ამ პროცესს ეწოდა გამოჩენილი პოლონელი მეცნიერისა და რუსეთის იმპერიის მოქალაქის, იან ჩოხრალსკის სახელი, რომელმაც გამოიგონა იგი ჯერ კიდევ 1915 წელს. აღმოჩენა შემთხვევით მოხდა, თუმცა ჩოხრალსკის ინტერესი კრისტალების მიმართ, რა თქმა უნდა, შემთხვევითი არ იყო, რადგან ის გეოლოგიას ძალიან მჭიდროდ სწავლობდა.
აპლიკაცია
ალბათ ამ მეთოდის გამოყენების ყველაზე მნიშვნელოვანი სფეროა ინდუსტრია, განსაკუთრებით მძიმე ინდუსტრია. მრეწველობაში მას კვლავ იყენებენ ლითონებისა და სხვა ნივთიერებების ხელოვნურად კრისტალიზაციისთვის, რისი მიღწევაც სხვა გზით შეუძლებელია. ამ მხრივ, მეთოდმა დაამტკიცა მისი თითქმის აბსოლუტური უალტერნატივობა და მრავალმხრივობა.
სილიკონი
მონოკრისტალური სილიციუმი - მონო-Si. მას სხვა სახელიც აქვს. ჩოხრალსკის მეთოდით გაზრდილი სილიციუმი - Cz-Si. ეს არის ჩოხრალსკის სილიკონი. ეს არის ძირითადი მასალა ინტეგრირებული სქემების წარმოებაში, რომელიც გამოიყენება კომპიუტერებში, ტელევიზორებში, მობილურ ტელეფონებში და ყველა სახის ელექტრონულ აღჭურვილობასა და ნახევარგამტარ მოწყობილობებში. სილიკონის კრისტალებიასევე დიდი რაოდენობით გამოიყენება ფოტოელექტრული ინდუსტრიის მიერ ჩვეულებრივი მონო-Si მზის უჯრედების წარმოებისთვის. თითქმის სრულყოფილი კრისტალური სტრუქტურა იძლევა სილიკონს სინათლის-ელექტროენერგიის გადაქცევის უმაღლეს ეფექტურობას.
დნობა
მაღალი სისუფთავის ნახევარგამტარული სილიციუმი (მხოლოდ რამდენიმე ნაწილი მილიონ მინარევებისაგან) დნება ჭურჭელში 1425 °C ტემპერატურაზე (2,597 °F, 1,698 K), ჩვეულებრივ დამზადებული კვარცისგან. დოპანტური მინარევების ატომები, როგორიცაა ბორი ან ფოსფორი, შეიძლება დაემატოს გამდნარ სილიციუმს ზუსტი რაოდენობით დოპინგისთვის, რითაც იცვლება იგი p- ან n ტიპის სილიციუმზე სხვადასხვა ელექტრონული თვისებებით. ზუსტად ორიენტირებული ღეროს თესლის კრისტალი ჩაეფლო გამდნარ სილიკონში. სათესლე ბროლის ღერო ნელ-ნელა მაღლა იწევს და ამავე დროს ბრუნავს. ტემპერატურული გრადიენტების ზუსტი კონტროლის, დახაზვის სიჩქარისა და ბრუნვის სიჩქარის მეშვეობით, დიდი ერთკრისტალური ღვეზელი შეიძლება ამოღებულ იქნეს დნობიდან. დნობის არასასურველი არასტაბილურობის აცილება შესაძლებელია ტემპერატურისა და სიჩქარის ველების შესწავლით და ვიზუალიზაციის გზით. ეს პროცესი ჩვეულებრივ ტარდება ინერტულ ატმოსფეროში, როგორიცაა არგონი, ინერტულ კამერაში, როგორიცაა კვარცი.
