Aquest procés va rebre el nom del destacat científic polonès i ciutadà de l'Imperi Rus, Jan Czochralski, que el va inventar l'any 1915. El descobriment es va produir per casualitat, tot i que l'interès de Czochralski pels cristalls, és clar, no va ser casual, perquè va estudiar geologia molt de prop.
Aplicació
Potser l'àrea d'aplicació més important d'aquest mètode és la indústria, especialment la indústria pesada. A la indústria, encara s'utilitza per cristal·litzar artificialment metalls i altres substàncies, cosa que no es pot aconseguir de cap altra manera. En aquest sentit, el mètode ha demostrat la seva no- alternativa i versatilitat gairebé absoluta.
Silici
Silici monocristal·lí - mono-Si. També té un altre nom. Silici cultivat pel mètode Czochralski - Cz-Si. Això és silici Czochralski. És el material principal en la producció de circuits integrats utilitzats en ordinadors, televisors, telèfons mòbils i tot tipus d'equips electrònics i dispositius semiconductors. cristalls de silicitambé s'utilitzen en grans quantitats per la indústria fotovoltaica per a la producció de cèl·lules solars mono-Si convencionals. L'estructura de cristall gairebé perfecta proporciona al silici la màxima eficiència de conversió de llum a electricitat.
Fussió
El silici semiconductor d' alta puresa (només unes poques parts per milió d'impureses) es fon en un gresol a 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), normalment fet de quars. Els àtoms d'impureses dopants com el bor o el fòsfor es poden afegir al silici fos en quantitats precises per al dopatge, canviant-lo així a silici de tipus p o n amb diferents propietats electròniques. Un cristall de llavor de vareta orientat amb precisió està immers en silici fos. La tija del cristall de llavors s'eleva lentament i gira al mateix temps. Mitjançant un control precís dels gradients de temperatura, la velocitat d'extracció i la velocitat de rotació, es pot treure un gran bitllet d'un sol cristall de la fosa. L'aparició d'inestabilitats indesitjables a la fusió es pot evitar examinant i visualitzant els camps de temperatura i velocitat. Aquest procés se sol dur a terme en una atmosfera inert com l'argó, en una cambra inert com el quars.
Sutileses industrials
A causa de l'eficàcia de les característiques generals dels cristalls, la indústria dels semiconductors utilitza cristalls amb mides estandarditzades. En els primers temps, les seves petanques eren més petites, només uns centímetresamplada. Amb tecnologia avançada, els fabricants de dispositius d' alta qualitat utilitzen plaques de 200 mm i 300 mm de diàmetre. L'amplada es controla mitjançant un control precís de la temperatura, la velocitat de rotació i la velocitat d'eliminació del suport de llavors. Els lingots cristal·lins dels quals es tallen aquestes plaques poden fer fins a 2 metres de llarg i pesar uns centenars de quilograms. Les hòsties més grans permeten una millor eficiència de fabricació perquè es poden fer més xips a cada hòstia, de manera que la unitat estable ha augmentat la mida de les hòsties de silici. El següent pas ascendent, 450 mm, està previst que s'introdueixi el 2018. Les hòsties de silici solen tenir entre 0,2 i 0,75 mm de gruix i es poden polir fins a una gran planitud per crear circuits integrats o texturar per crear cèl·lules solars.
Calefacció
El procés comença quan la cambra s'escalfa a uns 1500 graus centígrads, fonent el silici. Quan el silici es fon completament, un petit cristall de llavors muntat a l'extrem de l'eix giratori baixa lentament fins que es troba per sota de la superfície del silici fos. L'eix gira en sentit contrari a les agulles del rellotge i el gresol gira en sentit horari. Aleshores, la vareta giratòria s'estira cap amunt molt lentament (uns 25 mm per hora en la fabricació d'un cristall de robí) per formar una bola aproximadament cilíndrica. La bola pot ser d'un a dos metres, depenent de la quantitat de silici al gresol.
