طريقة تشوخرالسكي

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة

طريقة تشوخرالسكي ، أو تقنية تشوخرالسكي ، أو عملية تشوخرالسكي ، هي طريقة لنمو البلورات تُستخدم للحصول على بلورات أحادية من أشباه الموصلات (مثل السيليكون ، والجرمانيوم، وأرسينيد الغاليوم )، والمعادن (مثل البلاديوم ، والبلاتين، والفضة، والذهب)، والأملاح، والأحجار الكريمة الاصطناعية . سُميت هذه الطريقة نسبةً إلى العالم البولندي يان تشوخرالسكي ، [ 1 ] الذي اخترعها عام 1915 أثناء دراسته لمعدلات تبلور المعادن. [ 2 ] وقد توصل إلى هذا الاكتشاف بالصدفة: فبدلاً من غمس قلمه في محبرته، غمسه في القصدير المنصهر ، فرسم خيطًا من القصدير، والذي ثبت لاحقًا أنه بلورة أحادية . [ 3 ] ولا تزال هذه العملية ذات أهمية اقتصادية، إذ يستخدم ما يقارب 90% من جميع أجهزة أشباه الموصلات الحديثة موادًا مُشتقة من هذه الطريقة. [ 4 ]

لعلّ أهمّ تطبيقات هذه التقنية هو إنتاج سبائك أسطوانية كبيرة ، أو كتل ، من السيليكون أحادي البلورة ، المستخدمة في صناعة الإلكترونيات لتصنيع أشباه الموصلات، مثل الدوائر المتكاملة . ويمكن أيضاً إنتاج أشباه موصلات أخرى، مثل زرنيخيد الغاليوم ، بهذه الطريقة، مع إمكانية الحصول على كثافة عيوب أقلّ باستخدام طرق معدّلة من طريقة بريدجمان-ستوكبارجر . أما أشباه الموصلات الأخرى، مثل كربيد السيليكون، فتُنتج باستخدام طرق أخرى، مثل النقل الفيزيائي للبخار . [ 5 ]

لا تقتصر هذه الطريقة على إنتاج بلورات المعادن أو أشباه المعادن . فعلى سبيل المثال، تُستخدم لتصنيع بلورات أملاح عالية النقاء، بما في ذلك مواد ذات تركيب نظائري مُتحكم به، لاستخدامها في تجارب فيزياء الجسيمات، مع ضوابط دقيقة (قياسات أجزاء في المليار) على أيونات المعادن المتداخلة والماء الممتص أثناء التصنيع. [ 6 ]

تاريخ

التطورات المبكرة (1915-1930)

ابتكر الكيميائي البولندي يان تشوخرالسكي طريقته عام 1916 في شركة AEG بألمانيا أثناء دراسته لسرعات تبلور المعادن. [ 2 ] شكلت تقنيته، التي نُشرت لأول مرة عام 1918، الأساس لنمو البلورات الأحادية عن طريق سحب المادة من المصهور. وحتى عام 1923، اقتصرت التعديلات على هذه الطريقة بشكل رئيسي على مجموعات بحثية في برلين. [ 7 ]

بعد ذلك بوقت قصير، في عام 1925، قام فريق إي بي تي تيندال في جامعة أيوا بتنمية بلورات الزنك باستخدام طريقة تشوخرالسكي لما يقرب من عقد من الزمان؛ وصلت هذه البلورات المبكرة إلى أقصى أقطار تبلغ حوالي 3.5 ملم وأطوال تصل إلى 35 سم.

