Czochralski yöntemi

Czochralski yöntemi, ayrıca Czochralski tekniği veya Czochralski işlemi , yarı iletkenlerin tek kristallerini (ör. Silisyum, germanyum ve galyum arsenit ), metalleri (ör. Paladyum, platin, gümüş, altın), tuzları ve sentetik değerli taşları elde etmek için kullanılan bir kristal büyütme yöntemidir. Metoda, 1915 yılında metallerin kristalleşme oranlarını araştırırken icat eden Polonyalı bilim adamı Jan Czochralski'ninPaweł Tomaszewski, "Jan Czochralski i jego metoda. Jan Czochralski and his method" (in Polish and English), Oficyna Wydawnicza ATUT, Wrocław–Kcynia 2003,  adı verilmiştir.J. Czochralski (1918) "Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationsgeschwindigkeit der Metalle"  [A new method for the measurement of the crystallization rate of metals], Zeitschrift für Physikalische Chemie, 92 : 219–221. Czochralski ilgili keşfi tesadüfen yapmıştır: Kalemini mürekkep haznesine daldırmak yerine erimiş kalaya daldırmış ve kağıda daha sonra tek bir kristal olduğunu anladığı kalay bir filaman (tel şerit) çekmiştir.

Bu keşfin sonucunda ortaya çıkan en önemli uygulama, elektronik endüstrisinde entegre devreler gibi yarı iletken cihazlar yapmak için kullanılan büyük silindirik külçelerin veya tek kristal silisyumun büyütülmesi olacaktır. Galyum arsenit gibi diğer yarı iletkenler de bu yöntemle büyütülebilir, ancak bu durumda daha düşük kusur yoğunlukları Bridgman-Stockbarger yönteminin varyantları kullanılarak elde edilebilir.

Yöntem, metal veya metaloid kristallerin üretimi ile sınırlı değildir. Örneğin, kontrollü izotopik karışıma sahip malzemeler de dahil olmak üzere çok yüksek saflıkta tuz kristallerini ve partikül fiziği deneylerinde karıştırıcı metal iyonları ve üretim sırasında emilen su üzerinde sıkı kontrollerde (milyar ölçüm başına parça) kullanılmak üzere kullanılır.

 Uygulama 
Czochralski yöntemiyle büyütülen  monokristal silisyum (mono-Si), genellikle monokristal Czochralski silisyum (Cz-Si) olarak anılır. Bilgisayar, televizyon, cep telefonu ve her türlü elektronik ekipman ve yarı iletken cihazlarda kullanılan entegre devrelerin üretiminde temel malzemedir.Czochralski Crystal Growth Method . Bbc.co.uk. 30 January 2003. Retrieved on 2011-12-06. Monokristal (Tek kristal) silisyum ayrıca fotovoltaik endüstrisi tarafından geleneksel mono-Si güneş hücrelerinin üretimi için büyük miktarlarda kullanılmaktadır. Neredeyse mükemmel kristal yapısıyla, ışıktan elektriğe dönüşümde en yüksek verimlilikleri sağlar.

 Czochralski Silisyum Üretimi 
sol|küçükresim| Czochralski Yöntemiyle Büyütülen Silisyum Kristali Külçe (Ingot)
Yüksek saflıkta, yarı iletken dereceli silisyum (milyonda sadece birkaç parça safsızlık), genellikle kuvarsdan yapılan 1.425 °C'de (2,597 °F; 1,698 K) bir eritme potasında eritilir. Bor veya fosfor gibi safsızlık katkılama atomları, silisyumun doplanması için erimiş silisyuma hassas miktarlarda eklenebilir, böylece farklı elektronik özelliklere sahip p-tipi veya n-tipi silisyuma dönüştürülebilir. Hassas bir şekilde yönlendirilmiş, çubuğa monte edilmiş bir tohum kristali, erimiş silisyumun içine daldırılır. Tohum kristali çubuğu yavaşça yukarı doğru çekilir ve aynı anda döndürülür. Sıcaklık düşümleri, çekme oranı ve dönme hızı hassas bir şekilde kontrol edilerek, eriyikten büyük, tek kristalli, silindirik bir külçe çıkarmak mümkündür. Kristal büyütme işlemi sırasında sıcaklık ve hız alanlarının araştırılması ve görselleştirilmesi ile eriyikte istenmeyen kararsızlıkların meydana gelmesi önlenebilir. Bu işlem normalde argon vb. içeren inert bir atmosferde kuvars vb. içeren inert (atıl) bir haznede gerçekleştirilir.

