Този процес е кръстен на изключителния полски учен и гражданин на Руската империя Ян Чохралски, който го изобретява през 1915 г. Откритието става случайно, въпреки че интересът на Чохралски към кристалите, разбира се, не е случаен, тъй като той изучава геологията много отблизо.
Заявление
Може би най-важната област на приложение на този метод е индустрията, особено тежката индустрия. В индустрията все още се използва за изкуствено кристализиране на метали и други вещества, което не може да бъде постигнато по друг начин. В това отношение методът доказа своята почти абсолютна безалтернативност и гъвкавост.
силикон
Монокристален силиций - моно-Si. Има и друго име. Силиций, отгледан по метода на Чохралски - Cz-Si. Това е силиций на Чохралски. Той е основният материал при производството на интегрални схеми, използвани в компютрите, телевизорите, мобилните телефони и всички видове електронно оборудване и полупроводникови устройства. силициеви кристалисъщо се използват в големи количества от фотоволтаичната индустрия за производството на конвенционални моно-Si слънчеви клетки. Почти перфектната кристална структура дава на силиция най-високата ефективност на преобразуване на светлина в електричество.
Топене
Полупроводниковият силиций с висока чистота (само няколко части на милион примеси) се стопява в тигел при 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), обикновено направен от кварц. Атомите на примеси на добавка като бор или фосфор могат да бъдат добавени към разтопения силиций в точни количества за легиране, като по този начин го променят в p- или n-тип силиций с различни електронни свойства. Прецизно ориентиран кристал семена на пръчка е потопен в разтопен силиций. Стъблото на семенния кристал бавно се издига нагоре и се върти в същото време. Чрез прецизен контрол на температурните градиенти, скоростта на изтегляне и скоростта на въртене, голяма монокристална заготовка може да бъде извадена от стопилката. Появата на нежелани нестабилности в стопилката може да бъде избегната чрез изследване и визуализиране на температурните и скоростните полета. Този процес обикновено се извършва в инертна атмосфера като аргон, в инертна камера като кварц.
Индустриални тънкости
Поради ефективността на общите характеристики на кристалите, полупроводниковата индустрия използва кристали със стандартизирани размери. В ранните дни техните шарчета бяха по-малки, само няколко инчаширина. С напреднала технология производителите на висококачествени устройства използват плочи с диаметър 200 мм и 300 мм. Ширината се контролира чрез прецизен контрол на температурата, скоростта на въртене и скоростта на отстраняване на държача за семена. Кристалните блокове, от които се изрязват тези плочи, могат да бъдат дълги до 2 метра и да тежат няколкостотин килограма. По-големите пластини позволяват по-добра производствена ефективност, тъй като на всяка подложка могат да се направят повече чипове, така че стабилното устройство е увеличило размера на силициевите пластини. Следващата стъпка нагоре, 450 мм, в момента се планира да бъде въведена през 2018 г. Силиконовите пластини обикновено са с дебелина около 0,2-0,75 мм и могат да бъдат полирани до голяма плоскост за създаване на интегрални схеми или текстуриране за създаване на слънчеви клетки.
Отопление
Процесът започва, когато камерата се нагрее до около 1500 градуса по Целзий, разтопявайки силиция. Когато силицийът се разтопи напълно, малък зародиш кристал, монтиран на края на въртящия се вал, бавно се спуска, докато не е под повърхността на разтопения силиций. Валът се върти обратно на часовниковата стрелка, а тигелът се върти по посока на часовниковата стрелка. След това въртящият се прът се издърпва нагоре много бавно - около 25 mm на час при производството на рубинен кристал - за да се образува приблизително цилиндрична бутилка. Булето може да бъде от един до два метра, в зависимост от количеството силиций в тигела.
Електропроводимост
Електрическите характеристики на силиция се регулират чрез добавяне на материал като фосфор или бор към него, преди да се стопи. Добавеният материал се нарича добавка, а процесът се нарича допинг. Този метод се използва и с полупроводникови материали, различни от силиций, като галиев арсенид.
Функции и предимства
Когато силиций се отглежда по метода на Чохралски, стопилката се съдържа в силициев тигел. По време на растежа стените на тигела се разтварят в стопилката и полученото вещество съдържа кислород с типична концентрация от 1018 cm-3. Кислородните примеси могат да имат благоприятни или вредни ефекти. Внимателно избраните условия на отгряване могат да доведат до образуване на кислородни отлагания. Те влияят върху улавянето на нежелани примеси от преходен метал в процес, известен като поглъщане, подобрявайки чистотата на околния силиций. Образуването на кислородни отлагания на непредвидени места обаче може също да разруши електрически структури. В допълнение, кислородните примеси могат да подобрят механичната якост на силициевите пластини чрез имобилизиране на всякакви дислокации, които могат да бъдат въведени по време на обработката на устройството. През 90-те години на миналия век беше експериментално показано, че високата концентрация на кислород също е от полза за радиационната твърдост на детекторите за силициеви частици, използвани в сурови радиационни среди (като проектите на CERN LHC/HL-LHC). Следователно, детекторите за силициева радиация, отглеждани в Чохралски, се считат за обещаващи кандидати за много бъдещи приложения.експерименти във физиката на високите енергии. Доказано е също, че присъствието на кислород в силиция увеличава усвояването на примеси в процеса на следимплантационно отгряване.
Проблеми с реакцията
Въпреки това, кислородните примеси могат да реагират с бор в осветена среда. Това води до образуването на електрически активен бор-кислороден комплекс, който намалява ефективността на клетките. Изходната мощност на модула пада с приблизително 3% през първите няколко часа на осветяване.
Концентрацията на твърди кристални примеси в резултат на обемно замръзване може да бъде получена като се вземе предвид коефициентът на сегрегация.
Отглеждане на кристали
Растежът на кристали е процес, при който вече съществуващ кристал става по-голям, тъй като броят на молекулите или йоните в техните позиции в кристалната решетка се увеличава, или разтворът се превръща в кристал и се обработва по-нататъшен растеж. Методът Чохралски е една от формите на този процес. Кристалът се дефинира като атоми, молекули или йони, подредени в подреден, повтарящ се модел, кристална решетка, която се простира през всичките три пространствени измерения. По този начин растежът на кристалите се различава от растежа на течна капка по това, че по време на растежа, молекулите или йони трябва да попаднат в правилните позиции на решетката, за да расте подреден кристал. Това е много интересен процес, който даде на науката много интересни открития, като електронната формула на германия.
Процесът на отглеждане на кристали се осъществява благодарение на специални устройства - колби и решетки, в които протича основната част от процеса на кристализация на дадено вещество. Тези устройства съществуват в голям брой в почти всяко предприятие, което работи с метали, минерали и други подобни вещества. По време на процеса на работа с кристали в производството бяха направени много важни открития (например електронната формула на германия, спомената по-горе).
Заключение
Методът, на който е посветена тази статия, е изиграл голяма роля в историята на съвременното индустриално производство. Благодарение на него хората най-накрая се научиха как да създават пълноценни кристали от силиций и много други вещества. Първо в лабораторни условия, а след това в индустриален мащаб. Методът за отглеждане на монокристали, открит от великия полски учен, все още се използва широко.
