Ezt az eljárást a kiváló lengyel tudósról és az Orosz Birodalom polgáráról, Jan Czochralskiról nevezték el, aki 1915-ben feltalálta. A felfedezés véletlenül történt, bár Czochralski érdeklődése a kristályok iránt természetesen nem volt véletlen, mert nagyon közelről tanult geológiát.
Alkalmazás
Ennek a módszernek a legfontosabb alkalmazási területe az ipar, különösen a nehézipar. Az iparban ma is fémek és egyéb anyagok mesterséges kristályosítására használják, ami más módon nem érhető el. Ebben a tekintetben a módszer bebizonyította szinte abszolút nem- alternativitását és sokoldalúságát.
Szilícium
Monokristályos szilícium – mono-Si. Más neve is van. Czochralski módszerrel termesztett szilícium - Cz-Si. Ez a Czochralski szilícium. Ez a fő anyag a számítógépekben, televíziókban, mobiltelefonokban és minden típusú elektronikus berendezésben és félvezető eszközben használt integrált áramkörök gyártásában. szilícium kristályoka fotovoltaikus ipar is nagy mennyiségben használja hagyományos mono-Si napelemek gyártásához. A szinte tökéletes kristályszerkezet a szilíciumnak a legmagasabb fény-elektromos átalakítási hatékonyságot biztosítja.
Olvadás
A nagy tisztaságú félvezető szilíciumot (csak néhány milliomod rész szennyeződés) egy általában kvarcból készült tégelyben olvasztják 1425 °C-on (2,597 °F, 1,698 K). Az olvadt szilíciumhoz precíz mennyiségben adalékolóanyag-szennyező atomokat, például bórt vagy foszfort adhatunk adalékolás céljából, ezáltal az eltérő elektronikus tulajdonságokkal rendelkező p- vagy n-típusú szilíciummá változtatható. Egy pontosan orientált rúdmagkristályt olvadt szilíciumba merítenek. A magkristály szára lassan felemelkedik és egyszerre forog. A hőmérséklet-gradiens, a húzási sebesség és a forgási sebesség pontos szabályozásával egy nagyméretű egykristály tuskó eltávolítható az olvadékból. Az olvadék nemkívánatos instabilitásának fellépése a hőmérsékleti és sebességmezők vizsgálatával és megjelenítésével elkerülhető. Ezt a folyamatot általában inert atmoszférában, például argonban, inert kamrában, például kvarcban hajtják végre.
Ipari finomságok
A kristályok általános jellemzőinek hatékonysága miatt a félvezetőipar szabványos méretű kristályokat használ. A kezdeti időkben golyócskáik kisebbek voltak, csak néhány hüvelykszélesség. A fejlett technológiával a kiváló minőségű készülékgyártók 200 mm és 300 mm átmérőjű lemezeket használnak. A szélességet precíz hőmérséklet-szabályozás, forgási sebesség és vetőmagtartó eltávolítási sebesség szabályozza. A kristályos bugák, amelyekből ezeket a lemezeket kivágják, akár 2 méter hosszúak is lehetnek, és több száz kilogramm súlyúak is lehetnek. A nagyobb ostyák jobb gyártási hatékonyságot tesznek lehetővé, mert minden ostyán több chip készíthető, így a stabil meghajtás megnövelte a szilíciumlapkák méretét. A következő, 450 mm-es felfelé lépést a tervek szerint 2018-ban vezetik be. A szilícium lapkák általában körülbelül 0,2-0,75 mm vastagok, és nagy sima felületre polírozhatók integrált áramkörök vagy textúrák létrehozása érdekében napelemek létrehozásához.
Fűtés
A folyamat akkor kezdődik, amikor a kamrát körülbelül 1500 Celsius-fokra melegítik, és a szilícium megolvad. Amikor a szilícium teljesen megolvad, a forgó tengely végére szerelt kis magkristály lassan leereszkedik, amíg az olvadt szilícium felszíne alá nem kerül. A tengely az óramutató járásával ellentétes irányba, a tégely pedig az óramutató járásával megegyezően forog. A forgó rudat ezután nagyon lassan felfelé húzzák – körülbelül 25 mm/óra sebességgel egy rubinkristály előállítása során –, hogy nagyjából hengeres gömböt képezzenek. A golyó egy-két méteres lehet, a tégelyben lévő szilícium mennyiségétől függően.
