Šis procesas buvo pavadintas iškilaus lenkų mokslininko ir Rusijos imperijos piliečio Jano Czochralskio vardu, kuris jį išrado dar 1915 m. Atradimas įvyko atsitiktinai, nors Czochralskio susidomėjimas kristalais, žinoma, nebuvo atsitiktinis, nes jis labai atidžiai studijavo geologiją.
Programa
Turbūt svarbiausia šio metodo taikymo sritis yra pramonė, ypač sunkioji pramonė. Pramonėje jis vis dar naudojamas dirbtiniam metalų ir kitų medžiagų kristalizavimui, o to negalima pasiekti niekaip kitaip. Šiuo atžvilgiu metodas įrodė savo beveik visišką ne alternatyvumą ir universalumą.
Silicis
Monokristalinis silicis – mono-Si. Jis taip pat turi kitą pavadinimą. Czochralski metodu išaugintas silicis – Cz-Si. Tai yra Czochralski silicis. Tai pagrindinė medžiaga gaminant integrinius grandynus, naudojamus kompiuteriuose, televizoriuose, mobiliuosiuose telefonuose ir visų tipų elektroninėje įrangoje bei puslaidininkiniuose įrenginiuose. silicio kristalaitaip pat dideliais kiekiais naudojami fotovoltinės pramonės įprastų mono-Si saulės elementų gamybai. Beveik tobula kristalų struktūra suteikia siliciui didžiausią šviesos ir elektros konversijos efektyvumą.
Tirpo
Didelio grynumo puslaidininkinis silicis (tik kelios milijoninės priemaišų dalys) išlydomas tiglyje 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), paprastai pagamintame iš kvarco. Priemaišų priemaišų atomų, tokių kaip boras ar fosforas, galima tiksliai įmaišyti į išlydytą silicį, kad būtų galima naudoti legiravimą, taip pakeičiant jį į p arba n tipo silicį, turintį skirtingas elektronines savybes. Tiksliai orientuotas strypo sėklų kristalas panardinamas į išlydytą silicį. Sėklinio kristalo stiebas lėtai kyla aukštyn ir tuo pačiu sukasi. Tiksliai valdant temperatūros gradientus, tempimo greitį ir sukimosi greitį, iš lydalo galima išimti didelį vieno kristalo ruošinį. Nepageidaujamo tirpalo nestabilumo galima išvengti ištyrus ir vizualizuojant temperatūros ir greičio laukus. Šis procesas paprastai atliekamas inertinėje atmosferoje, pvz., argone, inertinėje kameroje, pvz., kvarco.
Pramonės subtilybės
Dėl bendrųjų kristalų charakteristikų veiksmingumo puslaidininkių pramonėje naudojami standartizuotų dydžių kristalai. Pirmosiomis dienomis jų rutuliukai buvo mažesni – vos keli coliaiplotis. Su pažangiomis technologijomis aukštos kokybės įrenginių gamintojai naudoja 200 mm ir 300 mm skersmens plokštes. Plotis valdomas tiksliai kontroliuojant temperatūrą, sukimosi greitį ir sėklų laikiklio išėmimo greitį. Kristaliniai luitai, iš kurių išpjaunamos šios plokštės, gali būti iki 2 metrų ilgio ir sverti kelis šimtus kilogramų. Didesnės plokštelės leidžia padidinti gamybos efektyvumą, nes ant kiekvienos plokštelės galima pagaminti daugiau lustų, todėl stabili pavara padidino silicio plokštelių dydį. Kitas žingsnis aukštyn – 450 mm – šiuo metu planuojamas 2018 m. Silicio plokštelės paprastai yra apie 0,2–0,75 mm storio ir gali būti poliruojamos iki didelio plokštumo, kad būtų sukurti integriniai grandynai arba tekstūra, kad būtų sukurti saulės elementai.
Šildymas
Procesas prasideda, kai kamera įkaitinama iki maždaug 1500 laipsnių Celsijaus, tirpstant siliciui. Kai silicis visiškai ištirpsta, mažas sėklų kristalas, pritvirtintas prie besisukančio veleno galo, lėtai leidžiasi žemyn, kol yra žemiau išlydyto silicio paviršiaus. Velenas sukasi prieš laikrodžio rodyklę, o tiglis sukasi pagal laikrodžio rodyklę. Tada besisukantis strypas traukiamas į viršų labai lėtai – maždaug 25 mm per valandą, gaminant rubino kristalą, kad susidarytų apytiksliai cilindrinis rutulys. Rutulys gali būti nuo vieno iki dviejų metrų, priklausomai nuo silicio kiekio tiglyje.
