Acest proces a fost numit după remarcabilul om de știință polonez și cetățean al Imperiului Rus, Jan Czochralski, care l-a inventat în 1915. Descoperirea s-a întâmplat întâmplător, deși interesul lui Czochralski pentru cristale, desigur, nu a fost întâmplător, deoarece a studiat geologia foarte îndeaproape.
Aplicație
Poate cel mai important domeniu de aplicare a acestei metode este industria, în special industria grea. În industrie, este încă folosit pentru a cristaliza artificial metale și alte substanțe, ceea ce nu poate fi realizat în niciun alt mod. În acest sens, metoda și-a dovedit ne alternativitatea și versatilitatea aproape absolută.
Siliciu
Siliciu monocristalin - mono-Si. Are și un alt nume. Siliciu crescut prin metoda Czochralski - Cz-Si. Acesta este siliciul Czochralski. Este principalul material în producția de circuite integrate utilizate în calculatoare, televizoare, telefoane mobile și toate tipurile de echipamente electronice și dispozitive semiconductoare. cristale de siliciusunt de asemenea utilizate în cantități mari de industria fotovoltaică pentru producerea de celule solare convenționale mono-Si. Structura cristalină aproape perfectă oferă siliciului cea mai mare eficiență de conversie a luminii în energie electrică.
Topit
Siliciul semiconductor de în altă puritate (doar câteva părți per milion de impurități) este topit într-un creuzet la 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), de obicei realizat din cuarț. Atomii de impurități dopanți, cum ar fi bor sau fosfor, pot fi adăugați la siliciul topit în cantități precise pentru dopare, transformându-l astfel în siliciu de tip p sau n cu proprietăți electronice diferite. Un cristal de semințe de tijă orientat cu precizie este scufundat în siliciu topit. Tulpina cristalului de sămânță se ridică încet și se rotește în același timp. Prin controlul precis al gradienților de temperatură, al vitezei de tragere și al vitezei de rotație, o țagla mare de un singur cristal poate fi îndepărtată din topitură. Apariția instabilităților nedorite în topitură poate fi evitată prin examinarea și vizualizarea câmpurilor de temperatură și viteză. Acest proces este de obicei efectuat într-o atmosferă inertă, cum ar fi argonul, într-o cameră inertă, cum ar fi cuarțul.
Sutilități industriale
Din cauza eficacitatii caracteristicilor generale ale cristalelor, industria semiconductoarelor foloseste cristale cu dimensiuni standardizate. În primele zile, bilele lor erau mai mici, doar câțiva centimetrilăţime. Cu o tehnologie avansată, producătorii de dispozitive de în altă calitate folosesc plăci cu diametrul de 200 mm și 300 mm. Lățimea este controlată de controlul precis al temperaturii, viteza de rotație și viteza de îndepărtare a suportului de semințe. Lingourile cristaline din care sunt tăiate aceste plăci pot avea o lungime de până la 2 metri și cântăresc câteva sute de kilograme. Napolitanele mai mari permit o mai bună eficiență a producției, deoarece se pot produce mai multe cipuri pe fiecare napolitană, astfel încât unitatea stabilă a mărit dimensiunea plăcilor de siliciu. Următorul pas, 450 mm, este programat să fie introdus în 2018. Placile de siliciu au de obicei o grosime de aproximativ 0,2-0,75 mm și pot fi lustruite până la o planeitate mare pentru a crea circuite integrate sau texturate pentru a crea celule solare.
Încălzire
Procesul începe când camera este încălzită la aproximativ 1500 de grade Celsius, topind siliciul. Când siliciul este complet topit, un mic cristal de semințe montat la capătul arborelui rotativ coboară încet până se află sub suprafața siliciului topit. Arborele se rotește în sens invers acelor de ceasornic, iar creuzetul se rotește în sensul acelor de ceasornic. Tija rotativă este apoi trasă în sus foarte lent - aproximativ 25 mm pe oră la fabricarea unui cristal de rubin - pentru a forma un bulă aproximativ cilindric. Bola poate fi de la unu la doi metri, în funcție de cantitatea de siliciu din creuzet.
