Mchakato huu ulipewa jina la mwanasayansi bora wa Kipolandi na raia wa Milki ya Urusi, Jan Czochralski, ambaye aliuvumbua mnamo 1915. Ugunduzi huo ulifanyika kwa bahati mbaya, ingawa nia ya Czochralski katika fuwele, bila shaka, haikuwa bahati mbaya, kwa sababu alisoma jiolojia kwa karibu sana.
Maombi
Labda eneo muhimu zaidi la utumiaji wa njia hii ni tasnia, haswa tasnia nzito. Katika tasnia, bado hutumiwa kuangazia metali na vitu vingine, ambavyo haziwezi kupatikana kwa njia nyingine yoyote. Kuhusiana na hili, mbinu imethibitisha kutokuwa kwake mbadala na matumizi mengi.
Silicon
Silicon ya monocrystalline - mono-Si. Pia ina jina lingine. Silicon iliyopandwa kwa njia ya Czochralski - Cz-Si. Hiyo ni silicon ya Czochralski. Ni nyenzo kuu katika uzalishaji wa nyaya zilizounganishwa zinazotumiwa kwenye kompyuta, televisheni, simu za mkononi na aina zote za vifaa vya umeme na vifaa vya semiconductor. fuwele za siliconpia hutumiwa kwa kiasi kikubwa na sekta ya photovoltaic kwa ajili ya uzalishaji wa seli za kawaida za jua za mono-Si. Muundo wa fuwele ulio karibu kabisa huipa silikoni ufanisi wa juu zaidi wa ubadilishaji mwanga hadi umeme.
Kuyeyuka
Silikoni ya semikondukta ya hali ya juu (sehemu chache tu kwa kila milioni ya uchafu) huyeyushwa katika bakuli la 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), kwa kawaida hutengenezwa kwa quartz. Atomu za uchafu wa Dopant kama vile boroni au fosforasi zinaweza kuongezwa kwa silikoni iliyoyeyushwa kwa viwango kamili kwa ajili ya dawa za kusisimua misuli, na hivyo kuibadilisha hadi silicon ya aina ya p- au n yenye sifa tofauti za kielektroniki. Kioo cha mbegu ya fimbo kilichoelekezwa kwa usahihi kinawekwa kwenye silicon iliyoyeyuka. Shina la kioo cha mbegu huinuka polepole na kuzunguka kwa wakati mmoja. Kupitia udhibiti sahihi wa viwango vya joto, kasi ya kuchora na kasi ya mzunguko, billet kubwa ya fuwele inaweza kuondolewa kutoka kwenye kuyeyuka. Tukio la kutokuwa na utulivu usiofaa katika kuyeyuka kunaweza kuepukwa kwa kuchunguza na kuibua maeneo ya joto na kasi. Mchakato huu kwa kawaida hufanywa katika angahewa ajizi kama vile argon, katika chumba cha ajizi kama vile quartz.
Fiche za viwanda
Kwa sababu ya ufanisi wa sifa za jumla za fuwele, tasnia ya semicondukta hutumia fuwele zilizo na saizi sanifu. Katika siku za kwanza, boules zao zilikuwa ndogo, inchi chache tuupana. Kwa teknolojia ya hali ya juu, watengenezaji wa vifaa vya ubora wa juu hutumia sahani za kipenyo cha 200mm na 300mm. Upana unadhibitiwa na udhibiti sahihi wa halijoto, kasi ya mzunguko na kasi ya kuondoa kishikiliaji cha mbegu. Ingots za fuwele ambazo sahani hizi hukatwa zinaweza kuwa na urefu wa mita 2 na uzito wa kilo mia kadhaa. Kaki kubwa zaidi huruhusu ufanisi bora wa utengenezaji kwa sababu chips zaidi zinaweza kutengenezwa kwenye kila kaki, kwa hivyo kiendeshi thabiti kimeongeza saizi ya kaki za silicon. Hatua inayofuata, 450 mm, kwa sasa imepangwa kuletwa mnamo 2018. Kaki za silicon kwa kawaida huwa na unene wa 0.2-0.75mm na zinaweza kung'olewa hadi laini kubwa ili kuunda saketi zilizounganishwa au kutuma maandishi ili kuunda seli za jua.
Kupasha joto
Mchakato huanza chemba inapopashwa joto hadi nyuzi joto 1500 hivi, na kuyeyusha silikoni. Wakati silicon inapoyeyuka kabisa, kioo kidogo cha mbegu kilichowekwa kwenye mwisho wa shimoni inayozunguka hushuka polepole hadi iko chini ya uso wa silicon iliyoyeyuka. Shaft inazunguka kinyume na saa na crucible inazunguka saa. Kisha fimbo inayozunguka huvutwa kuelekea juu polepole sana-kama milimita 25 kwa saa katika utengenezaji wa fuwele ya akiki-ili kuunda kipenyo cha takribani silinda. Boule inaweza kuwa kutoka mita moja hadi mbili, kulingana na kiasi cha silicon katika crucible.
