Este proceso lleva el nombre del destacado científico polaco y ciudadano del Imperio Ruso, Jan Czochralski, quien lo inventó en 1915. El descubrimiento ocurrió por accidente, aunque el interés de Czochralski por los cristales, por supuesto, no fue casual, porque estudió geología muy de cerca.
Solicitud
Quizás el área de aplicación más importante de este método es la industria, especialmente la industria pesada. En la industria, todavía se usa para cristalizar artificialmente metales y otras sustancias, lo que no se puede lograr de otra manera. En este sentido, el método ha demostrado su casi absoluta no alternativa y versatilidad.
Silicio
Silicio monocristalino - mono-Si. También tiene otro nombre. Silicio cultivado por el método Czochralski - Cz-Si. Eso es silicio Czochralski. Es el material principal en la producción de circuitos integrados utilizados en computadoras, televisores, teléfonos móviles y todo tipo de equipos electrónicos y dispositivos semiconductores. cristales de siliciotambién son utilizados en grandes cantidades por la industria fotovoltaica para la producción de células solares mono-Si convencionales. La estructura cristalina casi perfecta le da al silicio la mayor eficiencia de conversión de luz en electricidad.
Derritiéndose
El silicio semiconductor de alta pureza (solo unas pocas partes por millón de impurezas) se funde en un crisol a 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), generalmente hecho de cuarzo. Los átomos de impurezas dopantes, como el boro o el fósforo, se pueden agregar al silicio fundido en cantidades precisas para el dopaje, cambiándolo así a silicio de tipo p o n con diferentes propiedades electrónicas. Un cristal de semilla de varilla orientado con precisión se sumerge en silicio fundido. El tallo del cristal semilla se eleva lentamente y gira al mismo tiempo. A través del control preciso de los gradientes de temperatura, la velocidad de estirado y la velocidad de rotación, se puede retirar del fundido un gran bloque monocristalino. La aparición de inestabilidades indeseables en la masa fundida puede evitarse examinando y visualizando los campos de temperatura y velocidad. Este proceso se suele realizar en una atmósfera inerte como el argón, en una cámara inerte como el cuarzo.
Sutilezas industriales
Debido a la eficacia de las características generales de los cristales, la industria de los semiconductores utiliza cristales con tamaños estandarizados. En los primeros días, sus bolas eran más pequeñas, solo unas pocas pulgadasancho. Con tecnología avanzada, los fabricantes de dispositivos de alta calidad utilizan placas de 200 mm y 300 mm de diámetro. El ancho se controla mediante un control preciso de la temperatura, la velocidad de rotación y la velocidad de extracción del portasemillas. Los lingotes cristalinos de los que se cortan estas placas pueden tener hasta 2 metros de largo y pesar varios cientos de kilogramos. Las obleas más grandes permiten una mejor eficiencia de fabricación porque se pueden fabricar más chips en cada oblea, por lo que la unidad estable ha aumentado el tamaño de las obleas de silicio. El siguiente paso, 450 mm, está programado para introducirse en 2018. Las obleas de silicio suelen tener entre 0,2 y 0,75 mm de grosor y se pueden pulir hasta que queden muy planas para crear circuitos integrados o texturizar para crear células solares.
Calefacción
El proceso comienza cuando la cámara se calienta a unos 1500 grados centígrados, derritiendo el silicio. Cuando el silicio se derrite por completo, un pequeño cristal semilla montado en el extremo del eje giratorio desciende lentamente hasta que está debajo de la superficie del silicio fundido. El eje gira en sentido contrario a las agujas del reloj y el crisol gira en el sentido de las agujas del reloj. Luego, la varilla giratoria se tira hacia arriba muy lentamente (alrededor de 25 mm por hora en la fabricación de un cristal de rubí) para formar una bola aproximadamente cilíndrica. La boule puede ser de uno a dos metros, dependiendo de la cantidad de silicio en el crisol.
