Ovaj proces je dobio ime po istaknutom poljskom znanstveniku i građaninu Ruskog Carstva, Janu Czochralskom, koji ga je izumio davne 1915. godine. Otkriće se dogodilo slučajno, iako Czochralskijevo zanimanje za kristale, naravno, nije bilo slučajno, jer je vrlo pomno proučavao geologiju.
Prijava
Možda najvažnije područje primjene ove metode je industrija, posebice teška industrija. U industriji se još uvijek koristi za umjetnu kristalizaciju metala i drugih tvari, što se ne može postići na drugi način. U tom smislu, metoda je dokazala svoju gotovo apsolutnu bez alternativnost i svestranost.
Silikon
Monokristalni silicij - mono-Si. Ima i drugo ime. Silicij uzgojen metodom Czochralskog - Cz-Si. To je Czochralski silicij. Glavni je materijal u proizvodnji integriranih sklopova koji se koriste u računalima, televizorima, mobilnim telefonima i svim vrstama elektroničke opreme i poluvodičkih uređaja. kristali silicijatakođer se u velikim količinama koriste u fotonaponskoj industriji za proizvodnju konvencionalnih mono-Si solarnih ćelija. Gotovo savršena kristalna struktura daje siliciju najvišu učinkovitost pretvorbe svjetlosti u električnu energiju.
Topljenje
Poluvodički silicij visoke čistoće (samo nekoliko dijelova na milijun nečistoća) topi se u lončiću na 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), obično izrađenom od kvarca. Atomi dopantnih nečistoća kao što su bor ili fosfor mogu se dodati rastaljenom siliciju u preciznim količinama za dopiranje, čime se mijenja u p- ili n-tip silicija s različitim elektroničkim svojstvima. Precizno orijentirani kristal sjeme šipke uronjen je u rastaljeni silicij. Stabljika sjemenskog kristala polako se diže prema gore i istovremeno se okreće. Kroz preciznu kontrolu temperaturnih gradijenta, brzine izvlačenja i brzine rotacije, velika gredica od jednog kristala može se ukloniti iz taline. Pojava nepoželjnih nestabilnosti u talini može se izbjeći ispitivanjem i vizualizacijom polja temperature i brzine. Ovaj se proces obično provodi u inertnoj atmosferi kao što je argon, u inertnoj komori kao što je kvarc.
Industrijske suptilnosti
Zbog učinkovitosti općih karakteristika kristala, industrija poluvodiča koristi kristale standardiziranih veličina. U prvim danima njihove su boce bile manje, samo nekoliko centimetaraširina. Uz naprednu tehnologiju, proizvođači uređaja visoke kvalitete koriste ploče promjera 200 mm i 300 mm. Širina se kontrolira preciznom kontrolom temperature, brzinom vrtnje i brzinom uklanjanja držača sjemena. Kristalni ingoti iz kojih se izrezuju ove ploče mogu biti dugi i do 2 metra i težiti nekoliko stotina kilograma. Veće pločice omogućuju bolju proizvodnu učinkovitost jer se na svakoj pločici može napraviti više čipova, pa je stabilni pogon povećao veličinu silikonskih vafla. Sljedeća stepenica naviše, 450 mm, trenutno bi trebala biti uvedena 2018. Silikonske pločice obično su debljine oko 0,2-0,75 mm i mogu se polirati do velike ravnosti kako bi se stvorili integrirani krugovi ili tekstura za stvaranje solarnih ćelija.
Grijanje
Proces počinje kada se komora zagrije na oko 1500 stupnjeva Celzija, topi silicij. Kada je silicij potpuno otopljen, mali sjemenski kristal postavljen na kraju rotirajuće osovine polako se spušta dok se ne nađe ispod površine rastaljenog silicija. Osovina se okreće suprotno od kazaljke na satu, a lončić se okreće u smjeru kazaljke na satu. Rotirajuća šipka se zatim vrlo polako povlači prema gore - oko 25 mm na sat u proizvodnji kristala rubina - kako bi se formirala otprilike cilindrična boula. Boca može biti od jednog do dva metra, ovisno o količini silicija u lončiću.
