Dieses Verfahren wurde nach dem herausragenden polnischen Wissenschaftler und Bürger des Russischen Reiches, Jan Czochralski, benannt, der es bereits 1915 erfunden hat. Die Entdeckung geschah zufällig, obwohl Czochralskis Interesse an Kristallen natürlich nicht zufällig war, denn er studierte Geologie sehr genau.
Bewerbung
Das vielleicht wichtigste Anwendungsgebiet dieser Methode ist die Industrie, insbesondere die Schwerindustrie. In der Industrie wird es immer noch verwendet, um Metalle und andere Substanzen künstlich zu kristallisieren, was auf andere Weise nicht erreicht werden kann. Dabei hat die Methode ihre nahezu absolute Alternativlosigkeit und Vielseitigkeit bewiesen.
Silizium
Monokristallines Silizium - Mono-Si. Es hat auch einen anderen Namen. Nach der Czochralski-Methode gewachsenes Silizium - Cz-Si. Das ist Czochralski-Silizium. Es ist das Hauptmaterial bei der Herstellung von integrierten Sch altkreisen, die in Computern, Fernsehern, Mobiltelefonen und allen Arten von elektronischen Geräten und Halbleitergeräten verwendet werden. Siliziumkristallewerden auch in großen Mengen von der Photovoltaikindustrie zur Herstellung herkömmlicher Mono-Si-Solarzellen verwendet. Die nahezu perfekte Kristallstruktur verleiht Silizium den höchsten Licht-zu-Strom-Umwandlungswirkungsgrad.
Schmelzen
Hochreines Halbleitersilizium (nur wenige Teile pro Million Verunreinigungen) wird in einem Tiegel bei 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K) geschmolzen, der normalerweise aus Quarz besteht. Dotierende Fremdatome wie Bor oder Phosphor können geschmolzenem Silizium in präzisen Mengen zum Dotieren hinzugefügt werden, wodurch es in p- oder n-Typ-Silizium mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften umgewandelt wird. Ein präzise orientierter Stabkeimkristall wird in geschmolzenes Silizium getaucht. Der Stiel des Impfkristalls steigt langsam nach oben und dreht sich gleichzeitig. Durch präzise Steuerung von Temperaturgradienten, Ziehgeschwindigkeit und Rotationsgeschwindigkeit kann ein großer Einkristallbarren aus der Schmelze entfernt werden. Durch die Untersuchung und Visualisierung der Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder kann das Auftreten unerwünschter Instabilitäten in der Schmelze vermieden werden. Dieser Prozess wird normalerweise in einer inerten Atmosphäre wie Argon in einer Inertkammer wie Quarz durchgeführt.
Industrielle Feinheiten
Aufgrund der Effektivität der allgemeinen Eigenschaften von Kristallen verwendet die Halbleiterindustrie Kristalle mit standardisierten Größen. In den frühen Tagen waren ihre Kugeln kleiner, nur wenige ZentimeterBreite. Mit fortschrittlicher Technologie verwenden hochwertige Gerätehersteller Platten mit 200 mm und 300 mm Durchmesser. Die Breite wird durch präzise Temperaturregelung, Rotationsgeschwindigkeit und Entfernungsgeschwindigkeit des Samenh alters gesteuert. Die kristallinen Barren, aus denen diese Platten geschnitten werden, können bis zu 2 Meter lang und mehrere hundert Kilogramm schwer sein. Größere Wafer ermöglichen eine bessere Fertigungseffizienz, da auf jedem Wafer mehr Chips hergestellt werden können, sodass der stabile Antrieb die Größe der Siliziumwafer erhöht hat. Die nächste Stufe, 450 mm, soll derzeit 2018 eingeführt werden. Siliziumwafer sind in der Regel etwa 0,2 bis 0,75 mm dick und können auf eine große Ebenheit poliert werden, um integrierte Sch altkreise oder Texturen zur Herstellung von Solarzellen herzustellen.
Heizung
Der Prozess beginnt, wenn die Kammer auf etwa 1500 Grad Celsius erhitzt wird und das Silizium schmilzt. Wenn das Silizium vollständig geschmolzen ist, senkt sich ein kleiner Impfkristall, der am Ende der rotierenden Welle angebracht ist, langsam ab, bis er sich unter der Oberfläche des geschmolzenen Siliziums befindet. Die Welle dreht sich gegen den Uhrzeigersinn und der Tiegel dreht sich im Uhrzeigersinn. Der rotierende Stab wird dann sehr langsam nach oben gezogen – etwa 25 mm pro Stunde bei der Herstellung eines Rubinkristalls –, um eine ungefähr zylindrische Kugel zu bilden. Je nach Siliziummenge im Tiegel kann die Kugel ein bis zwei Meter lang sein.