Conductivitate electrică
Caracteristicile electrice ale siliciului sunt ajustate prin adăugarea unui material precum fosfor sau bor înainte de a-l topi. Materialul adăugat se numește dopant, iar procesul se numește dopaj. Această metodă este utilizată și cu materiale semiconductoare, altele decât siliciul, cum ar fi arseniura de galiu.
Caracteristici și beneficii
Când siliciul este crescut prin metoda Czochralski, topitura este conținută într-un creuzet de silice. În timpul creșterii, pereții creuzetului se dizolvă în topitură, iar substanța rezultată conține oxigen la o concentrație tipică de 1018 cm-3. Impuritățile de oxigen pot avea efecte benefice sau dăunătoare. Condițiile de recoacere atent alese pot duce la formarea depozitelor de oxigen. Acestea afectează captarea impurităților nedorite ale metalelor tranziționale într-un proces cunoscut sub numele de gettering, îmbunătățind puritatea siliciului din jur. Cu toate acestea, formarea depozitelor de oxigen în locuri nedorite poate distruge și structurile electrice. În plus, impuritățile de oxigen pot îmbunătăți rezistența mecanică a plăcilor de siliciu prin imobilizarea oricăror dislocări care pot fi introduse în timpul procesării dispozitivului. În anii 1990, s-a demonstrat experimental că concentrația ridicată de oxigen este, de asemenea, benefică pentru duritatea la radiații a detectorilor de particule de siliciu utilizați în medii cu radiații dure (cum ar fi proiectele CERN LHC/HL-LHC). Prin urmare, detectoarele de radiații cu siliciu cultivate de Czochralski sunt considerate candidați promițători pentru multe aplicații viitoare.experimente în fizica energiilor în alte. De asemenea, s-a demonstrat că prezența oxigenului în siliciu crește absorbția de impurități în procesul de recoacere post-implantare.
Probleme de reacție
Cu toate acestea, impuritățile de oxigen pot reacționa cu borul într-un mediu iluminat. Acest lucru duce la formarea unui complex bor-oxigen activ electric, care reduce eficiența celulelor. Ieșirea modulului scade cu aproximativ 3% în primele ore de iluminare.
Concentrația de impurități de cristal solide care rezultă din înghețarea volumului poate fi obținută luând în considerare coeficientul de segregare.
Creșterea cristalelor
Creșterea cristalului este un proces în care un cristal preexistent devine mai mare pe măsură ce numărul de molecule sau ioni din pozițiile lor în rețeaua cristalină crește, sau o soluție se transformă într-un cristal și creșterea ulterioară este procesată. Metoda Czochralski este o formă a acestui proces. Un cristal este definit ca atomi, molecule sau ioni aranjați într-un model ordonat, care se repetă, o rețea cristalină care se extinde prin toate cele trei dimensiuni spațiale. Astfel, creșterea cristalelor diferă de creșterea unei picături lichide prin aceea că în timpul creșterii, moleculele sau ionii trebuie să cadă în pozițiile corecte ale rețelei pentru ca un cristal ordonat să crească. Acesta este un proces foarte interesant care a oferit științei multe descoperiri interesante, cum ar fi formula electronică a germaniului.
Procesul de creștere a cristalelor se realizează datorită dispozitivelor speciale - baloane și grătare, în care are loc partea principală a procesului de cristalizare a unei substanțe. Aceste dispozitive există în număr mare în aproape toate întreprinderile care lucrează cu metale, minerale și alte substanțe similare. În timpul procesului de lucru cu cristale în producție, s-au făcut multe descoperiri importante (de exemplu, formula electronică a germaniului menționată mai sus).
Concluzie
Metoda căreia îi este dedicat acest articol a jucat un rol important în istoria producției industriale moderne. Datorită lui, oamenii au învățat în sfârșit cum să creeze cristale cu drepturi depline de siliciu și multe alte substanțe. Mai întâi în condiții de laborator, apoi la scară industrială. Metoda de creștere a monocristalelor, descoperită de marele om de știință polonez, este încă utilizată pe scară largă.