اكتمل تطوير العملية الأساسية عام ١٩٣٧ على يد هنري والتر في مختبرات بيل للهواتف . [ ٨ ] أدخل والتر تقنية دوران البلورات، وهي تقنية تعوض عن عدم التماثل الحراري، وطبّق نظام تبريد ديناميكي عبر تيار غاز قابل للتعديل. مكّنت ابتكاراته من التحكم الدقيق في شكل البلورات وقطرها، وسمحت بنمو أول بلورات ضخمة حقيقية، بما في ذلك مواد ذات درجة انصهار عالية مثل كلوريد الصوديوم. أرست أعمال والتر الأساس لعملية تشوخرالسكي الحديثة. [ ٧ ]

إحياء ما بعد الحرب العالمية الثانية (الأربعينيات - الخمسينيات من القرن العشرين)

أدت الأهمية الاستراتيجية لأشباه الموصلات بعد الحرب العالمية الثانية إلى قيام غوردون تيل ، الذي كان يعمل آنذاك في مختبرات بيل، بإحياء طريقة تشوخرالسكي لنمو البلورات الأحادية. في أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، تم إنتاج بلورات الجرمانيوم عالية الجودة لتلبية الطلب المتزايد على تكنولوجيا الترانزستور، وبعد ذلك بوقت قصير، تم إنتاج بلورات السيليكون. وقد مثّل هذا الاهتمام المتجدد بداية توسع سريع في استخدام هذه التقنية في الولايات المتحدة. [ 7 ] [ 9 ]

الانتشار العالمي وتحسينات العمليات (أواخر الخمسينيات - حتى الآن)

انتشر استخدام طريقة تشوخرالسكي دوليًا في أواخر الخمسينيات. في أوروبا، استخدمت ألمانيا هذه التقنية لبلورات أشباه الموصلات في وقت مبكر من عام 1952، تلتها فرنسا في عام 1953، والمملكة المتحدة وروسيا في عام 1956، وجمهورية التشيك في عام 1957، وأخيرًا سويسرا وهولندا في عام 1959. في اليابان، بدأ استخدام هذه التقنية في عام 1959، وتسارعت تطبيقاتها وتحسيناتها التقنية خلال الستينيات. [ 7 ]

خلال هذه الفترة، تم إدخال العديد من التعديلات الرئيسية على العملية التي أدت إلى تحسين طريقة تشوخرالسكي بشكل أكبر:

  • أدت تقنية الجدار الساخن (حوالي عام 1956) إلى تقليل خسائر التبخر من المصهور.
  • أدت طريقة التغذية المستمرة بالصهر (حوالي عام 1956) إلى استقرار تركيبة الصهر.
  • أتاحت تقنية تشوخرالسكي المغلفة بالسائل (LEC) (التي تم تقديمها في عام 1962) نمو بلورات أشباه الموصلات المركبة عن طريق كبح تبخر المكونات المتطايرة.
  • سمح التحكم التلقائي في القطر باستخدام وزن البلورات أو البوتقات (الذي تم تقديمه في 1972-1973) بتنظيم أكثر دقة لأبعاد البلورات.

أدت هذه الابتكارات إلى توسيع نطاق تنوع عملية تشوخرالسكي، مما مهد الطريق للإنتاج الصناعي واسع النطاق للبلورات الأحادية عالية الجودة عبر مجموعة واسعة من المواد. [ 7 ]

طلب

يُشار غالبًا إلى السيليكون أحادي البلورة (mono-Si) المُنمّى بطريقة تشوخرالسكي باسم سيليكون تشوخرالسكي أحادي البلورة (Cz-Si). وهو المادة الأساسية في إنتاج الدوائر المتكاملة المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر والتلفزيونات والهواتف المحمولة وجميع أنواع المعدات الإلكترونية وأشباه الموصلات . [ 10 ] كما يُستخدم السيليكون أحادي البلورة بكميات كبيرة في صناعة الخلايا الكهروضوئية لإنتاج الخلايا الشمسية التقليدية أحادية البلورة . وتُتيح البنية البلورية شبه المثالية أعلى كفاءة لتحويل الضوء إلى كهرباء في السيليكون.

