Tämä prosessi on nimetty erinomaisen puolalaisen tiedemiehen ja Venäjän v altakunnan kansalaisen Jan Czochralskin mukaan, joka keksi sen vuonna 1915. Löytö tapahtui vahingossa, vaikka Czochralskin kiinnostus kiteitä kohtaan ei tietenkään ollut sattumaa, sillä hän opiskeli geologiaa hyvin tiiviisti.
Hakemus
Ehkä tämän menetelmän tärkein sovellusalue on teollisuus, erityisesti raskas teollisuus. Teollisuudessa sitä käytetään edelleen metallien ja muiden aineiden keinotekoiseen kiteyttämiseen, mikä ei ole mahdollista millään muulla tavalla. Tässä suhteessa menetelmä on osoittanut lähes ehdottoman ei-vaihtoehtoisuutensa ja monipuolisuutensa.
Pii
Yksikiteinen pii - mono-Si. Sillä on myös toinen nimi. Czochralski-menetelmällä kasvatettu pii - Cz-Si. Se on Czochralskin piitä. Se on pääasiallinen materiaali tietokoneissa, televisioissa, matkapuhelimissa ja kaikentyyppisissä elektronisissa laitteissa ja puolijohdelaitteissa käytettävien integroitujen piirien tuotannossa. piikiteitäaurinkosähköteollisuus käyttää niitä suuria määriä myös tavanomaisten mono-Si-aurinkokennojen valmistukseen. Lähes täydellinen kiderakenne antaa piille korkeimman valon muunnostehokkuuden sähköksi.
Sulaminen
Korkean puhdas puolijohdepii (vain muutama miljoonasosa epäpuhtauksia) sulatetaan upokkaassa 1425 °C:ssa (2,597 °F, 1,698 K), joka on yleensä valmistettu kvartsista. Seostusaineepäpuhtausatomeja, kuten booria tai fosforia, voidaan lisätä sulaan piin tarkkoja määriä seostusta varten, jolloin se muuttuu p- tai n-tyypin piiksi, jolla on erilaiset elektroniset ominaisuudet. Tarkkaan suunnattu sauva-siemenkide on upotettu sulaan piin. Siemenkiteen varsi nousee hitaasti ylös ja pyörii samanaikaisesti. Lämpötilagradienttien, vetonopeuden ja pyörimisnopeuden tarkalla ohjauksella voidaan poistaa suuri yksikideaihio sulatuksesta. Ei-toivottujen epästabiiliuksien esiintyminen sulassa voidaan välttää tutkimalla ja visualisoimalla lämpötila- ja nopeuskenttiä. Tämä prosessi suoritetaan yleensä inertissä ilmakehässä, kuten argonissa, inertissä kammiossa, kuten kvartsissa.
Teolliset hienovaraisuudet
Kiteiden yleisten ominaisuuksien tehokkuuden vuoksi puolijohdeteollisuus käyttää standardikokoisia kiteitä. Alkuaikoina heidän petankkinsa olivat pienempiä, vain muutaman tuumanleveys. Kehittyneen teknologian ansiosta korkealaatuiset laitevalmistajat käyttävät levyjä, joiden halkaisija on 200 mm ja 300 mm. Leveyttä ohjataan tarkalla lämpötilan säädöllä, pyörimisnopeudella ja siementelineen poistonopeudella. Kiteiset harkot, joista nämä levyt leikataan, voivat olla jopa 2 metriä pitkiä ja painaa useita satoja kiloja. Suuremmat kiekot mahdollistavat paremman valmistustehokkuuden, koska jokaiselle kiekolle voidaan valmistaa enemmän siruja, joten vakaa käyttö on kasvattanut piikiekkojen kokoa. Seuraava askel ylöspäin, 450 mm, on tällä hetkellä tarkoitus ottaa käyttöön vuonna 2018. Piikiekot ovat tyypillisesti noin 0,2–0,75 mm paksuja ja ne voidaan kiillottaa suureksi tasaiseksi integroitujen piirien luomiseksi tai teksturointia aurinkokennojen luomiseksi.
Lämmitys
Prosessi alkaa, kun kammio kuumennetaan noin 1500 celsiusasteeseen, jolloin pii sulaa. Kun pii on täysin sulanut, pyörivän akselin päähän asennettu pieni siemenkide laskeutuu hitaasti alas, kunnes se on sulan piin pinnan alapuolella. Akseli pyörii vastapäivään ja upokas myötäpäivään. Pyörivää sauvaa vedetään sitten ylöspäin hyvin hitaasti - noin 25 mm tunnissa rubiinikiteen valmistuksessa - karkeasti sylinterimäisen kehän muodostamiseksi. Boule voi olla yhdestä kahteen metriä upokkaan piimäärän mukaan.
