Այս գործընթացը կոչվել է ականավոր լեհ գիտնական և Ռուսական կայսրության քաղաքացի Յան Չոխրալսկու անունով, ով այն հորինել է դեռևս 1915 թվականին։ Բացահայտումը պատահաբար տեղի ունեցավ, թեև Չոխրալսկու հետաքրքրությունը բյուրեղների նկատմամբ, իհարկե, պատահական չէր, քանի որ նա շատ ուշադիր ուսումնասիրում էր երկրաբանությունը։
Դիմում
Այս մեթոդի կիրառման ամենակարևոր ոլորտը, թերևս, արդյունաբերությունն է, հատկապես ծանր արդյունաբերությունը: Արդյունաբերության մեջ այն դեռ օգտագործվում է մետաղների և այլ նյութերի արհեստական բյուրեղացման համար, ինչին այլ կերպ հնարավոր չէ հասնել։ Այս առումով մեթոդն ապացուցել է իր գրեթե բացարձակ ոչ այլընտրանքային լինելն ու բազմակողմանիությունը։
Սիլիկոն
Միաբյուրեղային սիլիցիում - մոնո-Si. Այն ունի նաև մեկ այլ անուն. Czochralski մեթոդով աճեցված սիլիցիում - Cz-Si: Դա Չոխրալսկու սիլիցիումն է։ Այն համակարգիչների, հեռուստացույցների, բջջային հեռախոսների և բոլոր տեսակի էլեկտրոնային սարքավորումների և կիսահաղորդչային սարքերի մեջ օգտագործվող ինտեգրալ սխեմաների արտադրության հիմնական նյութն է: սիլիցիումի բյուրեղներմեծ քանակությամբ օգտագործվում են նաև ֆոտոգալվանային արդյունաբերության կողմից սովորական մոնո-Si արևային բջիջների արտադրության համար: Գրեթե կատարյալ բյուրեղային կառուցվածքը սիլիցիումին տալիս է լույսից էլեկտրականության փոխակերպման ամենաբարձր արդյունավետությունը:
Հալում
Բարձր մաքրության կիսահաղորդչային սիլիցիում (միայն մի քանի մասեր մեկ միլիոն կեղտերի համար) հալեցնում են խառնարանում 1425 °C (2,597 °F, 1,698 Կ) ջերմաստիճանում, որը սովորաբար պատրաստված է քվարցից: Դոպինգային կեղտոտ ատոմները, ինչպիսիք են բորը կամ ֆոսֆորը, կարող են ավելացվել հալած սիլիցիումին դոպինգի համար ճշգրիտ քանակությամբ, դրանով իսկ փոխելով այն p- կամ n-տիպի սիլիցիումի տարբեր էլեկտրոնային հատկություններով: Ճշգրիտ կողմնորոշված ձողերի սերմերի բյուրեղը ընկղմված է հալված սիլիցիումի մեջ: Սերմերի բյուրեղի ցողունը դանդաղորեն բարձրանում է վերև և միաժամանակ պտտվում: Ջերմաստիճանի գրադիենտների ճշգրիտ վերահսկման, գծման արագության և պտտման արագության միջոցով հալոցքից կարելի է հանել մեծ մեկ բյուրեղյա բլիթ: Հալոցքում անցանկալի անկայունությունների առաջացումից կարելի է խուսափել ջերմաստիճանի և արագության դաշտերը ուսումնասիրելով և պատկերացնելով: Այս գործընթացը սովորաբար իրականացվում է իներտ մթնոլորտում, ինչպիսին է արգոնը, իներտ խցիկում, ինչպիսին է քվարցը:
Արդյունաբերական նրբություններ