لا يقتصر استخدام عملية تشوخرالسكي على مواد أشباه الموصلات فحسب، بل تُستخدم على نطاق واسع في إنتاج البلورات البصرية عالية الجودة والأحجار الكريمة الاصطناعية. تُمكّن هذه الطريقة من إنتاج بلورات كبيرة وعالية النقاء مناسبة لتطبيقات بصرية متنوعة. على سبيل المثال، يُنتج الألكسندريت الاصطناعي - وهو نوع من الكريزوبيريل - بشكل شائع باستخدام هذه التقنية. بالإضافة إلى ذلك، يُنمى الياقوت الاصطناعي ( الكوروندوم ) بشكل متكرر من خلال عملية تشوخرالسكي. علاوة على ذلك، تم تصنيع غارنيت الألومنيوم الإيتريوم (YAG)، وهو غارنيت اصطناعي، باستخدام هذه الطريقة. تُستخدم بلورات YAG كبدائل للألماس وفي تطبيقات بصرية متنوعة، مستفيدةً من قدرة العملية على إنتاج بلورات كبيرة وعالية النقاء. [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]

إنتاج السيليكون بتقنية تشوخرالسكي

بلورة من السيليكون المزروع بتقنية تشوخرالسكي
عملية تشوخرالسكي، تصنيع بلورة أحادية من السيليكون

يُصهر السيليكون المستخدم في أشباه الموصلات (الذي لا تتجاوز نسبة الشوائب فيه بضعة أجزاء في المليون) في بوتقة عند درجة حرارة 1425 درجة مئوية (2597 درجة فهرنهايت؛ 1698 كلفن) ، وعادةً ما تكون مصنوعة من الكوارتز عالي النقاوة . تُملأ البوتقة بشحنة من السيليكون متعدد التبلور عالي النقاوة . [ 14 ] يمكن إضافة ذرات شوائب مثل البورون أو الفوسفور إلى السيليكون المنصهر بكميات دقيقة لتطعيمه ، وبالتالي تحويله إلى سيليكون من النوع p أو النوع n ، بخصائص إلكترونية مختلفة. تُغمر بلورة بذرة مثبتة على قضيب، وموجهة بدقة ، في السيليكون المنصهر. يُسحب قضيب بلورة البذرة ببطء إلى الأعلى مع تدويره في الوقت نفسه. من خلال التحكم الدقيق في تدرجات درجة الحرارة، ومعدل السحب، وسرعة الدوران، يُمكن استخلاص سبيكة أسطوانية كبيرة أحادية البلورة من المصهور. يمكن تجنب حدوث اضطرابات غير مرغوب فيها في المصهور من خلال دراسة وتصوير مجالات درجة الحرارة والسرعة أثناء عملية نمو البلورات. [ 15 ] تُجرى هذه العملية عادةً في جو خامل ، مثل غاز الأرجون ، داخل حجرة خاملة، مثل حجرة الكوارتز. يُتخلص من بوتقة الكوارتز عادةً بعد انتهاء العملية، والتي تحدث عادةً بعد إنتاج سبيكة واحدة فيما يُعرف بعملية الدفعات، ولكن من الممكن إجراء هذه العملية بشكل مستمر، وكذلك باستخدام مجال مغناطيسي. [ 16 ]   

أحجام البلورات

بلورة سيليكون تُنمّى بطريقة تشوخرالسكي في شركة رايثيون عام ١٩٥٦. يظهر ملف التسخين الحثي ، ونهاية البلورة تخرج للتو من المصهور. يقيس الفني درجة الحرارة باستخدام مقياس حرارة بصري . كانت البلورات المنتجة بهذا الجهاز المبكر، المستخدم في مصنع سيليكون قديم، لا يتجاوز قطرها بوصة واحدة.

بفضل وفورات الحجم، غالبًا ما تستخدم صناعة أشباه الموصلات رقائق ذات أبعاد موحدة، أو بمواصفات شائعة . في البداية، كانت الرقائق صغيرة، بعرض بضعة سنتيمترات. ومع التكنولوجيا المتقدمة، يستخدم مصنّعو الأجهزة المتطورة رقائق بقطر 200  مم و300  مم. ويتم التحكم في العرض من خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة، وسرعات الدوران، وسرعة سحب حامل البذور. ويمكن أن يصل طول سبائك البلورات التي تُقطع منها الرقائق إلى مترين، بوزن يصل إلى عدة مئات من الكيلوغرامات. وتتيح الرقائق الأكبر حجمًا تحسينات في كفاءة التصنيع، حيث يمكن تصنيع المزيد من الرقائق على كل رقاقة، مع تقليل الفاقد النسبي، ولذلك كان هناك توجه مستمر نحو زيادة أحجام رقائق السيليكون. كان من المقرر طرح الخطوة التالية، 450  مم، في عام 2018. [ 17 ] يبلغ سمك رقائق السيليكون عادةً حوالي 0.2-0.75  مم، ويمكن صقلها للحصول على سطح مستوٍ للغاية لصنع الدوائر المتكاملة أو تشكيلها لصنع الخلايا الشمسية .

