Šis process tika nosaukts izcilā poļu zinātnieka un Krievijas impērijas pilsoņa Jana Čočraļska vārdā, kurš to izgudroja 1915. gadā. Atklājums noticis nejauši, lai gan Čočraļska interese par kristāliem, protams, nebija nejauša, jo viņš ļoti cieši studējis ģeoloģiju.
Pieteikums
Iespējams, vissvarīgākā šīs metodes pielietojuma joma ir rūpniecība, īpaši smagā rūpniecība. Rūpniecībā to joprojām izmanto metālu un citu vielu mākslīgai kristalizācijai, ko citādi nevar panākt. Šajā ziņā metode ir pierādījusi savu gandrīz absolūto ne alternatīvo un daudzpusību.
Silīcijs
Monokristālisks silīcijs - mono-Si. Tam ir arī cits nosaukums. Silīcijs, kas audzēts pēc Czochralski metodes - Cz-Si. Tas ir Czochralski silīcijs. Tas ir galvenais materiāls integrālo shēmu ražošanā, ko izmanto datoros, televizoros, mobilajos tālruņos un visa veida elektroniskajās iekārtās un pusvadītāju ierīcēs. silīcija kristālifotoelementu rūpniecība tos lielos daudzumos izmanto arī parasto mono-Si saules bateriju ražošanā. Gandrīz ideāla kristāla struktūra nodrošina silīcijam visaugstāko gaismas pārveidošanas efektivitāti elektrībā.
Kūst
Augstas tīrības pakāpes pusvadītāju silīcijs (tikai dažas daļas uz miljonu piemaisījumu) tiek izkausēts tīģelī 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K) temperatūrā, kas parasti ir izgatavots no kvarca. Piemaisījumu piemaisījumu atomus, piemēram, boru vai fosforu, var pievienot izkausētam silīcijam precīzos daudzumos leģēšanai, tādējādi mainot to uz p- vai n-veida silīciju ar dažādām elektroniskām īpašībām. Precīzi orientēts stieņa sēklu kristāls ir iegremdēts izkausētā silīcijā. Sēklu kristāla kāts lēnām paceļas uz augšu un vienlaikus griežas. Precīzi kontrolējot temperatūras gradientus, vilkšanas ātrumu un griešanās ātrumu, no kausējuma var noņemt lielu viena kristāla sagatavi. Izpētot un vizualizējot temperatūras un ātruma laukus, var izvairīties no nevēlamas nestabilitātes rašanās kausējumā. Šo procesu parasti veic inertā atmosfērā, piemēram, argonā, inertā kamerā, piemēram, kvarca.
Industriālie smalkumi
Kristālu vispārējo īpašību efektivitātes dēļ pusvadītāju rūpniecībā tiek izmantoti kristāli ar standartizētiem izmēriem. Pirmajās dienās to bulciņas bija mazākas, tikai dažas collasplatums. Izmantojot progresīvas tehnoloģijas, augstas kvalitātes ierīču ražotāji izmanto 200 mm un 300 mm diametra plāksnes. Platumu kontrolē precīza temperatūras kontrole, griešanās ātrums un sēklu turētāja noņemšanas ātrums. Kristāliskie lietņi, no kuriem tiek izgrieztas šīs plāksnes, var būt līdz 2 metriem gari un svērt vairākus simtus kilogramu. Lielākas vafeles nodrošina labāku ražošanas efektivitāti, jo uz katras vafeles var izgatavot vairāk mikroshēmu, tāpēc stabilā piedziņa ir palielinājusi silīcija vafeļu izmēru. Nākamo pakāpi uz augšu, 450 mm, pašlaik ir plānots ieviest 2018. gadā. Silīcija plāksnītes parasti ir aptuveni 0,2–0,75 mm biezas, un tās var nopulēt līdz lielam līdzenumam, lai izveidotu integrālās shēmas vai teksturētu saules baterijas.
Apkure
Process sākas, kad kamera tiek uzkarsēta līdz aptuveni 1500 grādiem pēc Celsija, izkausējot silīciju. Kad silīcijs ir pilnībā izkusis, mazs sēklu kristāls, kas uzstādīts uz rotējošās vārpstas gala, lēnām nolaižas, līdz tas atrodas zem izkausētā silīcija virsmas. Vārpsta griežas pretēji pulksteņrādītāja virzienam, un tīģelis griežas pulksteņrādītāja virzienā. Pēc tam rotējošo stieni ļoti lēni velk uz augšu - apmēram 25 mm stundā, ražojot rubīna kristālu -, lai izveidotu aptuveni cilindrisku bultiņu. Bultiņa var būt no viena līdz diviem metriem atkarībā no silīcija daudzuma tīģelī.