Elektrische Leitfähigkeit
Die elektrischen Eigenschaften von Silizium werden eingestellt, indem man ihm vor dem Schmelzen ein Material wie Phosphor oder Bor zusetzt. Das hinzugefügte Material wird als Dotierstoff bezeichnet und der Vorgang als Dotieren. Dieses Verfahren wird auch bei anderen Halbleitermaterialien als Silizium, wie z. B. Galliumarsenid, verwendet.
Funktionen & Vorteile
Wenn Silizium nach der Czochralski-Methode gezüchtet wird, befindet sich die Schmelze in einem Quarztiegel. Während des Wachstums lösen sich die Wände des Tiegels in der Schmelze auf, und die resultierende Substanz enthält Sauerstoff in einer typischen Konzentration von 1018 cm-3. Sauerstoffverunreinigungen können positive oder schädliche Wirkungen haben. Sorgfältig gewählte Glühbedingungen können zur Bildung von Sauerstoffablagerungen führen. Sie beeinflussen das Einfangen unerwünschter Übergangsmetallverunreinigungen in einem Prozess, der als Gettern bekannt ist, und verbessern die Reinheit des umgebenden Siliziums. Die Bildung von Sauerstoffablagerungen an unbeabsichtigten Stellen kann aber auch elektrische Strukturen zerstören. Außerdem können Sauerstoffverunreinigungen die mechanische Festigkeit von Siliziumwafern verbessern, indem sie jegliche Versetzungen immobilisieren, die während der Vorrichtungsverarbeitung eingeführt werden können. In den 1990er Jahren wurde experimentell gezeigt, dass eine hohe Sauerstoffkonzentration auch für die Strahlungshärte von Siliziumpartikeldetektoren von Vorteil ist, die in rauen Strahlungsumgebungen verwendet werden (wie z. B. die LHC/HL-LHC-Projekte des CERN). Daher gelten die von Czochralski entwickelten Silizium-Strahlungsdetektoren als vielversprechende Kandidaten für viele zukünftige Anwendungen. Experimente in der Hochenergiephysik. Es wurde auch gezeigt, dass das Vorhandensein von Sauerstoff in Silizium die Aufnahme von Verunreinigungen im Glühprozess nach der Implantation erhöht.
Reaktionsprobleme
Sauerstoffverunreinigungen können jedoch in einer beleuchteten Umgebung mit Bor reagieren. Dies führt zur Bildung eines elektrisch aktiven Bor-Sauerstoff-Komplexes, der die Leistungsfähigkeit der Zellen reduziert. Die Modulleistung fällt in den ersten Stunden der Beleuchtung um ca. 3 % ab.
Die Festkristallverunreinigungskonzentration, die sich aus dem Einfrieren des Volumens ergibt, kann durch Berücksichtigung des Segregationskoeffizienten erh alten werden.
Züchtung von Kristallen
Kristallwachstum ist ein Prozess, bei dem ein bereits vorhandener Kristall größer wird, wenn die Anzahl der Moleküle oder Ionen an ihren Positionen im Kristallgitter zunimmt, oder eine Lösung zu einem Kristall wird und weiteres Wachstum verarbeitet wird. Das Czochralski-Verfahren ist eine Form dieses Verfahrens. Ein Kristall ist definiert als Atome, Moleküle oder Ionen, die in einem geordneten, sich wiederholenden Muster angeordnet sind, einem Kristallgitter, das sich durch alle drei räumlichen Dimensionen erstreckt. Somit unterscheidet sich das Wachstum von Kristallen vom Wachstum eines Flüssigkeitstropfens darin, dass während des Wachstums Moleküle oder Ionen in die richtigen Positionen des Gitters fallen müssen, damit ein geordneter Kristall wachsen kann. Dies ist ein sehr interessanter Prozess, der der Wissenschaft viele interessante Entdeckungen gebracht hat, wie z. B. die elektronische Formel von Germanium.
Der Kristallzüchtungsprozess wird dank spezieller Geräte durchgeführt - Kolben und Gitter, in denen der Hauptteil des Kristallisationsprozesses einer Substanz stattfindet. Diese Geräte sind in großer Zahl in fast jedem Unternehmen vorhanden, das mit Metallen, Mineralien und ähnlichen Stoffen arbeitet. Während der Arbeit mit Kristallen in der Produktion wurden viele wichtige Entdeckungen gemacht (z. B. die oben erwähnte elektronische Formel von Germanium).
Schlussfolgerung
Das Verfahren, dem dieser Artikel gewidmet ist, hat in der Geschichte der modernen industriellen Produktion eine große Rolle gespielt. Dank ihm haben die Menschen endlich gelernt, vollwertige Kristalle aus Silizium und vielen anderen Substanzen herzustellen. Zuerst unter Laborbedingungen, dann im industriellen Maßstab. Die von dem großen polnischen Wissenschaftler entdeckte Methode zur Züchtung von Einkristallen ist immer noch weit verbreitet.
