See protsess sai nime silmapaistva Poola teadlase ja Vene impeeriumi kodaniku Jan Czochralski järgi, kes selle 1915. aastal leiutas. Avastus juhtus juhuslikult, kuigi Czochralski huvi kristallide vastu ei olnud muidugi juhuslik, sest ta õppis geoloogiat väga lähed alt.
Rakendus
Võib-olla on selle meetodi kõige olulisem rakendusvaldkond tööstus, eriti rasketööstus. Tööstuses kasutatakse seda siiani metallide ja muude ainete kunstlikuks kristalliseerimiseks, mida muul viisil pole võimalik saavutada. Sellega seoses on meetod tõestanud oma peaaegu absoluutset mitte alternatiivsust ja mitmekülgsust.
Räni
Monokristalliline räni – mono-Si. Sellel on ka teine nimi. Czochralski meetodil kasvatatud räni - Cz-Si. See on Czochralski räni. See on peamine materjal arvutites, televiisorites, mobiiltelefonides ning igat tüüpi elektroonikaseadmetes ja pooljuhtseadmetes kasutatavate integraallülituste tootmisel. räni kristallidNeid kasutatakse suurtes kogustes ka fotogalvaanilises tööstuses tavaliste mono-Si päikesepatareide tootmiseks. Peaaegu täiuslik kristallstruktuur annab ränile kõrgeima valguse-elektri muundamise efektiivsuse.
Sulamine
Kõrge puhtusastmega pooljuhträni (vaid mõned osad lisanditest) sulatatakse tavaliselt kvartsist valmistatud tiiglis temperatuuril 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K). Sula ränile saab dopimiseks lisada täpsetes kogustes lisandite aatomeid, nagu boor või fosfor, muutes selle seeläbi erinevate elektrooniliste omadustega p- või n-tüüpi räniks. Täpselt orienteeritud vardaseemnekristall on sukeldatud sularäni sisse. Seemnekristalli vars tõuseb aeglaselt üles ja pöörleb samal ajal. Temperatuurigradientide, tõmbekiiruse ja pöörlemiskiiruse täpse juhtimise abil saab sulatisest eemaldada suure monokristalltooriku. Soovimatute ebastabiilsuste esinemist sulatis saab vältida temperatuuri- ja kiirusväljade uurimise ja visualiseerimisega. See protsess viiakse tavaliselt läbi inertses atmosfääris (nt argoonis) ja inertses kambris (nt kvarts).
Tööstuslikud peensused
Kristallide üldiste omaduste tõhususe tõttu kasutab pooljuhtide tööstus standardsete suurustega kristalle. Esimestel päevadel olid nende pallid väiksemad, vaid paar tollilaius. Täiustatud tehnoloogiaga kasutavad kvaliteetsed seadmete tootjad 200 mm ja 300 mm läbimõõduga plaate. Laiust juhitakse täpse temperatuuri, pöörlemiskiiruse ja seemnehoidja eemaldamise kiiruse abil. Kristallilised valuplokid, millest need plaadid lõigatakse, võivad olla kuni 2 meetrit pikad ja kaaluda mitusada kilogrammi. Suuremad vahvlid võimaldavad paremat tootmistõhusust, kuna igale vahvlile saab teha rohkem kiipe, mistõttu on stabiilne ajam suurendanud räniplaatide suurust. Järgmine samm ülespoole, 450 mm, on praegu kavas kasutusele võtta 2018. aastal. Räniplaadid on tavaliselt umbes 0,2–0,75 mm paksused ja neid saab poleerida suureks tasaseks, et luua integraallülitusi või tekstureerida päikesepatareide loomiseks.
Küte
Protsess algab, kui kambrit kuumutatakse umbes 1500 kraadini Celsiuse järgi, sulatades räni. Kui räni on täielikult sulanud, laskub pöörleva võlli otsa paigaldatud väike seemnekristall aeglaselt allapoole, kuni see on sula räni pinnast allpool. Võll pöörleb vastupäeva ja tiigel päripäeva. Seejärel tõmmatakse pöörlevat varrast väga aeglaselt ülespoole – umbes 25 mm tunnis rubiinkristalli valmistamisel –, et moodustada ligikaudu silindriline vorm. Sõltuv alt tiiglis oleva räni kogusest võib tiigli suurus olla üks kuni kaks meetrit.