Elektrovadītspēja
Silīcija elektriskos raksturlielumus noregulē, pirms kausēšanas pievienojot tam materiālu, piemēram, fosforu vai boru. Pievienoto materiālu sauc par dopingu, un procesu sauc par dopingu. Šo metodi izmanto arī ar pusvadītāju materiāliem, izņemot silīciju, piemēram, gallija arsenīdu.
Funkcijas un priekšrocības
Kad silīciju audzē ar Czochralski metodi, kausējums tiek ievietots silīcija dioksīda tīģelī. Augšanas laikā tīģeļa sienas izšķīst kausējumā, un iegūtā viela satur skābekli tipiskā koncentrācijā 1018 cm-3. Skābekļa piemaisījumiem var būt labvēlīga vai kaitīga ietekme. Rūpīgi izvēlēti atlaidināšanas apstākļi var izraisīt skābekļa nogulsnes. Tie ietekmē nevēlamu pārejas metālu piemaisījumu uztveršanu procesā, kas pazīstams kā gettering, uzlabojot apkārtējā silīcija tīrību. Taču skābekļa nogulšņu veidošanās tam neparedzētās vietās var iznīcināt arī elektriskās struktūras. Turklāt skābekļa piemaisījumi var uzlabot silīcija plātņu mehānisko izturību, imobilizējot jebkādas dislokācijas, kas var rasties ierīces apstrādes laikā. Deviņdesmitajos gados eksperimentāli tika pierādīts, ka augsta skābekļa koncentrācija ir labvēlīga arī silīcija daļiņu detektoru radiācijas cietībai, ko izmanto skarbā starojuma vidē (piemēram, CERN LHC/HL-LHC projektos). Tāpēc Czochralski audzētie silīcija starojuma detektori tiek uzskatīti par daudzsološiem kandidātiem daudziem turpmākiem lietojumiem.eksperimenti augstas enerģijas fizikā. Ir arī pierādīts, ka skābekļa klātbūtne silīcijā palielina piemaisījumu uzņemšanu pēcimplantācijas atlaidināšanas procesā.
Reakcijas problēmas
Tomēr skābekļa piemaisījumi var reaģēt ar boru apgaismotā vidē. Tas noved pie elektriski aktīva bora-skābekļa kompleksa veidošanās, kas samazina šūnu efektivitāti. Pirmajās apgaismojuma stundās moduļa jauda samazinās par aptuveni 3%.
Cieto kristālu piemaisījumu koncentrāciju, kas rodas no tilpuma sasalšanas, var iegūt, ņemot vērā segregācijas koeficientu.
Augst kristāli
Kristālu augšana ir process, kurā jau esošs kristāls kļūst lielāks, palielinoties molekulu vai jonu skaitam to pozīcijās kristāla režģī, vai šķīdums pārvēršas par kristālu un tiek apstrādāta tālāka augšana. Czochralski metode ir viena no šī procesa formām. Kristāls ir definēts kā atomi, molekulas vai joni, kas sakārtoti sakārtotā, atkārtotā shēmā, kristāla režģī, kas stiepjas cauri visām trim telpiskajām dimensijām. Tādējādi kristālu augšana atšķiras no šķidruma piliena augšanas ar to, ka augšanas laikā molekulām vai joniem ir jānokrīt pareizajās režģa pozīcijās, lai sakārtots kristāls augtu. Šis ir ļoti interesants process, kas zinātnei ir devis daudz interesantu atklājumu, piemēram, germānija elektronisko formulu.
Kristālu audzēšanas process tiek veikts, pateicoties īpašām ierīcēm - kolbām un režģiem, kuros notiek galvenā vielas kristalizācijas procesa daļa. Šīs ierīces lielā skaitā pastāv gandrīz katrā uzņēmumā, kas strādā ar metāliem, minerāliem un citām līdzīgām vielām. Strādājot ar kristāliem ražošanā, tika veikti daudzi svarīgi atklājumi (piemēram, iepriekš minētā germānija elektroniskā formula).
Secinājums
Šajā rakstā veltītajai metodei ir bijusi liela nozīme mūsdienu rūpnieciskās ražošanas vēsturē. Pateicoties viņam, cilvēki beidzot ir iemācījušies izveidot pilnvērtīgus silīcija un daudzu citu vielu kristālus. Vispirms laboratorijas apstākļos un pēc tam rūpnieciskā mērogā. Monokristālu audzēšanas metode, ko atklāja izcilais poļu zinātnieks, joprojām tiek plaši izmantota.
