תהליך זה נקרא על שמו של המדען והאזרח הפולני המצטיין של האימפריה הרוסית, יאן צ'וקרלסקי, שהמציא אותו עוד ב-1915. הגילוי קרה במקרה, אם כי העניין של צ'וקרלסקי בקריסטלים, כמובן, לא היה מקרי, כי הוא למד גיאולוגיה מקרוב.
Application
אולי תחום היישום החשוב ביותר של שיטה זו הוא התעשייה, במיוחד התעשייה הכבדה. בתעשייה עדיין משתמשים בו לגיבוש מלאכותי של מתכות וחומרים אחרים, שלא ניתן להשיגם בשום דרך אחרת. בהקשר זה, השיטה הוכיחה את אי-אלטרנטיביות ורבגוניות כמעט מוחלטת שלה.
סיליקון
סיליקון מונו-גבישי - מונו-Si. יש לזה גם שם אחר. סיליקון הגדל בשיטת צ'וקרלסקי - Cz-Si. זה סיליקון צ'וקרלסקי. זהו החומר העיקרי בייצור מעגלים משולבים המשמשים במחשבים, טלוויזיות, טלפונים ניידים וכל סוגי הציוד האלקטרוני והתקני מוליכים למחצה. גבישי סיליקוןמשמשים גם בכמויות גדולות על ידי התעשייה הפוטו-וולטאית לייצור תאים סולאריים מונו-Si קונבנציונליים. מבנה הגביש כמעט מושלם נותן לסיליקון את יעילות ההמרה הגבוהה ביותר של אור לחשמל.
נמס
סיליקון מוליכים למחצה בטוהר גבוה (רק כמה חלקים למיליון של זיהומים) מומס בכור היתוך ב-1425 מעלות צלזיוס (2.597 מעלות פרנהייט, 1.698 K), עשוי בדרך כלל מקוורץ. ניתן להוסיף לסיליקון מותך אטומי זיהומים מטילים כגון בורון או זרחן בכמויות מדויקות לצורך סימום, ובכך לשנות אותו לסיליקון מסוג p או n בעל תכונות אלקטרוניות שונות. גביש זרעי מוט בכיוון מדויק טבול בסיליקון מותך. גבעול גביש הזרע עולה לאט ומסתובב בו זמנית. באמצעות שליטה מדויקת על שיפוע הטמפרטורה, מהירות המשיכה ומהירות הסיבוב, ניתן להסיר בילט גביש יחיד גדול מההמסה. ניתן למנוע את התרחשותן של אי יציבות בלתי רצויה בהמסה על ידי בדיקה והדמיה של שדות הטמפרטורה והמהירות. תהליך זה מתבצע בדרך כלל באווירה אינרטית כגון ארגון, בתא אינרטי כגון קוורץ.
דקויות תעשייתיות
בגלל היעילות של המאפיינים הכלליים של גבישים, תעשיית המוליכים למחצה משתמשת בקריסטלים עם גדלים סטנדרטיים. בימים הראשונים, הכדורים שלהם היו קטנים יותר, רק כמה סנטימטריםרוֹחַב. עם טכנולוגיה מתקדמת, יצרני מכשירים באיכות גבוהה משתמשים בלוחות בקוטר 200 מ"מ ו-300 מ"מ. הרוחב נשלט על ידי בקרת טמפרטורה מדויקת, מהירות סיבוב ומהירות הסרת מחזיק זרעים. המטילים הגבישיים מהם נחתכים הלוחות הללו יכולים להיות באורך של עד 2 מטרים ומשקלם של כמה מאות קילוגרמים. פרוסות גדולות יותר מאפשרות יעילות ייצור טובה יותר מכיוון שניתן לייצר יותר שבבים על כל רקיק, כך שהכונן היציב הגדיל את גודל פרוסות הסיליקון. השלב הבא למעלה, 450 מ"מ, אמור להיות מוצג כעת ב-2018. פרוסות סיליקון הן בדרך כלל בעובי של כ-0.2-0.75 מ"מ וניתן ללטש אותן לשטיחות גדולה כדי ליצור מעגלים משולבים או טקסטורה ליצירת תאים סולאריים.
חימום
התהליך מתחיל כאשר החדר מחומם לכ-1500 מעלות צלזיוס, וממיס את הסיליקון. כאשר הסיליקון נמס לחלוטין, גביש זרע קטן המותקן על קצה הציר המסתובב יורד באיטיות עד שהוא מתחת לפני השטח של הסיליקון המותך. הציר מסתובב נגד כיוון השעון וכור ההיתוך מסתובב בכיוון השעון. לאחר מכן, המוט המסתובב נמשך כלפי מעלה באיטיות רבה - כ-25 מ מ לשעה בייצור גביש אודם - ליצירת כדור גלילי בערך. הבול יכול להיות ממטר אחד עד שניים, תלוי בכמות הסיליקון בכור ההיתוך.
