Бул процесс 1915-жылы аны ойлоп тапкан көрүнүктүү поляк окумуштуусу жана Россия империясынын жараны Ян Цочральскийдин атынан аталган. Ачылыш кокустан болгон, бирок кристаллдарга болгон кызыгуусу албетте кокусунан болгон жок, анткени ал геологияны абдан жакшы окуган.
Колдонмо
Балким бул ыкманы колдонуунун эң маанилүү чөйрөсү өнөр жай, өзгөчө оор өнөр жайы болуп саналат. Өнөр жайда дагы эле металлдарды жана башка заттарды жасалма кристаллдаштыруу үчүн колдонулат, буга башка жол менен жетишүү мүмкүн эмес. Бул жагынан алганда, ыкма өзүнүн дээрлик абсолюттук альтернативалуу эместигин жана ар тараптуулугун далилдеди.
Кремний
Монокристалл кремний - моно-Si. Анын дагы башка аты бар. Чохральскийдин ыкмасы менен өстүрүлгөн кремний - Cz-Si. Бул Czochralski кремний. Бул компьютерлерде, телевизорлордо, уюлдук телефондордо жана электрондук жабдуулардын жана жарым өткөргүч түзүлүштөрдүн бардык түрлөрүндө колдонулуучу интегралдык схемаларды өндүрүүдө негизги материал болуп саналат. кремний кристаллдарыошондой эле кадимки моно-си күн батареяларын өндүрүү үчүн фотоэлектрдик өнөр жай тарабынан көп өлчөмдө колдонулат. Кемчиликсиз кристалл структурасы кремнийге жарыкты электр энергиясына айландыруунун эң жогорку эффективдүүлүгүн берет.
Эрүү
Жогорку тазалыктагы жарым өткөргүч кремний (бир миллионго бир нече гана бөлүкчөлөр) 1425 °C (2,597 °F, 1,698 К) тигелде эрийт, адатта кварцтан жасалган. Бор же фосфор сыяктуу кошулмалардын атомдору эритилген кремнийге допинг үчүн так өлчөмдө кошулушу мүмкүн, муну менен аны ар кандай электрондук касиеттери бар p- же n-типтүү кремнийге өзгөртүүгө болот. Так багытталган таякча-урук кристалл эритилген кремнийге чөмүлдүрүлгөн. Уруктун кристаллынын сабагы акырындап өйдө көтөрүлүп, ошол эле учурда айланат. Температуранын градиенттерин, тартуу ылдамдыгын жана айлануу ылдамдыгын так көзөмөлдөө аркылуу чоң бир кристаллдык дайындамаларды эритмеден алып салууга болот. Температура жана ылдамдык талааларын карап чыгуу жана визуализациялоо аркылуу эритмеде жагымсыз туруксуздуктун пайда болушун болтурбоого болот. Бул процесс адатта аргон сыяктуу инерттүү атмосферада, кварц сыяктуу инерттүү камерада ишке ашырылат.
Өнөр жайлык сырлар
Кристалдардын жалпы мүнөздөмөлөрүнүн эффективдүүлүгүнөн улам жарым өткөргүч өнөр жай стандартташтырылган өлчөмдөгү кристаллдарды колдонот. Алгачкы күндөрдө алардын булуңдары кичине, болгону бир нече дюйм болчутуурасы. өнүккөн технология менен, жогорку сапаттагы аппарат өндүрүүчүлөр 200 мм жана 300 мм диаметри плиталарды колдонушат. Туурасы температураны так көзөмөлдөө, айлануу ылдамдыгы жана үрөн кармагычты алып салуу ылдамдыгы менен башкарылат. Бул плиталар кесилген кристаллдык куймалардын узундугу 2 метрге чейин, салмагы бир нече жүз килограммга чейин жетет. Чоңураак пластиналар өндүрүштүн натыйжалуулугун жогорулатууга мүмкүндүк берет, анткени ар бир пластинада көбүрөөк чиптерди жасоого болот, ошондуктан туруктуу диск кремний пластинкаларынын өлчөмүн көбөйттү. Кийинки кадам, 450 мм, учурда 2018-жылы ишке киргизилет. Кремний пластинкаларынын калыңдыгы адатта 0,2-0,75 мм.
Жытуу
Процесс камера болжол менен 1500 градус Цельсийге чейин ысытылганда, кремний эригенде башталат. Кремний толугу менен эригенде, айлануучу валдын учуна орнотулган кичинекей бир урук кристалл эриген кремнийдин бетинен төмөн болгонго чейин акырындык менен ылдыйлайт. Вал сааттын жебеси боюнча, тигель сааттын жебеси боюнча айланат. Айлануучу таякча акырындык менен өйдө карай тартылат - рубин кристаллынын өндүрүшүндө саатына болжол менен 25 мм - болжол менен цилиндр формасында. Буль тигелдеги кремнийдин көлөмүнө жараша бир метрден эки метрге чейин болушу мүмкүн.