 Kristal Boyutları ve Büyütme İşlemi 
küçükresim|upright=1.09| Siliyum kristali, 1956'da Raytheon'da Czochralski yöntemiyle büyütülüyor. Resimde İndüksiyonlu ısıtma bobini  ve kristalin ucunun eriyikten yeni çıktığı görülebilir. Teknisyen, sıcaklığı bir optik pirometre ile ölçüyor. İlgili Siilisyum Dökümhanesinde bu erken dönem cihaz tarafından üretilen kristaller, yalnızca bir inç çapındaydı.
Ölçek verimliliği nedeniyle, yarı iletken endüstrisi genellikle standart boyutlara sahip wafer (plaka-levha) veya ortak wafer özellikleri kullanır. Önceleri, külçeler birkaç cm genişliğinde küçük iken İleri teknoloji ile, üst düzey cihaz üreticileri 200 mm ve 300 mm çaplı waferler (yarı iletken plaka) kullanmaya başladılar. Genişlik, sıcaklığın, dönüş hızlarının ve tohum tutucunun çekildiği hızın hassas kontrolü yardımıyla sağlanır. Waferlerin dilimlendiği kristal külçelerin (ingot) uzunluğu 2 metreye  ve birkaç yüz kilogram ağırlığına kadar ulaşabilir.

Daha büyük waferler, her bir wafer üzerinde göreceli olarak daha az  kayıpla daha fazla yonga (çip) üretilebilmesini sağladığından, üretim verimliliğini artırmaktadır, bu nedenle silisyum wafer boyutlarını artırmaya yönelik için istikrarlı bir yönelim yaşanmaya başlamıştır. Örneğin bir sonraki adım olacak, 450 mm waferlerın 2018'de tanıtımı yapılmıştır.Doubts over 450mm and EUV . Electronicsweekly.com. December 30, 2013. Retrieved on 2014-01-09. Silisyum waferler tipik olarak yaklaşık 0,2–0,75 mm kalınlığındadır ve entegre devreler yapmak için mükemmel düzlükte cilalanabilir veya güneş hücreleri yapmak için tekstüre (dokulama işlemi) edilebilir.

Genel olarak proses; döküm haznesi yaklaşık 1500 santigrat dereceye kadar ısıtıldığında ve silisyumu erittiğinde başlar. Silisyum tamamen eridiğinde, dönen bir şaftın ucuna monte edilmiş küçük bir tohum kristali, erimiş silisyum yüzeyinin hemen altına dalana kadar yavaşça alçaltılır. Şaft (mil) saat yönünün tersine dönerken, pota saat yönünde döner. Dönen çubuk daha sonra çok yavaş (yakut rengi kristalleşme esnasında saatte 25mm civarı)  bir şekilde yukarı çekilerek kabaca silindirik bir külçenin (boule) oluşmasına izin verir. Külçe, potadaki silisyumun miktarına bağlı olarak bir ila iki metre uzunluğunda olabilir.

Silisyum erimeden önce silisyum fosfor veya bor gibi maddeler ilave edilerek elektriksel özellikleri kontrol edilir. Eklenen malzemeye safsızlık katkı maddesi (dopant) denir ve bu işleme dopingleme  denir. Bu yöntem aynı zamanda galyum arsenit gibi silisyum dışındaki yarı iletken malzemelerle de kullanılır.

