Tento proces byl pojmenován po vynikajícím polském vědci a občanu Ruské říše Janu Czochralském, který jej vynalezl již v roce 1915. K objevu došlo náhodou, i když Czochralského zájem o krystaly samozřejmě nebyl náhodný, protože studoval geologii velmi pečlivě.
Aplikace
Snad nejdůležitější oblastí použití této metody je průmysl, zejména těžký průmysl. V průmyslu se dodnes používá k umělé krystalizaci kovů a dalších látek, kterých nelze dosáhnout jiným způsobem. V tomto ohledu metoda prokázala svou téměř absolutní ne alternativnost a všestrannost.
Silicon
Monokrystalický křemík - mono-Si. Má také jiný název. Křemík pěstovaný Czochralského metodou - Cz-Si. To je Czochralski křemík. Je hlavním materiálem při výrobě integrovaných obvodů používaných v počítačích, televizích, mobilních telefonech a všech typech elektronických zařízení a polovodičových zařízení. křemíkové krystalyse také ve velkém množství používají ve fotovoltaickém průmyslu pro výrobu konvenčních mono-Si solárních článků. Téměř dokonalá krystalická struktura dává křemíku nejvyšší účinnost přeměny světla na elektřinu.
Tání
Vysoce čistý polovodičový křemík (pouze několik dílů na milion nečistot) se taví v kelímku při 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), obvykle vyrobeném z křemene. Atomy příměsí dopantů, jako je bor nebo fosfor, mohou být přidány do roztaveného křemíku v přesných množstvích pro dopování, čímž se změní na křemík typu p nebo n s různými elektronickými vlastnostmi. Přesně orientovaný tyčinkový krystal je ponořen do roztaveného křemíku. Stonek zárodečného krystalu pomalu stoupá nahoru a zároveň se otáčí. Přesným řízením teplotních gradientů, rychlosti tažení a rychlosti otáčení lze z taveniny odstranit velký blok monokrystalu. Výskytu nežádoucích nestabilit v tavenině lze předejít zkoumáním a vizualizací teplotních a rychlostních polí. Tento proces se obvykle provádí v inertní atmosféře, jako je argon, v inertní komoře, jako je křemen.
Průmyslové jemnosti
Vzhledem k účinnosti obecných charakteristik krystalů používá polovodičový průmysl krystaly se standardizovanými velikostmi. V prvních dnech byly jejich koule menší, jen několik palcůšířka. Díky pokročilé technologii používají vysoce kvalitní výrobci zařízení desky o průměru 200 mm a 300 mm. Šířka je řízena přesnou regulací teploty, rychlosti otáčení a rychlosti odebírání držáku osiva. Krystalické ingoty, ze kterých jsou tyto desky vyřezány, mohou být dlouhé až 2 metry a vážit několik set kilogramů. Větší wafery umožňují lepší efektivitu výroby, protože na každém waferu lze vyrobit více čipů, takže stabilní disk zvětšil velikost křemíkových waferů. Další krok nahoru, 450 mm, má být v současnosti představen v roce 2018. Křemíkové destičky jsou obvykle tlusté asi 0,2-0,75 mm a lze je vyleštit do velké rovinnosti, aby se vytvořily integrované obvody nebo textury pro vytvoření solárních článků.
Vytápění
Proces začíná, když se komora zahřeje na asi 1500 stupňů Celsia, čímž dojde k roztavení křemíku. Když je křemík zcela roztaven, malý zárodečný krystal namontovaný na konci rotujícího hřídele pomalu klesá, dokud není pod povrchem roztaveného křemíku. Hřídel se otáčí proti směru hodinových ručiček a kelímek se otáčí ve směru hodinových ručiček. Rotující tyč je poté velmi pomalu tažena nahoru – asi 25 mm za hodinu při výrobě rubínového krystalu – za vzniku zhruba válcové koule. Koule může být od jednoho do dvou metrů, v závislosti na množství křemíku v kelímku.