Conductividad eléctrica
Las características eléctricas del silicio se ajustan añadiéndole un material como fósforo o boro antes de fundirlo. El material agregado se llama dopante y el proceso se llama dopaje. Este método también se utiliza con materiales semiconductores distintos del silicio, como el arseniuro de galio.
Características y ventajas
Cuando se cultiva silicio mediante el método Czochralski, la masa fundida se contiene en un crisol de sílice. Durante el crecimiento, las paredes del crisol se disuelven en la masa fundida y la sustancia resultante contiene oxígeno a una concentración típica de 1018 cm-3. Las impurezas de oxígeno pueden tener efectos beneficiosos o perjudiciales. Las condiciones de recocido cuidadosamente elegidas pueden conducir a la formación de depósitos de oxígeno. Afectan la captura de impurezas de metales de transición no deseadas en un proceso conocido como captación, mejorando la pureza del silicio circundante. Sin embargo, la formación de depósitos de oxígeno en lugares no previstos también puede destruir estructuras eléctricas. Además, las impurezas de oxígeno pueden mejorar la resistencia mecánica de las obleas de silicio al inmovilizar cualquier dislocación que pueda producirse durante el procesamiento del dispositivo. En la década de 1990, se demostró experimentalmente que una alta concentración de oxígeno también es beneficiosa para la dureza de la radiación de los detectores de partículas de silicio utilizados en entornos de radiación hostiles (como los proyectos LHC/HL-LHC del CERN). Por lo tanto, los detectores de radiación de silicio desarrollados por Czochralski se consideran candidatos prometedores para muchas aplicaciones futuras.experimentos de física de altas energías. También se ha demostrado que la presencia de oxígeno en el silicio aumenta la absorción de impurezas en el proceso de recocido posterior a la implantación.
Problemas de reacción
Sin embargo, las impurezas de oxígeno pueden reaccionar con el boro en un entorno iluminado. Esto conduce a la formación de un complejo boro-oxígeno eléctricamente activo, que reduce la eficiencia de las células. La salida del módulo cae aproximadamente un 3 % durante las primeras horas de iluminación.
La concentración de impurezas de cristal sólido que resulta de la congelación de volumen se puede obtener considerando el coeficiente de segregación.
Cristales en crecimiento
El crecimiento cristalino es un proceso en el que un cristal preexistente se vuelve más grande a medida que aumenta el número de moléculas o iones en sus posiciones en la red cristalina, o una solución se convierte en un cristal y se procesa un mayor crecimiento. El método Czochralski es una forma de este proceso. Un cristal se define como átomos, moléculas o iones dispuestos en un patrón ordenado y repetitivo, una red cristalina que se extiende a través de las tres dimensiones espaciales. Por lo tanto, el crecimiento de los cristales difiere del crecimiento de una gota de líquido en que durante el crecimiento, las moléculas o los iones deben caer en las posiciones correctas de la red para que crezca un cristal ordenado. Este es un proceso muy interesante que le ha dado a la ciencia muchos descubrimientos interesantes, como la fórmula electrónica del germanio.
El proceso de crecimiento de cristales se lleva a cabo gracias a dispositivos especiales: matraces y rejillas, en los que tiene lugar la parte principal del proceso de cristalización de una sustancia. Estos dispositivos existen en gran número en casi todas las empresas que trabajan con metales, minerales y otras sustancias similares. Durante el proceso de trabajo con cristales en producción, se hicieron muchos descubrimientos importantes (por ejemplo, la fórmula electrónica del germanio mencionada anteriormente).
Conclusión
El método al que está dedicado este artículo ha jugado un papel importante en la historia de la producción industrial moderna. Gracias a él, la gente finalmente aprendió a crear cristales completos de silicio y muchas otras sustancias. Primero en condiciones de laboratorio y luego a escala industrial. El método de cultivo de monocristales, descubierto por el gran científico polaco, todavía se usa mucho.
