El método Czochralski , también técnica Czochralski o proceso Czochralski , es un método de crecimiento de cristales utilizado para obtener monocristales de semiconductores (p. ej., silicio , germanio y arseniuro de galio ), metales (p. ej. , paladio , platino, plata, oro), sales y piedras preciosas sintéticas. . El método lleva el nombre del científico polaco Jan Czochralski , [1] quien inventó el método en 1915 mientras investigaba las tasas de cristalización de los metales. [2] Hizo este descubrimiento por accidente: en lugar de sumergir su pluma en el tintero, la sumergió en estaño fundido y extrajo un filamento de estaño, que más tarde resultó ser un solo cristal . [3] El método todavía se utiliza en más del 90 por ciento de todos los productos electrónicos del mundo que utilizan semiconductores. [4]
La aplicación más importante puede ser el crecimiento de grandes lingotes cilíndricos , o bolas , de silicio monocristalino utilizados en la industria electrónica para fabricar dispositivos semiconductores como circuitos integrados . Otros semiconductores, como el arseniuro de galio , también se pueden cultivar mediante 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 (mediciones de partes por mil millones) sobre los iones metálicos confusos y el agua absorbida durante la fabricación. [5]
El silicio monocristalino (mono-Si) cultivado mediante el método Czochralski a menudo se denomina silicio Czochralski monocristalino (Cz-Si). Es el material básico en la producción de circuitos integrados utilizados en ordenadores, televisores, teléfonos móviles y todo tipo de equipos electrónicos y dispositivos semiconductores . [6] El silicio monocristalino también se utiliza en grandes cantidades en la industria fotovoltaica 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.
El silicio de alta pureza de grado semiconductor (solo unas pocas partes por millón de impurezas) se funde en un crisol a 1425 °C (2597 °F; 1698 K), generalmente hecho de cuarzo . Se pueden añadir átomos de impurezas dopantes, como boro o fósforo, 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 una varilla y orientado con precisión se sumerge en el silicio fundido. La varilla del cristal semilla se tira lentamente hacia arriba y se gira simultáneamente. Controlando con precisión los gradientes de temperatura, la velocidad de extracción y la velocidad de rotación, es posible extraer un lingote cilíndrico monocristalino grande 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. [7] Este proceso normalmente se realiza en una atmósfera inerte , como la de argón , en una cámara inerte, como la de cuarzo.
Debido a las eficiencias de escala, la industria de los semiconductores suele utilizar obleas con dimensiones estandarizadas o especificaciones de oblea comunes . Al principio las bolas eran pequeñas, de unos pocos centímetros de ancho. Con tecnología avanzada, los fabricantes de dispositivos de alta gama 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 porta semillas. Los lingotes de cristal a partir de los cuales se cortan las obleas pueden tener hasta 2 metros de longitud 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 menor, 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. [8] Las obleas de silicio suelen tener entre 0,2 y 0,75 mm de espesor y pueden pulirse hasta lograr una gran planitud para fabricar circuitos integrados o texturizarse para fabricar células solares .
Cuando el silicio se cultiva 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 de Czochralski contiene oxígeno en 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 gettering , mejorando la pureza del silicio circundante. Sin embargo, la formación de precipitaciones de oxígeno en lugares no previstos 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 introducirse durante el procesamiento del dispositivo. En la década de 1990 se demostró experimentalmente 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 ). [9] [10] Por lo tanto, los detectores de radiación hechos de silicio Czochralski y magnético de Czochralski se consideran candidatos prometedores para muchos futuros experimentos de física de alta energía . [11] [12] 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. [13]
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 perjudica el rendimiento celular. La salida del módulo cae aproximadamente un 3% durante las primeras horas de exposición a la luz. [14]
Con respecto a una expresión matemática de la incorporación de impurezas a partir de la masa fundida, [15] 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.
Durante el proceso de crecimiento, el volumen de la masa fundida se congela y se eliminan las impurezas de la masa fundida.