Elektromos vezetőképesség
A szilícium elektromos jellemzőit úgy állítják be, hogy az olvasztás előtt valamilyen anyagot, például foszfort vagy bórt adnak hozzá. A hozzáadott anyagot adalékanyagnak, a folyamatot adaléknak nevezik. Ezt a módszert a szilíciumtól eltérő félvezető anyagoknál is használják, mint például a gallium-arzenid.
Jellemzők és előnyök
Amikor a szilíciumot Czochralski módszerrel termesztik, az olvadékot egy szilícium-dioxid tégely tartalmazza. A növekedés során a tégely falai feloldódnak az olvadékban, és a keletkező anyag jellemzően 1018 cm-3 koncentrációban tartalmaz oxigént. Az oxigénszennyeződéseknek lehetnek jótékony vagy káros hatásai. A gondosan megválasztott izzítási körülmények oxigénlerakódások kialakulásához vezethetnek. Befolyásolják a nem kívánt átmenetifém-szennyeződések befogását a getterezésnek nevezett folyamat során, javítva a környező szilícium tisztaságát. A nem kívánt helyen kialakuló oxigénlerakódások azonban az elektromos szerkezeteket is tönkretehetik. Ezenkívül az oxigénszennyeződések javíthatják a szilíciumlapkák mechanikai szilárdságát azáltal, hogy rögzítik az eszköz feldolgozása során esetlegesen fellépő diszlokációkat. Az 1990-es években kísérletileg kimutatták, hogy a magas oxigénkoncentráció jótékony hatással van a durva sugárzási környezetben (például a CERN LHC/HL-LHC projektjei) használt szilíciumrészecske-detektorok sugárzási keménységére is. Ezért a Czochralski által termesztett szilícium sugárzás detektorokat ígéretes jelölteknek tekintik számos jövőbeni alkalmazás számára.kísérletek a nagyenergiájú fizikában. Azt is kimutatták, hogy az oxigén jelenléte a szilíciumban növeli a szennyeződések felvételét a beültetés utáni lágyítási folyamatban.
Reakciós problémák
Az oxigénszennyeződések azonban reagálhatnak a bórral megvilágított környezetben. Ez elektromosan aktív bór-oxigén komplex képződéséhez vezet, ami csökkenti a sejtek hatékonyságát. A modul kimenete körülbelül 3%-kal csökken a megvilágítás első néhány órájában.
A térfogati fagyasztásból származó szilárd kristály szennyeződés koncentrációja a szegregációs együttható figyelembevételével határozható meg.
Növekvő kristályok
A kristálynövekedés egy olyan folyamat, amelyben egy már létező kristály nagyobb lesz, ahogy a kristályrácsban elhelyezkedő molekulák vagy ionok száma növekszik, vagy az oldat kristályokká alakul, és további növekedés zajlik. A Czochralski-módszer ennek a folyamatnak az egyik formája. A kristályt atomok, molekulák vagy ionokként határozzuk meg, amelyek rendezett, ismétlődő mintázatba, kristályrácsba rendeződnek, amely mindhárom térbeli dimenzión keresztül terjed. A kristályok növekedése tehát abban különbözik a folyadékcsepp növekedésétől, hogy a növekedés során a molekuláknak vagy ionoknak a rács megfelelő helyzetébe kell esniük ahhoz, hogy egy rendezett kristály növekedhessen. Ez egy nagyon érdekes folyamat, amely számos érdekes felfedezést adott a tudománynak, például a germánium elektronikus képletét.
A kristályok termesztésének folyamata speciális eszközöknek – lombiknak és rácsoknak – köszönhetően valósul meg, amelyekben az anyag kristályosodási folyamatának fő része zajlik. Ezek az eszközök nagy számban léteznek szinte minden fémekkel, ásványokkal és más hasonló anyagokkal foglalkozó vállalkozásban. A gyártás során a kristályokkal végzett munka során számos fontos felfedezést tettek (például a germánium fent említett elektronikus képletét).
Következtetés
A cikkben szereplő módszer nagy szerepet játszott a modern ipari termelés történetében. Neki köszönhetően az emberek végre megtanulták, hogyan lehet szilíciumból és sok más anyagból teljes értékű kristályokat létrehozni. Először laboratóriumi körülmények között, majd ipari méretekben. Az egykristályok termesztésének módszerét, amelyet a nagy lengyel tudós fedezett fel, még mindig széles körben alkalmazzák.
