Proces ten został nazwany na cześć wybitnego polskiego naukowca i obywatela Imperium Rosyjskiego, Jana Czochralskiego, który wynalazł go w 1915 roku. Odkrycie stało się przypadkiem, choć zainteresowanie Czochralskiego kryształami oczywiście nie było przypadkowe, ponieważ bardzo dokładnie studiował geologię.
Aplikacja
Być może najważniejszym obszarem zastosowania tej metody jest przemysł, zwłaszcza przemysł ciężki. W przemyśle nadal wykorzystywany jest do sztucznej krystalizacji metali i innych substancji, czego nie można osiągnąć w żaden inny sposób. Pod tym względem metoda dowiodła niemal całkowitej nie alternatywności i wszechstronności.
Krzem
Krzem monokrystaliczny - mono-Si. Ma też inną nazwę. Krzem uprawiany metodą Czochralskiego - Cz-Si. To jest krzem Czochralskiego. Jest głównym materiałem do produkcji układów scalonych stosowanych w komputerach, telewizorach, telefonach komórkowych oraz wszelkiego rodzaju sprzęcie elektronicznym i urządzeniach półprzewodnikowych. kryształy krzemusą również wykorzystywane w dużych ilościach przez przemysł fotowoltaiczny do produkcji konwencjonalnych ogniw słonecznych mono-Si. Niemal idealna struktura krystaliczna zapewnia krzemowi najwyższą wydajność konwersji światła w energię elektryczną.
Topienie
Krzem półprzewodnikowy o wysokiej czystości (tylko kilka części na milion zanieczyszczeń) jest topiony w tyglu w temperaturze 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), zwykle wykonanym z kwarcu. Domieszkowane atomy zanieczyszczeń, takie jak bor lub fosfor, można dodawać do stopionego krzemu w precyzyjnych ilościach w celu domieszkowania, zmieniając go w ten sposób na krzem typu p lub n o różnych właściwościach elektronicznych. Precyzyjnie zorientowany kryształ pręcikowy jest zanurzony w stopionym krzemie. Łodyga kryształu zarodkowego powoli unosi się i jednocześnie obraca. Dzięki precyzyjnej kontroli gradientów temperatury, prędkości wyciągania i prędkości obrotowej, duże kęsy pojedynczego kryształu można usunąć z roztopionego materiału. Występowania niepożądanych niestabilności w stopie można uniknąć poprzez badanie i wizualizację pól temperatury i prędkości. Proces ten jest zwykle przeprowadzany w obojętnej atmosferze, takiej jak argon, w obojętnej komorze, takiej jak kwarc.
Subtelności przemysłowe
Ze względu na skuteczność ogólnych cech kryształów, przemysł półprzewodników wykorzystuje kryształy o znormalizowanych rozmiarach. Na początku ich kule były mniejsze, zaledwie kilka caliszerokość. Dzięki zaawansowanej technologii, producenci wysokiej jakości urządzeń stosują płyty o średnicy 200mm i 300mm. Szerokość jest kontrolowana przez precyzyjną kontrolę temperatury, prędkość obrotową i prędkość wyjmowania pojemnika na nasiona. Wlewki krystaliczne, z których wycina się te płyty, mogą mieć do 2 metrów długości i ważyć kilkaset kilogramów. Większe wafle pozwalają na lepszą wydajność produkcji, ponieważ na każdym waflu można wykonać więcej żetonów, więc stabilny dysk zwiększył rozmiar wafli krzemowych. Kolejny krok w górę, 450 mm, ma zostać wprowadzony w 2018 roku. Wafle krzemowe mają zazwyczaj grubość około 0,2-0,75 mm i można je polerować do dużej płaskości, aby utworzyć układy scalone lub teksturować w celu uzyskania ogniw słonecznych.
Ogrzewanie
Proces rozpoczyna się, gdy komora jest podgrzewana do około 1500 stopni Celsjusza, topiąc krzem. Kiedy krzem jest całkowicie stopiony, mały kryształek zaszczepiający zamontowany na końcu obracającego się wału powoli opada, aż znajdzie się pod powierzchnią stopionego krzemu. Wał obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, a tygiel obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Obracający się pręt jest następnie bardzo powoli wciągany do góry - około 25 mm na godzinę przy wytwarzaniu kryształu rubinu - w celu uformowania z grubsza cylindrycznej kuli. Kula może mieć od jednego do dwóch metrów, w zależności od ilości krzemu w tyglu.
