Tento proces bol pomenovaný po vynikajúcom poľskom vedcovi a občanovi Ruskej ríše Janovi Czochralskom, ktorý ho vynašiel už v roku 1915. K objavu došlo náhodou, aj keď Czochralského záujem o kryštály, samozrejme, nebol náhodný, pretože geológiu študoval veľmi pozorne.
Aplikácia
Azda najdôležitejšou oblasťou použitia tejto metódy je priemysel, najmä ťažký priemysel. V priemysle sa dodnes používa na umelú kryštalizáciu kovov a iných látok, čo sa nedá dosiahnuť iným spôsobom. V tomto smere metóda preukázala svoju takmer absolútnu ne alternatívnosť a všestrannosť.
Silicon
Monokryštalický kremík - mono-Si. Má aj iný názov. Kremík pestovaný Czochralského metódou - Cz-Si. To je Czochralski kremík. Je hlavným materiálom pri výrobe integrovaných obvodov používaných v počítačoch, televízoroch, mobilných telefónoch a všetkých typoch elektronických zariadení a polovodičových zariadení. kremíkové kryštálysa vo veľkom množstve používajú aj vo fotovoltaickom priemysle na výrobu bežných mono-Si solárnych článkov. Takmer dokonalá kryštálová štruktúra dáva kremíku najvyššiu účinnosť premeny svetla na elektrinu.
Tanie
Vysoko čistý polovodičový kremík (len niekoľko častíc na milión nečistôt) sa taví v tégliku pri teplote 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), zvyčajne vyrobenom z kremeňa. Atómy prímesí dopantu, ako je bór alebo fosfor, sa môžu pridávať do roztaveného kremíka v presných množstvách na dopovanie, čím sa mení na kremík typu p alebo n s rôznymi elektronickými vlastnosťami. Presne orientovaný tyčinkový kryštál je ponorený do roztaveného kremíka. Stonka zárodočného kryštálu pomaly stúpa nahor a súčasne sa otáča. Vďaka presnému riadeniu teplotných gradientov, rýchlosti ťahania a rýchlosti otáčania je možné z taveniny odstrániť veľký monokryštálový blok. Výskytu nežiaducich nestabilít v tavenine je možné predísť skúmaním a vizualizáciou teplotných a rýchlostných polí. Tento proces sa zvyčajne vykonáva v inertnej atmosfére, ako je argón, v inertnej komore, ako je kremeň.
Priemyselné jemnosti
Vzhľadom na efektívnosť všeobecných charakteristík kryštálov používa polovodičový priemysel kryštály so štandardizovanými veľkosťami. V prvých dňoch boli ich gule menšie, len niekoľko centimetrovšírka. Vďaka pokročilej technológii používajú výrobcovia vysokokvalitných zariadení dosky s priemerom 200 mm a 300 mm. Šírka je riadená presnou reguláciou teploty, rýchlosťou otáčania a rýchlosťou vyberania držiaka osiva. Kryštalické ingoty, z ktorých sú tieto platne vyrezané, môžu byť dlhé až 2 metre a vážiť niekoľko stoviek kilogramov. Väčšie doštičky umožňujú lepšiu efektivitu výroby, pretože na každej doštičke je možné vyrobiť viac čipov, takže stabilný pohon zväčšil veľkosť kremíkových doštičiek. Ďalší krok nahor, 450 mm, má byť v súčasnosti predstavený v roku 2018. Silikónové doštičky sú zvyčajne hrubé 0,2 až 0,75 mm a možno ich vyleštiť do veľkej roviny, aby sa vytvorili integrované obvody alebo textúra na vytvorenie solárnych článkov.
Vykurovanie
Proces začína, keď sa komora zahreje na asi 1500 stupňov Celzia, čím sa kremík roztopí. Keď je kremík úplne roztavený, malý zárodočný kryštál namontovaný na konci rotujúceho hriadeľa pomaly klesá, až kým nie je pod povrchom roztaveného kremíka. Hriadeľ sa otáča proti smeru hodinových ručičiek a téglik sa otáča v smere hodinových ručičiek. Rotujúca tyč sa potom veľmi pomaly ťahá nahor - asi 25 mm za hodinu pri výrobe rubínového kryštálu - aby sa vytvorila zhruba valcová guľa. Guľa môže byť od jedného do dvoch metrov, v závislosti od množstva kremíka v tégliku.