Elektrická vodivost
Elektrické vlastnosti křemíku se upravují přidáním materiálu, jako je fosfor nebo bor, před jeho roztavením. Přidaný materiál se nazývá dopant a proces se nazývá doping. Tato metoda se také používá u polovodičových materiálů jiných než křemík, jako je arsenid gallia.
Funkce a výhody
Při pěstování křemíku Czochralského metodou je tavenina obsažena v křemenném kelímku. Během růstu se stěny kelímku rozpouštějí v tavenině a výsledná látka obsahuje kyslík v typické koncentraci 1018 cm-3. Kyslíkové nečistoty mohou mít příznivé nebo škodlivé účinky. Pečlivě zvolené podmínky žíhání mohou vést k tvorbě usazenin kyslíku. Ovlivňují zachycování nežádoucích nečistot z přechodných kovů v procesu známém jako getrování, čímž zlepšují čistotu okolního křemíku. Tvorba usazenin kyslíku na nezamýšlených místech však může také zničit elektrické struktury. Kromě toho mohou kyslíkové nečistoty zlepšit mechanickou pevnost křemíkových plátků imobilizací jakýchkoli dislokací, které mohou být způsobeny během zpracování zařízení. V 90. letech 20. století bylo experimentálně prokázáno, že vysoká koncentrace kyslíku je prospěšná i pro radiační tvrdost detektorů křemíkových částic používaných v drsných radiačních prostředích (např. projekty LHC/HL-LHC CERN). Czochralskim pěstované křemíkové detektory záření jsou proto považovány za slibné kandidáty pro mnoho budoucích aplikací.experimenty ve fyzice vysokých energií. Bylo také prokázáno, že přítomnost kyslíku v křemíku zvyšuje příjem nečistot v procesu postimplantačního žíhání.
Problémy s reakcí
Kyslíkové nečistoty však mohou v osvětleném prostředí reagovat s borem. To vede k vytvoření elektricky aktivního komplexu bor-kyslík, který snižuje účinnost článků. Výstup modulu během prvních několika hodin svícení klesne přibližně o 3 %.
Koncentraci pevných krystalických nečistot vyplývající z objemového zmrazení lze získat zvážením segregačního koeficientu.
Rostoucí krystaly
Růst krystalů je proces, při kterém se již existující krystal zvětšuje, jak se zvyšuje počet molekul nebo iontů na jejich pozicích v krystalové mřížce, nebo se roztok mění v krystal a probíhá další růst. Jednou z forem tohoto procesu je Czochralského metoda. Krystal je definován jako atomy, molekuly nebo ionty uspořádané v uspořádaném, opakujícím se vzoru, krystalové mřížce, která se rozprostírá přes všechny tři prostorové dimenze. Růst krystalů se tedy liší od růstu kapky kapaliny v tom, že během růstu musí molekuly nebo ionty padat do správných poloh mřížky, aby uspořádaný krystal mohl růst. Jedná se o velmi zajímavý proces, který dal vědě mnoho zajímavých objevů, jako je elektronický vzorec germania.
Proces růstu krystalů probíhá díky speciálním zařízením - baňkám a mřížkám, ve kterých probíhá hlavní část procesu krystalizace látky. Tato zařízení existují ve velkém počtu téměř v každém podniku, který pracuje s kovy, minerály a jinými podobnými látkami. Během procesu práce s krystaly ve výrobě bylo učiněno mnoho důležitých objevů (například výše zmíněný elektronický vzorec germania).
Závěr
Metoda, které je věnován tento článek, hrála v historii moderní průmyslové výroby velkou roli. Lidé se díky němu konečně naučili vytvářet plnohodnotné krystaly křemíku a mnoha dalších látek. Nejprve v laboratorních podmínkách a poté v průmyslovém měřítku. Metoda pěstování monokrystalů, kterou objevil velký polský vědec, je stále široce používána.