يحتوي على شوائب

قضيب سحب مزود ببلورة بذرة لإنماء السيليكون أحادي البلورة بطريقة تشوخرالسكي
البواتق المستخدمة في طريقة تشوخرالسكي
يتم استخدام البواتق

عند إنتاج السيليكون بطريقة تشوخرالسكي، يُحفظ المصهور في بوتقة من السيليكا ( الكوارتز ). أثناء عملية الإنتاج، تذوب جدران البوتقة في المصهور، ولذلك يحتوي سيليكون تشوخرالسكي على الأكسجين بتركيز نموذجي يبلغ 10 ^18. سم −3قد يكون لشوائب الأكسجين آثار مفيدة أو ضارة. يمكن أن تؤدي ظروف التلدين المختارة بعناية إلى تكوين رواسب أكسجين . تعمل هذه الرواسب على احتجاز شوائب المعادن الانتقالية غير المرغوب فيها في عملية تُعرف باسم "التجميع" ، مما يُحسّن نقاء السيليكون المحيط. مع ذلك، قد يؤدي تكوّن رواسب الأكسجين في مواقع غير مقصودة إلى إتلاف البنى الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لشوائب الأكسجين تحسين المتانة الميكانيكية لرقائق السيليكون عن طريق تثبيت أي انخلاعات قد تظهر أثناء تصنيع الجهاز. وقد أظهرت التجارب في التسعينيات أن التركيز العالي للأكسجين مفيد أيضًا لمقاومة الإشعاع لكاشفات جسيمات السيليكون المستخدمة في بيئات إشعاعية قاسية (مثل مشاريع LHC / HL-LHC في CERN ) . [ 18 ] [ 19 ] لذلك، تُعتبر كاشفات الإشعاع المصنوعة من سيليكون تشوخرالسكي وسيليكون تشوخرالسكي المغناطيسي مرشحة واعدة للعديد من تجارب فيزياء الطاقة العالية المستقبلية . [ 20 ] [ 21 ] كما تبين أن وجود الأكسجين في السيليكون يزيد من احتجاز الشوائب أثناء عمليات التلدين بعد الزرع. [ 22 ]

مع ذلك، يمكن لشوائب الأكسجين أن تتفاعل مع البورون في بيئة مضاءة، كما هو الحال في الخلايا الشمسية. ينتج عن ذلك تكوين مركب بورون-أكسجين نشط كهربائيًا، مما يؤثر سلبًا على أداء الخلية. ينخفض ​​إنتاج الوحدة بنسبة 3% تقريبًا خلال الساعات القليلة الأولى من التعرض للضوء. [ 23 ]

