Proses ini dinamakan sempena ahli sains Poland dan warganegara Empayar Rusia, Jan Czochralski, yang menciptanya pada tahun 1915. Penemuan itu berlaku secara tidak sengaja, walaupun minat Czochralski terhadap kristal, tentu saja, tidak disengajakan, kerana dia mempelajari geologi dengan sangat teliti.
Permohonan
Mungkin bidang yang paling penting dalam penerapan kaedah ini ialah industri, terutamanya industri berat. Dalam industri, ia masih digunakan untuk mengkristalkan logam dan bahan lain secara buatan, yang tidak boleh dicapai dengan cara lain. Dalam hal ini, kaedah ini telah membuktikan hampir mutlak bukan alternatif dan serba boleh.
Silikon
Silikon monohabluran - mono-Si. Ia juga mempunyai nama lain. Silikon ditanam dengan kaedah Czochralski - Cz-Si. Iaitu silikon Czochralski. Ia adalah bahan utama dalam penghasilan litar bersepadu yang digunakan dalam komputer, televisyen, telefon bimbit dan semua jenis peralatan elektronik dan peranti semikonduktor. kristal silikonjuga digunakan dalam kuantiti yang banyak oleh industri fotovoltaik untuk pengeluaran sel solar mono-Si konvensional. Struktur kristal yang hampir sempurna memberikan silikon kecekapan penukaran cahaya kepada elektrik tertinggi.
Mencair
Silikon semikonduktor ketulenan tinggi (hanya beberapa bahagian per juta bendasing) dicairkan dalam mangkuk pijar pada 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K), biasanya diperbuat daripada kuarza. Atom kekotoran dopan seperti boron atau fosforus boleh ditambah kepada silikon cair dalam jumlah yang tepat untuk doping, dengan itu menukarnya kepada silikon jenis p atau n dengan sifat elektronik yang berbeza. Kristal biji batang berorientasikan tepat direndam dalam silikon cair. Batang kristal benih perlahan-lahan naik dan berputar pada masa yang sama. Melalui kawalan tepat kecerunan suhu, kelajuan lukis dan kelajuan putaran, bilet kristal tunggal yang besar boleh dikeluarkan daripada cair. Kejadian ketidakstabilan yang tidak diingini dalam leburan boleh dielakkan dengan memeriksa dan menggambarkan medan suhu dan halaju. Proses ini biasanya dijalankan dalam suasana lengai seperti argon, dalam ruang lengai seperti kuarza.
Kehalusan industri
Oleh kerana keberkesanan ciri umum kristal, industri semikonduktor menggunakan kristal dengan saiz piawai. Pada masa awal, boule mereka lebih kecil, hanya beberapa incilebar. Dengan teknologi canggih, pengeluar peranti berkualiti tinggi menggunakan plat diameter 200mm dan 300mm. Lebar dikawal oleh kawalan suhu yang tepat, kelajuan putaran dan kelajuan penyingkiran pemegang benih. Jongkong kristal dari mana plat ini dipotong boleh panjang sehingga 2 meter dan berat beberapa ratus kilogram. Wafer yang lebih besar membolehkan kecekapan pembuatan yang lebih baik kerana lebih banyak cip boleh dibuat pada setiap wafer, jadi pemacu yang stabil telah meningkatkan saiz wafer silikon. Langkah seterusnya, 450 mm, kini dijadualkan akan diperkenalkan pada 2018. Wafer silikon biasanya kira-kira setebal 0.2-0.75mm dan boleh digilap hingga kerataan besar untuk mencipta litar bersepadu atau bertekstur untuk mencipta sel solar.
Pemanasan
Proses bermula apabila ruang dipanaskan kepada kira-kira 1500 darjah Celsius, mencairkan silikon. Apabila silikon cair sepenuhnya, kristal benih kecil yang dipasang pada hujung aci berputar perlahan-lahan turun sehingga ia berada di bawah permukaan silikon cair. Aci berputar mengikut lawan jam dan mangkuk pijar berputar mengikut arah jam. Rod berputar kemudiannya ditarik ke atas dengan sangat perlahan-kira-kira 25 mm sejam dalam pembuatan kristal delima-untuk membentuk boul yang kira-kira silinder. Boule boleh dari satu hingga dua meter, bergantung pada jumlah silikon dalam mangkuk pijar.
