Метод Чохральского
.JPG)
Процесс Чохральского - это технологический процесс материалов для производства монокристаллических материалов ( рост кристаллов ). Он также известен как процесс вытягивания тигля или вытягивания из расплава . В тигле подлежащее кристаллизации вещество поддерживается на несколько градусов выше точки плавления (в пределах диапазона Оствальда-Майерса , в котором не происходит спонтанного зародышеобразования). Ядро (например, небольшой монокристалл) выращиваемого вещества погружается в его поверхность. При повороте и медленном вытягивании вверх - без нарушения контакта с расплавом - затвердевающий материал вырастает в монокристалл, который продолжает кристаллическую решетку ядра.
сказка
Процесс Чохральского был по ошибке обнаружен в лаборатории металлов AEG в 1916 году польским химиком Яном Чохральским (1885–1953, 1904–1929 в Германии): он погрузил ручку в плавильный котел, наполненный жидким оловом, а не в чернильницу. Затем он разработал и усовершенствовал процесс, продемонстрировал, что с его помощью можно производить монокристаллы, и использовал его для оценки скорости кристаллизации.
технологии
В тигле находится уже очищенный расплав желаемого материала (например, кремния ). Вместо материала высокой чистоты, в зависимости от предполагаемого использования, можно также использовать предварительно легированный материал, например, с элементами III. или V. Основная группа в периодической таблице , так что он может быть использован непосредственно в качестве основного материала для интегральных схем .
Затравочный кристалл, прикрепленный к медленно вращающемуся металлическому стержню, наконечником окунают в расплав сверху. Затравочный кристалл должен быть точно выровнен с желаемой ориентацией кристалла на металлическом стержне , поскольку он определяет ориентацию кристалла создаваемого монокристалла. Конец затравочного кристалла, погруженный всего на несколько миллиметров, должен расплавиться до тех пор, пока не будет создан очень однородный пограничный слой между расплавом и твердой частью затравочного кристалла. Стержень с монокристаллом снова медленно поднимается вверх, в то время как расплав затвердевает на образующейся границе раздела. Изменяя скорость вытягивания и температуру, растущий кристалл достигает желаемого диаметра. Посредством соответствующего контроля диаметр кристалла можно очень точно поддерживать до конца процесса вытягивания.
Вращение затравочного кристалла меняет направление конвекции непосредственно под затравочным кристаллом и только после этого позволяет кристаллу расти направленным образом. Без вращения на более холодной поверхности расплава могла бы образоваться «кристаллическая пластина».
В уточнении процесса, еще более тонкая деталь сначала вычерчивается непосредственно после нанесения затравочного кристалла, и только затем вычерчивается желаемый окончательный диаметр. В образовавшемся узком месте дислокации, которые все еще могут существовать в затравочном кристалле, должны мигрировать в сторону. Дислокации представляют собой нарушения в монокристаллической структуре и поэтому не расположены точно параллельно оси симметрии. При вытягивании они перемещаются по диагонали в сторону, в узком месте, а затем даже полностью выходят из кристалла, так что оставшийся кристалл свободен от дислокаций.
Кристаллическая колонна, известная как слиток, может иметь длину до двух метров. В настоящее время стандарт в полупроводниковой промышленности составляет 30 см в диаметре, из которых изготавливаются пластины диаметром 300 мм. С 2010 года производители монокристаллов кремния тестируют выращивание кристаллов на пластинах диаметром 450 мм.
применение
Этот процесс позволяет производить чистые монокристаллические материалы. Это не совсем соответствует качествам в процессе плавления зоны , но это дешевле. Есть среди прочего такие монокристаллы из полупроводников. Б. кремний , такие металлы . B. палладий , платина , золото и серебро , соли, такие как. B. галогениды, оксиды и силикаты щелочных металлов, такие как. B. С использованием этого метода производятся иттрий-алюминиевые гранаты и железо-иттриевые гранаты с многочисленными возможными применениями, особенно в оптических целях (лазерная технология и сенсорная техника).
Таким образом производятся монокристаллы кремния в больших количествах. После вытягивания кристаллов их разрезают на тонкие пластинки, называемые вафлями . Эти так называемые пластины CZ в основном используются в производстве интегральных схем в микроэлектронике и в микросистемной технике .
Для использования в фотогальванике слитки сначала разрезаются на псевдоквадратное поперечное сечение. В результате путем распиливания получаются пластины формы квадрата со скругленными углами. Солнечные модули, произведенные из этого, могут быть оснащены большим количеством солнечных элементов, так что теряется меньшая полезная площадь. Псевдоквадратные солнечные пластины, таким образом, представляют собой экономический компромисс между использованием пространства и наилучшим возможным использованием изначально круглого слитка, при котором возникает относительно мало отходов.
литература
- Юрген Эверс , Петер Клюферс, Рудольф Штаудигль, Петер Сталльхофер: творческая ошибка Чохральского: веха на пути к гигабитной эре . В: Angewandte Chemie . лента 115 , 2003 г., ISSN 0044-8249 , с. 5862-5877 , DOI : 10.1002 / anie.200300587 .
веб ссылки
Индивидуальные доказательства
- ↑ Ян Чохральский : Новый метод измерения скорости кристаллизации металлов. В кн . : Журнал физической химии . Т. 92, 1918, стр. 219-221 .
- ↑ Swisswafers AG: Монокремниевые пластины (монокристаллические / Czochralski / CZ пластины) ( Memento от 20 июля 2012 г. в Интернет-архиве ), по состоянию на 31 марта 2010 г. (описание производства).