Αυτή η διαδικασία πήρε το όνομά της από τον εξαιρετικό Πολωνό επιστήμονα και πολίτη της Ρωσικής Αυτοκρατορίας, Jan Czochralski, ο οποίος την επινόησε το 1915. Η ανακάλυψη έγινε τυχαία, αν και το ενδιαφέρον του Czochralski για τους κρυστάλλους, φυσικά, δεν ήταν τυχαίο, επειδή μελέτησε πολύ προσεκτικά τη γεωλογία.
Αίτηση
Ίσως ο σημαντικότερος τομέας εφαρμογής αυτής της μεθόδου είναι η βιομηχανία, ιδιαίτερα η βαριά βιομηχανία. Στη βιομηχανία, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται για την τεχνητή κρυστάλλωση μετάλλων και άλλων ουσιών, κάτι που δεν μπορεί να επιτευχθεί με άλλο τρόπο. Από αυτή την άποψη, η μέθοδος έχει αποδείξει την σχεδόν απόλυτη μη εναλλακτική και ευελιξία της.
Πυρίτιο
Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο - μονο-Si. Έχει και άλλο όνομα. Πυρίτιο που καλλιεργείται με τη μέθοδο Czochralski - Cz-Si. Αυτό είναι το πυρίτιο Czochralski. Είναι το κύριο υλικό στην παραγωγή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται σε υπολογιστές, τηλεοράσεις, κινητά τηλέφωνα και κάθε είδους ηλεκτρονικό εξοπλισμό και συσκευές ημιαγωγών. κρυστάλλους πυριτίουχρησιμοποιούνται επίσης σε μεγάλες ποσότητες από τη βιομηχανία φωτοβολταϊκών για την παραγωγή συμβατικών ηλιακών κυψελών mono-Si. Η σχεδόν τέλεια κρυσταλλική δομή δίνει στο πυρίτιο την υψηλότερη απόδοση μετατροπής φωτός σε ηλεκτρική.
Λήξη
Ημιαγωγικό πυρίτιο υψηλής καθαρότητας (μόνο λίγα μέρη ανά εκατομμύριο ακαθαρσιών) τήκεται σε χωνευτήριο στους 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), συνήθως κατασκευασμένο από χαλαζία. Άτομα προσμίξεων όπως το βόριο ή ο φώσφορος μπορούν να προστεθούν στο τηγμένο πυρίτιο σε ακριβείς ποσότητες για ντόπινγκ, αλλάζοντας έτσι σε πυρίτιο τύπου p ή n με διαφορετικές ηλεκτρονικές ιδιότητες. Ένας επακριβώς προσανατολισμένος κρύσταλλος με σπόρους ράβδου βυθίζεται σε λιωμένο πυρίτιο. Το στέλεχος του κρυστάλλου των σπόρων ανεβαίνει αργά και περιστρέφεται ταυτόχρονα. Μέσω του ακριβούς ελέγχου των κλίσεων θερμοκρασίας, της ταχύτητας έλξης και της ταχύτητας περιστροφής, μπορεί να αφαιρεθεί ένα μεγάλο μονοκρυστάλλινο τεμάχιο από το τήγμα. Η εμφάνιση ανεπιθύμητων αστάθειας στο τήγμα μπορεί να αποφευχθεί με εξέταση και οπτικοποίηση των πεδίων θερμοκρασίας και ταχύτητας. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται συνήθως σε μια αδρανή ατμόσφαιρα όπως το αργό, σε έναν αδρανή θάλαμο όπως ο χαλαζίας.
