Quá trình này được đặt theo tên của nhà khoa học Ba Lan và công dân xuất sắc của Đế chế Nga, Jan Czochralski, người đã phát minh ra nó vào năm 1915. Khám phá tình cờ xảy ra, mặc dù sự quan tâm của Czochralski đối với các tinh thể, tất nhiên, không phải là ngẫu nhiên, bởi vì ông đã nghiên cứu rất kỹ về địa chất.
Đơn
Có lẽ lĩnh vực ứng dụng quan trọng nhất của phương pháp này là công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp nặng. Trong công nghiệp, nó vẫn được sử dụng để kết tinh nhân tạo kim loại và các chất khác, mà không thể đạt được bằng bất kỳ cách nào khác. Về mặt này, phương pháp đã chứng minh tính linh hoạt và tính linh hoạt gần như tuyệt đối của nó.
Silicon
Silicon đơn tinh thể - mono-Si. Nó còn có một tên khác. Silicon được nuôi cấy theo phương pháp Czochralski - Cz-Si. Đó là silicon Czochralski. Nó là vật liệu chính trong sản xuất vi mạch tích hợp được sử dụng trong máy tính, ti vi, điện thoại di động và tất cả các loại thiết bị điện tử và thiết bị bán dẫn. tinh thể siliconcũng được sử dụng với số lượng lớn bởi ngành công nghiệp quang điện để sản xuất pin mặt trời mono-Si thông thường. Cấu trúc tinh thể gần như hoàn hảo mang lại cho silicon hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành điện năng cao nhất.
Tan
Silicon bán dẫn có độ tinh khiết cao (chỉ có vài phần triệu tạp chất) được nấu chảy trong chén nung ở 1425 ° C (2,597 ° F, 1,698 K), thường được làm bằng thạch anh. Các nguyên tử tạp chất pha tạp chất như bo hoặc phốt pho có thể được thêm vào silicon nóng chảy với lượng chính xác để pha tạp, do đó thay đổi nó thành silicon loại p hoặc n với các đặc tính điện tử khác nhau. Một tinh thể hạt hình que được định hướng chính xác được ngâm trong silicon nóng chảy. Cuống của tinh thể hạt từ từ nhô lên và quay cùng một lúc. Thông qua việc kiểm soát chính xác độ dốc nhiệt độ, tốc độ kéo và tốc độ quay, một phôi đơn tinh thể lớn có thể được loại bỏ khỏi quá trình nung chảy. Có thể tránh được sự xuất hiện của các bất ổn không mong muốn trong quá trình nung chảy bằng cách kiểm tra và hình dung các trường nhiệt độ và vận tốc. Quá trình này thường được thực hiện trong môi trường trơ như argon, trong một buồng trơ như thạch anh.
Tinh tế công nghiệp
Vì hiệu quả của các đặc tính chung của tinh thể, ngành công nghiệp bán dẫn sử dụng các tinh thể với kích thước tiêu chuẩn hóa. Trong những ngày đầu, đường viền của chúng nhỏ hơn, chỉ vài inchchiều rộng. Với công nghệ tiên tiến, các nhà sản xuất thiết bị chất lượng cao sử dụng các tấm có đường kính 200mm và 300mm. Chiều rộng được kiểm soát bởi điều khiển nhiệt độ chính xác, tốc độ quay và tốc độ loại bỏ ngăn chứa hạt giống. Các thỏi tinh thể mà từ đó các tấm này được cắt ra có thể dài tới 2 mét và nặng vài trăm kg. Các tấm wafer lớn hơn cho phép hiệu quả sản xuất tốt hơn vì có thể tạo ra nhiều chip hơn trên mỗi tấm wafer, do đó, ổ đĩa ổn định đã làm tăng kích thước của các tấm silicon. Bước tiếp theo lên tới, 450 mm, hiện đang được lên kế hoạch giới thiệu vào năm 2018. Các tấm silicon thường dày khoảng 0,2-0,75mm và có thể được đánh bóng đến độ phẳng lớn để tạo mạch tích hợp hoặc kết cấu để tạo ra pin mặt trời.
Sưởi ấm
Quá trình bắt đầu khi buồng nung được làm nóng đến khoảng 1500 độ C, làm nóng chảy silicon. Khi silicon nóng chảy hoàn toàn, một tinh thể hạt nhỏ gắn trên đầu trục quay từ từ đi xuống cho đến khi nó nằm dưới bề mặt của silicon nóng chảy. Trục quay ngược chiều kim đồng hồ và nồi nấu quay theo chiều kim đồng hồ. Sau đó, thanh quay được kéo lên trên rất chậm - khoảng 25 mm mỗi giờ trong quá trình sản xuất tinh thể ruby - để tạo thành một đường viền gần như hình trụ. Độ cao có thể từ một đến hai mét, tùy thuộc vào lượng silicon trong nồi nấu.
