Denne prosessen ble oppk alt etter den fremragende polske vitenskapsmannen og borgeren av det russiske imperiet, Jan Czochralski, som oppfant den i 1915. Oppdagelsen skjedde ved et uhell, selv om Czochralskis interesse for krystaller selvfølgelig ikke var tilfeldig, fordi han studerte geologi veldig nøye.
Application
Det kanskje viktigste bruksområdet for denne metoden er industri, spesielt tungindustri. I industrien brukes det fortsatt til kunstig krystallisering av metaller og andre stoffer, som ikke kan oppnås på noen annen måte. I denne forbindelse har metoden bevist sin nesten absolutte ikke- alternativitet og allsidighet.
Silicon
Monokrystallinsk silisium - mono-Si. Den har også et annet navn. Silisium dyrket etter Czochralski-metoden - Cz-Si. Det er Czochralski silisium. Det er hovedmaterialet i produksjonen av integrerte kretser som brukes i datamaskiner, fjernsyn, mobiltelefoner og alle typer elektronisk utstyr og halvlederenheter. silisiumkrystallerbrukes også i store mengder av solcelleindustrien for produksjon av konvensjonelle mono-Si solceller. Den nesten perfekte krystallstrukturen gir silisium den høyeste lys-til-elektrisitet konverteringseffektiviteten.
Smelting
Halvledersilisium med høy renhet (bare noen få deler per million urenheter) smeltes i en digel ved 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), vanligvis laget av kvarts. Doperende urenhetsatomer som bor eller fosfor kan tilsettes smeltet silisium i nøyaktige mengder for doping, og dermed endre det til p- eller n-type silisium med forskjellige elektroniske egenskaper. En nøyaktig orientert stav-frøkrystall er nedsenket i smeltet silisium. Stammen på frøkrystallen stiger sakte opp og roterer samtidig. Gjennom presis kontroll av temperaturgradienter, trekkhastighet og rotasjonshastighet, kan en stor enkeltkrystallemne fjernes fra smelten. Forekomsten av uønskede ustabiliteter i smelten kan unngås ved å undersøke og visualisere temperatur- og hastighetsfeltene. Denne prosessen utføres vanligvis i en inert atmosfære som argon, i et inert kammer som kvarts.
Industrielle finesser
På grunn av effektiviteten til de generelle egenskapene til krystaller, bruker halvlederindustrien krystaller med standardiserte størrelser. I de tidlige dagene var boulene deres mindre, bare noen få centimeterbredde. Med avansert teknologi bruker produsenter av høykvalitets enheter med 200 mm og 300 mm diameter plater. Bredden styres av nøyaktig temperaturkontroll, rotasjonshastighet og hastighet for fjerning av frøholder. De krystallinske blokkene som disse platene er kuttet fra kan være opptil 2 meter lange og veie flere hundre kilo. Større wafere gir bedre produksjonseffektivitet fordi flere chips kan lages på hver wafer, så den stabile stasjonen har økt størrelsen på silisiumskivene. Det neste trinnet opp, 450 mm, er foreløpig planlagt introdusert i 2018. Silisiumskiver er vanligvis omtrent 0,2–0,75 mm tykke og kan poleres til en stor flathet for å lage integrerte kretsløp eller teksturering for å lage solceller.
Oppvarming
Prosessen begynner når kammeret varmes opp til ca. 1500 grader Celsius og smelter silisiumet. Når silisiumet er fullstendig smeltet, synker en liten frøkrystall montert på enden av den roterende akselen sakte ned til den er under overflaten av det smeltede silisiumet. Akselen roterer mot klokken og digelen roterer med klokken. Den roterende stangen trekkes deretter oppover veldig sakte - omtrent 25 mm i timen ved fremstilling av en rubinkrystall - for å danne en omtrent sylindrisk kule. Bollen kan være fra én til to meter, avhengig av mengden silisium i digelen.