Βιομηχανικές λεπτές αποχρώσεις
Λόγω της αποτελεσματικότητας των γενικών χαρακτηριστικών των κρυστάλλων, η βιομηχανία ημιαγωγών χρησιμοποιεί κρυστάλλους με τυποποιημένα μεγέθη. Τις πρώτες μέρες, οι βούλες τους ήταν μικρότερες, μόνο μερικές ίντσεςπλάτος. Με προηγμένη τεχνολογία, οι κατασκευαστές συσκευών υψηλής ποιότητας χρησιμοποιούν πλάκες διαμέτρου 200mm και 300mm. Το πλάτος ελέγχεται από τον ακριβή έλεγχο θερμοκρασίας, την ταχύτητα περιστροφής και την ταχύτητα αφαίρεσης συγκράτησης σπόρων. Τα κρυσταλλικά πλινθώματα από τα οποία κόβονται αυτές οι πλάκες μπορούν να έχουν μήκος έως 2 μέτρα και να ζυγίζουν αρκετές εκατοντάδες κιλά. Οι μεγαλύτερες γκοφρέτες επιτρέπουν καλύτερη απόδοση κατασκευής, επειδή μπορούν να κατασκευαστούν περισσότερα τσιπ σε κάθε γκοφρέτα, επομένως η σταθερή μονάδα δίσκου έχει αυξήσει το μέγεθος των πλακών πυριτίου. Το επόμενο βήμα προς τα πάνω, 450 mm, έχει προγραμματιστεί επί του παρόντος να παρουσιαστεί το 2018. Οι γκοφρέτες πυριτίου έχουν συνήθως πάχος περίπου 0,2-0,75 mm και μπορούν να γυαλιστούν σε μεγάλη επιπεδότητα για τη δημιουργία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ή υφή για τη δημιουργία ηλιακών κυψελών.
Θέρμανση
Η διαδικασία ξεκινά όταν ο θάλαμος θερμανθεί στους 1500 βαθμούς Κελσίου περίπου, λιώνοντας το πυρίτιο. Όταν το πυρίτιο λιώσει τελείως, ένας μικρός σπόρος κρύσταλλος τοποθετημένος στο άκρο του περιστρεφόμενου άξονα κατεβαίνει αργά μέχρι να βρεθεί κάτω από την επιφάνεια του τηγμένου πυριτίου. Ο άξονας περιστρέφεται αριστερόστροφα και το χωνευτήριο περιστρέφεται δεξιόστροφα. Στη συνέχεια, η περιστρεφόμενη ράβδος τραβιέται προς τα πάνω πολύ αργά - περίπου 25 mm την ώρα για την κατασκευή ενός κρυστάλλου ρουμπίνι - για να σχηματιστεί μια κατά προσέγγιση κυλινδρική ράβδος. Το μπουλόνι μπορεί να είναι από ένα έως δύο μέτρα, ανάλογα με την ποσότητα πυριτίου στο χωνευτήριο.
Ηλεκτρική αγωγιμότητα
Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του πυριτίου ρυθμίζονται προσθέτοντας ένα υλικό όπως φώσφορο ή βόριο σε αυτό πριν το λιώσει. Το προστιθέμενο υλικό ονομάζεται πρόσμιξη και η διαδικασία ονομάζεται ντόπινγκ. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται επίσης με ημιαγωγικά υλικά εκτός από το πυρίτιο, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου.
Λειτουργίες & Οφέλη
Όταν το πυρίτιο αναπτύσσεται με τη μέθοδο Czochralski, το τήγμα περιέχεται σε ένα χωνευτήριο πυριτίου. Κατά την ανάπτυξη, τα τοιχώματα του χωνευτηρίου διαλύονται στο τήγμα και η προκύπτουσα ουσία περιέχει οξυγόνο σε τυπική συγκέντρωση 1018 cm-3. Οι ακαθαρσίες οξυγόνου μπορεί να έχουν ευεργετικά ή επιβλαβή αποτελέσματα. Οι προσεκτικά επιλεγμένες συνθήκες ανόπτησης μπορούν να οδηγήσουν στο σχηματισμό εναποθέσεων οξυγόνου. Επηρεάζουν τη δέσμευση ανεπιθύμητων ακαθαρσιών μετάλλων μετάπτωσης σε μια διαδικασία γνωστή ως λήψη, βελτιώνοντας την καθαρότητα του πυριτίου που περιβάλλει. Ωστόσο, ο σχηματισμός εναποθέσεων οξυγόνου σε ανεπιθύμητα μέρη μπορεί επίσης να καταστρέψει ηλεκτρικές δομές. Επιπλέον, οι ακαθαρσίες οξυγόνου μπορούν να βελτιώσουν τη μηχανική αντοχή των πλακών πυριτίου ακινητοποιώντας τυχόν εξαρθρήματα που ενδέχεται να εισαχθούν κατά την επεξεργασία της συσκευής. Στη δεκαετία του 1990, αποδείχθηκε πειραματικά ότι η υψηλή συγκέντρωση οξυγόνου είναι επίσης ευεργετική για τη σκληρότητα ακτινοβολίας των ανιχνευτών σωματιδίων πυριτίου που χρησιμοποιούνται σε περιβάλλοντα σκληρής ακτινοβολίας (όπως τα έργα LHC/HL-LHC του CERN). Ως εκ τούτου, οι ανιχνευτές ακτινοβολίας πυριτίου που έχουν αναπτυχθεί από την Czochralski θεωρούνται πολλά υποσχόμενοι υποψήφιοι για πολλές μελλοντικές εφαρμογές.πειράματα στη φυσική υψηλής ενέργειας. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι η παρουσία οξυγόνου στο πυρίτιο αυξάνει την πρόσληψη ακαθαρσιών στη διαδικασία ανόπτησης μετά την εμφύτευση.