Uendeshaji wa Umeme
Sifa za umeme za silikoni hurekebishwa kwa kuongeza nyenzo kama vile fosforasi au boroni kabla ya kuyeyuka. Nyenzo iliyoongezwa inaitwa dopant na mchakato unaitwa doping. Mbinu hii pia inatumika pamoja na nyenzo za semiconductor isipokuwa silicon, kama vile gallium arsenide.
Vipengele na Manufaa
Silicone inapokuzwa kwa mbinu ya Czochralski, kuyeyuka huwekwa kwenye chombo cha silika. Wakati wa ukuaji, kuta za crucible kufuta katika kuyeyuka, na dutu kusababisha ina oksijeni katika mkusanyiko wa kawaida wa 1018 cm-3. Uchafu wa oksijeni unaweza kuwa na madhara ya manufaa au madhara. Hali ya annealing iliyochaguliwa kwa uangalifu inaweza kusababisha uundaji wa amana za oksijeni. Zinaathiri kunasa uchafu usiohitajika wa metali ya mpito katika mchakato unaojulikana kama kupata, kuboresha usafi wa silicon inayozunguka. Hata hivyo, malezi ya amana za oksijeni katika maeneo yasiyotarajiwa yanaweza pia kuharibu miundo ya umeme. Kwa kuongezea, uchafu wa oksijeni unaweza kuboresha nguvu za kiufundi za kaki za silicon kwa kuzuia utengano wowote ambao unaweza kuletwa wakati wa kuchakata kifaa. Katika miaka ya 1990, ilionyeshwa kimajaribio kuwa ukolezi mkubwa wa oksijeni pia ni wa manufaa kwa ugumu wa mionzi ya vigunduzi vya chembe za silicon vinavyotumika katika mazingira magumu ya mionzi (kama vile miradi ya CERN's LHC/HL-LHC). Kwa hivyo, vigunduzi vya mionzi ya silicon vilivyokua vya Czochralski vinachukuliwa kuwa watahiniwa wa kuahidi kwa matumizi mengi ya siku zijazo.majaribio katika fizikia ya juu ya nishati. Imeonekana pia kuwa uwepo wa oksijeni katika silikoni huongeza uchafu katika mchakato wa kupenyeza baada ya kupandikizwa.
Matatizo ya majibu
Hata hivyo, uchafu wa oksijeni unaweza kuathiriwa na boroni katika mazingira yenye mwanga. Hii inasababisha kuundwa kwa tata ya boroni-oksijeni yenye umeme, ambayo inapunguza ufanisi wa seli. Pato la moduli hupungua kwa takriban 3% katika saa chache za kwanza za kuangaza.
Mkusanyiko thabiti wa uchafu wa fuwele unaotokana na kuganda kwa sauti unaweza kupatikana kwa kuzingatia mgawo wa kutenganisha.
Kukuza fuwele
Ukuaji wa kioo ni mchakato ambapo fuwele iliyokuwepo hapo awali inakuwa kubwa kadiri idadi ya molekuli au ayoni katika nafasi zao kwenye kimiani ya fuwele inavyoongezeka, au suluhu hubadilika kuwa fuwele na ukuaji zaidi kuchakatwa. Njia ya Czochralski ni aina moja ya mchakato huu. Fuwele hufafanuliwa kama atomi, molekuli, au ayoni zilizopangwa katika muundo uliopangwa, unaorudiwa, kimiani cha fuwele ambacho huenea kupitia vipimo vyote vitatu vya anga. Kwa hivyo, ukuaji wa fuwele hutofautiana na ukuaji wa tone la kioevu kwa kuwa wakati wa ukuaji, molekuli au ioni lazima zianguke kwenye nafasi sahihi za kimiani ili kioo kilichoagizwa kukua. Huu ni mchakato wa kuvutia sana ambao umeipa sayansi uvumbuzi mwingi wa kuvutia, kama vile fomula ya kielektroniki ya germanium.
Mchakato wa kukua fuwele unafanywa kwa shukrani kwa vifaa maalum - flasks na gratings, ambayo sehemu kuu ya mchakato wa fuwele ya dutu hufanyika. Vifaa hivi vipo kwa idadi kubwa katika karibu kila biashara inayofanya kazi na metali, madini na vitu vingine sawa. Wakati wa mchakato wa kufanya kazi na fuwele katika uzalishaji, uvumbuzi mwingi muhimu ulifanywa (kwa mfano, fomula ya kielektroniki ya germanium iliyotajwa hapo juu).
Hitimisho
Mbinu ambayo makala haya yametolewa imekuwa na jukumu kubwa katika historia ya uzalishaji wa kisasa wa viwanda. Shukrani kwake, watu hatimaye wamejifunza jinsi ya kuunda fuwele kamili za silicon na vitu vingine vingi. Kwanza katika hali ya maabara, na kisha kwa kiwango cha viwanda. Mbinu ya kukuza fuwele moja, iliyogunduliwa na mwanasayansi mkuu wa Poland, bado inatumika sana.