Sähkönjohtavuus
Piin sähköisiä ominaisuuksia säädetään lisäämällä siihen materiaalia, kuten fosforia tai booria, ennen sen sulattamista. Lisättyä materiaalia kutsutaan seostusaineeksi ja prosessia dopingiksi. Tätä menetelmää käytetään myös muiden puolijohdemateriaalien kuin piin, kuten galliumarsenidin, kanssa.
Ominaisuudet ja edut
Kun piitä kasvatetaan Czochralskin menetelmällä, sulate on sijoitettu piidioksidiupokkaan. Kasvun aikana upokkaan seinämät liukenevat sulatteeseen ja tuloksena oleva aine sisältää happea tyypillisenä pitoisuutena 1018 cm-3. Hapen epäpuhtauksilla voi olla hyödyllisiä tai haitallisia vaikutuksia. Huolellisesti valitut hehkutusolosuhteet voivat johtaa happikertymien muodostumiseen. Ne vaikuttavat ei-toivottujen siirtymämetalliepäpuhtauksien sieppaamiseen prosessissa, joka tunnetaan nimellä gettering, mikä parantaa ympäröivän piin puhtautta. Happikertymien muodostuminen tahattomiin paikkoihin voi kuitenkin myös tuhota sähkörakenteita. Lisäksi happiepäpuhtaudet voivat parantaa piikiekkojen mekaanista lujuutta immobilisoimalla laitteen käsittelyn aikana mahdollisesti syntyviä dislokaatioita. 1990-luvulla osoitettiin kokeellisesti, että korkea happipitoisuus on hyödyllinen myös ankarissa säteilyympäristöissä (kuten CERNin LHC/HL-LHC-projektit) käytettävien piihiukkasilmaisimien säteilykovuudelle. Siksi Czochralskin kasvattamia piisäteilyn ilmaisimia pidetään lupaavina ehdokkaina moniin tuleviin sovelluksiin.kokeita korkean energian fysiikassa. On myös osoitettu, että hapen läsnäolo piissä lisää epäpuhtauksien ottoa implantaation jälkeisessä hehkutusprosessissa.
Reaktio-ongelmat
Happiepäpuhtaudet voivat kuitenkin reagoida boorin kanssa valaistussa ympäristössä. Tämä johtaa sähköisesti aktiivisen boori-happikompleksin muodostumiseen, mikä vähentää solujen tehokkuutta. Moduulin ulostulo laskee noin 3 % muutaman ensimmäisen valaistuksen aikana.
Tilavuusjäädytyksestä johtuva kiinteiden kideepäpuhtauspitoisuus voidaan saada erotuskertoimen perusteella.
Kasvavat kiteet
Kiteen kasvu on prosessi, jossa olemassa oleva kide kasvaa, kun molekyylien tai ionien määrä kidehilassa paikoissaan kasvaa, tai liuos muuttuu kiteeksi ja jatkokasvua prosessoidaan. Czochralskin menetelmä on yksi tämän prosessin muoto. Kide määritellään atomeiksi, molekyyleiksi tai ioneiksi järjestetyksi, toistuvaksi kuvioksi, kidehilaksi, joka ulottuu kaikkien kolmen tilaulottuvuuden läpi. Siten kiteiden kasvu eroaa nestepisaran kasvusta siinä, että kasvun aikana molekyylien tai ionien on asetuttava hilan oikeisiin paikkoihin, jotta järjestynyt kide voi kasvaa. Tämä on erittäin mielenkiintoinen prosessi, joka on antanut tieteelle monia mielenkiintoisia löytöjä, kuten germaniumin elektronisen kaavan.
Kiteiden kasvatusprosessi suoritetaan erityislaitteiden - pullojen ja ritilöiden - ansiosta, joissa pääosa aineen kiteytymisprosessista tapahtuu. Näitä laitteita on runsaasti lähes kaikissa yrityksissä, jotka työskentelevät metallien, mineraalien ja muiden vastaavien aineiden kanssa. Tuotannon kiteiden kanssa työskentelyn aikana tehtiin monia tärkeitä löytöjä (esimerkiksi edellä mainittu germaniumin elektroninen kaava).
Johtopäätös
Menetelmällä, jolle tämä artikkeli on omistettu, on ollut suuri rooli modernin teollisuustuotannon historiassa. Hänen ansiostaan ihmiset ovat vihdoin oppineet luomaan täysimittaisia piin ja monien muiden aineiden kiteitä. Ensin laboratorio-olosuhteissa ja sitten teollisessa mittakaavassa. Suuren puolalaisen tiedemiehen löytämä menetelmä yksittäiskiteiden kasvattamiseksi on edelleen laaj alti käytössä.
