Dit proces is vernoemd naar de uitstekende Poolse wetenschapper en burger van het Russische rijk, Jan Czochralski, die het in 1915 uitvond. De ontdekking gebeurde per ongeluk, hoewel Czochralski's interesse in kristallen natuurlijk niet toevallig was, omdat hij de geologie zeer nauwkeurig bestudeerde.
Toepassing
Misschien is het belangrijkste toepassingsgebied van deze methode de industrie, met name de zware industrie. In de industrie wordt het nog steeds gebruikt om metalen en andere stoffen kunstmatig te kristalliseren, wat op geen enkele andere manier kan. In dit opzicht heeft de methode haar bijna absolute niet- alternatieve werking en veelzijdigheid bewezen.
Silicium
Monokristallijn silicium - mono-Si. Het heeft ook een andere naam. Silicium gekweekt volgens de Czochralski-methode - Cz-Si. Dat is Czochralski-silicium. Het is het belangrijkste materiaal bij de productie van geïntegreerde schakelingen die worden gebruikt in computers, televisies, mobiele telefoons en alle soorten elektronische apparatuur en halfgeleiderapparatuur. silicium kristallenworden ook in grote hoeveelheden gebruikt door de fotovoltaïsche industrie voor de productie van conventionele mono-Si-zonnecellen. De bijna perfecte kristalstructuur geeft silicium de hoogste licht-naar-elektriciteit conversie-efficiëntie.
Smelten
Hoogzuiver halfgeleidersilicium (slechts enkele delen per miljoen onzuiverheden) wordt gesmolten in een smeltkroes bij 1425 ° C (2,597 ° F, 1,698 K), meestal gemaakt van kwarts. Doteringsverontreinigingsatomen zoals boor of fosfor kunnen in precieze hoeveelheden aan gesmolten silicium worden toegevoegd voor doping, waardoor het verandert in p- of n-type silicium met verschillende elektronische eigenschappen. Een nauwkeurig georiënteerd staafzaadkristal wordt ondergedompeld in gesmolten silicium. De steel van het zaadkristal komt langzaam omhoog en draait tegelijkertijd. Door nauwkeurige regeling van temperatuurgradiënten, treksnelheid en rotatiesnelheid kan een grote monokristallijne knuppel uit de smelt worden verwijderd. Het optreden van ongewenste instabiliteiten in de smelt kan worden voorkomen door de temperatuur- en snelheidsvelden te onderzoeken en zichtbaar te maken. Dit proces wordt meestal uitgevoerd in een inerte atmosfeer zoals argon, in een inerte kamer zoals kwarts.
Industriële subtiliteiten
Vanwege de effectiviteit van de algemene kenmerken van kristallen, gebruikt de halfgeleiderindustrie kristallen met gestandaardiseerde afmetingen. Vroeger waren hun jeu de boules kleiner, slechts enkele centimetersbreedte. Met geavanceerde technologie gebruiken fabrikanten van hoogwaardige apparaten platen met een diameter van 200 mm en 300 mm. De breedte wordt geregeld door nauwkeurige temperatuurregeling, rotatiesnelheid en verwijderingssnelheid van de zaadhouder. De kristallijne blokken waaruit deze platen worden gesneden, kunnen tot 2 meter lang zijn en enkele honderden kilo's wegen. Grotere wafers zorgen voor een betere productie-efficiëntie omdat er meer chips op elke wafer kunnen worden gemaakt, dus de stabiele schijf heeft de grootte van de siliciumwafels vergroot. De volgende stap omhoog, 450 mm, staat momenteel gepland voor 2018. Siliciumwafels zijn meestal ongeveer 0,2-0,75 mm dik en kunnen worden gepolijst tot een grote vlakheid om geïntegreerde schakelingen of textuur te creëren om zonnecellen te maken.
Verwarming
Het proces begint wanneer de kamer wordt verwarmd tot ongeveer 1500 graden Celsius, waardoor het silicium smelt. Wanneer het silicium volledig is gesmolten, da alt een klein entkristal op het uiteinde van de roterende as langzaam naar beneden totdat het zich onder het oppervlak van het gesmolten silicium bevindt. De as draait tegen de klok in en de smeltkroes draait met de klok mee. De roterende staaf wordt dan heel langzaam omhoog getrokken - ongeveer 25 mm per uur bij de vervaardiging van een robijnkristal - om een ruwweg cilindrische bol te vormen. De boule kan een tot twee meter lang zijn, afhankelijk van de hoeveelheid silicium in de smeltkroes.