Elektros laidumas
Silicio elektrinės charakteristikos sureguliuojamos į jį įdedant medžiagos, pvz., fosforo ar boro, prieš jį lydant. Pridėta medžiaga vadinama priedais, o procesas vadinamas dopingu. Šis metodas taip pat naudojamas su kitomis puslaidininkinėmis medžiagomis nei silicis, pvz., galio arsenidu.
Ypatybės ir privalumai
Kai silicis auginamas Czochralski metodu, lydalas yra silicio dioksido tiglyje. Augimo metu tiglio sienelės ištirpsta lydaloje, o susidariusioje medžiagoje yra tipinės 1018 cm-3 koncentracijos deguonies. Deguonies priemaišos gali turėti teigiamą arba žalingą poveikį. Kruopščiai parinktos atkaitinimo sąlygos gali sukelti deguonies nuosėdų susidarymą. Jie turi įtakos nepageidaujamų pereinamųjų metalų priemaišų surinkimui procese, vadinamame geteringu, pagerinant aplinkinio silicio grynumą. Tačiau deguonies nuosėdų susidarymas nenumatytose vietose gali sunaikinti ir elektrines konstrukcijas. Be to, deguonies priemaišos gali pagerinti silicio plokštelių mechaninį stiprumą, nes imobilizuoja visus išnirimus, kurie gali atsirasti apdorojant įrenginį. Dešimtajame dešimtmetyje buvo eksperimentiškai įrodyta, kad didelė deguonies koncentracija taip pat yra naudinga silicio dalelių detektorių, naudojamų atšiaurioje radiacijos aplinkoje (pavyzdžiui, CERN LHC/HL-LHC projektai), spinduliavimo kietumui. Todėl Czochralskio išauginti silicio spinduliuotės detektoriai laikomi perspektyviais kandidatais daugeliui būsimų pritaikymų.didelės energijos fizikos eksperimentai. Taip pat buvo įrodyta, kad deguonies buvimas silicyje padidina priemaišų pasisavinimą atkaitinimo po implantacijos procese.
Reakcijos problemos
Tačiau apšviestoje aplinkoje deguonies priemaišos gali reaguoti su boru. Dėl to susidaro elektriškai aktyvus boro-deguonies kompleksas, dėl kurio sumažėja ląstelių efektyvumas. Modulio išvestis sumažėja maždaug 3 % per pirmąsias apšvietimo valandas.
Kietų kristalų priemaišų koncentraciją, susidariusią dėl tūrio užšalimo, galima gauti įvertinus segregacijos koeficientą.
Augantys kristalai
Kristolų augimas – tai procesas, kurio metu jau buvęs kristalas tampa didesnis, nes didėja molekulių arba jonų, esančių kristalų gardelėje, skaičius arba tirpalas virsta kristalu ir apdorojamas tolesnis augimas. Czochralskio metodas yra viena iš šio proceso formų. Kristalas apibrėžiamas kaip atomai, molekulės arba jonai, išsidėstę pagal tvarkingą pasikartojantį modelį, kristalinę gardelę, kuri tęsiasi per visus tris erdvinius matmenis. Taigi kristalų augimas skiriasi nuo skysčio lašo augimo tuo, kad augimo metu molekulės arba jonai turi patekti į tinkamas gardelės padėtis, kad augtų tvarkingas kristalas. Tai labai įdomus procesas, atnešęs mokslui daug įdomių atradimų, tokių kaip elektroninė germanio formulė.
Kristalų auginimo procesas vykdomas specialių prietaisų – kolbų ir grotelių, kuriose vyksta pagrindinė medžiagos kristalizacijos proceso dalis, dėka. Tokių prietaisų gausu beveik kiekvienoje įmonėje, dirbančioje su metalais, mineralais ir kitomis panašiomis medžiagomis. Gamyboje dirbant su kristalais buvo padaryta daug svarbių atradimų (pavyzdžiui, elektroninė germanio formulė, minėta aukščiau).
Išvada
Metodas, kuriam skirtas šis straipsnis, suvaidino didelį vaidmenį šiuolaikinės pramoninės gamybos istorijoje. Jo dėka žmonės pagaliau išmoko sukurti pilnaverčius silicio ir daugelio kitų medžiagų kristalus. Pirmiausia laboratorinėmis sąlygomis, o paskui pramoniniu mastu. Pavienių kristalų auginimo būdas, kurį atrado didysis lenkų mokslininkas, vis dar plačiai naudojamas.
