موضوع مقاله: فرایند چکرالسکی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # فرایند چکرالسکی | مقدمه: پیوند= میله کش با کریستال بذر برای رشد سیلیکون تک کریستالی به روش چوکرالسکی فرایند چُکرالِسکی اولین بار در سال ۱۹۱۸ توسط یان چکرالسکی (۱۸۸۵–۱۹۵۳) که یک متالورژیست لهستانی بود، ابداع شد.Nishinaga, T. | ## بخش 1: فرایند چکرالسکی | چکرالسکی این فرایند را به‌طور اتفاقی در سال ۱۹۱۵ درحالی‌که روی سرعت تبلور فلزات تحقیق می‌کرد، ابداع کرد. doi:10.1016/S0022-0248(01)02195-9 در این سال برای اولین بار تک‌بلوری استوانه‌ای شکل به قطر ۲ سانتی‌متر و طول ۳۰ سانتی‌متر از NaCl با فرایند چکرالسکی به دست آمد. برای تولید این تک‌بلور علاوه برکشیدن مداوم و آهسته بلور با سرعت ۵ سانتی‌متر در ساعت، بلور را با سرعت ۱۰ دور در دقیقه می‌چرخاندند. با ظهور ترانزیستورها در دهه ۵۰ میلادی، نیاز به تولید تک‌بلورهای نیم‌رساناها افزایش یافت. با توجه به خواص بهتر سیلیسیم به‌عنوان نیم‌رسانا، تلاش‌ها برای تولید تک‌بلورهای سیلیسیم آغاز شد. هرچند به علت دمای ذوب بالاتر و واکنش پذیری بیشتر، تولید تک بلور سیلیسیم سخت‌تر است. باگذشت زمان بهبودهایی در فرایند به وجود آمد که عبارت‌اند از: یک تک بلور کوچک برای مشخص کردن جهت بلور استفاده شد. مزیت فرایند چکرالسکی با توجه به تغییرات ایجاد شده فرایند چکرالسکی به متداول‌ترین فرایند تولید تک بلور در صنعت تبدیل شده‌است. از مزایای این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: کیفیت بلوری بالایی قابل‌دستیابی است. چرخش بلور باعث می‌شود که ناخالصی‌های اضافه‌شده به مذاب، به‌طور یکنواخت در ساختار بلور پخش شوند. مراحل فرایند مواردی که در طی فرایند باید به آن‌ها توجه کرد عبارت‌اند از: تعادل حرارتی و سرعت رشد میزان رشد سطح در تماس بلور و مذاب با سرعت بالا کشیدن بلور کنترل می‌شود. اگر شرایط طوری باشد که بلور استوانه‌ای رشد کند، سرعت رشد بلور برابر خواهد بود با سرعت بالا کشیدن بلور به اضافه سرعت پایین رفتن سطح مذاب. می‌توان نشان داد که سرعت رشد بلور از رابطه زیر به دست می‌آید: در رابطه بالا چگالی مذاب و چگالی بلور، R شعاع ظرف مذاب و r شعاع بلور می‌باشد. | ## بخش 2: فرایند چکرالسکی | برای مثال برای ماده‌ای که چگالی مذاب و بلور برابر داشته باشد، اگر شعاع ظرف مذاب دو برابر شعاع بلور باشد، سرعت رشد بلور ۳۳٪ بیشتر از سرعت بالا کشیدن بلور خواهد بود. بدین صورت که نرخ انتقال حرارت با نرخ حرارت آزادشده ناشی از تشکیل بلور برابر باشد؛ بنابراین رشد بلور از قبل با انتخاب سرعت بالا کشیدن و نسبت شعاع ظرف مذاب به بلور انتخاب و رشد شعاعی بلور استوانه‌ای نیز با کنترل انتقال حرارت در سطح تماس تعیین می‌شود. سطح تماس بلور با مذاب در سطح تماس بلور با مذاب، به علت نیروی چسبندگی سطح، سطح هلالی شکل تشکیل می‌شود. زاویه تماس مذاب با بلور تعیین‌کننده شکل بلور و ارتفاع خیس شده بلور تعیین‌کننده به شرایط حرارتی بستگی دارد. بدون چرخش، بلور به‌سرعت در جهاتی رشد می‌کند که انتقال حرارت از مذاب به بلور کمترین باشد؛ لذا اگر کوره ذوب، توزیع حرارتی متقارنی حول محور بلور ایجاد نکند، بلور به شکل نامتقارن و غیردایروی رشد می‌کند. اثر دوم چرخش بلور در توزیع یکنواخت ناخالصی‌های محلول در مذاب در ساختار بلور است. بدون چرخش بلور، توزیع ناخالصی‌ها در بلور فقط به جریان‌های همرفتی موجود در مذاب بستگی