Proses ini dinamai ilmuwan Polandia yang luar biasa dan warga Kekaisaran Rusia, Jan Czochralski, yang menemukannya pada tahun 1915. Penemuan itu terjadi secara tidak sengaja, meskipun ketertarikan Czochralski pada kristal, tentu saja, bukanlah kebetulan, karena ia mempelajari geologi dengan sangat cermat.
Aplikasi
Mungkin area terpenting penerapan metode ini adalah industri, khususnya industri berat. Dalam industri, masih digunakan untuk mengkristalkan logam dan zat lain secara artifisial, yang tidak dapat dicapai dengan cara lain. Dalam hal ini, metode ini telah membuktikan non- alternatif dan keserbagunaannya yang hampir mutlak.
Silikon
Silikon monokristalin - mono-Si. Ia juga memiliki nama lain. Silikon ditumbuhkan dengan metode Czochralski - Cz-Si. Itu adalah silikon Czochralski. Ini adalah bahan utama dalam produksi sirkuit terpadu yang digunakan di komputer, televisi, ponsel dan semua jenis peralatan elektronik dan perangkat semikonduktor. kristal silikonjuga digunakan dalam jumlah besar oleh industri fotovoltaik untuk produksi sel surya mono-Si konvensional. Struktur kristal yang hampir sempurna memberikan silikon efisiensi konversi cahaya-ke-listrik tertinggi.
Mencair
Silikon semikonduktor kemurnian tinggi (hanya beberapa bagian per juta pengotor) dilebur dalam wadah pada 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), biasanya terbuat dari kuarsa. Atom pengotor dopan seperti boron atau fosfor dapat ditambahkan ke silikon cair dalam jumlah yang tepat untuk doping, sehingga mengubahnya menjadi silikon tipe-p atau n dengan sifat elektronik yang berbeda. Kristal biji batang yang berorientasi tepat direndam dalam silikon cair. Batang kristal benih perlahan naik dan berputar pada saat yang bersamaan. Melalui kontrol yang tepat dari gradien suhu, kecepatan penarikan dan kecepatan rotasi, billet kristal tunggal yang besar dapat dikeluarkan dari lelehan. Terjadinya ketidakstabilan yang tidak diinginkan dalam lelehan dapat dihindari dengan memeriksa dan memvisualisasikan medan suhu dan kecepatan. Proses ini biasanya dilakukan di atmosfer inert seperti argon, di ruang inert seperti kuarsa.
Seluk-beluk industri
Karena efektivitas karakteristik umum kristal, industri semikonduktor menggunakan kristal dengan ukuran standar. Pada hari-hari awal, boule mereka lebih kecil, hanya beberapa incilebar. Dengan teknologi canggih, produsen perangkat berkualitas tinggi menggunakan pelat berdiameter 200mm dan 300mm. Lebar dikendalikan oleh kontrol suhu yang tepat, kecepatan rotasi dan kecepatan pemindahan pemegang benih. Ingot kristal dari mana pelat ini dipotong dapat mencapai panjang 2 meter dan berat beberapa ratus kilogram. Wafer yang lebih besar memungkinkan efisiensi manufaktur yang lebih baik karena lebih banyak chip dapat dibuat pada setiap wafer, sehingga drive yang stabil telah meningkatkan ukuran wafer silikon. Langkah selanjutnya, 450 mm, saat ini dijadwalkan akan diperkenalkan pada 2018. Wafer silikon biasanya memiliki ketebalan sekitar 0,2-0,75 mm dan dapat dipoles hingga rata untuk membuat sirkuit terpadu atau tekstur untuk membuat sel surya.
Pemanasan
Proses dimulai ketika ruangan dipanaskan hingga sekitar 1500 derajat Celcius, melelehkan silikon. Ketika silikon benar-benar meleleh, kristal biji kecil yang dipasang di ujung poros yang berputar perlahan-lahan turun hingga berada di bawah permukaan silikon cair. Poros berputar berlawanan arah jarum jam dan wadah berputar searah jarum jam. Batang yang berputar kemudian ditarik ke atas dengan sangat lambat-sekitar 25 mm per jam dalam pembuatan kristal ruby-untuk membentuk boule yang kira-kira berbentuk silinder. Boule bisa dari satu sampai dua meter, tergantung pada jumlah silikon dalam wadah.
