Ce processus a été nommé d'après le remarquable scientifique polonais et citoyen de l'Empire russe, Jan Czochralski, qui l'a inventé en 1915. La découverte s'est produite par accident, bien que l'intérêt de Czochralski pour les cristaux, bien sûr, n'était pas accidentel, car il a étudié la géologie de très près.
Demande
Le domaine d'application le plus important de cette méthode est peut-être l'industrie, en particulier l'industrie lourde. Dans l'industrie, il est encore utilisé pour cristalliser artificiellement des métaux et d'autres substances, ce qui ne peut être réalisé autrement. À cet égard, la méthode a prouvé sa non- alternativité et sa polyvalence presque absolues.
Silicium
Silicium monocristallin - mono-Si. Il a aussi un autre nom. Silicium cultivé par la méthode Czochralski - Cz-Si. C'est du silicium de Czochralski. C'est le matériau principal dans la production de circuits intégrés utilisés dans les ordinateurs, les téléviseurs, les téléphones portables et tous les types d'équipements électroniques et de dispositifs à semi-conducteurs. cristaux de siliciumsont également utilisés en grande quantité par l'industrie photovoltaïque pour la production de cellules solaires mono-Si conventionnelles. La structure cristalline presque parfaite confère au silicium la plus grande efficacité de conversion lumière-électricité.
Fondre
Le silicium semi-conducteur de haute pureté (seulement quelques parties par million d'impuretés) est fondu dans un creuset à 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), généralement en quartz. Des atomes d'impuretés dopantes tels que le bore ou le phosphore peuvent être ajoutés au silicium fondu en quantités précises pour le dopage, le transformant ainsi en silicium de type p ou n avec des propriétés électroniques différentes. Un cristal germe orienté avec précision est immergé dans du silicium fondu. La tige du cristal germe se lève lentement et tourne en même temps. Grâce à un contrôle précis des gradients de température, de la vitesse d'étirage et de la vitesse de rotation, une grande billette monocristalline peut être retirée de la masse fondue. L'apparition d'instabilités indésirables dans le bain peut être évitée en examinant et en visualisant les champs de température et de vitesse. Ce processus est généralement effectué dans une atmosphère inerte telle que l'argon, dans une chambre inerte telle que le quartz.
Subtilités industrielles
En raison de l'efficacité des caractéristiques générales des cristaux, l'industrie des semi-conducteurs utilise des cristaux de tailles standardisées. Au début, leurs boules étaient plus petites, seulement quelques pouceslargeur. Grâce à une technologie de pointe, les fabricants d'appareils de haute qualité utilisent des plaques de 200 mm et 300 mm de diamètre. La largeur est contrôlée par un contrôle précis de la température, de la vitesse de rotation et de la vitesse de retrait du porte-graine. Les lingots cristallins à partir desquels ces plaques sont taillées peuvent mesurer jusqu'à 2 mètres de long et peser plusieurs centaines de kilogrammes. Des tranches plus grandes permettent une meilleure efficacité de fabrication car plus de puces peuvent être fabriquées sur chaque tranche, de sorte que le lecteur stable a augmenté la taille des tranches de silicium. La prochaine étape, 450 mm, est actuellement prévue pour être introduite en 2018. Les tranches de silicium ont généralement une épaisseur d'environ 0,2 à 0,75 mm et peuvent être polies à une grande planéité pour créer des circuits intégrés ou texturées pour créer des cellules solaires.
Chauffage
Le processus commence lorsque la chambre est chauffée à environ 1500 degrés Celsius, faisant fondre le silicium. Lorsque le silicium est complètement fondu, un petit germe cristallin monté à l'extrémité de l'arbre rotatif descend lentement jusqu'à ce qu'il soit sous la surface du silicium fondu. L'arbre tourne dans le sens antihoraire et le creuset tourne dans le sens horaire. La tige rotative est ensuite tirée vers le haut très lentement - environ 25 mm par heure dans la fabrication d'un cristal de rubis - pour former une boule à peu près cylindrique. La boule peut mesurer de un à deux mètres, selon la quantité de silicium dans le creuset.
