hozirgacha keng qo'llanilmoqda.
