Ta proces je bil poimenovan po izjemnem poljskem znanstveniku in državljanu Ruskega cesarstva Janu Czochralskemu, ki ga je izumil leta 1915. Odkritje se je zgodilo po naključju, čeprav Czochralskijevo zanimanje za kristale seveda ni bilo naključno, saj je zelo natančno študiral geologijo.
Prijava
Morda je najpomembnejše področje uporabe te metode industrija, zlasti težka industrija. V industriji se še vedno uporablja za umetno kristalizacijo kovin in drugih snovi, česar drugače ni mogoče doseči. V zvezi s tem je metoda dokazala svojo skoraj absolutno brez alternativnost in vsestranskost.
silicij
Monokristalni silicij - mono-Si. Ima tudi drugo ime. Silicij, pridelan po metodi Czochralskega - Cz-Si. To je Czochralski silicij. Je glavni material pri proizvodnji integriranih vezij, ki se uporabljajo v računalnikih, televizorjih, mobilnih telefonih in vseh vrstah elektronske opreme in polprevodniških naprav. silicijevi kristalijih fotovoltaična industrija v velikih količinah uporablja tudi za proizvodnjo običajnih mono-Si sončnih celic. Skoraj popolna kristalna struktura daje siliciju najvišjo učinkovitost pretvorbe svetlobe v električno energijo.
Taljenje
Polprevodniški silicij visoke čistosti (le nekaj delov na milijon nečistoč) se tali v lončku pri 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), običajno iz kremena. Dopantne nečistoče, kot sta bor ali fosfor, se lahko dodajo staljenemu siliciju v natančnih količinah za dopiranje, s čimer se spremeni v silicij p- ali n-tipa z različnimi elektronskimi lastnostmi. Natančno orientiran semenski kristal je potopljen v staljen silicij. Steblo semenskega kristala se počasi dviga navzgor in se hkrati vrti. Z natančnim nadzorom temperaturnih gradientov, hitrosti vlečenja in hitrosti vrtenja je mogoče iz taline odstraniti veliko gredico iz enega kristala. Pojav nezaželenih nestabilnosti v talini se lahko izognemo s pregledovanjem in vizualizacijo temperaturnih in hitrostnih polj. Ta postopek se običajno izvaja v inertni atmosferi, kot je argon, v inertni komori, kot je kremen.
Industrijske subtilnosti
Zaradi učinkovitosti splošnih značilnosti kristalov polprevodniška industrija uporablja kristale s standardiziranimi velikostmi. V prvih dneh so bile njihove bale manjše, le nekaj centimetrovpremer. Z napredno tehnologijo proizvajalci visokokakovostnih naprav uporabljajo plošče s premerom 200 mm in 300 mm. Širina je nadzorovana z natančnim nadzorom temperature, hitrostjo vrtenja in hitrostjo odstranjevanja držala za seme. Kristalni ingoti, iz katerih so izrezane te plošče, so lahko dolge do 2 metra in tehtajo več sto kilogramov. Večje rezine omogočajo boljšo proizvodno učinkovitost, saj je na vsaki rezini mogoče izdelati več čipov, zato je stabilen pogon povečal velikost silikonskih rezin. Naslednji korak višje, 450 mm, naj bi bil trenutno uveden leta 2018. Silikonske rezine so običajno debele približno 0,2-0,75 mm in jih je mogoče polirati do velike ravnine za ustvarjanje integriranih vezij ali teksturiranja za ustvarjanje sončnih celic.
Ogrevanje
Proces se začne, ko se komora segreje na približno 1500 stopinj Celzija, pri čemer se silicij stopi. Ko se silicij popolnoma stopi, se majhen semenski kristal, nameščen na koncu vrteče se gredi, počasi spušča, dokler ni pod površino staljenega silicija. Gred se vrti v nasprotni smeri urinega kazalca in lonček se vrti v smeri urinega kazalca. Vrtljivo palico nato zelo počasi potegnemo navzgor - približno 25 mm na uro pri izdelavi rubinskega kristala -, da se oblikuje približno valjasta krogla. Boule je lahko od enega do dveh metrov, odvisno od količine silicija v lončku.
električna prevodnost
Električne lastnosti silicija se prilagodijo z dodajanjem materiala, kot sta fosfor ali bor, preden ga stopijo. Dodan material se imenuje dopant, postopek pa se imenuje doping. Ta metoda se uporablja tudi za polprevodniške materiale, razen silicija, kot je galijev arzenid.