Электр өткөргүчтүгү
Кремнийдин электрдик мүнөздөмөлөрү аны эритүүдөн мурун ага фосфор же бор сыяктуу материалды кошуу менен жөнгө салынат. Кошулган материал допант деп аталат жана процесс допинг деп аталат. Бул ыкма кремнийден башка, галлий арсениди сыяктуу жарым өткөргүч материалдарда да колдонулат.
Функциялар жана артыкчылыктар
Кремнийди Чохральский ыкмасы менен өстүргөндө эритме кремний тигелинде болот. Өсүү учурунда тигелдин дубалдары эритмеде эрийт жана пайда болгон зат 1018 см-3 типтүү концентрациясында кычкылтекти камтыйт. Кычкылтек аралашмалары пайдалуу же зыяндуу таасирин тийгизиши мүмкүн. Кылдаттык менен тандалган күйдүрүү шарттары кычкылтек кендерин пайда болушуна алып келиши мүмкүн. Алар курчап турган кремнийдин тазалыгын жакшыртып, алуу деп аталган процессте керексиз өткөөл металл аралашмаларын басып алууга таасирин тийгизет. Бирок күтүлбөгөн жерлерде кычкылтек кенинин пайда болушу электрдик түзүлүштөрдү да кыйратышы мүмкүн. Мындан тышкары, кычкылтек аралашмалары кремний пластинкаларынын механикалык күчүн жакшыртат, алар аппаратты иштетүүдө пайда болушу мүмкүн болгон дислокацияларды кыймылсыздандыруу аркылуу. 1990-жылдары кычкылтектин жогорку концентрациясы катаал радиациялык чөйрөдө (мисалы, CERNдин LHC/HL-LHC долбоорлору сыяктуу) колдонулган кремний бөлүкчөлөрүнүн детекторлорунун радиациялык катуулугу үчүн да пайдалуу экени эксперименталдык түрдө көрсөтүлгөн. Ошондуктан, Czochralski өскөн кремний нурлануу детекторлору көптөгөн келечектеги колдонмолор үчүн келечектүү талапкерлер болуп эсептелет.жогорку энергия физикасы боюнча эксперименттер. Ошондой эле кремнийде кычкылтектин болушу имплантациядан кийинки күйдүрүү процессинде ыпластыктын кабыл алынышын жогорулатат.
Реакция көйгөйлөрү
Бирок, жарыктанган чөйрөдө кычкылтек кирлери бор менен реакцияга кирет. Бул клеткалардын эффективдүүлүгүн төмөндөтүүчү электрдик активдүү бор-кычкылтек комплексинин пайда болушуна алып келет. Жарыктын алгачкы бир нече саатында модулдун чыгышы болжол менен 3% төмөндөйт.
Көлөмдүк тоңдуруудан келип чыккан катуу кристалл аралашмасынын концентрациясын сегрегация коэффициентин эске алуу менен алууга болот.
Өсүп жаткан кристаллдар
Кристаллдын өсүшү – бул кристалл торчодогу абалындагы молекулалардын же иондордун саны көбөйгөн сайын мурда бар кристалл чоңоюп, же эритменин кристаллга айланып, андан ары өсүү процесси. Czochralski ыкмасы бул процесстин бир түрү болуп саналат. Кристалл иреттүү, кайталануучу схемада жайгашкан атомдор, молекулалар же иондор, бардык үч мейкиндик өлчөмдөрү аркылуу тараган кристалл торчосу катары аныкталат. Ошентип, кристаллдардын өсүшү суюк тамчысынын өсүшүнөн айырмаланат, анткени өсүү учурунда тартиптүү кристалл өсүш үчүн молекулалар же иондор тордун туура орундарына түшүшү керек. Бул илимге көптөгөн кызыктуу ачылыштарды берген абдан кызыктуу процесс, мисалы, германийдин электрондук формуласы.
Кристалдарды өстүрүү процесси заттын кристаллдашуу процессинин негизги бөлүгү орун алган атайын түзүлүштөрдүн – колбалардын жана торлордун аркасында ишке ашырылат. Бул приборлор металлдар, минералдар жана башка ушул сыяктуу заттар менен иштеген дээрлик ар бир ишканада көп санда бар. Өндүрүштө кристаллдар менен иштөө процессинде көптөгөн маанилүү ачылыштар жасалган (мисалы, жогоруда айтылган германийдин электрондук формуласы).
Тыянак
Бул макала арналган ыкма заманбап өнөр жай өндүрүшүнүн тарыхында чоң роль ойноду. Анын аркасында адамдар акыры кремнийдин жана башка көптөгөн заттардын толук кандуу кристаллдарын кантип түзүүнү үйрөнүштү. Адегенде лабораториялык шартта, андан кийин ендуруштук масштабда. Улуу поляк окумуштуусу ачкан монокристаллдарды өстүрүү ыкмасы азыр да кеңири колдонулуп келет.
