इस प्रक्रिया का नाम उत्कृष्ट पोलिश वैज्ञानिक और रूसी साम्राज्य के नागरिक जान कोज़ोक्राल्स्की के नाम पर रखा गया था, जिन्होंने 1915 में इसका आविष्कार किया था। खोज दुर्घटना से हुई, हालांकि क्रिस्टल में Czochralski की रुचि, निश्चित रूप से आकस्मिक नहीं थी, क्योंकि उन्होंने भूविज्ञान का बहुत बारीकी से अध्ययन किया था।
आवेदन
शायद इस पद्धति के आवेदन का सबसे महत्वपूर्ण क्षेत्र उद्योग है, विशेष रूप से भारी उद्योग। उद्योग में, यह अभी भी धातुओं और अन्य पदार्थों को कृत्रिम रूप से क्रिस्टलीकृत करने के लिए उपयोग किया जाता है, जिसे किसी अन्य तरीके से प्राप्त नहीं किया जा सकता है। इस संबंध में, विधि ने अपनी लगभग पूर्ण गैर-वैकल्पिकता और बहुमुखी प्रतिभा साबित कर दी है।
सिलिकॉन
मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन - मोनो-सी। इसका एक और नाम भी है। Czochralski विधि द्वारा उगाया गया सिलिकॉन - Cz-Si। वह है Czochralski सिलिकॉन। यह कंप्यूटर, टेलीविजन, मोबाइल फोन और सभी प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण और सेमीकंडक्टर उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले एकीकृत सर्किट के उत्पादन में मुख्य सामग्री है। सिलिकॉन क्रिस्टलपारंपरिक मोनो-सी सौर कोशिकाओं के उत्पादन के लिए फोटोवोल्टिक उद्योग द्वारा बड़ी मात्रा में उपयोग किया जाता है। निकट-पूर्ण क्रिस्टल संरचना सिलिकॉन को उच्चतम प्रकाश-से-विद्युत रूपांतरण दक्षता प्रदान करती है।
पिघलना
उच्च शुद्धता वाले सेमीकंडक्टर सिलिकॉन (प्रति मिलियन अशुद्धियों में केवल कुछ भाग) को 1425 °C (2.597 °F, 1.698 K) पर एक क्रूसिबल में पिघलाया जाता है, जो आमतौर पर क्वार्ट्ज से बना होता है। डोपेंट अशुद्धता परमाणु जैसे बोरॉन या फॉस्फोरस को डोपिंग के लिए सटीक मात्रा में पिघला हुआ सिलिकॉन में जोड़ा जा सकता है, जिससे इसे विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक गुणों के साथ पी- या एन-टाइप सिलिकॉन में बदल दिया जा सकता है। एक सटीक रूप से उन्मुख रॉड-बीज क्रिस्टल पिघला हुआ सिलिकॉन में डूबा हुआ है। बीज क्रिस्टल का तना धीरे-धीरे ऊपर उठता है और उसी समय घूमता है। तापमान प्रवणता के सटीक नियंत्रण के माध्यम से, गति और रोटेशन की गति खींचना, एक बड़े एकल क्रिस्टल बिलेट को पिघल से हटाया जा सकता है। तापमान और वेग क्षेत्रों की जांच और कल्पना करके पिघल में अवांछनीय अस्थिरता की घटना से बचा जा सकता है। यह प्रक्रिया आमतौर पर अक्रिय वातावरण जैसे आर्गन में, क्वार्ट्ज जैसे अक्रिय कक्ष में की जाती है।
औद्योगिक सूक्ष्मताएं
क्रिस्टल की सामान्य विशेषताओं की प्रभावशीलता के कारण, अर्धचालक उद्योग मानकीकृत आकारों वाले क्रिस्टल का उपयोग करता है। शुरुआती दिनों में, उनके गुलदस्ते छोटे थे, केवल कुछ इंचचौड़ाई। उन्नत तकनीक के साथ, उच्च गुणवत्ता वाले उपकरण निर्माता 200 मिमी और 300 मिमी व्यास की प्लेटों का उपयोग करते हैं। चौड़ाई को सटीक तापमान नियंत्रण, रोटेशन गति और बीज धारक हटाने की गति द्वारा नियंत्रित किया जाता है। जिन क्रिस्टलीय सिल्लियों से इन प्लेटों को काटा जाता है, वे 2 मीटर तक लंबी और कई सौ किलोग्राम वजन की हो सकती हैं। बड़े वेफर्स बेहतर विनिर्माण दक्षता की अनुमति देते हैं क्योंकि प्रत्येक वेफर पर अधिक चिप्स बनाए जा सकते हैं, इसलिए स्थिर ड्राइव ने सिलिकॉन वेफर्स के आकार में वृद्धि की है। अगला कदम, 450 मिमी, वर्तमान में 2018 में पेश किया जाना है। सिलिकॉन वेफर्स आमतौर पर लगभग 0.2-0.75 मिमी मोटे होते हैं और सौर सेल बनाने के लिए एकीकृत सर्किट या बनावट बनाने के लिए एक बड़े समतलता के लिए पॉलिश किया जा सकता है।
हीटिंग