Elektrijuhtivus
Räni elektrilisi omadusi reguleeritakse, lisades sellele enne sulatamist materjali, näiteks fosforit või boori. Lisatavat materjali nimetatakse lisandiks ja protsessi dopinguks. Seda meetodit kasutatakse ka muude pooljuhtmaterjalide puhul peale räni, nagu galliumarseniid.
Funktsioonid ja eelised
Kui räni kasvatatakse Czochralski meetodil, sisaldub sulatis ränidioksiidi tiiglis. Kasvu käigus lahustuvad tiigli seinad sulatis ja tekkiv aine sisaldab hapnikku tüüpilises kontsentratsioonis 1018 cm-3. Hapnikulisanditel võib olla kasulik või kahjulik mõju. Hoolik alt valitud lõõmutamistingimused võivad viia hapnikuladestuste tekkeni. Need mõjutavad soovimatute siirdemetallide lisandite püüdmist protsessis, mida nimetatakse gettereerimiseks, parandades ümbritseva räni puhtust. Hapnikulademete tekkimine soovimatutes kohtades võib aga hävitada ka elektrilisi struktuure. Lisaks võivad hapnikulisandid parandada räniplaatide mehaanilist tugevust, immobiliseerides kõik nihestused, mis võivad seadme töötlemisel tekkida. 1990. aastatel näidati eksperimentaalselt, et kõrge hapnikukontsentratsioon on kasulik ka karmis kiirguskeskkonnas kasutatavate räniosakeste detektorite kiirguse kõvadusele (näiteks CERNi LHC/HL-LHC projektid). Seetõttu peetakse Czochralski kasvatatud ränikiirguse detektoreid paljutõotavateks kandidaatideks paljude tulevaste rakenduste jaoks.katsed suure energiaga füüsikas. Samuti on näidatud, et hapniku olemasolu ränis suurendab lisandite omastamist implantatsioonijärgses lõõmutamisprotsessis.
Reaktsiooniprobleemid
Kuid hapnikulisandid võivad valgustatud keskkonnas reageerida booriga. See viib elektriliselt aktiivse boori-hapniku kompleksi moodustumiseni, mis vähendab rakkude efektiivsust. Mooduli väljund langeb valgustuse esimestel tundidel ligikaudu 3%.
Mahu külmutamisest tuleneva tahkete kristallide lisandite kontsentratsiooni saab määrata segregatsioonikoefitsiendiga.
Kasvavad kristallid
Kristallide kasv on protsess, mille käigus juba olemasolev kristall muutub suuremaks, kui suureneb nende positsioonides olevate molekulide või ioonide arv kristallvõres või lahus muutub kristalliks ja töödeldakse edasist kasvu. Czochralski meetod on üks selle protsessi vorme. Kristall on defineeritud kui aatomid, molekulid või ioonid, mis on paigutatud järjestatud korduva mustriga, kristallvõre, mis ulatub läbi kõigi kolme ruumimõõtme. Seega erineb kristallide kasv vedelikutilga kasvust selle poolest, et kasvu käigus peavad molekulid või ioonid sattuma võre õigetesse asenditesse, et korrastatud kristall kasvaks. See on väga huvitav protsess, mis on andnud teadusele palju huvitavaid avastusi, nagu näiteks germaaniumi elektrooniline valem.
Kristallide kasvatamise protsess toimub tänu spetsiaalsetele seadmetele - kolbidele ja restidele, milles toimub põhiosa aine kristalliseerumisprotsessist. Neid seadmeid leidub suurel hulgal peaaegu igas ettevõttes, mis tegeleb metallide, mineraalide ja muude sarnaste ainetega. Tootmises kristallidega töötamise käigus tehti palju olulisi avastusi (näiteks ülalmainitud germaaniumi elektrooniline valem).
Järeldus
Meetod, millele käesolev artikkel on pühendatud, on mänginud kaasaegse tööstusliku tootmise ajaloos suurt rolli. Tänu temale on inimesed lõpuks õppinud, kuidas luua ränist ja paljudest muudest ainetest täisväärtuslikke kristalle. Kõigepe alt laboritingimustes ja seejärel tööstuslikus mastaabis. Üksikkristallide kasvatamise meetod, mille avastas suur Poola teadlane, on siiani lai alt kasutusel.
