Este processo recebeu o nome do notável cientista polonês e cidadão do Império Russo, Jan Czochralski, que o inventou em 1915. A descoberta aconteceu por acaso, embora o interesse de Czochralski pelos cristais, é claro, não tenha sido acidental, porque ele estudou geologia muito de perto.
Aplicativo
Talvez a área de aplicação mais importante desse método seja a indústria, principalmente a indústria pesada. Na indústria, ainda é usado para cristalizar artificialmente metais e outras substâncias, o que não pode ser alcançado de outra maneira. Nesse sentido, o método provou sua quase absoluta não alternativa e versatilidade.
Silicon
Silicio monocristalino - mono-Si. Também tem outro nome. Silício cultivado pelo método de Czochralski - Cz-Si. Isso é silício Czochralski. É o principal material na produção de circuitos integrados utilizados em computadores, televisores, telefones celulares e todos os tipos de equipamentos eletrônicos e dispositivos semicondutores. cristais de silíciotambém são usados em grandes quantidades pela indústria fotovoltaica para a produção de células solares mono-Si convencionais. A estrutura cristalina quase perfeita dá ao silício a mais alta eficiência de conversão de luz em eletricidade.
Derreter
Silício semicondutor de alta pureza (apenas algumas partes por milhão de impurezas) é derretido em um cadinho a 1425 °C (2,597 °F, 1,698 K), geralmente feito de quartzo. Átomos de impurezas dopantes, como boro ou fósforo, podem ser adicionados ao silício fundido em quantidades precisas para dopagem, alterando-o para silício do tipo p ou n com diferentes propriedades eletrônicas. Um cristal de semente de bastão orientado com precisão é imerso em silício fundido. A haste do cristal semente lentamente sobe e gira ao mesmo tempo. Através do controle preciso dos gradientes de temperatura, velocidade de extração e velocidade de rotação, um grande tarugo de cristal único pode ser removido do fundido. A ocorrência de instabilidades indesejáveis no fundido pode ser evitada examinando e visualizando os campos de temperatura e velocidade. Este processo geralmente é realizado em uma atmosfera inerte, como argônio, em uma câmara inerte, como quartzo.
Sutilezas industriais
Por causa da eficácia das características gerais dos cristais, a indústria de semicondutores utiliza cristais com tamanhos padronizados. Nos primeiros dias, suas bolas eram menores, apenas alguns centímetroslargura. Com tecnologia avançada, fabricantes de dispositivos de alta qualidade utilizam placas de 200mm e 300mm de diâmetro. A largura é controlada pelo controle preciso da temperatura, velocidade de rotação e velocidade de remoção do porta-sementes. Os lingotes cristalinos dos quais essas placas são cortadas podem ter até 2 metros de comprimento e pesar várias centenas de quilos. Os wafers maiores permitem uma melhor eficiência de fabricação porque mais chips podem ser feitos em cada wafer, de modo que a unidade estável aumentou o tamanho dos wafers de silício. O próximo passo, 450 mm, está programado para ser introduzido em 2018. Os wafers de silício têm normalmente cerca de 0,2-0,75 mm de espessura e podem ser polidos para uma grande planicidade para criar circuitos integrados ou texturizados para criar células solares.
Aquecimento
O processo começa quando a câmara é aquecida a cerca de 1500 graus Celsius, derretendo o silício. Quando o silício está completamente derretido, um pequeno cristal de semente montado na extremidade do eixo giratório desce lentamente até ficar abaixo da superfície do silício fundido. O eixo gira no sentido anti-horário e o cadinho gira no sentido horário. A haste giratória é então puxada para cima muito lentamente – cerca de 25 mm por hora na fabricação de um cristal de rubi – para formar uma bolinha aproximadamente cilíndrica. O boule pode ter de um a dois metros, dependendo da quantidade de silício no cadinho.
Condutividade Elétrica
As características elétricas do silício são ajustadas pela adição de um material como fósforo ou boro antes de derretê-lo. O material adicionado é chamado de dopante e o processo é chamado de dopagem. Este método também é usado com materiais semicondutores que não o silício, como o arseneto de gálio.
Recursos e Benefícios
Quando o silício é cultivado pelo método de Czochralski, o fundido é contido em um cadinho de sílica. Durante o crescimento, as paredes do cadinho se dissolvem no fundido e a substância resultante contém oxigênio em uma concentração típica de 1018 cm-3. As impurezas de oxigênio podem ter efeitos benéficos ou prejudiciais. Condições de recozimento cuidadosamente escolhidas podem levar à formação de depósitos de oxigênio. Eles afetam a captura de impurezas indesejadas de metais de transição em um processo conhecido como gettering, melhorando a pureza do silício circundante. No entanto, a formação de depósitos de oxigênio em locais não intencionais também pode destruir estruturas elétricas. Além disso, as impurezas de oxigênio podem melhorar a resistência mecânica das pastilhas de silício, imobilizando quaisquer deslocamentos que possam ser introduzidos durante o processamento do dispositivo. Na década de 1990, foi demonstrado experimentalmente que a alta concentração de oxigênio também é benéfica para a dureza da radiação de detectores de partículas de silício usados em ambientes de radiação severos (como os projetos LHC/HL-LHC do CERN). Portanto, detectores de radiação de silício cultivados em Czochralski são considerados candidatos promissores para muitas aplicações futuras.experimentos em física de altas energias. Também foi demonstrado que a presença de oxigênio no silício aumenta a absorção de impurezas no processo de recozimento pós-implantação.
Problemas de reação
No entanto, as impurezas do oxigênio podem reagir com o boro em um ambiente iluminado. Isso leva à formação de um complexo boro-oxigênio eletricamente ativo, o que reduz a eficiência das células. A saída do módulo cai aproximadamente 3% durante as primeiras horas de iluminação.
A concentração de impurezas do cristal sólido resultante do congelamento do volume pode ser obtida a partir da consideração do coeficiente de segregação.
Crescimento de cristais
Crescimento cristalino é um processo no qual um cristal preexistente se torna maior à medida que o número de moléculas ou íons em suas posições na rede cristalina aumenta, ou uma solução se transforma em um cristal e o crescimento posterior é processado. O método de Czochralski é uma forma desse processo. Um cristal é definido como átomos, moléculas ou íons dispostos em um padrão ordenado e repetitivo, uma rede cristalina que se estende por todas as três dimensões espaciais. Assim, o crescimento de cristais difere do crescimento de uma gota líquida, pois durante o crescimento, moléculas ou íons devem cair nas posições corretas da rede para que um cristal ordenado cresça. Este é um processo muito interessante que deu à ciência muitas descobertas interessantes, como a fórmula eletrônica do germânio.
O processo de crescimento de cristais é realizado graças a dispositivos especiais - frascos e grades, nos quais ocorre a parte principal do processo de cristalização de uma substância. Esses dispositivos existem em grande número em quase todas as empresas que trabalham com metais, minerais e outras substâncias semelhantes. Durante o processo de trabalho com cristais em produção, muitas descobertas importantes foram feitas (por exemplo, a fórmula eletrônica do germânio mencionada acima).
Conclusão
O método ao qual este artigo é dedicado tem desempenhado um grande papel na história da produção industrial moderna. Graças a ele, as pessoas finalmente aprenderam a criar cristais completos de silício e muitas outras substâncias. Primeiro em condições de laboratório e depois em escala industrial. O método de cultivo de monocristais, descoberto pelo grande cientista polonês, ainda é amplamente utilizado.