الشكل الرياضي

يُعطى تركيز الشوائب في المادة الصلبة النهائية بالعلاقة التالية:جج0=ك(1-VV0)ك-1،{\displaystyle {\frac {C}{C_{0}}}=k\left(1-{\frac {V}{V_{0}}}\right)^{k-1}{\text{,}}}حيث C و C₀ هما التركيز الابتدائي والنهائي (على التوالي)، و V و V₀ هما الحجم الابتدائي والنهائي، و k هو معامل الفصل المرتبط بالشوائب عند انتقال طور الانصهار. وينتج هذا من حقيقة أندأنا=-كياجلدV{\displaystyle dI=-k_{O}C_{L}dV}تُزال الشوائب من المصهور عندما يتجمد حجم متناهي الصغر d V. [ 24 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ Paweł Tomaszewski، “Jan Czochralski i jego metoda. Jan Czochralski وطريقته” (باللغتين البولندية والإنجليزية)، Oficyna Wydawnicza ATUT، Wrocław – Kcynia 2003، ISBN 83-89247-27-5
  2. 1 2 ج. تشوكرالسكي (1918). "Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle [ طريقة جديدة لقياس معدل تبلور المعادن ] " . Zeitschrift für Physikalische Chemie . 92 : 219 – 221. دوى : 10.1515/zpch-1918-9212 .
  3. ↑ نيشيناغا، تاتاو (2015). دليل نمو البلورات: الأساسيات ( الطبعة الثانية). أمستردام، هولندا: إلسيفير بي في، ص 21. ISBN   978-0-444-56369-9.
  4. ↑ ستيوارت داول. "تكريم العالم الذي وضع أسس وادي السيليكون أخيرًا" . thefirstnews.com . مؤرشف من الأصل في 13 يوليو 2023. تم الاطلاع عليه في 3 مايو 2023 .
  5. ↑ "الطريق إلى إنتاج كربيد السيليكون بحجم 200 مم" . 14 يونيو 2022.
  6. ↑ سون، جيه كيه (14 مايو 2020). "نمو وتطوير بلورات Li2MoO4 النقية لتجربة الأحداث النادرة في مختبر CUP". مجلة الأجهزة . 15 (7) C07035. arXiv : 2005.06797 . Bibcode : 2020JInst..15C7035S . doi : 10.1088/1748-0221/15/07/C07035 . S2CID 218630318 . 
  7. 1 2 3 4 5 أوكر، ر. (2014). "التطور التاريخي لطريقة تشوخرالسكي". مجلة نمو البلورات . 401 : 7-24 . Bibcode : 2014JCrGr.401....7U . doi : 10.1016/j.jcrysgro.2013.11.095 .
  8. ↑ فيجلسون، آر إس (ديسمبر 2015). دليل نمو البلورات . إلسيفير ساينس. الصفحات 20-25 . ISBN  978-0-444-63303-3.
  9. ↑ «من هو يان تشوخرالسكي؟ الخروج من الظلال» . www.iucr.org . تاريخ الاسترجاع: 10 مارس 2025 .
  10. ↑ "طريقة تشوخرالسكي لنمو البلورات" . 30 يناير 2003. مؤرشف من الأصل في 17 أغسطس 2016.
  11. ↑ "الطرق الشائعة لزراعة الأحجار الكريمة الاصطناعية - بلورات BBO، بلورات Nd YAG، بلورات Nd YVO4، خلايا بوكلز - كريلينك" . 2024-04-26 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2025-03-09 .
  12. ↑ رازغي، م. (2017-12-01). "إسهاماتٌ قيّمةٌ في عالم أشباه الموصلات باستخدام اختراع تشوخرالسكي" . مجلة فاكيوم . 146 : 308-328 . Bibcode : 2017Vacuu.146..308R . doi : 10.1016/j.vacuum.2017.01.009 . ISSN 0042-207X . 
  13. ↑ ويلدون، روبرت. "مقدمة في مواد الأحجار الكريمة الاصطناعية" . معهد الأحجار الكريمة الأمريكي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 مارس 2025 .
  14. ↑ دليل سبرينغر للمواد الإلكترونية والضوئية . سبرينغر. 4 أكتوبر 2017. ISBN 978-3-319-48933-9.
