Bu süreç, 1915'te onu icat eden seçkin Polonyalı bilim adamı ve Rus İmparatorluğu vatandaşı Jan Czochralski'nin adını almıştır. Bu keşif tesadüfen oldu, ancak Czochralski'nin kristallere olan ilgisi elbette tesadüfi değildi, çünkü o çok yakından jeoloji okudu.
Uygulama
Belki de bu yöntemin en önemli uygulama alanı sanayi, özellikle de ağır sanayidir. Endüstride, başka hiçbir şekilde elde edilemeyen metalleri ve diğer maddeleri yapay olarak kristalleştirmek için hala kullanılmaktadır. Bu bağlamda, yöntem neredeyse mutlak alternatifsizliğini ve çok yönlülüğünü kanıtlamıştır.
Silikon
Monokristal silikon - mono-Si. Ayrıca başka bir adı var. Czochralski yöntemiyle yetiştirilen silikon - Cz-Si. Bu Czochralski silikonudur. Bilgisayarlarda, televizyonlarda, cep telefonlarında ve her türlü elektronik ekipman ve yarı iletken cihazlarda kullanılan entegre devrelerin üretiminde ana malzemedir. silikon kristalleriAyrıca fotovoltaik endüstrisi tarafından geleneksel mono-Si güneş pillerinin üretimi için büyük miktarlarda kullanılmaktadır. Mükemmele yakın kristal yapı, silikona en yüksek ışıktan elektriğe dönüşüm verimliliğini verir.
Erime
Yüksek saflıkta yarı iletken silikon (milyonda bir kirlilikte yalnızca birkaç parça), genellikle kuvarstan yapılmış bir potada 1425 °C'de (2.597 °F, 1.698 K) eritilir. Bor veya fosfor gibi katkılı safsızlık atomları, doping için kesin miktarlarda erimiş silikona eklenebilir, böylece farklı elektronik özelliklere sahip p veya n tipi silikona dönüştürülebilir. Tam olarak yönlendirilmiş bir çubuk tohum kristali, erimiş silikona daldırılır. Tohum kristalinin sapı yavaşça yükselir ve aynı anda döner. Sıcaklık gradyanlarının, çekme hızının ve dönüş hızının hassas kontrolü sayesinde, eriyikten büyük bir tek kristal kütük çıkarılabilir. Eriyikte istenmeyen kararsızlıkların meydana gelmesi, sıcaklık ve hız alanlarının incelenmesi ve görselleştirilmesiyle önlenebilir. Bu işlem genellikle argon gibi inert bir atmosferde, kuvars gibi inert bir odada gerçekleştirilir.
Endüstriyel incelikler
Kristallerin genel özelliklerinin etkinliği nedeniyle, yarı iletken endüstrisi standart boyutlarda kristaller kullanır. İlk günlerde, topları daha küçüktü, sadece birkaç santimGenişlik. Gelişmiş teknoloji ile yüksek kaliteli cihaz üreticileri 200mm ve 300mm çaplı plakalar kullanmaktadır. Genişlik, hassas sıcaklık kontrolü, dönüş hızı ve tohum tutucu çıkarma hızı ile kontrol edilir. Bu plakaların kesildiği kristal külçeler 2 metre uzunluğa ve birkaç yüz kilogram ağırlığa sahip olabilir. Daha büyük yonga plakaları daha iyi üretim verimliliği sağlar çünkü her plaka üzerinde daha fazla yonga yapılabilir, bu nedenle kararlı sürücü silikon plakaların boyutunu artırmıştır. Bir sonraki adım olan 450 mm'nin şu anda 2018'de tanıtılması planlanıyor. Silikon gofretler tipik olarak yaklaşık 0,2-0,75 mm kalınlığındadır ve entegre devreler oluşturmak veya güneş pilleri oluşturmak için tekstüre oluşturmak için geniş bir düzlükte parlatılabilir.
Isıtma
İşlem, hazne yaklaşık 1500 santigrat dereceye kadar ısıtılıp silikonun erimesiyle başlar. Silikon tamamen eridiğinde, dönen şaftın ucuna monte edilmiş küçük bir tohum kristali, erimiş silikonun yüzeyinin altına gelene kadar yavaşça alçalmaktadır. Mil saat yönünün tersine döner ve pota saat yönünde döner. Dönen çubuk daha sonra çok yavaş bir şekilde yukarı doğru çekilir - yakut kristalinin imalatında saatte yaklaşık 25 mm - kabaca silindirik bir boule oluşturmak için. Potadaki silikon miktarına bağlı olarak boule bir ila iki metre arasında olabilir.