ინდუსტრიული დახვეწილობა
კრისტალების ზოგადი მახასიათებლების ეფექტურობის გამო, ნახევარგამტარული ინდუსტრია იყენებს კრისტალებს სტანდარტიზებული ზომებით. ადრეულ დღეებში მათი ბუჩქები უფრო პატარა იყო, მხოლოდ რამდენიმე ინჩისიგანე. მოწინავე ტექნოლოგიით, მაღალი ხარისხის მოწყობილობების მწარმოებლები იყენებენ 200 მმ და 300 მმ დიამეტრის ფირფიტებს. სიგანე კონტროლდება ზუსტი ტემპერატურის კონტროლით, ბრუნვის სიჩქარით და თესლის დამჭერის ამოღების სიჩქარით. კრისტალური ჯოხები, საიდანაც ეს ფირფიტები იჭრება, შეიძლება იყოს 2 მეტრამდე სიგრძე და იწონის რამდენიმე ასეულ კილოგრამს. უფრო დიდი ვაფლები იძლევა წარმოების უკეთეს ეფექტურობას, რადგან მეტი ჩიპის დამზადება შესაძლებელია თითოეულ ვაფლზე, ამიტომ სტაბილურმა დისკმა გაზარდა სილიკონის ვაფლის ზომა. შემდეგი ნაბიჯი, 450 მმ, ამჟამად დაგეგმილია 2018 წელს. სილიკონის ვაფლები, როგორც წესი, დაახლოებით 0,2-0,75 მმ სისქისაა და შეიძლება გაპრიალდეს დიდ სიბრტყემდე, რათა შეიქმნას ინტეგრირებული სქემები ან ტექსტურირება მზის უჯრედების შესაქმნელად.
გათბობა
პროცესი იწყება, როდესაც კამერა თბება დაახლოებით 1500 გრადუს ცელსიუსამდე, დნება სილიციუმი. როდესაც სილიციუმი მთლიანად დნება, მბრუნავი ლილვის ბოლოზე დამონტაჟებული პატარა თესლოვანი კრისტალი ნელა ეშვება, სანამ არ აღმოჩნდება გამდნარი სილიკონის ზედაპირის ქვემოთ. ლილვი ბრუნავს საათის ისრის საწინააღმდეგოდ, ხოლო ჭურჭელი საათის ისრის მიმართულებით. შემდეგ მბრუნავი ღერო იწევა ზევით ძალიან ნელა - დაახლოებით 25 მმ საათში ლალის ბროლის წარმოებისას - უხეშად ცილინდრული ბუდის წარმოქმნით. ბულე შეიძლება იყოს ერთიდან ორ მეტრამდე, რაც დამოკიდებულია ჭურჭელში არსებული სილიციუმის რაოდენობაზე.
ელექტროგამტარობა
სილიციუმის ელექტრული მახასიათებლები რეგულირდება დნობამდე მასში ისეთი მასალის დამატებით, როგორიცაა ფოსფორი ან ბორი. დამატებულ მასალას ეწოდება დოპანტი, ხოლო პროცესს - დოპინგი. ეს მეთოდი ასევე გამოიყენება ნახევარგამტარულ მასალებთან, გარდა სილიციუმის, როგორიცაა გალიუმის არსენიდი.
ფუნქციები და უპირატესობები
როდესაც სილიციუმი იზრდება ჩოხრალსკის მეთოდით, დნობა შეიცავს სილიციუმის ჭურჭელში. ზრდის დროს ჭურჭლის კედლები იხსნება დნობაში და მიღებული ნივთიერება შეიცავს ჟანგბადს ტიპიური კონცენტრაციით 1018 სმ-3. ჟანგბადის მინარევებს შეიძლება ჰქონდეს სასარგებლო ან მავნე ზემოქმედება. საგულდაგულოდ შერჩეულმა ანეილირების პირობებმა შეიძლება გამოიწვიოს ჟანგბადის დეპოზიტების წარმოქმნა. ისინი გავლენას ახდენენ არასასურველი გარდამავალი ლითონის მინარევების დაჭერაზე, რომელიც ცნობილია როგორც მოპოვება, რაც აუმჯობესებს მიმდებარე სილიკონის სისუფთავეს. თუმცა, არასასურველ ადგილებში ჟანგბადის დეპოზიტების წარმოქმნას ასევე შეუძლია გაანადგუროს ელექტრული სტრუქტურები. გარდა ამისა, ჟანგბადის მინარევებს შეუძლია გააუმჯობესოს სილიკონის ვაფლის მექანიკური სიმტკიცე ნებისმიერი დისლოკაციის იმობილიზაციის გზით, რომელიც შეიძლება მოხდეს მოწყობილობის დამუშავების დროს. 1990-იან წლებში ექსპერიმენტულად აჩვენეს, რომ ჟანგბადის მაღალი კონცენტრაცია ასევე სასარგებლოა სილიციუმის ნაწილაკების დეტექტორების რადიაციული სიმტკიცეზე, რომლებიც გამოიყენება მკაცრ რადიაციულ გარემოში (როგორიცაა CERN-ის LHC/HL-LHC პროექტები). ამიტომ, ჩოხრალსკის მიერ გაზრდილი სილიკონის გამოსხივების დეტექტორები ითვლება პერსპექტიულ კანდიდატებად მრავალი მომავალი გამოყენებისთვის.ექსპერიმენტები მაღალი ენერგიის ფიზიკაში. ასევე ნაჩვენებია, რომ სილიციუმში ჟანგბადის არსებობა ზრდის მინარევების შეწოვას პოსტიმპლანტაციის ანეილირების პროცესში.
