Método czochralski

El método Czochralski, también técnica Czochralski o proceso Czochralski, es un método de crecimiento de cristales utilizado para obtener monocristales de semiconductores (p. silicio, germanio y arseniuro de galio), metales (por ejemplo, paladio, platino, plata, oro), sales y piedras preciosas sintéticas. El método lleva el nombre del científico polaco Jan Czochralski, quien inventó el método en 1915 mientras investigaba las tasas de cristalización de los metales. Hizo este descubrimiento por accidente: en lugar de sumergir la pluma en el tintero, la sumergió en estaño fundido y dibujó un filamento de estaño, que luego resultó ser un solo cristal.

La aplicación más importante puede ser el crecimiento de grandes lingotes cilíndricos, o bolas, de silicio monocristalino que se utiliza en la industria electrónica para fabricar dispositivos semiconductores como circuitos integrados. Otros semiconductores, como el arseniuro de galio, también se pueden cultivar con este método, aunque en este caso se pueden obtener densidades de defectos más bajas utilizando variantes del método Bridgman-Stockbarger.

El método no se limita a la producción de cristales metálicos o metaloides. Por ejemplo, se utiliza para fabricar cristales de sales de muy alta pureza, incluido material con composición isotópica controlada, para su uso en experimentos de física de partículas, con controles estrictos (medidas de partes por mil millones) sobre los iones metálicos confusos y el agua absorbida durante la fabricación.

Solicitud

El silicio monocristalino (mono-Si) cultivado mediante el método Czochralski a menudo se denomina silicio monocristalino Czochralski (Cz-Si). Es el material básico en la producción de circuitos integrados utilizados en computadoras, televisores, teléfonos móviles y todo tipo de equipos electrónicos y dispositivos semiconductores. La industria fotovoltaica también utiliza silicio monocristalino en grandes cantidades para la producción de células solares mono-Si convencionales. La estructura cristalina casi perfecta produce la mayor eficiencia de conversión de luz en electricidad para el silicio.

Producción de silicio Czochralski

Cristal de silicona cultivada en Czochralski

El silicio de grado semiconductor de alta pureza (solo unas pocas partes por millón de impurezas) se funde en un crisol a 1425 °C (2597 °F; 1698 K), generalmente hecho de cuarzo. Los átomos de impurezas dopantes, como el boro o el fósforo, se pueden agregar al silicio fundido en cantidades precisas para dopar el silicio, transformándolo así en silicio tipo p o tipo n, con diferentes propiedades electrónicas. Un cristal semilla montado en varilla orientado con precisión se sumerge en el silicio fundido. La varilla del cristal semilla se tira lentamente hacia arriba y se gira simultáneamente. Al controlar con precisión los gradientes de temperatura, la tasa de tracción y la velocidad de rotación, es posible extraer un gran lingote cilíndrico monocristalino de la masa fundida. La aparición de inestabilidades no deseadas en la masa fundida se puede evitar investigando y visualizando los campos de temperatura y velocidad durante el proceso de crecimiento del cristal. Este proceso normalmente se realiza en una atmósfera inerte, como el argón, en una cámara inerte, como el cuarzo.

Tamaños de cristal

Cristal de silicona cultivado por el método Czochralski en Raytheon, 1956. La bobina de calefacción de inducción es visible, y el final del cristal está saliendo de la fundición. El técnico está midiendo la temperatura con un pirómetro óptico. Los cristales producidos por este aparato temprano, usados en una planta temprana de Si, eran sólo una pulgada de diámetro.

Debido a las eficiencias de escala, la industria de los semiconductores suele utilizar obleas con dimensiones estandarizadas o especificaciones de obleas comunes. Al principio, las bolas eran pequeñas, de unos pocos centímetros de ancho. Con tecnología avanzada, los fabricantes de dispositivos de gama alta utilizan obleas de 200 mm y 300 mm de diámetro. El ancho se controla mediante un control preciso de la temperatura, las velocidades de rotación y la velocidad a la que se retira el portasemillas. Los lingotes de cristal de los que se cortan las obleas pueden tener hasta 2 metros de largo y pesar varios cientos de kilogramos. Las obleas más grandes permiten mejoras en la eficiencia de fabricación, ya que se pueden fabricar más chips en cada oblea, con una pérdida relativa más baja, por lo que ha habido un impulso constante para aumentar el tamaño de las obleas de silicio. El siguiente paso, 450 mm, estaba programado para su introducción en 2018. Las obleas de silicio suelen tener un grosor de aproximadamente 0,2 a 0,75 mm y se pueden pulir hasta lograr una gran planitud para hacer circuitos integrados o texturizarse para hacer células solares.