 Safsızlıkları Katkılamak 
küçükresim|upright=1.09| Czochralski yöntemiyle tek kristal silisyum yetiştirmek için tohum kristalli bir çektirme çubuğu
küçükresim|upright=1.09| Czochralski yönteminde kullanılan potalar
küçükresim|upright=1.09| Pota kullanıldıktan sonra
Silisyum, Czochralski yöntemiyle büyütüldüğünde, eriyik bir silika (kuvars) potasında bulunur. Büyüme sırasında, potanın duvarları eriyik içinde çözülür ve Czochralski silisyumu bu nedenle tipik 10cm konsantrasyonunda oksijen içerir. Oksijen safsızlıklarının yararlı veya zararlı etkileri olabilir. Dikkatle seçilen tavlama (temperleme) koşulları, oksijen çökeltilerinin oluşumuna neden olabilir. Bunlar, çevreleyen silisyumun saflığını artırarak "gaz giderme" olarak bilinen bir işlemde istenmeyen geçiş metali safsızlıklarını yakalama etkisine sahiptir. Bununla birlikte, istenmeyen yerlerde oksijen çökeltilerinin oluşması da elektriksel yapıları tahrip edebilir. Ek olarak, oksijen safsızlıkları, cihaz işlemi esnasında  ortaya çıkabilecek herhangi bir dislokasyonu hareketsiz hale getirerek silisyum wafer (plakaların) mekanik mukavemetini geliştirebilir.

1990'larda, yüksek oksijen konsantrasyonunun, zorlu radyasyon ortamında (CERN'in LHC / HL-LHC projeleri gibi) kullanılan silisyum parçacık dedektörlerinin radyasyon sertliği için de faydalı olduğu deneysel olarak gösterilmiştir. Bu nedenle, Czochralski ve manyetik Czochralski-silisyumdan yapılmış radyasyon dedektörleri, gelecekteki birçok yüksek enerjili fizik deneyleri için umut verici adaylar olarak kabul edilmektedir.CERN RD50 Status Report 2004, CERN-LHCC-2004-031 and LHCC-RD-005 and cited literature therein Silisyumdaki oksijenin varlığının, implantasyon sonrası tavlama işlemleri sırasında safsızlık yakalamayı arttırdığı da gösterilmiştir.

Bununla birlikte, oksijen safsızlıkları, güneş hücrelerinde tecrübe edildiği üzere aydınlatılmış bir ortamda borla reaksiyona girebilir. Bu durum, hücre performansını azaltan elektriksel olarak aktif bir bor-oksijen kompleksinin oluşumuyla sonuçlanır. Bu nedenle Güneş Paneli güç çıkışı, ışığa maruz kalmanın ilk birkaç saatinde yaklaşık % 3 düşer.

 Matematiksel form 
Eriyikten safsızlık dahil edilmesinin matematiksel bir ifadesiyle ilgili olarak,James D. Plummer, Michael D. Deal, and Peter B. Griffin, Silicon VLSI Technology, Prentice Hall, 2000,  pp. 126–27 aşağıdakileri göz önünde bulundurun.

Bir miktar hacmin dondurulmasından kaynaklanan katı kristaldeki safsızlık konsantrasyonu, ayrışma katsayısının dikkate alınmasıyla elde edilebilir.

  : Ayrışma katsayısı

  : İlk Hacim
  : Safsızlık Sayısı
  : Eriyikteki safsızlık konsantrasyonu

  : Eriyik hacmi
  : Eriyikteki yabancı madde sayısı
  : Eriyikteki safsızlıkların konsantrasyonu

  : Katı hacim
  : Katıdaki yabancı maddelerin konsantrasyonu

Büyüme sürecinde eriyik hacmi  donar ve eriyikten çıkan safsızlıklar vardır.

















 Ayrıca bakınız 

 Yüzer bölge silisyum

 Kaynakça 

 Dış bağlantılar 

 Czochralski doping süreci 


Kategori:Polonyalı icatları
Kategori:Polonya'da bilim ve teknoloji
Kategori:Kristaller
Kategori:Endüstriyel işlemler