Ang prosesong ito ay pinangalanan sa natatanging Polish scientist at mamamayan ng Russian Empire, si Jan Czochralski, na nag-imbento nito noong 1915. Ang pagtuklas ay nangyari nang hindi sinasadya, bagama't ang interes ni Czochralski sa mga kristal, siyempre, ay hindi sinasadya, dahil pinag-aralan niya ang geology nang mabuti.
Application
Marahil ang pinakamahalagang bahagi ng paglalapat ng pamamaraang ito ay industriya, lalo na ang mabibigat na industriya. Sa industriya, ginagamit pa rin ito sa artipisyal na pag-kristal ng mga metal at iba pang mga sangkap, na hindi makakamit sa anumang iba pang paraan. Sa pagsasaalang-alang na ito, napatunayan ng pamamaraan ang halos ganap nitong pagiging hindi alternatibo at versatility.
Silicon
Monocrystalline silicon - mono-Si. May ibang pangalan din ito. Silicon na lumago sa pamamagitan ng Czochralski method - Cz-Si. Iyon ay Czochralski silicon. Ito ang pangunahing materyal sa paggawa ng mga integrated circuit na ginagamit sa mga computer, telebisyon, mobile phone at lahat ng uri ng elektronikong kagamitan at semiconductor na aparato. mga kristal na silikonay ginagamit din sa malalaking dami ng industriya ng photovoltaic para sa produksyon ng mga maginoo na mono-Si solar cells. Ang halos perpektong kristal na istraktura ay nagbibigay sa silicon ng pinakamataas na liwanag-sa-kuryenteng kahusayan sa conversion.
Natutunaw
High-purity semiconductor silicon (ilang bahagi lamang bawat milyon ng mga impurities) ay natutunaw sa isang crucible sa 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), kadalasang gawa sa quartz. Ang dopant impurity atoms gaya ng boron o phosphorus ay maaaring idagdag sa molten silicon sa mga tiyak na halaga para sa doping, at sa gayon ay binabago ito sa p- o n-type na silicon na may iba't ibang elektronikong katangian. Ang isang tumpak na nakatuong rod-seed na kristal ay nahuhulog sa tinunaw na silikon. Ang tangkay ng seed crystal ay dahan-dahang tumataas at umiikot nang sabay. Sa pamamagitan ng tumpak na kontrol ng mga gradient ng temperatura, bilis ng pagguhit at bilis ng pag-ikot, ang isang malaking solong kristal na billet ay maaaring alisin mula sa pagkatunaw. Ang paglitaw ng mga hindi kanais-nais na kawalang-tatag sa pagkatunaw ay maiiwasan sa pamamagitan ng pagsusuri at pag-visualize sa mga field ng temperatura at bilis. Ang prosesong ito ay karaniwang ginagawa sa isang hindi gumagalaw na kapaligiran tulad ng argon, sa isang hindi gumagalaw na silid tulad ng quartz.
Mga subtlety sa industriya
Dahil sa bisa ng mga pangkalahatang katangian ng mga kristal, ang industriya ng semiconductor ay gumagamit ng mga kristal na may mga standardized na laki. Sa mga unang araw, ang kanilang mga boule ay mas maliit, lamang ng ilang pulgadalapad. Gamit ang advanced na teknolohiya, ang mga tagagawa ng de-kalidad na device ay gumagamit ng 200mm at 300mm diameter plates. Ang lapad ay kinokontrol ng tumpak na kontrol ng temperatura, bilis ng pag-ikot at bilis ng pag-alis ng may hawak ng binhi. Ang mga mala-kristal na ingot kung saan pinutol ang mga plato na ito ay maaaring hanggang 2 metro ang haba at tumitimbang ng ilang daang kilo. Ang mas malalaking wafer ay nagbibigay-daan para sa mas mahusay na kahusayan sa pagmamanupaktura dahil mas maraming chip ang maaaring gawin sa bawat wafer, kaya ang stable na drive ay nadagdagan ang laki ng mga silicon na wafer. Ang susunod na hakbang, 450 mm, ay kasalukuyang nakatakdang ipakilala sa 2018. Ang mga silicone wafer ay karaniwang humigit-kumulang 0.2-0.75mm ang kapal at maaaring pulihin sa isang malaking patag upang lumikha ng mga integrated circuit o texturing upang lumikha ng mga solar cell.
Heating
Magsisimula ang proseso kapag pinainit ang chamber sa humigit-kumulang 1500 degrees Celsius, na natutunaw ang silicon. Kapag ang silikon ay ganap na natunaw, ang isang maliit na seed crystal na naka-mount sa dulo ng umiikot na baras ay dahan-dahang bumababa hanggang sa ito ay nasa ibaba ng ibabaw ng tinunaw na silikon. Ang baras ay umiikot nang pakaliwa at ang tunawan ay umiikot nang pakanan. Ang umiikot na baras ay hinihila paitaas nang napakabagal-mga 25 mm kada oras sa paggawa ng isang ruby crystal-upang bumuo ng halos cylindrical boule. Ang boule ay maaaring mula isa hanggang dalawang metro, depende sa dami ng silicon sa crucible.