Elektrik İletkenliği
Silisyumun elektriksel özellikleri, eritilmeden önce üzerine fosfor veya boron gibi bir malzeme eklenerek ayarlanır. Eklenen malzemeye katkı maddesi denir ve işleme doping denir. Bu yöntem, galyum arsenit gibi silikon dışındaki yarı iletken malzemelerle de kullanılır.
Özellikler ve Faydalar
Silikon Czochralski yöntemiyle büyütüldüğünde, eriyik bir silika potasında bulunur. Büyüme sırasında, potanın duvarları eriyik içinde çözülür ve ortaya çıkan madde, tipik bir 1018 cm-3 konsantrasyonunda oksijen içerir. Oksijen safsızlıklarının faydalı veya zararlı etkileri olabilir. Özenle seçilmiş tavlama koşulları, oksijen birikintilerinin oluşmasına neden olabilir. Çevreleyen silikonun saflığını artırarak, alma olarak bilinen bir işlemde istenmeyen geçiş metali safsızlıklarının yakalanmasını etkilerler. Ancak istenmeyen yerlerde oksijen birikintilerinin oluşması elektriksel yapıları da tahrip edebilir. Ek olarak, oksijen safsızlıkları, cihaz işleme sırasında ortaya çıkabilecek herhangi bir çıkığı hareketsiz hale getirerek silikon gofretlerin mekanik mukavemetini iyileştirebilir. 1990'larda, yüksek oksijen konsantrasyonunun, zorlu radyasyon ortamlarında (CERN'in LHC/HL-LHC projeleri gibi) kullanılan silikon parçacık dedektörlerinin radyasyon sertliği için de faydalı olduğu deneysel olarak gösterildi. Bu nedenle, Czochralski tarafından yetiştirilen silikon radyasyon dedektörleri, gelecekteki birçok uygulama için umut verici adaylar olarak kabul edilir.yüksek enerji fiziği deneyleri. Ayrıca silikonda oksijen varlığının implantasyon sonrası tavlama işleminde safsızlık alımını arttırdığı da gösterilmiştir.
Reaksiyon sorunları
Ancak oksijen safsızlıkları, aydınlatılmış bir ortamda bor ile reaksiyona girebilir. Bu, hücrelerin verimliliğini az altan elektriksel olarak aktif bir bor-oksijen kompleksinin oluşumuna yol açar. Modül çıkışı, aydınlatmanın ilk birkaç saatinde yaklaşık %3 düşer.
Hacim donmasından kaynaklanan katı kristal safsızlık konsantrasyonu, segregasyon katsayısı dikkate alınarak elde edilebilir.
Büyüyen kristaller
Kristal büyümesi, kristal kafes içindeki konumlarındaki moleküllerin veya iyonların sayısı arttıkça önceden var olan bir kristalin büyüdüğü veya bir çözeltinin bir kristale dönüştüğü ve daha fazla büyümenin işlendiği bir süreçtir. Czochralski yöntemi bu sürecin bir biçimidir. Bir kristal, düzenli, tekrar eden bir modelde düzenlenmiş atomlar, moleküller veya iyonlar olarak tanımlanır, üç uzamsal boyutun tümü boyunca uzanan bir kristal kafes. Bu nedenle, kristallerin büyümesi, bir sıvı damlasının büyümesinden farklıdır, çünkü büyüme sırasında moleküller veya iyonlar, düzenli bir kristalin büyümesi için kafesin doğru pozisyonlarına düşmek zorundadır. Bu, bilime germanyumun elektronik formülü gibi birçok ilginç keşifler sağlayan çok ilginç bir süreçtir.
Kristal yetiştirme işlemi, bir maddenin kristalleşme sürecinin ana bölümünün gerçekleştiği şişeler ve ızgaralar gibi özel cihazlar sayesinde gerçekleştirilir. Bu cihazlar, metaller, mineraller ve diğer benzer maddelerle çalışan hemen hemen her işletmede çok sayıda bulunur. Üretimde kristallerle çalışma sürecinde birçok önemli keşif yapıldı (örneğin, yukarıda bahsedilen germanyumun elektronik formülü).
Sonuç
Bu makalenin ayrıldığı yöntem, modern endüstriyel üretim tarihinde büyük bir rol oynamıştır. Onun sayesinde insanlar sonunda tam teşekküllü silikon kristallerinin ve diğer birçok maddenin nasıl oluşturulacağını öğrendi. Önce laboratuvar koşullarında, sonra endüstriyel ölçekte. Polonyalı büyük bilim adamı tarafından keşfedilen tek kristal yetiştirme yöntemi hala yaygın olarak kullanılmaktadır.