  15. ↑ ألكسيتش، جالينا؛ زيلكه، بول؛ شيمتشيك، يانوش أ.؛ وآخرون (2002). "تصوير درجة الحرارة والتدفق في محاكاة عملية تشوخرالسكي باستخدام البلورات السائلة الحساسة للحرارة". حوليات أكاديمية نيويورك للعلوم 972 (1): 158-163 . Bibcode : 2002NYASA.972..158A . doi : 10.1111 / j.1749-6632.2002.tb04567.x . PMID 12496012. S2CID 2212684 .   
  16. ↑ دليل سبرينغر للمواد الإلكترونية والضوئية . سبرينغر. 4 أكتوبر 2017. ISBN 978-3-319-48933-9.
  17. ↑ مانرز، ديفيد (30 ديسمبر 2013). "شكوك حول 450 مم والأشعة فوق البنفسجية القصوى" . مجلة الإلكترونيات الأسبوعية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 9 يناير 2014 .
  18. ^ لي، زد. كرانر، الأب. فيربيتسكايا، إي. إرمين، V.؛ إيفانوف، أ.؛ راتاجي، م.؛ رانكويتا، PG. روبينيلي، FA؛ فوناش، إس جيه؛ وآخرون . (1992). "التحقيق في المظهر الجانبي المعقد لخلل الأكسجين (A-center) في كاشفات جسيمات السيليكون ذات المقاومة العالية المشععة بالنيوترونات" . معاملات IEEE في العلوم النووية . 39 (6): 1730. بيب كود : 1992ITNS...39.1730L . دوى : 10.1109/23.211360 . أوستي 10160548 .  
  19. ^ ليندستروم، ج. أحمد، م؛ ألبيرجو، إس؛ ألبورت، ف. أندرسون، د؛ أندريسك، إل؛ أنجارانو، مم؛ أوجيلي ، ف. باكيتا، ن؛ بارتاليني، ف؛ بيتس، ر؛ بيجيري، يو؛ بيلي، جنرال موتورز؛ بيسيلو، د؛ بويمي، د؛ بورشي، إي؛ بوتيلا، تي؛ برودبيك، تي جيه؛ بروزي، م؛ بودزينسكي، تي؛ برجر، ف؛ كامبادال، ف؛ كاس، جي؛ كاتاتشيني، إي؛ تشيلينجاروف، أ؛ شيامبوليني، ف. سيندرو، الخامس؛ كوستا، إم جي؛ كرينزا، د؛ وآخرون . (2001). “كاشفات السيليكون الصلبة للإشعاع – التطورات من خلال تعاون RD48 (ROSE)”. الأدوات والطرق النووية في أبحاث الفيزياء القسم أ: المسرعات وأجهزة قياس الطيف والكاشفات والمعدات المرتبطة بها . 466 (2): 308. Bibcode : 2001NIMPA.466..308L . doi : 10.1016/S0168-9002(01)00560-5 . hdl : 11568/67464 . 
  20. ↑ تقرير حالة CERN RD50 لعام 2004، CERN-LHCC-2004-031 وLHCC-RD-005 والمراجع المذكورة فيه
  21. ^ هاركونن، ج. توفينين، إي؛ لوكا ، ف. تومينين، إي؛ لي، ض. إيفانوف، أ؛ فيربيتسكايا، إي؛ إرمين، الخامس؛ بيروجينكو، أ؛ ريهيماكي، أنا. فيرتانين، أ. (2005). “كاشفات الجسيمات المصنوعة من السيليكون Czochralski عالي المقاومة”. الأدوات والطرق النووية في أبحاث الفيزياء القسم أ: المسرعات وأجهزة قياس الطيف والكاشفات والمعدات المرتبطة بها . 541 ( 1 – 2): 202 – 207. بيب كود : 2005NIMPA.541..202H . سيتيسيركس 10.1.1.506.2366 . دوى : 10.1016/j.nima.2005.01.057 . 
  22. ↑ كاستر، جيه إس؛ بولمان، أ؛ فان بينكستيرين، إتش إم (1994). "الإربيوم في السيليكون البلوري: الانفصال والاحتجاز أثناء الترسيب الطوري الصلب للسيليكون غير المتبلور". مجلة الفيزياء التطبيقية . 75 (6): 2809. Bibcode : 1994JAP....75.2809C . doi : 10.1063/1.356173 .
  23. ↑ إيكلبوم، جيه إيه؛ جانسن، إم جيه (2000)، "توصيف وحدات الخلايا الكهروضوئية من الأجيال الجديدة؛ نتائج الاختبارات والمحاكاة" (ملف PDF) ، التقرير ECN-C-00-067، 18
  24. ↑ جيمس د. بلامر، ومايكل د. ديل، وبيتر ب. غريفين، تكنولوجيا الدوائر المتكاملة واسعة النطاق المصنوعة من السيليكون، برنتيس هول، 2000، رقم ISBN 0-13-085037-3الصفحات 126-127