Hierdie proses is vernoem na die uitstaande Poolse wetenskaplike en burger van die Russiese Ryk, Jan Czochralski, wat dit in 1915 uitgevind het. Die ontdekking het per ongeluk gebeur, hoewel Czochralski se belangstelling in kristalle natuurlik nie toevallig was nie, want hy het geologie baie noukeurig bestudeer.
Aansoek
Miskien is die belangrikste toepassingsgebied van hierdie metode industrie, veral swaar nywerhede. In die industrie word dit steeds gebruik om metale en ander stowwe kunsmatig te kristalliseer, wat nie op enige ander manier bereik kan word nie. In hierdie verband het die metode sy byna absolute nie- alternatieweheid en veelsydigheid bewys.
Silicon
Monokristallyne silikon - mono-Si. Dit het ook 'n ander naam. Silikon gekweek volgens die Czochralski-metode - Cz-Si. Dit is Czochralski silikon. Dit is die hoofmateriaal in die vervaardiging van geïntegreerde stroombane wat in rekenaars, televisies, selfone en alle soorte elektroniese toerusting en halfgeleiertoestelle gebruik word. silikon kristalleword ook in groot hoeveelhede deur die fotovoltaïese industrie gebruik vir die vervaardiging van konvensionele mono-Si sonselle. Die byna volmaakte kristalstruktuur gee silikon die hoogste lig-na-elektrisiteit-omskakelingsdoeltreffendheid.
Smelting
Hoësuiwer halfgeleiersilikon (slegs 'n paar dele per miljoen onsuiwerhede) word in 'n smeltkroes gesmelt by 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), gewoonlik gemaak van kwarts. Doopmiddel-onsuiwerheidsatome soos boor of fosfor kan in presiese hoeveelhede by gesmelte silikon gevoeg word vir doping, waardeur dit na p- of n-tipe silikon met verskillende elektroniese eienskappe verander word. 'n Presies georiënteerde staafsaadkristal word in gesmelte silikon gedompel. Die stam van die saadkristal styg stadig op en draai terselfdertyd. Deur presiese beheer van temperatuurgradiënte, trekspoed en rotasiespoed, kan 'n groot enkelkristalblok uit die smelt verwyder word. Die voorkoms van ongewenste onstabiliteite in die smelt kan vermy word deur die temperatuur- en snelheidsvelde te ondersoek en te visualiseer. Hierdie proses word gewoonlik uitgevoer in 'n inerte atmosfeer soos argon, in 'n inerte kamer soos kwarts.
Industriële subtiliteite
As gevolg van die doeltreffendheid van die algemene kenmerke van kristalle, gebruik die halfgeleier-industrie kristalle met gestandaardiseerde groottes. In die vroeë dae was hul boules kleiner, net 'n paar duimbreedte. Met gevorderde tegnologie, gebruik hoë kwaliteit toestelvervaardigers plate met 'n deursnee van 200 mm en 300 mm. Breedte word beheer deur presiese temperatuurbeheer, rotasiespoed en saadhouerverwyderingspoed. Die kristallyne blokke waaruit hierdie plate gesny word, kan tot 2 meter lank wees en etlike honderde kilogram weeg. Groter wafers maak voorsiening vir beter vervaardigingsdoeltreffendheid omdat meer skyfies op elke wafer gemaak kan word, so die stabiele aandrywing het die grootte van die silikonwafers vergroot. Die volgende stap, 450 mm, is tans geskeduleer om in 2018 bekendgestel te word. Silikonwafels is tipies ongeveer 0,2-0,75 mm dik en kan tot 'n groot platheid gepoleer word om geïntegreerde stroombane of tekstuur te skep om sonselle te skep.
Verhitting
Die proses begin wanneer die kamer verhit word tot ongeveer 1500 grade Celsius, wat die silikon smelt. Wanneer die silikon heeltemal gesmelt is, sak 'n klein saadkristal wat aan die einde van die roterende as gemonteer is, stadig af totdat dit onder die oppervlak van die gesmelte silikon is. Die as draai antikloksgewys en die smeltkroes draai kloksgewys. Die roterende staaf word dan baie stadig opwaarts getrek-sowat 25 mm per uur in die vervaardiging van’n robynkristal-om’n min of meer silindriese boule te vorm. Die boule kan van een tot twee meter wees, afhangend van die hoeveelheid silikon in die smeltkroes.
