กระบวนการนี้ตั้งชื่อตาม Jan Czochralski นักวิทยาศาสตร์ชาวโปแลนด์ที่โดดเด่นและเป็นพลเมืองของจักรวรรดิรัสเซีย ผู้คิดค้นกระบวนการนี้ขึ้นในปี 1915 การค้นพบนี้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ แม้ว่าแน่นอนว่าความสนใจของ Czochralski ในคริสตัลนั้นไม่ได้เกิดขึ้นโดยบังเอิญ เพราะเขาศึกษาธรณีวิทยาอย่างใกล้ชิด
แอปพลิเคชัน
บางทีส่วนที่สำคัญที่สุดของการประยุกต์ใช้วิธีนี้คืออุตสาหกรรมโดยเฉพาะอุตสาหกรรมหนัก ในอุตสาหกรรม ยังคงใช้เพื่อทำให้โลหะตกผลึกและสารอื่นๆ เทียม ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีอื่นใด ในเรื่องนี้ วิธีการนี้ได้พิสูจน์แล้วว่าแทบไม่มีทางเลือกอื่นและความเก่งกาจ
ซิลิคอน
โมโนคริสตัลลีนซิลิกอน - โมโนซิ. ก็ยังมีอีกชื่อหนึ่ง ซิลิคอนที่ปลูกโดยวิธี Czochralski - Cz-Si นั่นคือซิลิกอน Czochralski เป็นวัสดุหลักในการผลิตวงจรรวมที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ โทรทัศน์ โทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทุกประเภท ผลึกซิลิกอนอุตสาหกรรมไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ยังใช้ในปริมาณมากสำหรับการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์แบบโมโน-ศรีแบบธรรมดา โครงสร้างผลึกที่เกือบสมบูรณ์แบบช่วยให้ซิลิคอนมีประสิทธิภาพการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าสูงสุด
ละลาย
ซิลิกอนเซมิคอนดักเตอร์ความบริสุทธิ์สูง (สิ่งสกปรกเพียงไม่กี่ส่วนต่อล้าน) ถูกหลอมในเบ้าหลอมที่อุณหภูมิ 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K) ซึ่งมักทำจากควอตซ์ อะตอมของสิ่งเจือปนเจือปน เช่น โบรอนหรือฟอสฟอรัส สามารถเติมลงในซิลิกอนที่หลอมเหลวในปริมาณที่แม่นยำสำหรับการเติมสารเจือปน ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นซิลิกอนชนิด p หรือ n ที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ต่างกัน คริสตัลเมล็ดแท่งที่มีทิศทางแม่นยำถูกแช่ในซิลิคอนหลอมเหลว ก้านของผลึกเมล็ดจะค่อยๆ ลอยขึ้นและหมุนไปพร้อม ๆ กัน ด้วยการควบคุมที่แม่นยำของการไล่ระดับอุณหภูมิ ความเร็วในการดึง และความเร็วในการหมุน ทำให้สามารถเอาแท่งคริสตัลเดี่ยวขนาดใหญ่ออกจากตัวหลอมเหลวได้ สามารถหลีกเลี่ยงการเกิดความไม่เสถียรที่ไม่พึงประสงค์ในการหลอมเหลวได้โดยการตรวจสอบและแสดงภาพสนามอุณหภูมิและความเร็ว กระบวนการนี้มักจะดำเนินการในบรรยากาศเฉื่อย เช่น อาร์กอน ในห้องเฉื่อย เช่น ควอตซ์
รายละเอียดปลีกย่อยทางอุตสาหกรรม