Elektrische geleidbaarheid
De elektrische eigenschappen van silicium worden aangepast door er een materiaal zoals fosfor of boor aan toe te voegen voordat het wordt gesmolten. Het toegevoegde materiaal wordt dotering genoemd en het proces wordt doping genoemd. Deze methode wordt ook gebruikt met andere halfgeleidermaterialen dan silicium, zoals galliumarsenide.
Kenmerken en voordelen
Als silicium wordt gekweekt volgens de Czochralski-methode, zit de smelt in een smeltkroes van silica. Tijdens de groei lossen de wanden van de kroes op in de smelt en de resulterende stof bevat zuurstof met een typische concentratie van 1018 cm-3. Zuurstofverontreinigingen kunnen gunstige of schadelijke effecten hebben. Zorgvuldig gekozen annealingsomstandigheden kunnen leiden tot de vorming van zuurstofafzettingen. Ze beïnvloeden de vangst van ongewenste overgangsmetaalverontreinigingen in een proces dat bekend staat als getteren, waardoor de zuiverheid van het omringende silicium wordt verbeterd. De vorming van zuurstofafzettingen op onbedoelde plaatsen kan echter ook elektrische structuren vernietigen. Bovendien kunnen zuurstofonzuiverheden de mechanische sterkte van siliciumwafels verbeteren door eventuele dislocaties die tijdens de verwerking van het apparaat kunnen worden geïntroduceerd, te immobiliseren. In de jaren negentig werd experimenteel aangetoond dat een hoge zuurstofconcentratie ook gunstig is voor de stralingshardheid van siliciumdeeltjesdetectoren die worden gebruikt in ruwe stralingsomgevingen (zoals de LHC/HL-LHC-projecten van CERN). Daarom worden door Czochralski gekweekte siliciumstralingsdetectoren beschouwd als veelbelovende kandidaten voor veel toekomstige toepassingen.experimenten in de hoge-energiefysica. Er is ook aangetoond dat de aanwezigheid van zuurstof in silicium de opname van onzuiverheden in het gloeiproces na implantatie verhoogt.
Reactieproblemen
Zuurstofverontreinigingen kunnen echter reageren met boor in een verlichte omgeving. Dit leidt tot de vorming van een elektrisch actief boor-zuurstofcomplex, wat de efficiëntie van de cellen vermindert. De output van de module da alt met ongeveer 3% tijdens de eerste paar uur van verlichting.
De onzuiverheidsconcentratie van vaste kristallen als gevolg van bevriezing van het volume kan worden verkregen door rekening te houden met de segregatiecoëfficiënt.
Groeiende kristallen
Kristalgroei is een proces waarbij een reeds bestaand kristal groter wordt naarmate het aantal moleculen of ionen op hun posities in het kristalrooster toeneemt, of een oplossing verandert in een kristal en verdere groei wordt verwerkt. De Czochralski-methode is een vorm van dit proces. Een kristal wordt gedefinieerd als atomen, moleculen of ionen gerangschikt in een geordend, herhalend patroon, een kristalrooster dat zich door alle drie de ruimtelijke dimensies uitstrekt. De groei van kristallen verschilt dus van de groei van een vloeibare druppel doordat tijdens de groei moleculen of ionen in de juiste posities van het rooster moeten vallen om een geordend kristal te laten groeien. Dit is een zeer interessant proces dat de wetenschap veel interessante ontdekkingen heeft opgeleverd, zoals de elektronische formule van germanium.
Het proces van het groeien van kristallen wordt uitgevoerd dankzij speciale apparaten - kolven en roosters, waarin het grootste deel van het proces van kristallisatie van een stof plaatsvindt. Deze apparaten bestaan in grote aantallen in bijna elke onderneming die met metalen, mineralen en andere soortgelijke stoffen werkt. Tijdens het proces van het werken met kristallen in productie werden veel belangrijke ontdekkingen gedaan (bijvoorbeeld de hierboven genoemde elektronische formule van germanium).
Conclusie
De methode waaraan dit artikel is gewijd, heeft een grote rol gespeeld in de geschiedenis van de moderne industriële productie. Dankzij hem hebben mensen eindelijk geleerd hoe ze volwaardige kristallen van silicium en vele andere stoffen kunnen maken. Eerst onder laboratoriumomstandigheden, daarna op industriële schaal. De methode om eenkristallen te laten groeien, ontdekt door de grote Poolse wetenschapper, wordt nog steeds veel gebruikt.