Բյուրեղների ընդհանուր բնութագրերի արդյունավետության պատճառով կիսահաղորդչային արդյունաբերությունը օգտագործում է ստանդարտացված չափսերով բյուրեղներ: Վաղ օրերում նրանց կոճղերը ավելի փոքր էին, ընդամենը մի քանի դյույմլայնությունը։ Առաջատար տեխնոլոգիաների շնորհիվ բարձրորակ սարքեր արտադրողներն օգտագործում են 200 մմ և 300 մմ տրամագծով թիթեղներ: Լայնությունը վերահսկվում է ջերմաստիճանի ճշգրիտ հսկողության, պտտման արագության և սերմերի պահոցի հեռացման արագության միջոցով: Բյուրեղային ձուլակտորները, որոնցից կտրված են այս թիթեղները, կարող են ունենալ մինչև 2 մետր երկարություն և մի քանի հարյուր կիլոգրամ քաշ: Ավելի մեծ վաֆլիները թույլ են տալիս արտադրության ավելի լավ արդյունավետություն, քանի որ յուրաքանչյուր վաֆլի վրա կարելի է ավելի շատ չիպսեր պատրաստել, ուստի կայուն սկավառակը մեծացրել է սիլիկոնային վաֆլիների չափերը: Հաջորդ քայլը՝ 450 մմ, ներկայումս նախատեսվում է ներդնել 2018 թվականին։ Սիլիկոնային վաֆլիները սովորաբար ունեն մոտ 0,2-0,75 մմ հաստություն և կարող են փայլեցվել մինչև մեծ հարթություն՝ ստեղծելու ինտեգրալ սխեմաներ կամ հյուսվածք՝ արևային մարտկոցներ ստեղծելու համար:
Ջեռուցում
Գործընթացը սկսվում է, երբ խցիկը տաքացվում է մոտ 1500 աստիճան Ցելսիուսի ջերմաստիճանում՝ հալեցնելով սիլիցիումը: Երբ սիլիցիումն ամբողջությամբ հալվում է, պտտվող լիսեռի վերջում տեղադրված փոքրիկ սերմացու բյուրեղը դանդաղորեն իջնում է մինչև հալված սիլիցիումի մակերևույթից ներքև: Լիսեռը պտտվում է ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ, իսկ խառնարանը՝ ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ: Այնուհետև պտտվող ձողը ձգվում է դեպի վեր՝ շատ դանդաղ՝ մոտ 25 մմ/ժ արագությամբ՝ ռուբինի բյուրեղի արտադրության ժամանակ, որպեսզի ձևավորվի մոտավորապես գլանաձև բուլկի: Բուլը կարող է լինել մեկից երկու մետր՝ կախված խառնարանում սիլիցիումի քանակից։
Էլեկտրական հաղորդունակություն
Սիլիցիումի էլեկտրական բնութագրերը ճշգրտվում են՝ նախքան այն հալվելը, դրան ավելացնելով այնպիսի նյութ, ինչպիսին է ֆոսֆորը կամ բորը: Ավելացված նյութը կոչվում է դոպանտ, իսկ գործընթացը՝ դոպինգ: Այս մեթոդը կիրառվում է նաև կիսահաղորդչային այլ նյութերի հետ, բացի սիլիցիումից, օրինակ՝ գալիումի արսենիդը։
Առանձնահատկություններ և առավելություններ
Երբ սիլիցիումը աճեցվում է Չոխրալսկու մեթոդով, հալվածը պարունակվում է սիլիցիումի կարասի մեջ: Աճման ընթացքում խառնարանի պատերը լուծվում են հալոցքի մեջ, և ստացված նյութը պարունակում է թթվածին 1018 սմ-3 բնորոշ կոնցենտրացիայով։ Թթվածնային կեղտը կարող է ունենալ օգտակար կամ վնասակար ազդեցություն: Զգուշորեն ընտրված հալման պայմանները կարող են հանգեցնել թթվածնի նստվածքների առաջացմանը: Դրանք ազդում են անցումային մետաղի անցանկալի կեղտերի ներգրավման վրա՝ որպես ստացում, բարելավելով շրջակա սիլիցիումի մաքրությունը: Այնուամենայնիվ, չնախատեսված վայրերում թթվածնի նստվածքների ձևավորումը կարող է նաև ոչնչացնել էլեկտրական կառույցները: Բացի այդ, թթվածնային կեղտերը կարող են բարելավել սիլիցիումային վաֆլիների մեխանիկական ամրությունը՝ անշարժացնելով ցանկացած տեղահանում, որը կարող է առաջանալ սարքի մշակման ընթացքում: 1990-ականներին փորձնականորեն ցույց տվեցին, որ թթվածնի բարձր կոնցենտրացիան նույնպես օգտակար է սիլիցիումի մասնիկների դետեկտորների ճառագայթման կարծրության համար, որոնք օգտագործվում են կոշտ ճառագայթման միջավայրերում (օրինակ՝ CERN-ի LHC/HL-LHC նախագծերը): Հետևաբար, Չոխրալսկու կողմից աճեցված սիլիցիումի ճառագայթման դետեկտորները համարվում են հեռանկարային թեկնածուներ շատ ապագա կիրառությունների համար:փորձեր բարձր էներգիայի ֆիզիկայում: Ցույց է տրվել նաև, որ սիլիցիումի մեջ թթվածնի առկայությունը մեծացնում է կեղտերի կլանումը հետիմպլանտացիայի եռացման գործընթացում:
Արձագանքման խնդիրներ
Սակայն, թթվածնային կեղտը կարող է արձագանքել բորի հետ լուսավորված միջավայրում: Սա հանգեցնում է էլեկտրական ակտիվ բոր-թթվածնային համալիրի առաջացմանը, որը նվազեցնում է բջիջների արդյունավետությունը։ Լուսավորման առաջին մի քանի ժամվա ընթացքում մոդուլի թողունակությունը նվազում է մոտավորապես 3%-ով:
Ծավալային սառեցման արդյունքում առաջացող պինդ բյուրեղային խառնուրդի կոնցենտրացիան կարելի է ձեռք բերել տարանջատման գործակիցը հաշվի առնելով:
Աճող բյուրեղներ
Բյուրեղների աճը գործընթաց է, երբ նախապես գոյություն ունեցող բյուրեղը մեծանում է, քանի որ բյուրեղային ցանցում իրենց դիրքերում գտնվող մոլեկուլների կամ իոնների թիվը մեծանում է, կամ լուծույթը վերածվում է բյուրեղի, և հետագա աճը մշակվում է: Չոխրալսկու մեթոդը այս գործընթացի ձևերից մեկն է: Բյուրեղը սահմանվում է որպես ատոմներ, մոլեկուլներ կամ իոններ, որոնք դասավորված են հերթական, կրկնվող օրինակով, բյուրեղային ցանց, որը տարածվում է բոլոր երեք տարածական չափերի միջով: Այսպիսով, բյուրեղների աճը տարբերվում է հեղուկ կաթիլի աճից նրանով, որ աճի ընթացքում մոլեկուլները կամ իոնները պետք է ընկնեն ցանցի ճիշտ դիրքերում, որպեսզի պատվիրված բյուրեղը աճի: Սա շատ հետաքրքիր գործընթաց է, որը գիտությանը բազմաթիվ հետաքրքիր բացահայտումներ է տվել, օրինակ՝ գերմանիումի էլեկտրոնային բանաձևը։
Բյուրեղների աճեցման գործընթացն իրականացվում է հատուկ սարքերի՝ կոլբայի և վանդակաճաղերի շնորհիվ, որոնցում տեղի է ունենում նյութի բյուրեղացման գործընթացի հիմնական մասը։ Այս սարքերը մեծ քանակությամբ գոյություն ունեն գրեթե բոլոր ձեռնարկություններում, որոնք աշխատում են մետաղների, հանքանյութերի և նմանատիպ այլ նյութերի հետ: Արտադրության մեջ բյուրեղների հետ աշխատելու ընթացքում բազմաթիվ կարևոր բացահայտումներ են արվել (օրինակ՝ վերը նշված գերմանիումի էլեկտրոնային բանաձևը):
Եզրակացություն
Մեթոդը, որին նվիրված է այս հոդվածը, մեծ դեր է խաղացել ժամանակակից արդյունաբերական արտադրության պատմության մեջ։ Նրա շնորհիվ մարդիկ վերջապես սովորեցին, թե ինչպես ստեղծել սիլիցիումի և բազմաթիվ այլ նյութերի լիարժեք բյուրեղներ։ Նախ լաբորատոր պայմաններում, իսկ հետո՝ արդյունաբերական մասշտաբով։ Լեհ մեծ գիտնականի կողմից հայտնաբերված միաբյուրեղների աճեցման մեթոդը դեռ լայնորեն կիրառվում է։