Funkcije in prednosti
Ko se silicij goji po metodi Czochralskega, se talina nahaja v lončku iz silicijevega dioksida. Med rastjo se stene lončka raztopijo v talini, nastala snov pa vsebuje kisik v tipični koncentraciji 1018 cm-3. Nečistoče kisika imajo lahko ugodne ali škodljive učinke. Skrbno izbrani pogoji žarjenja lahko privedejo do nastanka usedlin kisika. Vplivajo na zajemanje neželenih nečistoč prehodnih kovin v procesu, znanem kot pridobivanje, in izboljšajo čistost okoliškega silicija. Vendar pa lahko nastajanje kisikovih usedlin na nenamernih mestih uniči tudi električne strukture. Poleg tega lahko nečistoče kisika izboljšajo mehansko trdnost silicijevih rezin z imobilizacijo kakršnih koli dislokacij, ki se lahko pojavijo med obdelavo naprave. V devetdesetih letih prejšnjega stoletja je bilo eksperimentalno dokazano, da je visoka koncentracija kisika koristna tudi za sevalno trdoto detektorjev silicijevih delcev, ki se uporabljajo v okoljih z ostrim sevanjem (kot so projekti CERN LHC/HL-LHC). Zato se silicijevi detektorji sevanja, ki jih goji Czochralski, štejejo za obetavne kandidate za številne prihodnje aplikacije.eksperimenti v fiziki visokih energij. Pokazalo se je tudi, da prisotnost kisika v siliciju poveča privzem nečistoč v procesu žarjenja po implantaciji.
Težave z reakcijo
Vendar lahko nečistoče kisika reagirajo z borom v osvetljenem okolju. To vodi do tvorbe električno aktivnega kompleksa bor-kisik, ki zmanjšuje učinkovitost celic. Izhod modula pade za približno 3 % v prvih nekaj urah osvetlitve.
Koncentracijo trdnih kristalnih nečistoč, ki je posledica zamrzovanja prostornine, je mogoče dobiti z upoštevanjem koeficienta ločevanja.
Gojenje kristalov
Rast kristalov je proces, pri katerem že obstoječi kristal postane večji, ko se poveča število molekul ali ionov na njihovih položajih v kristalni mreži ali se raztopina spremeni v kristal in se obdela nadaljnja rast. Metoda Czochralskega je ena od oblik tega procesa. Kristal je definiran kot atomi, molekule ali ioni, razporejeni v urejenem, ponavljajočem se vzorcu, kristalna mreža, ki se razteza skozi vse tri prostorske dimenzije. Tako se rast kristalov od rasti kaplje tekočine razlikuje po tem, da morajo med rastjo molekule ali ioni pasti v pravilne položaje rešetke, da urejen kristal raste. To je zelo zanimiv proces, ki je znanosti prinesel številna zanimiva odkritja, kot je elektronska formula germanija.
Proces gojenja kristalov se izvaja zahvaljujoč posebnim napravam - bučkam in rešetkam, v katerih poteka glavni del procesa kristalizacije snovi. Te naprave so v velikem številu v skoraj vsakem podjetju, ki dela s kovinami, minerali in drugimi podobnimi snovmi. V procesu dela s kristali v proizvodnji je prišlo do številnih pomembnih odkritij (na primer zgoraj omenjena elektronska formula germanija).
Sklep
Metoda, ki ji je posvečen ta članek, je igrala veliko vlogo v zgodovini sodobne industrijske proizvodnje. Zahvaljujoč njemu so se ljudje končno naučili, kako ustvariti polnopravne kristale silicija in mnogih drugih snovi. Najprej v laboratorijskih pogojih, nato pa v industrijskem obsegu. Metoda gojenja monokristalov, ki jo je odkril veliki poljski znanstvenik, je še vedno zelo razširjena.
