طريقة تشوخرالسكي

التبلور
الأسس
بلورة البنية البلورية صلب تنوي
المفاهيم
تبلور نمو البلورات إعادة التبلور بلورة بذرة تبلور ابتدائي بلورة مفردة
الطرق والتكنولوجيا
صبة بلورية Bridgman–Stockbarger method عملية ڤان أركل–دى بور طريقة تشوخرالسكي النمو الموجـَّه Flux method تبلور جزئي تجمد جزئي Hydrothermal synthesis Kyropoulos method Laser-heated pedestal growth Micro-pulling-down Shaping processes in crystal growth Skull crucible طريقة ڤرنوي صهر مناطقي

طريقة تشوخرالسكي (إنگليزية: Czochralski method) أو تقنية تشوخرالسكي أوعملية تشوخرالسكي، هي طريقة لنمو البلورات تستخدم للحصول على بلورات أحادية لأشباه الموصلات (على سبيل المثال، السليكون، الجرمانيوم وزرنيخيد الگاليوم)، الفلزات (على سبيل المثال الپلاديوم، الپلاتين، الذهب، الفضة)، الأملاح والأحجار الكريمة الاصطناعية. سُميت الطريقة على اسم العالم الپولندي يان تشوخرالسكي، الذي اخترع الطريقة عام 1915 أثناء دراساته معدلات تبلور الفلزات. قام بالاكتشاف عن طريق الصدفة: بدلاً من غمس قلمه في الحبر، قام بغمسه في القصدير المنصهر، ورسم خيطًا من القصدير، والذي ثبت لاحقًا أنه بلورة أحادية.

قد يكون التطبيق الأكثر أهمية هو نمو سبيكة أسطوانية كبيرة، أو بلورة مخلقة، من السليكون أحادي البلورة المستخدم في صناعة الإلكترونيات لصنع النبائط مثل الدوائر المكاملة. يمكن أيضًا إنماء أشباه الموصلات الأخرى، مثل زرنيخيد الگاليوم بهذه الطريقة، على الرغم من أنه يمكن الحصول على lower defect densities في هذه الحالة باستخدام متغيرات طريقة بردج-ستوكبارگر.

لا تقتصر الطريقة على إنتاج بلورات فلزية أو شبه فلزية. على سبيل المثال، تستخدم هذه الطريقة لتصنيع بلورات الأملاح عالية النقاء، بما في ذلك المواد ذات التركيب النظيري المقيد، لاستخدامها في تجارب فيزياء الجسيمات، مع ضوابط محكمة (جزء لكل مليار قياس) على أيونات الفلزات المختلطة والمياه الممتصة أثناء التصنيع.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 التطبيقات

عادة ما يشار للسليكون أحادي البلورة (mono-Si) النامي باستخدام طريقة تشوخرالسكي باسم سليكون تشوخرالسكي أحادي البلورة (Cz-Si). وهو مادة أساسية في إنتاج الدوائر المتكاملة المستخدم في الحواسيب، التلفزيونات، الهواتف المحمولة وجميع أنواع الأجهزة الإلكترونية والنبائط. كما يستخدم السليكون أحادي البلورة بكميات كبيرة في صناعة الطاقة الضوئية لإنتاج خلايا السليكون أحادي البلورة الشمسية التقليدية. ينتج عن الهيكل البلوري شبه المثالي للسليكون أعلى كفاءة في تحويل الضوء إلى كهرباء.

 إنتاج سليكون تشوخرالسكي

بلورة سليكون نما بطريقة تشوخرالسكي.

