این فرآیند به نام دانشمند برجسته لهستانی و شهروند امپراتوری روسیه، یان چوچرالسکی، که آن را در سال 1915 اختراع کرد، نامگذاری شد. این کشف به طور تصادفی اتفاق افتاد، اگرچه علاقه چوکرالسکی به کریستال ها، البته، تصادفی نبود، زیرا او زمین شناسی را از نزدیک مطالعه کرد.
برنامه
شاید مهم ترین حوزه کاربرد این روش، صنعت به ویژه صنایع سنگین باشد. در صنعت هنوز هم برای متبلور ساختن مصنوعی فلزات و سایر مواد استفاده می شود که به هیچ طریق دیگری نمی توان به آن دست یافت. در این راستا، روش عدم جایگزینی و تطبیق پذیری تقریبا مطلق خود را ثابت کرده است.
سیلیکون
سیلیکون مونوکریستالی - mono-Si. اسم دیگری هم دارد. سیلیکون رشد یافته با روش Czochralski - Cz-Si. این سیلیکون Czochralski است. این ماده اصلی در تولید مدارهای مجتمع مورد استفاده در رایانه ها، تلویزیون ها، تلفن های همراه و انواع تجهیزات الکترونیکی و دستگاه های نیمه هادی است. کریستال های سیلیکونهمچنین در مقادیر زیادی توسط صنعت فتوولتائیک برای تولید سلول های خورشیدی معمولی mono-Si استفاده می شود. ساختار کریستالی تقریباً عالی به سیلیکون بالاترین بازده تبدیل نور به الکتریسیته را می‌دهد.
ذوب
سیلیکون نیمه هادی با خلوص بالا (فقط چند قسمت در میلیون ناخالصی) در بوته ای در دمای 1425 درجه سانتیگراد (2.597 درجه فارنهایت، 1.698 K) ذوب می شود که معمولاً از کوارتز ساخته شده است. اتم های ناخالصی ناخالصی مانند بور یا فسفر را می توان به مقدار دقیق برای دوپینگ به سیلیکون مذاب اضافه کرد و در نتیجه آن را به سیلیکون نوع p یا n با خواص الکترونیکی متفاوت تغییر داد. یک کریستال دانه میله ای با جهت گیری دقیق در سیلیکون مذاب غوطه ور می شود. ساقه کریستال دانه به آرامی بالا می رود و در همان زمان می چرخد. از طریق کنترل دقیق گرادیان دما، سرعت کشش و سرعت چرخش، می توان یک شمش تک کریستالی بزرگ را از مذاب خارج کرد. با بررسی و تجسم میدان های دما و سرعت می توان از بروز ناپایداری های نامطلوب در مذاب جلوگیری کرد. این فرآیند معمولاً در یک اتمسفر بی اثر مانند آرگون، در یک محفظه بی اثر مانند کوارتز انجام می شود.
ظرافت های صنعتی
به دلیل اثربخشی ویژگی های کلی کریستال ها، صنعت نیمه هادی از کریستال هایی با اندازه های استاندارد استفاده می کند. در روزهای اولیه، بولهای آنها کوچکتر بود، فقط چند اینچعرض با تکنولوژی پیشرفته، سازندگان دستگاه های با کیفیت بالا از صفحات با قطر 200 و 300 میلی متر استفاده می کنند. عرض با کنترل دقیق دما، سرعت چرخش و سرعت حذف نگهدارنده دانه کنترل می شود. شمش های کریستالی که این صفحات از آنها بریده می شوند می توانند تا 2 متر طول و چند صد کیلوگرم وزن داشته باشند. ویفرهای بزرگتر کارایی تولید بهتری را ممکن می‌سازد زیرا می‌توان تراشه‌های بیشتری روی هر ویفر ساخت، بنابراین درایو پایدار اندازه ویفرهای سیلیکونی را افزایش داده است. پله بعدی، 450 میلی متری، در حال حاضر قرار است در سال 2018 معرفی شود. ویفرهای سیلیکونی معمولاً ضخامتی حدود 0.2 تا 0.75 میلی‌متر دارند و می‌توان آنها را تا سطحی صاف پرداخت کرد تا مدارهای یکپارچه یا بافت‌هایی برای ایجاد سلول‌های خورشیدی ایجاد کند.
گرمایش
فرآیند زمانی شروع می شود که محفظه تا حدود ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد گرم شود و سیلیکون ذوب شود. هنگامی که سیلیکون کاملاً ذوب شد، یک کریستال دانه کوچک که در انتهای محور چرخان نصب شده است، به آرامی پایین می آید تا زمانی که زیر سطح سیلیکون مذاب قرار گیرد. شفت در خلاف جهت عقربه های ساعت و بوته در جهت عقربه های ساعت می چرخد. سپس میله دوار بسیار آهسته به سمت بالا کشیده می شود - حدود 25 میلی متر در ساعت در ساخت یک کریستال یاقوت - تا یک بوله تقریباً استوانه ای شکل بگیرد. بسته به میزان سیلیکون موجود در بوته، بوله می تواند از یک تا دو متر باشد.