Độ dẫn điện
Các đặc tính điện của silicon được điều chỉnh bằng cách thêm một vật liệu như phốt pho hoặc bo vào nó trước khi nấu chảy. Nguyên liệu được thêm vào được gọi là dopant và quá trình này được gọi là doping. Phương pháp này cũng được sử dụng với các vật liệu bán dẫn không phải silicon, chẳng hạn như arsenide gali.
Tính năng & Lợi ích
Khi silicon được nuôi cấy bằng phương pháp Czochralski, chất nóng chảy được chứa trong một chén nung bằng silica. Trong quá trình phát triển, các thành của chén nung chảy trong quá trình nấu chảy, và chất tạo thành chứa oxy ở nồng độ điển hình là 1018 cm-3. Các tạp chất ôxy có thể có những tác động có lợi hoặc có hại. Các điều kiện ủ được lựa chọn cẩn thận có thể dẫn đến sự hình thành cặn ôxy. Chúng ảnh hưởng đến việc thu giữ các tạp chất kim loại chuyển tiếp không mong muốn trong một quá trình được gọi là quá trình gettering, cải thiện độ tinh khiết của silicon xung quanh. Tuy nhiên, sự hình thành cặn ôxy ở những nơi ngoài ý muốn cũng có thể phá hủy các cấu trúc điện. Ngoài ra, các tạp chất ôxy có thể cải thiện độ bền cơ học của các tấm silicon bằng cách cố định bất kỳ sai lệch nào có thể xuất hiện trong quá trình xử lý thiết bị. Trong những năm 1990, thực nghiệm đã chỉ ra rằng nồng độ oxy cao cũng có lợi cho độ cứng bức xạ của máy dò hạt silicon được sử dụng trong môi trường bức xạ khắc nghiệt (chẳng hạn như các dự án LHC / HL-LHC của CERN). Do đó, máy dò bức xạ silicon do Czochralski trồng được coi là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng trong tương lai.thí nghiệm trong vật lý năng lượng cao. Nó cũng đã được chứng minh rằng sự hiện diện của oxy trong silicon làm tăng sự hấp thụ tạp chất trong quá trình ủ sau cấy ghép.
Vấn đề về phản ứng
Tuy nhiên, các tạp chất oxy có thể phản ứng với boron trong môi trường được chiếu sáng. Điều này dẫn đến sự hình thành phức hợp boron-oxy hoạt động điện, làm giảm hiệu quả của các tế bào. Sản lượng mô-đun giảm khoảng 3% trong vài giờ chiếu sáng đầu tiên.
Có thể thu được nồng độ tạp chất tinh thể rắn do đông đặc thể tích khi xem xét hệ số phân tách.
Tinh thể mọc
Sự tăng trưởng tinh thể là một quá trình trong đó một tinh thể tồn tại từ trước trở nên lớn hơn khi số lượng phân tử hoặc ion ở vị trí của chúng trong mạng tinh thể tăng lên hoặc một dung dịch biến thành tinh thể và quá trình phát triển thêm được xử lý. Phương pháp Czochralski là một dạng của quá trình này. Tinh thể được định nghĩa là các nguyên tử, phân tử hoặc ion được sắp xếp theo một mô hình lặp lại có trật tự, một mạng tinh thể kéo dài qua cả ba chiều không gian. Do đó, sự phát triển của các tinh thể khác với sự phát triển của giọt chất lỏng ở chỗ trong quá trình tăng trưởng, các phân tử hoặc ion phải rơi vào các vị trí chính xác của mạng tinh thể để một tinh thể có trật tự phát triển. Đây là một quá trình rất thú vị đã mang lại cho khoa học nhiều khám phá thú vị, chẳng hạn như công thức điện tử của germani.
Quá trình nuôi cấy tinh thể được thực hiện nhờ vào các thiết bị đặc biệt - bình và lưới, trong đó phần chính của quá trình kết tinh một chất diễn ra. Những thiết bị này tồn tại với số lượng lớn trong hầu hết các doanh nghiệp làm việc với kim loại, khoáng chất và các chất tương tự khác. Trong quá trình làm việc với các tinh thể trong sản xuất, nhiều khám phá quan trọng đã được thực hiện (ví dụ, công thức điện tử của germani được đề cập ở trên).
Kết
Phương pháp mà bài viết này sử dụng đã đóng một vai trò lớn trong lịch sử sản xuất công nghiệp hiện đại. Nhờ ông ấy, con người cuối cùng đã học được cách tạo ra các tinh thể hoàn chỉnh bằng silicon và nhiều chất khác. Đầu tiên trong điều kiện phòng thí nghiệm, và sau đó ở quy mô công nghiệp. Phương pháp nuôi cấy đơn tinh thể do nhà khoa học vĩ đại người Ba Lan phát hiện ra vẫn được sử dụng rộng rãi.