เนื่องจากประสิทธิภาพของลักษณะทั่วไปของคริสตัล อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์จึงใช้คริสตัลที่มีขนาดมาตรฐาน ในระยะแรกลูกจะเล็กลงเพียงไม่กี่นิ้วความกว้าง. ด้วยเทคโนโลยีขั้นสูง ผู้ผลิตอุปกรณ์คุณภาพสูงจึงใช้เพลตขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 200 มม. และ 300 มม. ความกว้างถูกควบคุมโดยการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ ความเร็วในการหมุน และความเร็วในการกำจัดที่จับเมล็ด แท่งผลึกที่แผ่นเหล่านี้ถูกตัดสามารถยาวได้ถึง 2 เมตรและหนักหลายร้อยกิโลกรัม แผ่นเวเฟอร์ขนาดใหญ่ขึ้นช่วยให้ประสิทธิภาพการผลิตดีขึ้น เนื่องจากสามารถผลิตชิปได้มากขึ้นในแต่ละแผ่น ดังนั้นไดรฟ์ที่มีความเสถียรจึงเพิ่มขนาดของแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน ขั้นตอนต่อไปคือ 450 มม. มีกำหนดจะเปิดตัวในปี 2561 แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนโดยทั่วไปจะมีความหนาประมาณ 0.2-0.75 มม. และสามารถขัดให้เป็นแผ่นเรียบขนาดใหญ่เพื่อสร้างวงจรรวมหรือเท็กซ์เจอร์เพื่อสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ได้
เครื่องทำความร้อน
กระบวนการเริ่มต้นเมื่อห้องถูกทำให้ร้อนถึงประมาณ 1500 องศาเซลเซียส ทำให้ซิลิคอนละลาย เมื่อซิลิคอนละลายจนหมด ผลึกเมล็ดเล็กๆ ที่ติดตั้งอยู่ที่ปลายด้ามหมุนจะค่อยๆ เลื่อนลงมาจนอยู่ใต้พื้นผิวของซิลิคอนที่หลอมเหลว เพลาหมุนทวนเข็มนาฬิกาและเบ้าหลอมหมุนตามเข็มนาฬิกา จากนั้นดึงแกนหมุนขึ้นอย่างช้าๆ-ประมาณ 25 มม.ต่อชั่วโมงในการผลิตผลึกทับทิม-เพื่อสร้างเป็นลูกกลมทรงกระบอกคร่าวๆ ลูกบอลสามารถอยู่ได้ตั้งแต่หนึ่งถึงสองเมตร ขึ้นอยู่กับปริมาณของซิลิกอนในถ้วยใส่ตัวอย่าง
การนำไฟฟ้า
คุณสมบัติทางไฟฟ้าของซิลิกอนจะถูกปรับโดยการเพิ่มวัสดุเช่นฟอสฟอรัสหรือโบรอนก่อนที่จะหลอมละลาย วัสดุที่เพิ่มเข้ามาเรียกว่าสารเจือปนและกระบวนการนี้เรียกว่ายาสลบ วิธีนี้ใช้กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่ใช่ซิลิกอนด้วย เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์
คุณสมบัติและประโยชน์
เมื่อปลูกซิลิคอนด้วยวิธี Czochralski สารที่หลอมละลายจะบรรจุอยู่ในเบ้าหลอมซิลิกา ในระหว่างการเจริญเติบโต ผนังของเบ้าหลอมจะละลายในตัวหลอมเหลว และสารที่ได้จะมีออกซิเจนที่ความเข้มข้นปกติที่ 1,018 ซม.-3 สิ่งเจือปนของออกซิเจนอาจมีผลดีหรือเป็นอันตราย สภาวะการหลอมที่เลือกอย่างระมัดระวังสามารถนำไปสู่การก่อตัวของออกซิเจนสะสม สิ่งเหล่านี้ส่งผลต่อการดักจับสิ่งเจือปนของโลหะทรานซิชันที่ไม่ต้องการในกระบวนการที่เรียกว่าการรับ ซึ่งปรับปรุงความบริสุทธิ์ของซิลิกอนโดยรอบ อย่างไรก็ตาม การก่อตัวของการสะสมของออกซิเจนในที่ที่ไม่ได้ตั้งใจก็สามารถทำลายโครงสร้างทางไฟฟ้าได้เช่นกัน นอกจากนี้ สิ่งเจือปนของออกซิเจนยังสามารถปรับปรุงความแข็งแรงทางกลของแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนได้ด้วยการทำให้เคลื่อนที่ไม่เคลื่อนที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการประมวลผลอุปกรณ์ ในปี 1990 