Electrical Conductivity
Ang mga katangiang elektrikal ng silicon ay inaayos sa pamamagitan ng pagdaragdag ng materyal tulad ng phosphorus o boron dito bago ito matunaw. Ang idinagdag na materyal ay tinatawag na dopant at ang proseso ay tinatawag na doping. Ginagamit din ang paraang ito sa mga materyales na semiconductor maliban sa silicon, gaya ng gallium arsenide.
Mga Tampok at Mga Benepisyo
Kapag ang silicon ay lumaki sa pamamagitan ng pamamaraang Czochralski, ang pagkatunaw ay nasa isang silica crucible. Sa panahon ng paglaki, ang mga dingding ng crucible ay natutunaw sa pagkatunaw, at ang nagresultang sangkap ay naglalaman ng oxygen sa isang tipikal na konsentrasyon ng 1018 cm-3. Ang mga dumi ng oxygen ay maaaring magkaroon ng kapaki-pakinabang o nakakapinsalang epekto. Ang maingat na napiling mga kondisyon ng pagsusubo ay maaaring humantong sa pagbuo ng mga deposito ng oxygen. Naaapektuhan ng mga ito ang pagkuha ng mga hindi gustong transisyon na dumi ng metal sa isang proseso na kilala bilang gettering, na nagpapahusay sa kadalisayan ng nakapalibot na silicon. Gayunpaman, ang pagbuo ng mga deposito ng oxygen sa mga hindi sinasadyang lugar ay maaari ring sirain ang mga istrukturang elektrikal. Bilang karagdagan, ang mga dumi ng oxygen ay maaaring mapabuti ang mekanikal na lakas ng mga wafer ng silicon sa pamamagitan ng pag-immobilize ng anumang mga dislokasyon na maaaring maipasok sa panahon ng pagproseso ng aparato. Noong 1990s, ipinakita sa eksperimento na ang mataas na konsentrasyon ng oxygen ay kapaki-pakinabang din para sa tigas ng radiation ng mga detektor ng particle ng silikon na ginagamit sa malupit na kapaligiran ng radiation (tulad ng mga proyekto ng LHC/HL-LHC ng CERN). Samakatuwid, ang Czochralski-grown silicon radiation detector ay itinuturing na mga promising candidate para sa maraming mga aplikasyon sa hinaharap.mga eksperimento sa high energy physics. Ipinakita rin na ang pagkakaroon ng oxygen sa silicon ay nagpapataas ng impurity uptake sa proseso ng pag-annealing pagkatapos ng implantation.
Mga problema sa reaksyon
Gayunpaman, ang mga dumi ng oxygen ay maaaring tumugon sa boron sa isang maliwanag na kapaligiran. Ito ay humahantong sa pagbuo ng isang electrically active boron-oxygen complex, na binabawasan ang kahusayan ng mga cell. Bumaba ng humigit-kumulang 3% ang output ng module sa unang ilang oras ng pag-iilaw.
Ang solidong crystal impurity concentration na nagreresulta mula sa volume freezing ay maaaring makuha mula sa pagsasaalang-alang sa segregation coefficient.
Mga lumalagong kristal
Ang Crystal growth ay isang proseso kung saan ang isang dati nang kristal ay nagiging mas malaki habang ang bilang ng mga molekula o ion sa kanilang mga posisyon sa crystal lattice ay tumataas, o ang isang solusyon ay nagiging kristal at ang karagdagang paglaki ay naproseso. Ang pamamaraang Czochralski ay isang anyo ng prosesong ito. Ang isang kristal ay tinukoy bilang mga atomo, molekula, o mga ion na nakaayos sa isang ayos, paulit-ulit na pattern, isang kristal na sala-sala na umaabot sa lahat ng tatlong spatial na sukat. Kaya, ang paglaki ng mga kristal ay naiiba sa paglaki ng isang likidong patak na sa panahon ng paglaki, ang mga molekula o mga ion ay dapat mahulog sa mga tamang posisyon ng sala-sala upang lumaki ang isang nakaayos na kristal. Ito ay isang napaka-interesante na proseso na nagbigay sa agham ng maraming kawili-wiling pagtuklas, gaya ng electronic formula ng germanium.
Ang proseso ng lumalagong mga kristal ay isinasagawa salamat sa mga espesyal na aparato - mga flasks at gratings, kung saan ang pangunahing bahagi ng proseso ng pagkikristal ng isang sangkap ay nagaganap. Ang mga device na ito ay umiiral sa malaking bilang sa halos bawat negosyo na gumagana sa mga metal, mineral at iba pang katulad na mga sangkap. Sa proseso ng pagtatrabaho sa mga kristal sa produksyon, maraming mahahalagang pagtuklas ang nagawa (halimbawa, ang electronic formula ng germanium na binanggit sa itaas).
Konklusyon
Ang paraan kung saan nakatuon ang artikulong ito ay may malaking papel sa kasaysayan ng modernong industriyal na produksyon. Salamat sa kanya, natutunan ng mga tao sa wakas kung paano lumikha ng mga ganap na kristal ng silikon at marami pang ibang sangkap. Una sa mga kondisyon ng laboratoryo, at pagkatapos ay sa isang pang-industriya na sukat. Ang paraan ng paglaki ng mga solong kristal, na natuklasan ng mahusay na Polish scientist, ay malawak pa ring ginagamit.