Elektrická vodivosť
Elektrické vlastnosti kremíka sa upravujú pridaním materiálu, ako je fosfor alebo bór, pred jeho roztavením. Pridaný materiál sa nazýva dopant a proces sa nazýva doping. Táto metóda sa používa aj pri iných polovodičových materiáloch ako kremík, ako je arzenid gália.
Funkcie a výhody
Pri pestovaní kremíka Czochralského metódou je tavenina obsiahnutá v kremičitom tégliku. Počas rastu sa steny téglika rozpúšťajú v tavenine a výsledná látka obsahuje kyslík v typickej koncentrácii 1018 cm-3. Kyslíkové nečistoty môžu mať priaznivé alebo škodlivé účinky. Starostlivo zvolené podmienky žíhania môžu viesť k tvorbe usadenín kyslíka. Ovplyvňujú zachytávanie nežiaducich nečistôt z prechodných kovov v procese známom ako getrovanie, čím zlepšujú čistotu okolitého kremíka. Avšak tvorba usadenín kyslíka na neúmyselných miestach môže tiež zničiť elektrické štruktúry. Okrem toho môžu kyslíkové nečistoty zlepšiť mechanickú pevnosť kremíkových plátkov znehybnením akýchkoľvek dislokácií, ktoré môžu vzniknúť počas spracovania zariadenia. V 90. rokoch sa experimentálne ukázalo, že vysoká koncentrácia kyslíka je prospešná aj pre radiačnú tvrdosť detektorov kremíkových častíc používaných v drsnom radiačnom prostredí (ako sú projekty LHC/HL-LHC CERN-u). Czochralskim pestované kremíkové detektory žiarenia sa preto považujú za sľubných kandidátov pre mnohé budúce aplikácie.experimenty vo fyzike vysokých energií. Ukázalo sa tiež, že prítomnosť kyslíka v kremíku zvyšuje príjem nečistôt v procese žíhania po implantácii.
Problémy s reakciou
Kyslíkové nečistoty však môžu reagovať s bórom v osvetlenom prostredí. To vedie k vytvoreniu elektricky aktívneho komplexu bór-kyslík, ktorý znižuje účinnosť buniek. Výstup modulu klesne počas prvých hodín osvetlenia približne o 3 %.
Koncentráciu pevných kryštálových nečistôt vyplývajúcu z objemového zmrazenia možno získať zvážením segregačného koeficientu.
Rastúce kryštály
Rast kryštálov je proces, pri ktorom sa už existujúci kryštál zväčšuje so zvyšujúcim sa počtom molekúl alebo iónov na ich pozíciách v kryštálovej mriežke alebo sa roztok mení na kryštál a prebieha ďalší rast. Jednou z foriem tohto procesu je Czochralského metóda. Kryštál je definovaný ako atómy, molekuly alebo ióny usporiadané do usporiadaného, opakujúceho sa vzoru, kryštálovej mriežky, ktorá sa rozprestiera cez všetky tri priestorové dimenzie. Rast kryštálov sa teda líši od rastu kvapky kvapaliny v tom, že počas rastu musia molekuly alebo ióny spadnúť do správnych polôh mriežky, aby mohol rásť usporiadaný kryštál. Ide o veľmi zaujímavý proces, ktorý dal vede veľa zaujímavých objavov, ako napríklad elektronický vzorec germánia.
Proces pestovania kryštálov sa uskutočňuje vďaka špeciálnym zariadeniam - bankám a mriežkam, v ktorých prebieha hlavná časť procesu kryštalizácie látky. Tieto zariadenia existujú vo veľkom počte takmer v každom podniku, ktorý pracuje s kovmi, minerálmi a inými podobnými látkami. Počas procesu práce s kryštálmi pri výrobe došlo k mnohým dôležitým objavom (napríklad vyššie spomenutý elektronický vzorec germánia).
Záver
Metóda, ktorej je venovaný tento článok, zohrala veľkú úlohu v histórii modernej priemyselnej výroby. Ľudia sa vďaka nemu konečne naučili vytvárať plnohodnotné kryštály kremíka a mnohých ďalších látok. Najprv v laboratórnych podmienkach a potom v priemyselnom meradle. Metóda pestovania monokryštálov, ktorú objavil veľký poľský vedec, je stále široko používaná.
