Denne proces blev opkaldt efter den fremragende polske videnskabsmand og borger i det russiske imperium, Jan Czochralski, som opfandt den tilbage i 1915. Opdagelsen skete ved et uheld, selvom Czochralskis interesse for krystaller selvfølgelig ikke var tilfældig, fordi han studerede geologi meget nøje.
Application
Det måske vigtigste anvendelsesområde for denne metode er industrien, især den tunge industri. I industrien bruges det stadig til kunstig krystallisering af metaller og andre stoffer, som ikke kan opnås på anden måde. I denne henseende har metoden bevist sin næsten absolutte ikke- alternativitet og alsidighed.
Silicon
Monokrystallinsk silicium - mono-Si. Den har også et andet navn. Silicium dyrket efter Czochralski-metoden - Cz-Si. Det er Czochralski silicium. Det er hovedmaterialet i produktionen af integrerede kredsløb, der bruges i computere, fjernsyn, mobiltelefoner og alle typer elektronisk udstyr og halvlederenheder. silicium krystallerbruges også i store mængder af solcelleindustrien til produktion af konventionelle mono-Si solceller. Den næsten perfekte krystalstruktur giver silicium den højeste lys-til-elektricitet konverteringseffektivitet.
Smelting
Halvledersilicium med høj renhed (kun nogle få ppm urenheder) smeltes i en digel ved 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), norm alt lavet af kvarts. Doperende urenhedsatomer såsom bor eller fosfor kan tilsættes til smeltet silicium i præcise mængder til doping og derved ændre det til p- eller n-type silicium med forskellige elektroniske egenskaber. En præcist orienteret stang-frø krystal er nedsænket i smeltet silicium. Frøkrystallens stilk stiger langsomt op og roterer på samme tid. Gennem præcis styring af temperaturgradienter, trækhastighed og rotationshastighed kan en stor enkeltkrystalstang fjernes fra smelten. Forekomsten af uønskede ustabiliteter i smelten kan undgås ved at undersøge og visualisere temperatur- og hastighedsfelterne. Denne proces udføres sædvanligvis i en inert atmosfære, såsom argon, i et inert kammer, såsom kvarts.
Industrielle finesser
På grund af effektiviteten af de generelle karakteristika ved krystaller, bruger halvlederindustrien krystaller med standardiserede størrelser. I de tidlige dage var deres boules mindre, kun et par centimeterbredde. Med avanceret teknologi bruger producenter af højkvalitetsudstyr plader med en diameter på 200 mm og 300 mm. Bredden styres af præcis temperaturkontrol, rotationshastighed og hastighed for udtagning af frøholder. De krystallinske barrer, som disse plader skæres af, kan være op til 2 meter lange og veje flere hundrede kilo. Større wafere giver mulighed for bedre fremstillingseffektivitet, fordi der kan laves flere chips på hver wafer, så det stabile drev har øget størrelsen af siliciumwaferne. Det næste trin op, 450 mm, er i øjeblikket planlagt til at blive introduceret i 2018. Siliciumwafers er typisk omkring 0,2-0,75 mm tykke og kan poleres til en stor fladhed for at skabe integrerede kredsløb eller teksturering for at skabe solceller.
Opvarmning
Processen begynder, når kammeret opvarmes til omkring 1500 grader Celsius, hvorved silicium smelter. Når siliciumet er helt smeltet, falder en lille frøkrystal monteret på enden af den roterende aksel langsomt ned, indtil den er under overfladen af det smeltede silicium. Akslen roterer mod uret, og diglen roterer med uret. Den roterende stang trækkes derefter meget langsomt opad - omkring 25 mm i timen ved fremstilling af en rubinkrystal - for at danne en nogenlunde cylindrisk boule. Bollen kan være fra en til to meter afhængig af mængden af silicium i diglen.
Elektrisk ledningsevne
Siliciums elektriske egenskaber justeres ved at tilsætte et materiale som fosfor eller bor, før det smeltes. Det tilsatte materiale kaldes doping, og processen kaldes doping. Denne metode bruges også med andre halvledermaterialer end silicium, såsom galliumarsenid.
Funktioner og fordele
Når silicium dyrkes ved Czochralski-metoden, er smelten indeholdt i en silica-digel. Under væksten opløses diglens vægge i smelten, og det resulterende stof indeholder oxygen i en typisk koncentration på 1018 cm-3. Ilt urenheder kan have gavnlige eller skadelige virkninger. Omhyggeligt udvalgte udglødningsbetingelser kan føre til dannelse af iltaflejringer. De påvirker opfangningen af uønskede overgangsmetalurenheder i en proces kendt som gettering, hvilket forbedrer renheden af det omgivende silicium. Men dannelsen af iltaflejringer på utilsigtede steder kan også ødelægge elektriske strukturer. Ydermere kan ilturenheder forbedre den mekaniske styrke af siliciumwafers ved at immobilisere eventuelle dislokationer, der kan indføres under anordningsbehandling. I 1990'erne blev det eksperimentelt vist, at høj iltkoncentration også er gavnlig for strålingshårdheden af siliciumpartikeldetektorer, der anvendes i barske strålingsmiljøer (såsom CERNs LHC/HL-LHC-projekter). Derfor betragtes Czochralski-dyrkede siliciumstrålingsdetektorer som lovende kandidater til mange fremtidige anvendelser.eksperimenter i højenergifysik. Det er også blevet vist, at tilstedeværelsen af oxygen i silicium øger optagelsen af urenheder i post-implantationsudglødningsprocessen.
Reaktionsproblemer
Oilturenheder kan dog reagere med bor i et oplyst miljø. Dette fører til dannelsen af et elektrisk aktivt bor-ilt-kompleks, som reducerer cellernes effektivitet. Moduloutput falder med ca. 3 % i løbet af de første par timers belysning.
Koncentrationen af urenheder i faste krystaller, der er et resultat af volumenfrysning, kan opnås ved at overveje segregationskoefficienten.
Voksende krystaller
Krystalvækst er en proces, hvor en allerede eksisterende krystal bliver større, efterhånden som antallet af molekyler eller ioner i deres positioner i krystalgitteret øges, eller en opløsning bliver til en krystal, og yderligere vækst bearbejdes. Czochralski-metoden er en form for denne proces. En krystal er defineret som atomer, molekyler eller ioner arrangeret i et ordnet, gentagende mønster, et krystalgitter, der strækker sig gennem alle tre rumlige dimensioner. Væksten af krystaller adskiller sig således fra væksten af en væskedråbe ved, at under væksten skal molekyler eller ioner falde ind i de korrekte positioner af gitteret, for at en ordnet krystal kan vokse. Dette er en meget interessant proces, der har givet videnskaben mange interessante opdagelser, såsom den elektroniske formel for germanium.
Processen med at dyrke krystaller udføres takket være specielle anordninger - kolber og riste, hvor hoveddelen af processen med krystallisation af et stof finder sted. Disse enheder findes i stort antal i næsten alle virksomheder, der arbejder med metaller, mineraler og andre lignende stoffer. Under processen med at arbejde med krystaller i produktionen blev der gjort mange vigtige opdagelser (for eksempel den elektroniske formel for germanium nævnt ovenfor).
Konklusion
Den metode, som denne artikel er viet til, har spillet en stor rolle i den moderne industriproduktions historie. Takket være ham har folk endelig lært, hvordan man skaber fuldgyldige krystaller af silicium og mange andre stoffer. Først i laboratorieforhold og derefter i industriel skala. Metoden til at dyrke enkeltkrystaller, opdaget af den store polske videnskabsmand, er stadig meget brugt.