Električna vodljivost
Električne karakteristike silicija se prilagođavaju dodavanjem materijala poput fosfora ili bora prije nego što se otapa. Dodani materijal naziva se dopant, a proces se naziva doping. Ova metoda se također koristi s poluvodičkim materijalima osim silicija, kao što je galijev arsenid.
Značajke i prednosti
Kada se silicij uzgaja metodom Czochralskog, talina se nalazi u silicij lončiću. Tijekom rasta, stijenke lončića se otapaju u talini, a dobivena tvar sadrži kisik u tipičnoj koncentraciji od 1018 cm-3. Nečistoće kisika mogu imati korisne ili štetne učinke. Pažljivo odabrani uvjeti žarenja mogu dovesti do stvaranja naslaga kisika. Oni utječu na hvatanje neželjenih nečistoća prijelaznih metala u procesu poznatom kao dobivanje, poboljšavajući čistoću okolnog silicija. Međutim, stvaranje naslaga kisika na nenamjernim mjestima također može uništiti električne strukture. Osim toga, nečistoće kisika mogu poboljšati mehaničku čvrstoću silicijevih pločica imobilizacijom svih dislokacija koje se mogu uvesti tijekom obrade uređaja. U 1990-ima eksperimentalno je pokazano da je visoka koncentracija kisika također korisna za tvrdoću radijacije detektora silicijevih čestica koji se koriste u okruženjima s teškim zračenjem (kao što su CERN-ovi LHC/HL-LHC projekti). Stoga se detektori silikonskog zračenja uzgojenog u Czochralskom smatraju obećavajućim kandidatima za mnoge buduće primjene.eksperimenti u fizici visokih energija. Također se pokazalo da prisutnost kisika u siliciju povećava unos nečistoća u procesu žarenja nakon implantacije.
Problemi s reakcijom
Međutim, nečistoće kisika mogu reagirati s borom u osvijetljenom okruženju. To dovodi do stvaranja električno aktivnog kompleksa bor-kisik, što smanjuje učinkovitost stanica. Izlaz modula pada za otprilike 3% tijekom prvih nekoliko sati osvjetljenja.
Koncentracija krutih kristalnih nečistoća koja nastaje zamrzavanjem volumena može se dobiti uzimanjem u obzir koeficijenta segregacije.
Uzgoj kristala
Rast kristala je proces u kojem već postojeći kristal postaje veći kako se povećava broj molekula ili iona na njihovim pozicijama u kristalnoj rešetki, ili se otopina pretvara u kristal i daljnji rast se obrađuje. Metoda Czochralskog jedan je od oblika ovog procesa. Kristal je definiran kao atomi, molekule ili ioni raspoređeni u uređenom, ponavljajućem uzorku, kristalnoj rešetki koja se proteže kroz sve tri prostorne dimenzije. Dakle, rast kristala se razlikuje od rasta kaplje tekućine po tome što tijekom rasta molekule ili ioni moraju pasti u ispravne položaje rešetke kako bi uređeni kristal rastao. Ovo je vrlo zanimljiv proces koji je znanosti dao mnoga zanimljiva otkrića, kao što je elektronička formula germanija.
Proces uzgoja kristala odvija se zahvaljujući posebnim uređajima - tikvicama i rešetkama, u kojima se odvija glavni dio procesa kristalizacije tvari. Ovi uređaji postoje u velikom broju u gotovo svakom poduzeću koje radi s metalima, mineralima i drugim sličnim tvarima. Tijekom procesa rada s kristalima u proizvodnji došlo je do mnogih važnih otkrića (npr. gore spomenuta elektronska formula germanija).
Zaključak
Metoda kojoj je posvećen ovaj članak odigrala je veliku ulogu u povijesti moderne industrijske proizvodnje. Zahvaljujući njemu, ljudi su konačno naučili kako stvoriti punopravne kristale silicija i mnogih drugih tvari. Prvo u laboratorijskim uvjetima, a potom i u industrijskim razmjerima. Metoda uzgoja monokristala, koju je otkrio veliki poljski znanstvenik, još uvijek se široko koristi.
