Denna process fick sitt namn efter den enastående polske vetenskapsmannen och medborgaren i det ryska imperiet, Jan Czochralski, som uppfann den redan 1915. Upptäckten skedde av en slump, även om Czochralskis intresse för kristaller naturligtvis inte var tillfälligt, eftersom han studerade geologi mycket noggrant.
Application
Det kanske viktigaste tillämpningsområdet för denna metod är industrin, särskilt tung industri. Inom industrin används det fortfarande för att artificiellt kristallisera metaller och andra ämnen, vilket inte kan uppnås på något annat sätt. I detta avseende har metoden bevisat sin nästan absoluta icke- alternativitet och mångsidighet.
Silicon
Monokristallint kisel - mono-Si. Den har också ett annat namn. Kisel odlat med Czochralski-metoden - Cz-Si. Det är Czochralski-kisel. Det är huvudmaterialet i produktionen av integrerade kretsar som används i datorer, tv-apparater, mobiltelefoner och alla typer av elektronisk utrustning och halvledarenheter. kiselkristalleranvänds också i stora mängder av solcellsindustrin för produktion av konventionella mono-Si solceller. Den nästan perfekta kristallstrukturen ger kisel den högsta effektiviteten för konvertering av ljus till el.
Smältning
Högrent halvledarkisel (endast några miljondelar av föroreningar) smälts i en degel vid 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), vanligtvis gjord av kvarts. Dopande föroreningsatomer som bor eller fosfor kan tillsättas smält kisel i exakta mängder för dopning, och därigenom ändra det till p- eller n-typ kisel med olika elektroniska egenskaper. En exakt orienterad stavfrökristall är nedsänkt i smält kisel. Frökristallens skaft stiger sakta upp och roterar samtidigt. Genom exakt kontroll av temperaturgradienter, draghastighet och rotationshastighet kan ett stort enkristallämne avlägsnas från smältan. Uppkomsten av oönskade instabiliteter i smältan kan undvikas genom att undersöka och visualisera temperatur- och hastighetsfälten. Denna process utförs vanligtvis i en inert atmosfär såsom argon, i en inert kammare såsom kvarts.
Industriella subtiliteter
På grund av effektiviteten hos de allmänna egenskaperna hos kristaller använder halvledarindustrin kristaller med standardiserade storlekar. I början var deras boule mindre, bara några centimeterbredd. Med avancerad teknik använder högkvalitativa enhetstillverkare plattor med 200 mm och 300 mm diameter. Bredden styrs av exakt temperaturkontroll, rotationshastighet och hastighet för borttagning av fröhållare. De kristallina göten som dessa plattor skärs ur kan bli upp till 2 meter långa och väga flera hundra kilo. Större wafers möjliggör bättre tillverkningseffektivitet eftersom fler chips kan göras på varje wafer, så den stabila enheten har ökat storleken på kiselwafers. Nästa steg upp, 450 mm, är för närvarande planerad att introduceras 2018. Kiselwafers är vanligtvis cirka 0,2-0,75 mm tjocka och kan poleras till en stor planhet för att skapa integrerade kretsar eller texturering för att skapa solceller.
Värme
Processen börjar när kammaren värms upp till cirka 1500 grader Celsius och smälter kislet. När kislet är helt smält, sjunker en liten frökristall som är monterad på änden av den roterande axeln långsamt ner tills den är under ytan av det smälta kislet. Axeln roterar moturs och degeln roterar medurs. Den roterande stången dras sedan uppåt mycket långsamt - cirka 25 mm per timme vid tillverkning av en rubinkristall - för att bilda en ungefär cylindrisk kula. Boulen kan vara från en till två meter, beroende på mängden kisel i degeln.
Elektrisk konduktivitet
De elektriska egenskaperna hos kisel justeras genom att tillsätta ett material som fosfor eller bor innan det smälts. Det tillsatta materialet kallas dopning och processen kallas dopning. Denna metod används även med andra halvledarmaterial än kisel, såsom galliumarsenid.
Funktioner och fördelar
När kisel odlas med Czochralski-metoden, finns smältan i en kiseldegel. Under tillväxten löses degelns väggar i smältan, och det resulterande ämnet innehåller syre i en typisk koncentration av 1018 cm-3. Syreföroreningar kan ha positiva eller skadliga effekter. Noggrant valda glödgningsförhållanden kan leda till bildning av syreavlagringar. De påverkar infångningen av oönskade övergångsmetallföroreningar i en process som kallas gettering, vilket förbättrar renheten hos det omgivande kislet. Men bildandet av syreavlagringar på oavsiktliga platser kan också förstöra elektriska strukturer. Dessutom kan syreföroreningar förbättra den mekaniska hållfastheten hos kiselskivor genom att immobilisera eventuella dislokationer som kan införas under enhetens bearbetning. På 1990-talet visades det experimentellt att hög syrekoncentration också är fördelaktig för strålningshårdheten hos kiselpartikeldetektorer som används i tuffa strålningsmiljöer (som CERNs LHC/HL-LHC-projekt). Därför anses Czochralski-odlade kiselstrålningsdetektorer vara lovande kandidater för många framtida tillämpningar.experiment i högenergifysik. Det har också visat sig att närvaron av syre i kisel ökar föroreningsupptaget i efterimplantationsglödgningsprocessen.
Reaktionsproblem
Syreföroreningar kan dock reagera med bor i en upplyst miljö. Detta leder till bildandet av ett elektriskt aktivt bor-syrekomplex, vilket minskar cellernas effektivitet. Moduleffekten sjunker med cirka 3 % under de första timmarna av belysning.
Koncentrationen av föroreningar i fasta kristaller som härrör från volymfrysning kan erhållas med hänsyn till segregationskoefficienten.
Växande kristaller
Kristalltillväxt är en process där en redan existerande kristall blir större när antalet molekyler eller joner i deras positioner i kristallgittret ökar, eller en lösning förvandlas till en kristall och ytterligare tillväxt bearbetas. Czochralski-metoden är en form av denna process. En kristall definieras som atomer, molekyler eller joner ordnade i ett ordnat, upprepande mönster, ett kristallgitter som sträcker sig genom alla tre rumsliga dimensioner. Sålunda skiljer sig tillväxten av kristaller från tillväxten av en vätskedroppe genom att under tillväxten måste molekyler eller joner falla i rätt positioner i gittret för att en ordnad kristall ska växa. Detta är en mycket intressant process som har gett vetenskapen många intressanta upptäckter, såsom den elektroniska formeln germanium.
Processen att odla kristaller utförs tack vare speciella anordningar - kolvar och galler, där huvuddelen av processen för kristallisering av ett ämne äger rum. Dessa enheter finns i stort antal i nästan alla företag som arbetar med metaller, mineraler och andra liknande ämnen. Under processen att arbeta med kristaller i produktionen gjordes många viktiga upptäckter (till exempel den elektroniska formeln för germanium som nämns ovan).
Slutsats
Metoden som denna artikel ägnas åt har spelat en stor roll i den moderna industriella produktionens historia. Tack vare honom har folk äntligen lärt sig hur man skapar fullvärdiga kristaller av kisel och många andra ämnen. Först i laboratorieförhållanden och sedan i industriell skala. Metoden att odla enkristaller, upptäckt av den store polske vetenskapsmannen, används fortfarande i stor utsträckning.