سليكون أشباه الموصلات عالي النقاء (أجزاء قليلة فقط من المليون من الشوائب) يذوب في بوتقة عند درجة حرارة 1.425 °م، عادة يكون مصنوع من الكوارتز. يمكن إضافة ذرات الشوائب المنشطة مثل البورون أو الفوسفور إلى السليكون المصهور بكميات دقيقة إلى منشط اليليكون، وبالتالي تغييره إلى سليكون النوع-پي أو النوع إن، بخصائص إلكترونية مختلفة. تُغمس نواة التبلور المركبة على قضيب موجه بدقة في السيليكون المصهور. يُسحب قضيب نواة البلورة لأعلى ببطء وبشكل دائري في آن واحد. من خلال التحكم الدقيق في تدرجات درجة الحرارة، ومعدل السحب وسرعة الدوران، يمكن استخراج سبيكة أسطوانية كبيرة أحادية البلورة من المصهور. يمكن تجنب حدوث عدم استقرار غير مرغوب فيه في الذوبان من خلال فحص وتصور مجالات درجة الحرارة والسرعة أثناء عملية نمو البلورات. تُجرى هذه العملية عادة في جو خامل، مثل الأرگون، في غرفة خاملة، مثل الكوارتز.

 أحجام البلورات

بلورة السيليكون نامية بطريقة تشوخرالسكي في رايثيون، 1956. ملف التسخين بالحث مرئي، ونهاية البلورة تخرج للتو من الذوبان. يقوم الفني بقياس درجة الحرارة باستخدام الپيرومتر البصري. كانت البلورات التي أنتجها هذا الجهاز المبكر، والتي استخدمت في إنبات السليكون في وقت مبكر، يبلغ قطرها بوصة واحدة فقط.

نظرًا لكفاءة الحجم، غالبًا ما تستخدم صناعة أشباه الموصلات رقائق ذات أبعاد معيارية، أو مواصفات شائعة. في وقت مبكر، كانت البلورات المختلقة صغيرة، بعرض بضعة سنتيمترات. مع التكنولوجيا المتقدمة، يستخدم مصنعو الأجهزة المتطورة رقائق بقطر 200 مم و300 مم. يتم التحكم في العرض من خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة وسرعات الدوران والسرعة التي يتم بها سحب حامل النواة البلورية. يمكن أن يصل طول السبائك البلورية التي تُقطع منها الرقاقات إلى مترين، وتزن عدة مئات من الكيلوجرامات. تسمح الرقائق الأكبر بتحسين كفاءة التصنيع، حيث يمكن تصنيع المزيد من الرقائق على كل رقاقة، مع خسارة نسبية أقل، لذلك كان هناك دافع ثابت لزيادة أحجام رقائق السليكون. من المقرر حاليًا تقديم الخطوة التالية، 450 مم، عام 2018. يبلغ سمك رقائق السليكون عادة حوالي 0.2-0.75 مم، ويمكن صقلها بتسطيح كبير لصنع دوائر متكاملة أو كنسيج لصنع الخلايا الشمسية.

تبدأ العملية عندما يتم تسخين الحجرة إلى ما يقرب من 1500 درجة مئوية، مما يؤدي إلى ذوبان السليكون. عندما يذوب السليكون بالكامل، تنزل نواة بلورة صغيرة مثبتة في نهاية عمود الدوران ببطء حتى تنخفض أسفل سطح السليكون المصهور. يدور العمود عكس اتجاه عقارب الساعة وتدور البوتقة في اتجاه عقارب الساعة. بعد ذلك يُسحب القضيب الدوار لأعلى ببطء شديد - بسرعة 25 مم/الساعة تقريباً عند صنع بلورة من الياقوت—مما يسمح بتشكيل بلورة مخلقة شبه أسطوانية. يمكن أن يكون قطر البلورة من متر إلى مترين، اعتمادًا على كمية السليكون في البوتقة.

يتم التحكم في الخصائص الكهربائية للسليكون عن طريق إضافة مادة مثل الفوسفور أو البورون إلى السليكون قبل ذوبانه. المادة المضافة تسمى منشط وتسمى العملية تنشيط. تُستخدم هذه الطريقة أيضًا مع مواد أشباه الموصلات بخلاف السليكون، مثل زرنيخيد الگاليوم.

 دمج الشوائب

قضيب ساحب مع نواة بلورة لزراعة سليكون أحادي البلورة بطريقة تشوخرالسكي.

البوتقات المستخدمة في طريقة تشوخرالسكي.

بوتقة بعد استخدامها.