Elektrisk konduktivitet
De elektriske egenskapene til silisium justeres ved å tilsette et materiale som fosfor eller bor før det smeltes. Det tilsatte materialet kalles doping og prosessen kalles doping. Denne metoden brukes også med andre halvledermaterialer enn silisium, slik som galliumarsenid.
Funksjoner og fordeler
Når silisium dyrkes etter Czochralski-metoden, er smelten inneholdt i en silika-digel. Under vekst oppløses veggene til digelen i smelten, og det resulterende stoffet inneholder oksygen i en typisk konsentrasjon på 1018 cm-3. Oksygenurenheter kan ha gunstige eller skadelige effekter. Nøye utvalgte glødeforhold kan føre til dannelse av oksygenavleiringer. De påvirker fangsten av uønskede overgangsmetallurenheter i en prosess kjent som gettering, og forbedrer renheten til det omkringliggende silisiumet. Imidlertid kan dannelsen av oksygenavsetninger på utilsiktede steder også ødelegge elektriske strukturer. I tillegg kan oksygenforurensninger forbedre den mekaniske styrken til silisiumskiver ved å immobilisere eventuelle dislokasjoner som kan introduseres under enhetsbehandling. På 1990-tallet ble det eksperimentelt vist at høy oksygenkonsentrasjon også er gunstig for strålingshardheten til silisiumpartikkeldetektorer brukt i harde strålingsmiljøer (som CERNs LHC/HL-LHC-prosjekter). Derfor anses Czochralski-dyrkede silisiumstrålingsdetektorer som lovende kandidater for mange fremtidige bruksområder.eksperimenter i høyenergifysikk. Det har også vist seg at tilstedeværelsen av oksygen i silisium øker opptaket av urenheter i post-implantasjonsglødingsprosessen.
Reaksjonsproblemer
Oksygenforurensninger kan imidlertid reagere med bor i et opplyst miljø. Dette fører til dannelsen av et elektrisk aktivt bor-oksygen-kompleks, som reduserer effektiviteten til cellene. Moduleffekten synker med omtrent 3 % i løpet av de første timene med belysning.
Forurensningskonsentrasjonen i faste krystaller som er et resultat av volumfrysing kan oppnås ved å vurdere segregeringskoeffisienten.
Voksende krystaller
Krystallvekst er en prosess der en allerede eksisterende krystall blir større etter hvert som antall molekyler eller ioner i deres posisjoner i krystallgitteret øker, eller en løsning blir til en krystall og videre vekst bearbeides. Czochralski-metoden er en form for denne prosessen. En krystall er definert som atomer, molekyler eller ioner ordnet i et ordnet, repeterende mønster, et krystallgitter som strekker seg gjennom alle tre romlige dimensjoner. Således skiller veksten av krystaller seg fra veksten av en væskedråpe ved at under vekst må molekyler eller ioner falle inn i de riktige posisjonene i gitteret for at en ordnet krystall skal vokse. Dette er en veldig interessant prosess som har gitt vitenskapen mange interessante funn, for eksempel den elektroniske formelen for germanium.
Prosessen med å dyrke krystaller utføres takket være spesielle enheter - kolber og gitter, der hoveddelen av prosessen med krystallisering av et stoff finner sted. Disse enhetene finnes i stort antall i nesten alle virksomheter som arbeider med metaller, mineraler og andre lignende stoffer. Under prosessen med å arbeide med krystaller i produksjonen ble det gjort mange viktige funn (for eksempel den elektroniske formelen for germanium nevnt ovenfor).
Konklusjon
Metoden som denne artikkelen er viet har spilt en stor rolle i historien til moderne industriell produksjon. Takket være ham har folk endelig lært å lage fullverdige krystaller av silisium og mange andre stoffer. Først i laboratorieforhold, og deretter i industriell skala. Metoden for å dyrke enkeltkrystaller, oppdaget av den store polske vitenskapsmannen, er fortsatt mye brukt.