มีการทดลองแสดงให้เห็นว่าความเข้มข้นของออกซิเจนสูงยังเป็นประโยชน์ต่อความแข็งของรังสีของเครื่องตรวจจับอนุภาคซิลิกอนที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีการแผ่รังสีที่รุนแรง (เช่น โครงการ LHC/HL-LHC ของ CERN) ดังนั้นเครื่องตรวจจับรังสีซิลิกอนที่ปลูกใน Czochralski จึงถือเป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มสำหรับการใช้งานในอนาคตมากมายการทดลองทางฟิสิกส์พลังงานสูง นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นว่าการปรากฏตัวของออกซิเจนในซิลิกอนช่วยเพิ่มการดูดซึมสิ่งเจือปนในกระบวนการหลอมหลังการปลูกถ่าย
ปัญหาปฏิกิริยา
อย่างไรก็ตาม สิ่งเจือปนของออกซิเจนสามารถทำปฏิกิริยากับโบรอนในสภาพแวดล้อมที่มีแสงสว่างได้ สิ่งนี้นำไปสู่การก่อตัวของสารประกอบโบรอน - ออกซิเจนที่ใช้งานทางไฟฟ้าซึ่งลดประสิทธิภาพของเซลล์ เอาต์พุตของโมดูลลดลงประมาณ 3% ในช่วงสองสามชั่วโมงแรกของการส่องสว่าง
ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนของผลึกของแข็งที่เกิดจากการแช่แข็งปริมาตรสามารถหาได้จากการพิจารณาค่าสัมประสิทธิ์การแยกส่วน
คริสตัลที่กำลังเติบโต
การเติบโตของผลึกเป็นกระบวนการที่ผลึกที่มีอยู่ก่อนจะใหญ่ขึ้นเมื่อจำนวนโมเลกุลหรือไอออนในตำแหน่งของผลึกในตาข่ายผลึกเพิ่มขึ้น หรือสารละลายกลายเป็นคริสตัลและดำเนินการเติบโตต่อไป วิธี Czochralski เป็นรูปแบบหนึ่งของกระบวนการนี้ คริสตัลถูกกำหนดให้เป็นอะตอม โมเลกุล หรือไอออนที่จัดเรียงในรูปแบบที่ซ้ำกันตามลำดับ ซึ่งเป็นโครงผลึกคริสตัลที่ขยายผ่านทั้งสามมิติเชิงพื้นที่ ดังนั้น การเติบโตของผลึกจึงแตกต่างไปจากการเติบโตของของเหลวที่หยดลง ซึ่งในระหว่างการเจริญเติบโต โมเลกุลหรือไอออนจะต้องตกไปยังตำแหน่งที่ถูกต้องของตาข่ายเพื่อให้คริสตัลที่ได้รับคำสั่งเติบโต นี่เป็นกระบวนการที่น่าสนใจมากซึ่งทำให้วิทยาศาสตร์ได้ค้นพบสิ่งที่น่าสนใจมากมาย เช่น สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของเจอร์เมเนียม
กระบวนการเติบโตของคริสตัลทำได้โดยใช้อุปกรณ์พิเศษ เช่น ขวดและตะแกรง ซึ่งเป็นส่วนหลักของกระบวนการตกผลึกของสาร อุปกรณ์เหล่านี้มีอยู่เป็นจำนวนมากในเกือบทุกองค์กรที่ทำงานกับโลหะ แร่ธาตุ และสารอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน ในระหว่างกระบวนการทำงานกับคริสตัลในการผลิต มีการค้นพบที่สำคัญมากมาย (เช่น สูตรอิเล็กทรอนิกส์ของเจอร์เมเนียมที่กล่าวถึงข้างต้น)
สรุป
วิธีการในบทความนี้มีบทบาทอย่างมากในประวัติศาสตร์การผลิตภาคอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ต้องขอบคุณเขาที่ทำให้ผู้คนได้เรียนรู้วิธีสร้างผลึกซิลิกอนที่เต็มเปี่ยมและสารอื่นๆ อีกมากมาย ครั้งแรกในสภาพห้องปฏิบัติการ และจากนั้นในระดับอุตสาหกรรม วิธีการปลูกผลึกเดี่ยวที่ค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวโปแลนด์ผู้ยิ่งใหญ่ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลาย