Бұл процесс оны сонау 1915 жылы ойлап тапқан көрнекті поляк ғалымы және Ресей империясының азаматы Ян Чехральскийдің атымен аталды. Бұл жаңалық кездейсоқ болды, дегенмен Чохральскийдің кристалдарға деген қызығушылығы, әрине, кездейсоқ емес, өйткені ол геологияны өте мұқият зерттеген.
Қолданба
Бұл әдісті қолданудың ең маңызды саласы өнеркәсіп, әсіресе ауыр өнеркәсіп болуы мүмкін. Өнеркәсіпте ол әлі күнге дейін металдарды және басқа жолмен қол жеткізуге болмайтын басқа заттарды жасанды кристаллизациялау үшін қолданылады. Осыған байланысты әдіс өзінің абсолютті дерлік балама еместігін және жан-жақтылығын дәлелдеді.
Кремний
Монокристалды кремний - моно-Si. Оның басқа аты да бар. Чохральский әдісімен өсірілген кремний - Cz-Si. Бұл Чехральский кремнийі. Ол компьютерлерде, теледидарларда, ұялы телефондарда және электрондық жабдықтар мен жартылай өткізгіш құрылғылардың барлық түрлерінде қолданылатын интегралды схемаларды өндірудегі негізгі материал болып табылады. кремний кристалдарыкәдімгі моно-Si күн батареяларын өндіру үшін фотоэлектрлік өнеркәсіпте де көп мөлшерде қолданылады. Мінсізге жақын кристалды құрылым кремнийге жарықты электр тоғына түрлендірудің ең жоғары тиімділігін береді.
Еру
Тазалығы жоғары жартылай өткізгіш кремний (қоспалардың миллионына бірнеше бөлігі ғана) әдетте кварцтан жасалған 1425 °C (2,597 °F, 1,698 К) тигельде балқытылады. Бор немесе фосфор сияқты қоспа қоспаларының атомдарын балқытылған кремнийге қоспалау үшін нақты мөлшерде қосуға болады, осылайша оны әртүрлі электрондық қасиеттері бар p- немесе n-типті кремнийге өзгертуге болады. Нақты бағытталған таяқша тұқымды кристал балқытылған кремнийге батырылады. Тұқымдық кристалдың сабағы баяу көтеріліп, бір мезгілде айналады. Температура градиенттерін, тарту жылдамдығын және айналу жылдамдығын дәл бақылау арқылы балқымадан үлкен бір кристалды дайындаманы алып тастауға болады. Балқымадағы қалаусыз тұрақсыздықтардың пайда болуын температура мен жылдамдық өрістерін зерттеу және визуализациялау арқылы болдырмауға болады. Бұл процесс әдетте аргон сияқты инертті атмосферада, кварц сияқты инертті камерада орындалады.
Өнеркәсіптік нәзіктіктер
Кристалдардың жалпы сипаттамаларының тиімділігіне байланысты жартылай өткізгіш өнеркәсібі стандартталған өлшемдері бар кристалдарды пайдаланады. Алғашқы күндерде олардың бұлшықтары кішірек болды, тек бірнеше дюйм болатынені. Жетілдірілген технологиямен жоғары сапалы құрылғы өндірушілері диаметрі 200 мм және 300 мм плиталарды пайдаланады. Ені температураның дәл бақылауымен, айналу жылдамдығымен және тұқым ұстағышты алу жылдамдығымен басқарылады. Бұл тақтайшалар кесілген кристалдық құймалардың ұзындығы 2 метрге дейін жетуі және салмағы бірнеше жүз килограмм болуы мүмкін. Үлкен пластиналар өндірістің тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді, өйткені әрбір вафлиде көбірек чиптер жасауға болады, сондықтан тұрақты диск кремний пластинкаларының өлшемін ұлғайтты. Келесі қадам, яғни 450 мм, қазіргі уақытта 2018 жылы енгізу жоспарланған. Кремний пластиналары әдетте шамамен 0,2-0,75 мм қалыңдығына ие және күн батареяларын жасау үшін интегралды схемаларды немесе текстураны жасау үшін үлкен тегістікке дейін жылтыратуға болады.
Жылу
Процесс камераны шамамен 1500 градус Цельсийге дейін қыздырып, кремнийді балқытқанда басталады. Кремний толығымен еріген кезде, айналмалы біліктің ұшына орнатылған кішкене тұқымдық кристал балқытылған кремнийдің бетінен төмен түскенше баяу төмендейді. Білік сағат тіліне қарсы, ал тигель сағат тіліне қарсы айналады. Содан кейін айналатын өзек өте баяу жоғары қарай тартылады - рубин кристалын жасау кезінде сағатына шамамен 25 мм - шамамен цилиндрлік буль түзеді. Тигельдегі кремний мөлшеріне байланысты буль бір метрден екі метрге дейін болуы мүмкін.
Электрөткізгіштік
Кремнийдің электрлік сипаттамалары балқыту алдында оған фосфор немесе бор сияқты материал қосу арқылы реттеледі. Қосылған материал қоспа деп аталады, ал процесс допинг деп аталады. Бұл әдіс кремнийден басқа, галлий арсениді сияқты жартылай өткізгіш материалдармен де қолданылады.
Мүмкіндіктер мен артықшылықтар
Кремнийді Чохральский әдісімен өсіргенде, балқыма кремний тигельде болады. Өсу кезінде тигельдің қабырғалары балқымада ериді, ал алынған зат 1018 см-3 типтік концентрацияда оттегін қамтиды. Оттегі қоспалары пайдалы немесе зиянды әсер етуі мүмкін. Мұқият таңдалған күйдіру шарттары оттегі шөгінділерінің пайда болуына әкелуі мүмкін. Олар қоршаған кремнийдің тазалығын жақсартып, алу деп аталатын процесте қажетсіз өтпелі металл қоспаларын ұстауға әсер етеді. Дегенмен, күтпеген жерлерде оттегі шөгінділерінің пайда болуы электр құрылымдарын да бұзуы мүмкін. Сонымен қатар, оттегі қоспалары құрылғыны өңдеу кезінде енгізілуі мүмкін кез келген дислокацияны иммобилизациялау арқылы кремний пластинкаларының механикалық беріктігін жақсарта алады. 1990 жылдары оттегінің жоғары концентрациясы қатты радиациялық ортада (мысалы, CERN LHC/HL-LHC жобалары) қолданылатын кремний бөлшектерінің детекторларының радиациялық қаттылығы үшін де пайдалы екені эксперименталды түрде көрсетілді. Сондықтан, Чехральскиде өсірілген кремний сәулелену детекторлары көптеген болашақ қосымшалар үшін перспективалы үміткерлер болып саналады.жоғары энергиялар физикасындағы тәжірибелер. Сондай-ақ кремнийде оттегінің болуы имплантациядан кейінгі жасыту процесінде қоспаның сіңірілуін арттыратыны көрсетілді.
Реакция ақаулары
Алайда оттегі қоспалары жарықтандырылған ортада бормен әрекеттесе алады. Бұл жасушалардың тиімділігін төмендететін электрлік белсенді бор-оттегі кешенінің пайда болуына әкеледі. Жарықтандырудың алғашқы бірнеше сағатында модуль шығысы шамамен 3%-ға төмендейді.
Көлемді мұздату нәтижесінде пайда болатын қатты кристалды қоспа концентрациясын сегрегация коэффициентін ескере отырып алуға болады.
Өсіп келе жатқан кристалдар
Кристалл өсімі - кристалдық тордағы орнындағы молекулалар немесе иондар саны көбейген сайын бұрыннан бар кристал үлкейетін немесе ерітінді кристалға айналатын және одан әрі өсу өңделетін процесс. Чохральский әдісі осы процестің бір түрі болып табылады. Кристалл реттелген, қайталанатын үлгіде орналасқан атомдар, молекулалар немесе иондар, барлық үш кеңістік өлшемдері арқылы таралатын кристалдық тор ретінде анықталады. Осылайша, кристалдардың өсуі сұйықтық тамшысының өсуінен ерекшеленеді, өйткені өсу кезінде реттелген кристалдың өсуі үшін молекулалар немесе иондар тордың дұрыс орындарына түсуі керек. Бұл ғылымға германийдің электронды формуласы сияқты көптеген қызықты жаңалықтар берген өте қызықты процесс.
Кристалдарды өсіру процесі заттың кристалдану процесінің негізгі бөлігі өтетін арнайы құрылғылар – колбалар мен торлардың арқасында жүзеге асады. Бұл құрылғылар металдармен, минералдармен және басқа да ұқсас заттармен жұмыс істейтін әрбір дерлік кәсіпорында көптеп кездеседі. Өндірісте кристалдармен жұмыс істеу барысында көптеген маңызды жаңалықтар ашылды (мысалы, жоғарыда аталған германийдің электронды формуласы).
Қорытынды
Осы мақаланың арналған әдісі қазіргі өнеркәсіптік өндіріс тарихында үлкен рөл атқарды. Оның арқасында адамдар кремнийдің және басқа да көптеген заттардың толыққанды кристалдарын жасауды үйренді. Алдымен зертханалық жағдайда, содан кейін өнеркәсіптік ауқымда. Ұлы поляк ғалымы ашқан монокристалдарды өсіру әдісі әлі де кеңінен қолданылады.
