Questo processo prende il nome dall'eccezionale scienziato polacco e cittadino dell'Impero russo, Jan Czochralski, che lo inventò nel 1915. La scoperta è avvenuta per caso, anche se l'interesse di Czochralski per i cristalli, ovviamente, non è stato casuale, perché ha studiato la geologia molto da vicino.
Applicazione
Forse l'area di applicazione più importante di questo metodo è l'industria, in particolare l'industria pesante. Nell'industria è ancora utilizzato per cristallizzare artificialmente metalli e altre sostanze, cosa che non può essere ottenuta in altro modo. Al riguardo, il metodo ha dimostrato la sua quasi assoluta non alternativa e versatilità.
Silicone
Silicio monocristallino - mono-Si. Ha anche un altro nome. Silicio coltivato con il metodo Czochralski - Cz-Si. Quello è il silicio Czochralski. È il materiale principale nella produzione di circuiti integrati utilizzati in computer, televisori, telefoni cellulari e tutti i tipi di apparecchiature elettroniche e dispositivi a semiconduttore. cristalli di siliciosono utilizzati in grandi quantità anche dall'industria fotovoltaica per la produzione di celle solari mono-Si convenzionali. La struttura cristallina quasi perfetta offre al silicio la massima efficienza di conversione da luce a elettricità.
Fusione
Il silicio semiconduttore di elevata purezza (solo poche parti per milione di impurità) viene fuso in un crogiolo a 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), solitamente di quarzo. Atomi di impurità droganti come boro o fosforo possono essere aggiunti al silicio fuso in quantità precise per il drogaggio, trasformandolo così in silicio di tipo p o n con diverse proprietà elettroniche. Un cristallo semi-bastone orientato con precisione è immerso nel silicio fuso. Lo stelo del cristallo di semi si alza lentamente e ruota allo stesso tempo. Attraverso il controllo preciso dei gradienti di temperatura, della velocità di estrazione e della velocità di rotazione, una grande billetta monocristallina può essere rimossa dalla massa fusa. Il verificarsi di instabilità indesiderate nella massa fusa può essere evitato esaminando e visualizzando i campi di temperatura e velocità. Questo processo viene solitamente eseguito in un'atmosfera inerte come l'argon, in una camera inerte come il quarzo.
Sottigliezze industriali
A causa dell'efficacia delle caratteristiche generali dei cristalli, l'industria dei semiconduttori utilizza cristalli con dimensioni standardizzate. All'inizio le loro bocce erano più piccole, solo pochi centimetrilarghezza. Con una tecnologia avanzata, i produttori di dispositivi di alta qualità utilizzano piastre di diametro 200 mm e 300 mm. La larghezza è controllata da un preciso controllo della temperatura, velocità di rotazione e velocità di rimozione del portaseme. I lingotti cristallini da cui vengono tagliate queste lastre possono essere lunghi fino a 2 metri e pesare diverse centinaia di chilogrammi. Wafer più grandi consentono una migliore efficienza di produzione perché è possibile realizzare più chip su ciascun wafer, quindi l'unità stabile ha aumentato le dimensioni dei wafer di silicio. Il prossimo step up, 450 mm, dovrebbe essere introdotto nel 2018. I wafer di silicio hanno in genere uno spessore di circa 0,2-0,75 mm e possono essere lucidati a una grande planarità per creare circuiti integrati o strutturati per creare celle solari.
Riscaldamento
Il processo inizia quando la camera viene riscaldata a circa 1500 gradi Celsius, sciogliendo il silicio. Quando il silicio è completamente fuso, un piccolo seme cristallino montato all'estremità dell'albero rotante scende lentamente fino a trovarsi al di sotto della superficie del silicio fuso. L'albero ruota in senso antiorario e il crogiolo ruota in senso orario. L'asta rotante viene quindi tirata verso l' alto molto lentamente - circa 25 mm all'ora nella fabbricazione di un cristallo di rubino - per formare una boule approssimativamente cilindrica. La boule può essere da uno a due metri, a seconda della quantità di silicio nel crogiolo.