Przewodność elektryczna
Właściwości elektryczne krzemu są dostosowywane przez dodanie do niego materiału, takiego jak fosfor lub bor, przed stopieniem. Dodawany materiał nazywa się domieszką, a sam proces nazywa się domieszką. Ta metoda jest również stosowana w przypadku materiałów półprzewodnikowych innych niż krzem, takich jak arsenek galu.
Cechy i korzyści
Kiedy krzem jest hodowany metodą Czochralskiego, stop znajduje się w tyglu krzemionkowym. Podczas wzrostu ścianki tygla rozpuszczają się w stopie, a uzyskana substancja zawiera tlen o typowym stężeniu 1018 cm-3. Zanieczyszczenia tlenowe mogą mieć korzystne lub szkodliwe skutki. Starannie dobrane warunki wyżarzania mogą prowadzić do powstania osadów tlenowych. Wpływają na wychwytywanie niepożądanych zanieczyszczeń metali przejściowych w procesie zwanym getteringiem, poprawiając czystość otaczającego krzemu. Jednak tworzenie się osadów tlenu w niezamierzonych miejscach może również niszczyć struktury elektryczne. Ponadto zanieczyszczenia tlenowe mogą poprawiać wytrzymałość mechaniczną wafli krzemowych poprzez unieruchamianie wszelkich dyslokacji, które mogą zostać wprowadzone podczas obróbki urządzenia. W latach 90. wykazano eksperymentalnie, że wysokie stężenie tlenu jest również korzystne dla twardości radiacyjnej detektorów cząstek krzemu stosowanych w trudnych warunkach radiacyjnych (takich jak projekty CERN LHC/HL-LHC). Dlatego też krzemowe detektory promieniowania wyhodowane przez Czochralskiego są uważane za obiecujących kandydatów do wielu przyszłych zastosowań.eksperymenty w fizyce wysokich energii. Wykazano również, że obecność tlenu w krzemie zwiększa wychwyt zanieczyszczeń w procesie wyżarzania po implantacji.
Problemy z reakcją
Jednak zanieczyszczenia tlenowe mogą reagować z borem w oświetlonym środowisku. Prowadzi to do powstania elektrycznie czynnego kompleksu bor-tlen, co zmniejsza sprawność komórek. Wydajność modułu spada o około 3% w ciągu pierwszych kilku godzin świecenia.
Stężenie zanieczyszczeń stałych kryształów wynikające z zamrażania objętościowego można uzyskać z uwzględnieniem współczynnika segregacji.
Uprawa kryształów
Wzrost kryształów to proces, w którym wcześniej istniejący kryształ staje się większy wraz ze wzrostem liczby cząsteczek lub jonów w ich pozycjach w sieci krystalicznej, lub roztwór zamienia się w kryształ i przetwarzany jest dalszy wzrost. Jedną z form tego procesu jest metoda Czochralskiego. Kryształ definiuje się jako atomy, cząsteczki lub jony ułożone w uporządkowany, powtarzający się wzór, sieć krystaliczną, która rozciąga się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. Tak więc wzrost kryształów różni się od wzrostu kropli cieczy tym, że podczas wzrostu cząsteczki lub jony muszą opaść we właściwe pozycje w sieci, aby mógł rosnąć uporządkowany kryształ. Jest to bardzo interesujący proces, który dał nauce wiele interesujących odkryć, takich jak elektroniczna formuła germanu.
Proces wzrostu kryształów odbywa się dzięki specjalnym urządzeniom - kolbom i kratkom, w których odbywa się główna część procesu krystalizacji substancji. Urządzenia te występują w dużych ilościach w prawie każdym przedsiębiorstwie, które pracuje z metalami, minerałami i innymi podobnymi substancjami. Podczas procesu pracy z kryształami w produkcji dokonano wielu ważnych odkryć (np. wspomniana wyżej formuła elektronowa germanu).
Wniosek
Metoda, której poświęcony jest ten artykuł, odegrała dużą rolę w historii nowoczesnej produkcji przemysłowej. Dzięki niemu ludzie w końcu nauczyli się tworzyć pełnowartościowe kryształy krzemu i wielu innych substancji. Najpierw w warunkach laboratoryjnych, a potem na skalę przemysłową. Metoda hodowli monokryształów, odkryta przez wielkiego polskiego uczonego, jest nadal szeroko stosowana.