خواهد داشت. همانند قبل اگر توزیع دما در مذاب حول محور بلور متقارن نباشد، ناخالصی‌ها نیز به‌طور غیریکنواخت توزیع خواهند شد. علاوه بر چرخش بلور، از چرخش ظرف مذاب در تولید صنعتی بلور سیلیسیم استفاده می‌شود. به علت ساختار عالی بلوری، این ماده دارای بازده تبدیل بسیار بالایی برای تبدیل نور به الکتریسیته دارد که این خاصیت سبب می‌شود از آن به وفور برای تولید سلول خورشیدی استفاده گردد. تولید Cz-Si برای تولید Cz-Si، سیلیسیم با درجه خلوص بسیار بالا (تنها دارای چند قسمت در هزار قسمت ناخالصی) را در بوتهٔ آهنگری کوارتزی تا دمای ۱۴۲۵ درجهٔ سانتی گراد گرم می‌کنند (دمای ذوب سیلیسیم ۱۴۱۴ درجه سانتی گراد می‌باشد) سپس آن را تا نزدیکی دمای انجماد سرد می‌کنند و در آن دما نگه می‌دارند. برای تولید نیم‌رساناهای مختلف باید عناصر دیگری مانند بور یا فسفر به سیلیسیم اضافه گردد تا نیم‌رساناهای نوع ان یا پی تولید گردد بدین منظور بعد از ذوب کردن سیلیسیم مقدار بسیار دقیقی از این مواد را به سیلیسیم ذوب شده اضافه می‌کنند. با کنترل دقیق دما و سرعت بالا کشیدن تک بلور اولیه و چرخیدن آن می‌توان یک تک بلور بزرگ را بدست آورد. | ## بخش 3: فرایند چکرالسکی | در صورت وجود نا متعادل بودن غیرعادی فرایند، رشد تک بلور را می‌توان با رصد فرایند در حین پروسهٔ آن و پیش‌بینی حرکت مذاب کنترل کرد. این فرایند معمولاً در محیطی خنثی انجام می‌گیرد (در محیطی که فضای آن را گازهای خنثی نظیر آرگون پر کرده و بوته کوارتزی که اثری در فرایند نمی‌گذارد. متخصص مربوطه با دستگاه پیرومتر درحال اندازه‌گیری دما است.با توجه به بازده بالا، صفحه‌ها ی تک بلور به‌طور گسترده در صنایع الکتریکی استفاده می‌شوند. امروزه با توجه به پیشرفت صنایع الکتریکی این صفحات در اندازه در ضخامت‌های استاندارد تولید می‌شوند. برای ساخت صفحات تک بلور از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود اما به‌طور گسترده از روش چکرالسکی استفاده می‌شود. در این روش ابتدا مخزن حاوی سیلیسیم تا دمای ۱۴۲۵ درجهٔ سانتی گراد گرم می‌شود سپس یک تک بلور کوچک ساخته شده (هستهٔ تک بلور) به آرامی به مذاب ایجاد شده نزدیک می‌شود و پس از برقراری تماس در حین چرخیدن با سرعت کنترل شده به بالا کشیده می‌شود (حدود ۲۵ میلی‌متر در ساعت). برای تولید نیم‌رساناهای مختلف امکان دارد به مذاب مقدار مشخصی فسفر یا بور زده می‌شود. هر چقدر قطر ساخته شده بیشتر باشد یعنی از فرایند پیشرفته تری برای ساخت آن استفاده شده‌است. بعد ساخت استوانه این استوانه به محل دیگری رفته و به ضخامت‌های استاندارد بریده می‌شود و صفحات ساخته می‌شود. کاربرد گسترده روش از موادی چون بیسموت با دمای ذوب ۲۷۱ درجه سانتی‌گراد تا اکسیدهای دیرگداز با دماهای ذوب بالای ۲۵۰۰ درجه سانتی‌گراد، نیازمند گستره‌ای از تجهیزات مختلف است، هرچند اصول روش برای همه مواد یکسان است. بوته‌های مورد استفاده باید با ماده مذاب واکنش ندهند؛ بنابراین با توجه به ماده مذاب، بوته‌های مختلف استفاده می‌شود. برای عملیات ارزان‌قیمت از المنت‌های حرارتی جریان بالا با ولتاژ پایین استفاده می‌شود. امروزه بلورهای با قطر بیش از ۳۰۰ میلی‌متر و طول بیش از ۲ متر از جنس سیلیسیم درست می‌شود. | ## جمع‌بندی | این استوانه‌های تک‌بلور به‌صورت ویفرهایی با ضخامت‌های کمتر از یک میلی‌متر برش خورده و در ساخت تراشه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.