Conducibilità elettrica
Le caratteristiche elettriche del silicio vengono regolate aggiungendo un materiale come fosforo o boro prima di fonderlo. Il materiale aggiunto è chiamato drogante e il processo è chiamato drogaggio. Questo metodo viene utilizzato anche con materiali semiconduttori diversi dal silicio, come l'arseniuro di gallio.
Caratteristiche e vantaggi
Quando il silicio viene coltivato con il metodo Czochralski, la massa fusa è contenuta in un crogiolo di silice. Durante la crescita, le pareti del crogiolo si dissolvono nella massa fusa e la sostanza risultante contiene ossigeno a una concentrazione tipica di 1018 cm-3. Le impurità di ossigeno possono avere effetti benefici o dannosi. Condizioni di ricottura scelte con cura possono portare alla formazione di depositi di ossigeno. Influiscono sulla cattura di impurità di metalli di transizione indesiderate in un processo noto come gettering, migliorando la purezza del silicio circostante. Tuttavia, la formazione di depositi di ossigeno in luoghi non previsti può anche distruggere le strutture elettriche. Inoltre, le impurità di ossigeno possono migliorare la resistenza meccanica dei wafer di silicio immobilizzando eventuali dislocazioni che possono essere introdotte durante l'elaborazione del dispositivo. Negli anni '90, è stato dimostrato sperimentalmente che un'elevata concentrazione di ossigeno è anche benefica per la durezza alle radiazioni dei rivelatori di particelle di silicio utilizzati in ambienti con radiazioni ostili (come i progetti LHC/HL-LHC del CERN). Pertanto, i rivelatori di radiazioni al silicio coltivati da Czochralski sono considerati candidati promettenti per molte applicazioni future.esperimenti di fisica delle alte energie. È stato anche dimostrato che la presenza di ossigeno nel silicio aumenta l'assorbimento delle impurità nel processo di ricottura post-impianto.
Problemi di reazione
Tuttavia, le impurità dell'ossigeno possono reagire con il boro in un ambiente illuminato. Ciò porta alla formazione di un complesso boro-ossigeno elettricamente attivo, che riduce l'efficienza delle cellule. L'uscita del modulo diminuisce di circa il 3% durante le prime ore di illuminazione.
La concentrazione di impurità del cristallo solido risultante dal congelamento del volume può essere ottenuta considerando il coefficiente di segregazione.
Cristalli in crescita
La crescita dei cristalli è un processo in cui un cristallo preesistente diventa più grande all'aumentare del numero di molecole o ioni nelle loro posizioni nel reticolo cristallino, oppure una soluzione si trasforma in un cristallo e viene elaborata un'ulteriore crescita. Il metodo Czochralski è una forma di questo processo. Un cristallo è definito come atomi, molecole o ioni disposti in uno schema ordinato e ripetuto, un reticolo cristallino che si estende attraverso tutte e tre le dimensioni spaziali. Pertanto, la crescita dei cristalli differisce dalla crescita di una goccia di liquido in quanto durante la crescita, le molecole o gli ioni devono cadere nelle posizioni corrette del reticolo affinché un cristallo ordinato cresca. Questo è un processo molto interessante che ha dato alla scienza molte scoperte interessanti, come la formula elettronica del germanio.
Il processo di crescita dei cristalli viene effettuato grazie a dispositivi speciali: boccette e grate, in cui avviene la parte principale del processo di cristallizzazione di una sostanza. Questi dispositivi esistono in gran numero in quasi tutte le aziende che lavorano con metalli, minerali e altre sostanze simili. Durante il processo di lavorazione dei cristalli in produzione, sono state fatte molte importanti scoperte (ad esempio, la formula elettronica del germanio sopra menzionata).
Conclusione
Il metodo a cui è dedicato questo articolo ha giocato un ruolo importante nella storia della moderna produzione industriale. Grazie a lui, le persone hanno finalmente imparato a creare veri e propri cristalli di silicio e molte altre sostanze. Prima in condizioni di laboratorio e poi su scala industriale. Il metodo di coltivazione dei cristalli singoli, scoperto dal grande scienziato polacco, è ancora ampiamente utilizzato.