رسانایی الکتریکی
ویژگی های الکتریکی سیلیکون با افزودن ماده ای مانند فسفر یا بور به آن قبل از ذوب آن تنظیم می شود. مواد اضافه شده را ناخالصی و فرآیند را دوپینگ می نامند. این روش همچنین با مواد نیمه هادی غیر از سیلیکون مانند آرسنید گالیم استفاده می شود.
ویژگی ها و مزایا
هنگامی که سیلیکون به روش Czochralski رشد می کند، مذاب در یک بوته سیلیکا قرار می گیرد. در طول رشد، دیواره های بوته در مذاب حل می شوند و ماده حاصل حاوی اکسیژن با غلظت معمولی 1018 سانتی متر در 3 است. ناخالصی های اکسیژن می توانند اثرات مفید یا مضری داشته باشند. انتخاب دقیق شرایط بازپخت می تواند منجر به تشکیل رسوبات اکسیژن شود. آنها بر جذب ناخالصی های ناخواسته فلزات واسطه در فرآیندی به نام گرفتن تأثیر می گذارند و خلوص سیلیکون اطراف را بهبود می بخشند. با این حال، تشکیل رسوبات اکسیژن در مکان های ناخواسته نیز می تواند ساختارهای الکتریکی را از بین ببرد. علاوه بر این، ناخالصی‌های اکسیژن می‌توانند استحکام مکانیکی ویفرهای سیلیکونی را با بی‌حرکت کردن هرگونه نابجایی که ممکن است در طول پردازش دستگاه ایجاد شود، بهبود بخشد. در دهه 1990، به طور تجربی نشان داده شد که غلظت بالای اکسیژن برای سختی تشعشع آشکارسازهای ذرات سیلیکونی مورد استفاده در محیط‌های پرتوهای خشن (مانند پروژه‌های LHC/HL-LHC CERN) مفید است. بنابراین، آشکارسازهای تشعشع سیلیکونی رشد کرده Czochralski کاندیدهای امیدوارکننده‌ای برای بسیاری از کاربردهای آینده در نظر گرفته می‌شوند.آزمایش در فیزیک انرژی بالا همچنین نشان داده شده است که وجود اکسیژن در سیلیکون باعث افزایش جذب ناخالصی در فرآیند بازپخت پس از کاشت می شود.
مشکلات واکنش
با این حال، ناخالصی های اکسیژن می توانند با بور در یک محیط روشن واکنش دهند. این منجر به تشکیل یک کمپلکس بور-اکسیژن فعال الکتریکی می شود که کارایی سلول ها را کاهش می دهد. خروجی ماژول در طول چند ساعت اول روشنایی تقریباً 3٪ کاهش می یابد.
غلظت ناخالصی کریستال جامد حاصل از انجماد حجمی را می توان از در نظر گرفتن ضریب جداسازی به دست آورد.
کریستال در حال رشد
رشد کریستال فرآیندی است که در آن با افزایش تعداد مولکول‌ها یا یون‌ها در موقعیت‌هایشان در شبکه بلوری، یا تبدیل شدن محلول به کریستال و پردازش رشد بیشتر، یک کریستال از قبل موجود بزرگتر می‌شود. روش Czochralski یکی از اشکال این فرآیند است. کریستال به عنوان اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌هایی تعریف می‌شود که در یک الگوی مرتب و تکرار شونده چیده شده‌اند، یک شبکه کریستالی که در هر سه بعد فضایی گسترش می‌یابد. بنابراین، رشد کریستال‌ها با رشد قطره مایع متفاوت است، زیرا در طول رشد، مولکول‌ها یا یون‌ها باید در موقعیت‌های صحیح شبکه قرار گیرند تا یک کریستال منظم رشد کند. این یک فرآیند بسیار جالب است که به علم اکتشافات جالب بسیاری داده است، مانند فرمول الکترونیکی ژرمانیوم.
فرایند رشد کریستال ها به لطف دستگاه های خاصی - فلاسک ها و گریتینگ ها انجام می شود که قسمت اصلی فرآیند تبلور یک ماده در آنها انجام می شود. این دستگاه ها تقریباً در هر شرکتی که با فلزات، مواد معدنی و سایر مواد مشابه کار می کند، به تعداد زیاد وجود دارد. در طول فرآیند کار با کریستال ها در تولید، اکتشافات مهم بسیاری انجام شد (به عنوان مثال، فرمول الکترونیکی ژرمانیوم که در بالا ذکر شد).
نتیجه گیری
روشی که این مقاله به آن اختصاص دارد، نقش زیادی در تاریخ تولید صنعتی مدرن داشته است. به لطف او، مردم بالاخره یاد گرفتند که چگونه کریستال های کاملی از سیلیکون و بسیاری از مواد دیگر بسازند. ابتدا در شرایط آزمایشگاهی و سپس در مقیاس صنعتی. روش رشد تک بلورها که توسط دانشمند بزرگ لهستانی کشف شد، هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.