מוליכות חשמלית
המאפיינים החשמליים של הסיליקון מותאמים על ידי הוספת חומר כמו זרחן או בורון אליו לפני המסתו. החומר המוסף נקרא דופנט והתהליך נקרא סימום. שיטה זו משמשת גם עם חומרים מוליכים למחצה שאינם סיליקון, כגון גליום ארסניד.
תכונות והטבות
כאשר מגדלים סיליקון בשיטת צ'וקרלסקי, ההיתוך כלול בכור סיליקה. במהלך הגידול, דפנות כור ההיתוך מתמוססים בהמסה, והחומר המתקבל מכיל חמצן בריכוז אופייני של 1018 ס מ-3. לזיהומי חמצן יכולים להיות השפעות מועילות או מזיקות. תנאי חישול שנבחרו בקפידה יכולים להוביל להיווצרות משקעי חמצן. הם משפיעים על לכידת זיהומי מתכת מעבר בלתי רצויים בתהליך המכונה גטרינג, ומשפרים את הטוהר של הסיליקון שמסביב. עם זאת, היווצרות משקעי חמצן במקומות לא מתוכננים יכולה גם להרוס מבנים חשמליים. בנוסף, זיהומי חמצן יכולים לשפר את החוזק המכני של פרוסות סיליקון על ידי השבתה של כל נקעים שעלולים להיות מוכנסים במהלך עיבוד המכשיר. בשנות ה-90, הוכח בניסוי שריכוז חמצן גבוה מועיל גם לקשיות הקרינה של גלאי חלקיקי סיליקון המשמשים בסביבות קרינה קשות (כגון פרויקטי LHC/HL-LHC של CERN). לכן, גלאי קרינת סיליקון שגודלו בצ'וקרלסקי נחשבים למועמדים מבטיחים ליישומים עתידיים רבים.ניסויים בפיזיקה של אנרגיה גבוהה. כמו כן, הוכח שנוכחות חמצן בסיליקון מגבירה את ספיגת הטומאה בתהליך החישול שלאחר ההשתלה.
בעיות תגובה
עם זאת, זיהומי חמצן יכולים להגיב עם בורון בסביבה מוארת. זה מוביל להיווצרות קומפלקס בורון-חמצן פעיל חשמלית, המפחית את יעילות התאים. תפוקת המודול יורדת בכ-3% במהלך השעות הראשונות של הארה.
ניתן לקבל את ריכוז הלכלוך הגביש המוצק הנובע מהקפאת הנפח מתוך התחשבות במקדם ההפרדה.
צומח גבישים
צמיחת גבישים היא תהליך שבו גביש קיים הופך גדול יותר ככל שמספר המולקולות או היונים במיקומים שלהם בסריג הגביש גדל, או שתמיסה הופכת לגביש וגידול נוסף מעובד. שיטת צ'וקרלסקי היא צורה אחת של תהליך זה. גביש מוגדר כאטומים, מולקולות או יונים המסודרים בתבנית מסודרת שחוזרת על עצמה, סריג גביש המשתרע דרך כל שלושת הממדים המרחביים. לפיכך, צמיחת הגבישים שונה מצמיחת טיפת נוזל בכך שבמהלך הצמיחה, מולקולות או יונים צריכות ליפול למיקומים הנכונים של הסריג על מנת שגביש מסודר יצמח. זהו תהליך מעניין מאוד שהעניק למדע תגליות מעניינות רבות, כמו הנוסחה האלקטרונית של גרמניום.
תהליך גידול הגבישים מתבצע הודות למכשירים מיוחדים - צלוחיות וסורגים, בהם מתרחש עיקר תהליך ההתגבשות של חומר. מכשירים אלו קיימים בכמות גדולה כמעט בכל מפעל שעובד עם מתכות, מינרלים וחומרים דומים אחרים. במהלך תהליך העבודה עם גבישים בייצור, התגלו תגליות חשובות רבות (לדוגמה, הנוסחה האלקטרונית של גרמניום שהוזכרה לעיל).
מסקנה
השיטה לה מוקדש מאמר זה מילאה תפקיד גדול בהיסטוריה של הייצור התעשייתי המודרני. הודות לו, אנשים למדו סוף סוף איך ליצור גבישים מלאים של סיליקון וחומרים רבים אחרים. תחילה בתנאי מעבדה, ולאחר מכן בקנה מידה תעשייתי. השיטה של גידול גבישים בודדים, שהתגלתה על ידי המדען הפולני הגדול, נמצאת עדיין בשימוש נרחב.