Conduction électrique
Les caractéristiques électriques du silicium sont ajustées en y ajoutant un matériau tel que le phosphore ou le bore avant de le fondre. Le matériau ajouté est appelé dopant et le processus est appelé dopage. Cette méthode est également utilisée avec des matériaux semi-conducteurs autres que le silicium, tels que l'arséniure de gallium.
Caractéristiques et avantages
Lorsque le silicium est cultivé par la méthode Czochralski, la masse fondue est contenue dans un creuset en silice. Pendant la croissance, les parois du creuset se dissolvent dans la masse fondue et la substance résultante contient de l'oxygène à une concentration typique de 1018 cm-3. Les impuretés d'oxygène peuvent avoir des effets bénéfiques ou nocifs. Des conditions de recuit soigneusement choisies peuvent conduire à la formation de dépôts d'oxygène. Ils affectent la capture des impuretés indésirables des métaux de transition dans un processus connu sous le nom de getter, améliorant la pureté du silicium environnant. Cependant, la formation de dépôts d'oxygène dans des endroits non prévus peut également détruire des structures électriques. De plus, les impuretés d'oxygène peuvent améliorer la résistance mécanique des tranches de silicium en immobilisant toutes les dislocations qui peuvent être introduites pendant le traitement du dispositif. Dans les années 1990, il a été démontré expérimentalement qu'une concentration élevée en oxygène est également bénéfique pour la dureté de rayonnement des détecteurs de particules de silicium utilisés dans des environnements de rayonnement difficiles (tels que les projets LHC/HL-LHC du CERN). Par conséquent, les détecteurs de rayonnement au silicium développés par Czochralski sont considérés comme des candidats prometteurs pour de nombreuses applications futures.expériences en physique des hautes énergies. Il a également été démontré que la présence d'oxygène dans le silicium augmente l'absorption d'impuretés dans le processus de recuit post-implantation.
Problèmes de réaction
Cependant, les impuretés d'oxygène peuvent réagir avec le bore dans un environnement éclairé. Cela conduit à la formation d'un complexe bore-oxygène électriquement actif, ce qui réduit l'efficacité des cellules. La sortie du module chute d'environ 3 % pendant les premières heures d'éclairage.
La concentration en impuretés des cristaux solides résultant de la congélation volumique peut être obtenue en tenant compte du coefficient de ségrégation.
Faire pousser des cristaux
La croissance cristalline est un processus dans lequel un cristal préexistant devient plus grand à mesure que le nombre de molécules ou d'ions dans leurs positions dans le réseau cristallin augmente, ou qu'une solution se transforme en cristal et qu'une croissance supplémentaire est traitée. La méthode Czochralski est une forme de ce processus. Un cristal est défini comme des atomes, des molécules ou des ions disposés selon un motif ordonné et répétitif, un réseau cristallin qui s'étend à travers les trois dimensions spatiales. Ainsi, la croissance des cristaux diffère de la croissance d'une goutte de liquide en ce que pendant la croissance, les molécules ou les ions doivent tomber dans les positions correctes du réseau pour qu'un cristal ordonné se développe. C'est un processus très intéressant qui a donné à la science de nombreuses découvertes intéressantes, comme la formule électronique du germanium.
Le processus de croissance des cristaux est réalisé grâce à des dispositifs spéciaux - flacons et grilles, dans lesquels se déroule la majeure partie du processus de cristallisation d'une substance. Ces appareils existent en grand nombre dans presque toutes les entreprises qui travaillent avec des métaux, des minéraux et d'autres substances similaires. Au cours du processus de travail avec des cristaux en production, de nombreuses découvertes importantes ont été faites (par exemple, la formule électronique du germanium mentionnée ci-dessus).
Conclusion
La méthode à laquelle cet article est consacré a joué un grand rôle dans l'histoire de la production industrielle moderne. Grâce à lui, les gens ont enfin appris à créer des cristaux de silicium à part entière et de nombreuses autres substances. D'abord dans des conditions de laboratoire, puis à l'échelle industrielle. La méthode de croissance des monocristaux, découverte par le grand scientifique polonais, est encore largement utilisée.