Elektriese Geleiding
Die elektriese eienskappe van silikon word aangepas deur 'n materiaal soos fosfor of boor daarby te voeg voordat dit gesmelt word. Die bygevoegde materiaal word doping genoem en die proses word doping genoem. Hierdie metode word ook gebruik met ander halfgeleiermateriale as silikon, soos galliumarsenied.
Kenmerke en voordele
Wanneer silikon volgens die Czochralski-metode gekweek word, is die smelt in 'n silika-smeltkroes vervat. Tydens groei los die wande van die smeltkroes in die smelt op, en die resulterende stof bevat suurstof teen 'n tipiese konsentrasie van 1018 cm-3. Suurstof onsuiwerhede kan voordelige of skadelike effekte hê. Noukeurig gekose uitgloeitoestande kan lei tot die vorming van suurstofafsettings. Hulle beïnvloed die vang van ongewenste oorgangsmetaal onsuiwerhede in 'n proses bekend as gettering, wat die suiwerheid van die omliggende silikon verbeter. Die vorming van suurstofneerslae op onbedoelde plekke kan egter ook elektriese strukture vernietig. Boonop kan suurstof onsuiwerhede die meganiese sterkte van silikonwafels verbeter deur enige ontwrigtings wat tydens toestelverwerking ingebring kan word, te immobiliseer. In die 1990's is eksperimenteel getoon dat hoë suurstofkonsentrasie ook voordelig is vir die stralingshardheid van silikonpartikeldetektors wat in harde stralingsomgewings gebruik word (soos CERN se LHC/HL-LHC-projekte). Daarom word Czochralski-gegroeide silikonbestralingsdetektors as belowende kandidate vir baie toekomstige toepassings beskou.eksperimente in hoë-energie fisika. Dit is ook getoon dat die teenwoordigheid van suurstof in silikon die opname van onsuiwerhede in die na-inplanting uitgloeiproses verhoog.
Reaksieprobleme
Suurstof onsuiwerhede kan egter reageer met boor in 'n verligte omgewing. Dit lei tot die vorming van 'n elektries aktiewe boor-suurstofkompleks, wat die doeltreffendheid van die selle verminder. Module-uitset daal met ongeveer 3% gedurende die eerste paar uur van verligting.
Die soliede kristal onsuiwerheid konsentrasie wat die gevolg is van volume bevriesing kan verkry word met inagneming van die segregasie koëffisiënt.
Groeiende kristalle
Kristalgroei is 'n proses waarin 'n voorafbestaande kristal groter word namate die aantal molekules of ione in hul posisies in die kristalrooster toeneem, of 'n oplossing in 'n kristal verander en verdere groei verwerk word. Die Czochralski-metode is een vorm van hierdie proses. 'n Kristal word gedefinieer as atome, molekules of ione wat in 'n geordende, herhalende patroon gerangskik is, 'n kristalrooster wat deur al drie ruimtelike dimensies strek. Die groei van kristalle verskil dus van die groei van 'n vloeistofdruppel deurdat molekules of ione tydens groei in die korrekte posisies van die rooster moet val sodat 'n geordende kristal kan groei. Dit is 'n baie interessante proses wat die wetenskap baie interessante ontdekkings gegee het, soos die elektroniese formule van germanium.
Die proses van groei van kristalle word uitgevoer danksy spesiale toestelle - flesse en roosters, waarin die hoofgedeelte van die proses van kristallisasie van 'n stof plaasvind. Hierdie toestelle bestaan in groot getalle in byna elke onderneming wat met metale, minerale en ander soortgelyke stowwe werk. Tydens die proses om met kristalle in produksie te werk, is baie belangrike ontdekkings gemaak (byvoorbeeld die elektroniese formule van germanium hierbo genoem).
Gevolgtrekking
Die metode waaraan hierdie artikel gewy word, het 'n groot rol in die geskiedenis van moderne industriële produksie gespeel. Danksy hom het mense uiteindelik geleer hoe om volwaardige kristalle van silikon en baie ander stowwe te skep. Eers in laboratoriumtoestande, en toe op industriële skaal. Die metode om enkelkristalle te kweek, wat deur die groot Poolse wetenskaplike ontdek is, word steeds wyd gebruik.