Προβλήματα αντίδρασης
Ωστόσο, οι ακαθαρσίες οξυγόνου μπορούν να αντιδράσουν με το βόριο σε ένα φωτισμένο περιβάλλον. Αυτό οδηγεί στον σχηματισμό ενός ηλεκτρικά ενεργού συμπλόκου βορίου-οξυγόνου, το οποίο μειώνει την αποτελεσματικότητα των κυττάρων. Η απόδοση της μονάδας μειώνεται κατά περίπου 3% κατά τις πρώτες λίγες ώρες φωτισμού.
Η συγκέντρωση ακαθαρσιών στερεών κρυστάλλων που προκύπτει από την κατάψυξη όγκου μπορεί να ληφθεί από την εξέταση του συντελεστή διαχωρισμού.
Αναπτυσσόμενοι κρύσταλλοι
Ανάπτυξη κρυστάλλων είναι μια διαδικασία κατά την οποία ένας προϋπάρχων κρύσταλλος γίνεται μεγαλύτερος καθώς αυξάνεται ο αριθμός των μορίων ή ιόντων στις θέσεις τους στο κρυσταλλικό πλέγμα ή ένα διάλυμα μετατρέπεται σε κρύσταλλο και επεξεργάζεται περαιτέρω ανάπτυξη. Η μέθοδος Czochralski είναι μια μορφή αυτής της διαδικασίας. Ένας κρύσταλλος ορίζεται ως άτομα, μόρια ή ιόντα διατεταγμένα σε ένα διατεταγμένο, επαναλαμβανόμενο σχέδιο, ένα κρυσταλλικό πλέγμα που εκτείνεται και στις τρεις χωρικές διαστάσεις. Έτσι, η ανάπτυξη των κρυστάλλων διαφέρει από την ανάπτυξη μιας σταγόνας υγρού στο ότι κατά την ανάπτυξη, τα μόρια ή τα ιόντα πρέπει να πέσουν στις σωστές θέσεις του πλέγματος για να αναπτυχθεί ένας διατεταγμένος κρύσταλλος. Αυτή είναι μια πολύ ενδιαφέρουσα διαδικασία που έχει δώσει στην επιστήμη πολλές ενδιαφέρουσες ανακαλύψεις, όπως η ηλεκτρονική φόρμουλα του γερμανίου.
Η διαδικασία καλλιέργειας κρυστάλλων πραγματοποιείται χάρη σε ειδικές συσκευές - φιάλες και σχάρες, στις οποίες λαμβάνει χώρα το κύριο μέρος της διαδικασίας κρυστάλλωσης μιας ουσίας. Αυτές οι συσκευές υπάρχουν σε μεγάλους αριθμούς σχεδόν σε κάθε επιχείρηση που εργάζεται με μέταλλα, ορυκτά και άλλες παρόμοιες ουσίες. Κατά τη διαδικασία της εργασίας με τους κρυστάλλους στην παραγωγή, έγιναν πολλές σημαντικές ανακαλύψεις (για παράδειγμα, η ηλεκτρονική φόρμουλα του γερμανίου που αναφέρθηκε παραπάνω).
Συμπέρασμα
Η μέθοδος στην οποία είναι αφιερωμένο αυτό το άρθρο έχει παίξει μεγάλο ρόλο στην ιστορία της σύγχρονης βιομηχανικής παραγωγής. Χάρη σε αυτόν, οι άνθρωποι έμαθαν επιτέλους πώς να δημιουργούν πλήρεις κρυστάλλους πυριτίου και πολλές άλλες ουσίες. Πρώτα σε εργαστηριακές συνθήκες και μετά σε βιομηχανική κλίμακα. Η μέθοδος καλλιέργειας μονοκρυστάλλων, που ανακαλύφθηκε από τον μεγάλο Πολωνό επιστήμονα, εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως.