Kekonduksian Elektrik
Ciri elektrik silikon dilaraskan dengan menambahkan bahan seperti fosforus atau boron padanya sebelum mencairkannya. Bahan tambahan dipanggil dopan dan prosesnya dipanggil doping. Kaedah ini juga digunakan dengan bahan semikonduktor selain silikon, seperti galium arsenide.
Ciri & Faedah
Apabila silikon ditanam dengan kaedah Czochralski, leburan terkandung dalam bekas silika. Semasa pertumbuhan, dinding pijar larut dalam cair, dan bahan yang terhasil mengandungi oksigen pada kepekatan tipikal 1018 cm-3. Kekotoran oksigen boleh memberi kesan yang bermanfaat atau berbahaya. Keadaan penyepuhlindapan yang dipilih dengan teliti boleh menyebabkan pembentukan mendapan oksigen. Ia menjejaskan penangkapan kekotoran logam peralihan yang tidak diingini dalam proses yang dikenali sebagai gettering, meningkatkan ketulenan silikon di sekelilingnya. Walau bagaimanapun, pembentukan mendapan oksigen di tempat yang tidak diingini juga boleh memusnahkan struktur elektrik. Selain itu, kekotoran oksigen boleh meningkatkan kekuatan mekanikal wafer silikon dengan melumpuhkan sebarang kehelan yang mungkin diperkenalkan semasa pemprosesan peranti. Pada tahun 1990-an, secara eksperimen telah ditunjukkan bahawa kepekatan oksigen yang tinggi juga bermanfaat untuk kekerasan sinaran pengesan zarah silikon yang digunakan dalam persekitaran sinaran yang keras (seperti projek LHC/HL-LHC CERN). Oleh itu, pengesan sinaran silikon yang ditanam Czochralski dianggap sebagai calon yang menjanjikan untuk banyak aplikasi masa hadapan.eksperimen dalam fizik tenaga tinggi. Ia juga telah menunjukkan bahawa kehadiran oksigen dalam silikon meningkatkan penyerapan bendasing dalam proses penyepuhlindapan selepas implantasi.
Masalah tindak balas
Walau bagaimanapun, bendasing oksigen boleh bertindak balas dengan boron dalam persekitaran yang diterangi. Ini membawa kepada pembentukan kompleks boron-oksigen yang aktif secara elektrik, yang mengurangkan kecekapan sel. Output modul berkurangan kira-kira 3% semasa beberapa jam pertama pencahayaan.
Kepekatan kekotoran kristal pepejal yang terhasil daripada pembekuan isipadu boleh didapati daripada pertimbangan pekali pengasingan.
Kristal yang tumbuh
Pertumbuhan kristal ialah proses di mana kristal sedia ada menjadi lebih besar apabila bilangan molekul atau ion dalam kedudukannya dalam kekisi kristal bertambah, atau larutan bertukar menjadi kristal dan pertumbuhan selanjutnya diproses. Kaedah Czochralski adalah salah satu bentuk proses ini. Hablur ditakrifkan sebagai atom, molekul, atau ion yang tersusun dalam corak yang teratur, berulang, kekisi kristal yang menjangkau ketiga-tiga dimensi ruang. Oleh itu, pertumbuhan hablur berbeza daripada pertumbuhan titisan cecair kerana semasa pertumbuhan, molekul atau ion mesti jatuh ke dalam kedudukan kekisi yang betul agar kristal tersusun berkembang. Ini adalah proses yang sangat menarik yang telah memberikan sains banyak penemuan menarik, seperti formula elektronik germanium.
Proses pertumbuhan kristal dilakukan berkat peranti khas - kelalang dan jeriji, di mana bahagian utama proses penghabluran sesuatu bahan berlaku. Peranti ini wujud dalam jumlah besar di hampir setiap perusahaan yang berfungsi dengan logam, mineral dan bahan lain yang serupa. Semasa proses bekerja dengan kristal dalam pengeluaran, banyak penemuan penting telah dibuat (contohnya, formula elektronik germanium yang disebutkan di atas).
Kesimpulan
Kaedah untuk artikel ini dikhaskan telah memainkan peranan yang besar dalam sejarah pengeluaran perindustrian moden. Terima kasih kepadanya, orang ramai akhirnya belajar cara mencipta kristal silikon sepenuhnya dan banyak bahan lain. Pertama dalam keadaan makmal, dan kemudian pada skala industri. Kaedah penumbuhan kristal tunggal, yang ditemui oleh saintis Poland yang hebat, masih digunakan secara meluas.