რეაქციის პრობლემები
თუმცა, ჟანგბადის მინარევები შეიძლება რეაგირებდეს ბორთან განათებულ გარემოში. ეს იწვევს ელექტრულად აქტიური ბორი-ჟანგბადის კომპლექსის წარმოქმნას, რაც ამცირებს უჯრედების ეფექტურობას. მოდულის სიმძლავრე მცირდება დაახლოებით 3%-ით განათების პირველი რამდენიმე საათის განმავლობაში.
მოცულობითი გაყინვის შედეგად მიღებული მყარი კრისტალური მინარევების კონცენტრაცია შეიძლება მიღებულ იქნას სეგრეგაციის კოეფიციენტის გათვალისწინებით.
მზარდი კრისტალები
კრისტალური ზრდა არის პროცესი, რომლის დროსაც ადრე არსებული კრისტალი უფრო დიდი ხდება, როდესაც იზრდება მოლეკულების ან იონების რაოდენობა მათ პოზიციებზე კრისტალურ ბადეში, ან ხსნარი გადაიქცევა კრისტალად და შემდგომი ზრდა მუშავდება. ჩოხრალსკის მეთოდი ამ პროცესის ერთ-ერთი ფორმაა. კრისტალი განისაზღვრება, როგორც ატომები, მოლეკულები ან იონები, რომლებიც განლაგებულია მოწესრიგებული, განმეორებადი ნიმუშით, კრისტალური გისოსებით, რომელიც ვრცელდება სამივე სივრცულ განზომილებაში. ამრიგად, კრისტალების ზრდა განსხვავდება თხევადი წვეთების ზრდისგან იმით, რომ ზრდის დროს მოლეკულები ან იონები უნდა მოხვდნენ გისოსის სწორ პოზიციებში, რათა მოწესრიგებული კრისტალი გაიზარდოს. ეს არის ძალიან საინტერესო პროცესი, რომელმაც მეცნიერებას მრავალი საინტერესო აღმოჩენა მისცა, როგორიცაა გერმანიუმის ელექტრონული ფორმულა.
კრისტალების ზრდის პროცესი ხორციელდება სპეციალური მოწყობილობების - კოლბებისა და ბადეების წყალობით, რომლებშიც ხდება ნივთიერების კრისტალიზაციის პროცესის ძირითადი ნაწილი. ეს მოწყობილობები დიდი რაოდენობით არსებობს თითქმის ყველა საწარმოში, რომელიც მუშაობს ლითონებთან, მინერალებთან და სხვა მსგავს ნივთიერებებთან. წარმოებაში კრისტალებთან მუშაობის პროცესში გაკეთდა მრავალი მნიშვნელოვანი აღმოჩენა (მაგალითად, ზემოთ ნახსენები გერმანიუმის ელექტრონული ფორმულა).
დასკვნა
მეთოდმა, რომელსაც ეს სტატია ეძღვნება, დიდი როლი ითამაშა თანამედროვე ინდუსტრიული წარმოების ისტორიაში. მისი წყალობით ადამიანებმა საბოლოოდ ისწავლეს სილიციუმის და მრავალი სხვა ნივთიერების სრულფასოვანი კრისტალების შექმნა. ჯერ ლაბორატორიულ პირობებში, შემდეგ კი სამრეწველო მასშტაბით. დიდი პოლონელი მეცნიერის მიერ აღმოჩენილი ერთკრისტალების ზრდის მეთოდი დღემდე ფართოდ გამოიყენება.