عندما يزرع السليكون بطريقة تشوخرالسكي، يُجرى الذوبان في بوتقة السليكا (الكوارتز). أثناء النمو، تذوب جدران البوتقة في الذوبان وبالتالي يحتوي سيليكون تشوخرالسكي على الأكسجين بتركيز نموذجي يبلغ 10 18  سم−3 . يمكن أن يكون لشوائب الأكسجين آثار مفيدة أو ضارة. يمكن أن تؤدي ظروف التلدين المختارة بعناية إلى تكوين رواسب الأكسجين. يكون لهذه العملية تأثير محاصرة شوائب الفلزات الانتقالية الغير مرغوب فيها في عملية تعرف باسم الاستئصال أو الامتصاص، مما يحسن نقاء السيليكون المحيط. ومع ذلك، فإن تكوين رواسب الأكسجينفي مواقع غير مقصودة يمكن أن يدمر أيضًا الهياكل الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لشوائب الأكسجين تحسين القوة الميكانيكية لرقائق السليكون عن طريق تجميد أي انحرافات قد قد تنتج أثناء معالجة الجهاز.

تم إثبات تجريبيًا في التسعينيات أن تركيز الأكسجين العالي مفيد أيضًا لصلابة إشعاع كواشف جسيمات السليكون المستخدمة في بيئة الإشعاع القاسية (مثل بيئة LHC/ HL-LHC). لذلك، تعتبر أجهزة الكشف عن الإشعاع المصنوعة من سليكون تشوخرالسكي-المغناطيسي وسليكون تشوخرالسكي تعتبر مرشحة واعدة للعديد من تجارب فيزياء الطاقة العالية المستقبلية. وثبت أيضًا أن وجود الأكسجين في السليكون يزيد من حبس الشوائب أثناء عمليات التلدين بعد الإنماء.

ومع ذلك، يمكن أن تتفاعل شوائب الأكسجين مع البورون في بيئة مضاءة، مثل تلك التي تتعرض لها الخلايا الشمسية. ينتج عن هذا تكوين مركب البورون-أكسجين نشط كهربائيًا ينتقص من أداء الخلية. ينخفض إنتاج الوحدة النمطية بنسبة 3% تقريبًا خلال الساعات القليلة الأولى من التعرض للضوء.

 الصيغة الرياضية

في ما يخصل التعبير الرياضي عن دمج الشوائب من الذوبان، يجب وضع التالي في الاعتبار:

يمكن الحصول على تركيز الشوائب في البلورة الصلبة الناتج عن تجميد كمية من الحجم من اعتبار معامل الفصل.

$k_{O}$: معامل الفصل

$V_{0}$: الحجم الأولي

$I_{0}$: عدد الشوائب

$C_{0}$: تركيز الشوائب في المصهور

$V_{L}$: حجم المصهور

$I_{L}$: عدد الشوائب في المصهور

$C_{L}$: تركيز الشوائب في المصهور

$V_{S}$: حجم المادة الصلبة

$C_{S}$: تركيز الشوائب في المادة الصلبة

أثناء عملية النمو، حجم الذوبان $dV$ يتجمد، وهناك شوائب من الذوبان تزول.

$dI=-k_{O}C_{L}dV\;$

$dI=-k_{O}{\frac {I_{L}}{V_{O}-V_{S}}}dV$

$\int _{I_{O}}^{I_{L}}{\frac {dI}{I_{L}}}=-k_{O}\int _{0}^{V_{S}}{\frac {dV}{V_{O}-V_{S}}}$

$\ln \left({\frac {I_{L}}{I_{O}}}\right)=\ln \left(1-{\frac {V_{S}}{V_{O}}}\right)^{k_{O}}$

$I_{L}=I_{O}\left(1-{\frac {V_{S}}{V_{O}}}\right)^{k_{O}}$

$C_{S}=-{\frac {dI_{L}}{dV_{S}}}$

$C_{S}=C_{O}k_{O}(1-f)^{k_{o}-1}$

$f=V_{S}/V_{O}\;$

 انظر أيضاً

• سليكون المنطقة العائمة

 وصلات خارجية

• Czochralski doping process
• Silicon Wafer Processing Animation at YouTube