Konduktivitas Listrik
Karakteristik listrik silikon disesuaikan dengan menambahkan bahan seperti fosfor atau boron ke dalamnya sebelum melelehkannya. Bahan yang ditambahkan disebut dopan dan prosesnya disebut doping. Metode ini juga digunakan dengan bahan semikonduktor selain silikon, seperti galium arsenida.
Fitur & Manfaat
Ketika silikon ditumbuhkan dengan metode Czochralski, lelehannya terkandung dalam wadah silika. Selama pertumbuhan, dinding wadah larut dalam lelehan, dan zat yang dihasilkan mengandung oksigen pada konsentrasi khas 1018 cm-3. Pengotor oksigen dapat memiliki efek menguntungkan atau merugikan. Kondisi anil yang dipilih dengan hati-hati dapat menyebabkan pembentukan endapan oksigen. Mereka mempengaruhi penangkapan pengotor logam transisi yang tidak diinginkan dalam proses yang dikenal sebagai gettering, meningkatkan kemurnian silikon sekitarnya. Namun, pembentukan deposit oksigen di tempat yang tidak diinginkan juga dapat merusak struktur listrik. Selain itu, pengotor oksigen dapat meningkatkan kekuatan mekanik wafer silikon dengan melumpuhkan dislokasi yang mungkin terjadi selama pemrosesan perangkat. Pada 1990-an, secara eksperimental ditunjukkan bahwa konsentrasi oksigen yang tinggi juga bermanfaat untuk kekerasan radiasi detektor partikel silikon yang digunakan dalam lingkungan radiasi yang keras (seperti proyek LHC/HL-LHC CERN). Oleh karena itu, detektor radiasi silikon yang ditanam di Czochralski dianggap sebagai kandidat yang menjanjikan untuk banyak aplikasi di masa depan.eksperimen dalam fisika energi tinggi. Juga telah ditunjukkan bahwa keberadaan oksigen dalam silikon meningkatkan penyerapan pengotor dalam proses anil pasca-implantasi.
Masalah reaksi
Namun, pengotor oksigen dapat bereaksi dengan boron di lingkungan yang terang. Ini mengarah pada pembentukan kompleks boron-oksigen yang aktif secara elektrik, yang mengurangi efisiensi sel. Output modul turun sekitar 3% selama beberapa jam pertama penerangan.
Konsentrasi pengotor kristal padat yang dihasilkan dari pembekuan volume dapat diperoleh dari pertimbangan koefisien segregasi.
Menumbuhkan kristal
Pertumbuhan kristal adalah proses di mana kristal yang sudah ada menjadi lebih besar karena jumlah molekul atau ion di posisinya dalam kisi kristal meningkat, atau larutan berubah menjadi kristal dan pertumbuhan lebih lanjut diproses. Metode Czochralski adalah salah satu bentuk dari proses ini. Kristal didefinisikan sebagai atom, molekul, atau ion yang diatur dalam pola yang teratur dan berulang, kisi kristal yang memanjang melalui ketiga dimensi spasial. Dengan demikian, pertumbuhan kristal berbeda dari pertumbuhan tetesan cairan karena selama pertumbuhan, molekul atau ion harus jatuh ke posisi kisi yang benar agar kristal yang tertata dapat tumbuh. Ini adalah proses yang sangat menarik yang telah memberikan banyak penemuan menarik kepada sains, seperti rumus elektronik germanium.
Proses pertumbuhan kristal dilakukan berkat perangkat khusus - labu dan kisi-kisi, di mana bagian utama dari proses kristalisasi suatu zat terjadi. Perangkat ini ada dalam jumlah besar di hampir setiap perusahaan yang bekerja dengan logam, mineral, dan zat serupa lainnya. Selama proses bekerja dengan kristal dalam produksi, banyak penemuan penting dibuat (misalnya, rumus elektronik germanium yang disebutkan di atas).
Kesimpulan
Metode yang digunakan untuk artikel ini telah memainkan peran besar dalam sejarah produksi industri modern. Berkat dia, orang akhirnya belajar cara membuat kristal silikon lengkap dan banyak zat lainnya. Pertama dalam kondisi laboratorium, dan kemudian pada skala industri. Metode menumbuhkan kristal tunggal, yang ditemukan oleh ilmuwan besar Polandia, masih digunakan secara luas.