Conductivitat elèctrica
Les característiques elèctriques del silici s'ajusten afegint-hi un material com el fòsfor o el bor abans de fondre'l. El material afegit s'anomena dopant i el procés s'anomena dopatge. Aquest mètode també s'utilitza amb materials semiconductors diferents del silici, com l'arsenur de gal·li.
Característiques i avantatges
Quan el silici es cultiva pel mètode Czochralski, la massa fosa es troba en un gresol de sílice. Durant el creixement, les parets del gresol es dissolen a la fosa i la substància resultant conté oxigen a una concentració típica de 1018 cm-3. Les impureses d'oxigen poden tenir efectes beneficiosos o nocius. Les condicions de recuit escollides amb cura poden conduir a la formació de dipòsits d'oxigen. Afecten la captura d'impureses de metalls de transició no desitjats en un procés conegut com a gettering, millorant la puresa del silici circumdant. Tanmateix, la formació de dipòsits d'oxigen en llocs no desitjats també pot destruir estructures elèctriques. A més, les impureses d'oxigen poden millorar la resistència mecànica de les hòsties de silici immobilitzant les dislocacions que es puguin introduir durant el processament del dispositiu. A la dècada de 1990, es va demostrar experimentalment que l' alta concentració d'oxigen també és beneficiosa per a la duresa de la radiació dels detectors de partícules de silici utilitzats en entorns de radiació durs (com els projectes LHC/HL-LHC del CERN). Per tant, els detectors de radiació de silici cultivats per Czochralski es consideren candidats prometedors per a moltes aplicacions futures.experiments de física d' altes energies. També s'ha demostrat que la presència d'oxigen al silici augmenta l'absorció d'impureses en el procés de recuit postimplantació.
Problemes de reacció
No obstant això, les impureses d'oxigen poden reaccionar amb el bor en un ambient il·luminat. Això condueix a la formació d'un complex bor-oxigen elèctricament actiu, que redueix l'eficiència de les cèl·lules. La sortida del mòdul cau aproximadament un 3% durant les primeres hores d'il·luminació.
La concentració d'impureses de cristall sòlid resultant de la congelació del volum es pot obtenir tenint en compte el coeficient de segregació.
Creixant cristalls
El creixement del cristall és un procés en què un cristall preexistent es fa més gran a mesura que augmenta el nombre de molècules o ions en les seves posicions a la xarxa cristal·lina, o una solució es converteix en un cristall i es processa un creixement posterior. El mètode Czochralski és una forma d'aquest procés. Un cristall es defineix com àtoms, molècules o ions disposats en un patró ordenat i repetitiu, una xarxa cristal·lina que s'estén per les tres dimensions espacials. Així, el creixement dels cristalls difereix del creixement d'una gota líquida en què durant el creixement, les molècules o els ions han de caure a les posicions correctes de la xarxa perquè creixi un cristall ordenat. Aquest és un procés molt interessant que ha donat a la ciència molts descobriments interessants, com ara la fórmula electrònica del germani.
El procés de creixement de cristalls es realitza gràcies a dispositius especials: matrassos i reixes, en els quals té lloc la part principal del procés de cristal·lització d'una substància. Aquests dispositius existeixen en gran quantitat a gairebé totes les empreses que treballen amb metalls, minerals i altres substàncies similars. Durant el procés de treball amb cristalls en producció, es van fer molts descobriments importants (per exemple, la fórmula electrònica del germani esmentada anteriorment).
Conclusió
El mètode al qual es dedica aquest article ha tingut un paper important en la història de la producció industrial moderna. Gràcies a ell, la gent finalment ha après a crear cristalls de silici i moltes altres substàncies. Primer en condicions de laboratori, i després a escala industrial. El mètode de cultiu de cristalls senzills, descobert pel gran científic polonès, encara s'utilitza àmpliament.