Incorporar impurezas

Una varilla con cristal de semilla para el cultivo de silicio de cristal único por el método Czochralski

Crucibles utilizados en el método Czochralski

Crucible después de ser utilizado

Cuando se cultiva silicio mediante el método Czochralski, la masa fundida se contiene en un crisol de sílice (cuarzo). Durante el crecimiento, las paredes del crisol se disuelven en la masa fundida y, por lo tanto, el silicio Czochralski contiene oxígeno a una concentración típica de 10¹⁸
cm⁻³
. Las impurezas de oxígeno pueden tener efectos beneficiosos o perjudiciales. Las condiciones de recocido cuidadosamente elegidas pueden dar lugar a la formación de precipitados de oxígeno. Estos tienen el efecto de atrapar impurezas de metales de transición no deseadas en un proceso conocido como captación, mejorando la pureza del silicio circundante. Sin embargo, la formación de precipitados de oxígeno en lugares no deseados también puede destruir estructuras eléctricas. Además, las impurezas de oxígeno pueden mejorar la resistencia mecánica de las obleas de silicio al inmovilizar cualquier dislocación que pueda producirse durante el procesamiento del dispositivo. Se demostró experimentalmente en la década de 1990 que la alta concentración de oxígeno también es beneficiosa para la dureza de la radiación de los detectores de partículas de silicio utilizados en entornos de radiación hostiles (como los proyectos LHC/HL-LHC del CERN). Por lo tanto, los detectores de radiación hechos de silicio Czochralski y Czochralski magnético se consideran candidatos prometedores para muchos experimentos futuros de física de alta energía. También se ha demostrado que la presencia de oxígeno en el silicio aumenta la captura de impurezas durante los procesos de recocido posteriores a la implantación.

Sin embargo, las impurezas de oxígeno pueden reaccionar con el boro en un entorno iluminado, como el que experimentan las células solares. Esto da como resultado la formación de un complejo boro-oxígeno eléctricamente activo que resta valor al rendimiento de la celda. La salida del módulo cae aproximadamente un 3 % durante las primeras horas de exposición a la luz.

Forma matemática

Con respecto a una expresión matemática de la incorporación de impurezas del fundido, considere lo siguiente.

La concentración de impurezas en el cristal sólido que resulta de congelar una cantidad de volumen se puede obtener considerando el coeficiente de segregación.

kO{displaystyle K_{O}: Coeficiente de separación

V0{displaystyle V_{0}: Volumen inicial

I0{displaystyle I_{0}: Número de impurezas

C0{displaystyle C_{0}: Concentración de impureza en la fundición

VL{displaystyle V_{L}: Volumen de la fundición

IL{displaystyle I_{L}: Número de impurezas en la fundición

CL{displaystyle C_{L}: Concentración de impurezas en la fundición

VS{displaystyle V_{S}: Volumen de sólido

CS{displaystyle C_{S}: Concentración de impurezas en el sólido

Durante el proceso de crecimiento, volumen de fundición dV{displaystyle dV} Congela, y hay impurezas de la derretida que se eliminan.

dI=− − kOCLdV{displaystyle ¿Qué?

dI=− − kOILVO− − VSdV{displaystyle - ¿Qué? {I_{L} {V_{O}-V_{S}dV}

∫ ∫ IOILdIIL=− − kO∫ ∫ 0VSdVVO− − VS{displaystyle int ¿Por qué? {dI}{I_{L}=-k_{O}int ¿Qué? {cHFF} {cHFF}} {cHFF}} {cHFF}} {cH} {cHFF}} {cHFF}}}} {cH}}} {cH}}}} {cH}}}} {cH}} {cH}}}}}}}}}}}}}}} {c}} {}}}}}}}}}}}}}}

In⁡ ⁡ ()ILIO)=In⁡ ⁡ ()1− − VSVO)kO{displaystyle ln left({frac {I_{L}{I_{O}}}right)=ln left(1-{frac} {fnMicrosoft Sans Serif}

IL=IO()1− − VSVO)kO{displaystyle I_{L}=I_{O}left(1-{frac {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}

CS=− − dILdVS{displaystyle C_{S}=-{frac {dI_{L}{dV_{S}} {}} {}} {}} {}} {}} {}} {}}}} {}}}}} {}}}}} {}}} {}}}}}}}}} {}}}} {}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}}}} {}}}}} {}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

CS=COkO()1− − f)ko− − 1{displaystyle ¿Qué?

f=VS/VO{displaystyle f=V_{S}/V_{O};}