प्रक्रिया तब शुरू होती है जब चैम्बर को लगभग 1500 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है, जिससे सिलिकॉन पिघल जाता है। जब सिलिकॉन पूरी तरह से पिघल जाता है, तो घूमने वाले शाफ्ट के अंत में लगा एक छोटा बीज क्रिस्टल धीरे-धीरे नीचे उतरता है जब तक कि यह पिघले हुए सिलिकॉन की सतह से नीचे न हो जाए। शाफ्ट वामावर्त घूमता है और क्रूसिबल दक्षिणावर्त घूमता है। तब घूर्णन वाली छड़ को बहुत धीरे-धीरे ऊपर की ओर खींचा जाता है - रूबी क्रिस्टल के निर्माण में लगभग 25 मिमी प्रति घंटे - एक मोटे तौर पर बेलनाकार गुलदस्ता बनाने के लिए। क्रूसिबल में सिलिकॉन की मात्रा के आधार पर बाउल एक से दो मीटर तक का हो सकता है।
विद्युत चालकता
सिलिकॉन की विद्युत विशेषताओं को पिघलने से पहले इसमें फास्फोरस या बोरॉन जैसी सामग्री मिलाकर समायोजित किया जाता है। जोड़ी गई सामग्री को डोपेंट कहा जाता है और प्रक्रिया को डोपिंग कहा जाता है। इस विधि का उपयोग सिलिकॉन के अलावा अन्य अर्धचालक पदार्थों जैसे गैलियम आर्सेनाइड के साथ भी किया जाता है।
विशेषताएं और लाभ
जब सिलिकॉन कोज़ोक्राल्स्की विधि द्वारा उगाया जाता है, तो पिघल एक सिलिका क्रूसिबल में समाहित होता है। वृद्धि के दौरान, क्रूसिबल की दीवारें पिघल में घुल जाती हैं, और परिणामी पदार्थ में 1018 सेमी -3 की विशिष्ट सांद्रता में ऑक्सीजन होता है। ऑक्सीजन अशुद्धियों के लाभकारी या हानिकारक प्रभाव हो सकते हैं। सावधानी से चुनी गई एनीलिंग स्थितियां ऑक्सीजन जमा के गठन का कारण बन सकती हैं। वे गेटरिंग नामक प्रक्रिया में अवांछित संक्रमण धातु अशुद्धियों को पकड़ने को प्रभावित करते हैं, जिससे आसपास के सिलिकॉन की शुद्धता में सुधार होता है। हालांकि, अनपेक्षित स्थानों में ऑक्सीजन जमा का गठन विद्युत संरचनाओं को भी नष्ट कर सकता है। इसके अलावा, ऑक्सीजन अशुद्धियाँ किसी भी अव्यवस्था को स्थिर करके सिलिकॉन वेफर्स की यांत्रिक शक्ति में सुधार कर सकती हैं जो डिवाइस प्रसंस्करण के दौरान पेश की जा सकती हैं। 1990 के दशक में, यह प्रयोगात्मक रूप से दिखाया गया था कि कठोर विकिरण वातावरण (जैसे सर्न की एलएचसी / एचएल-एलएचसी परियोजनाओं) में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन कण डिटेक्टरों की विकिरण कठोरता के लिए उच्च ऑक्सीजन एकाग्रता भी फायदेमंद है। इसलिए, Czochralski-विकसित सिलिकॉन विकिरण डिटेक्टरों को भविष्य के कई अनुप्रयोगों के लिए आशाजनक उम्मीदवार माना जाता है।उच्च ऊर्जा भौतिकी में प्रयोग। यह भी दिखाया गया है कि सिलिकॉन में ऑक्सीजन की उपस्थिति प्रत्यारोपण के बाद की प्रक्रिया में अशुद्धता को बढ़ाती है।
प्रतिक्रिया की समस्या
हालाँकि, ऑक्सीजन की अशुद्धियाँ एक प्रबुद्ध वातावरण में बोरॉन के साथ प्रतिक्रिया कर सकती हैं। इससे विद्युत रूप से सक्रिय बोरॉन-ऑक्सीजन कॉम्प्लेक्स का निर्माण होता है, जो कोशिकाओं की दक्षता को कम करता है। रोशनी के पहले कुछ घंटों के दौरान मॉड्यूल आउटपुट लगभग 3% गिर जाता है।
वॉल्यूम फ्रीजिंग से उत्पन्न ठोस क्रिस्टल अशुद्धता सांद्रता पृथक्करण गुणांक के विचार से प्राप्त की जा सकती है।
बढ़ते क्रिस्टल
क्रिस्टल वृद्धि एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें पहले से मौजूद क्रिस्टल क्रिस्टल जाली में अपनी स्थिति में अणुओं या आयनों की संख्या बढ़ने पर बड़ा हो जाता है, या एक समाधान क्रिस्टल में बदल जाता है और आगे की वृद्धि संसाधित होती है। Czochralski विधि इस प्रक्रिया का एक रूप है। एक क्रिस्टल को परमाणुओं, अणुओं या आयनों के रूप में परिभाषित किया जाता है जो एक क्रमबद्ध, दोहराए जाने वाले पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं, एक क्रिस्टल जाली जो तीनों स्थानिक आयामों से फैली हुई है। इस प्रकार, क्रिस्टल की वृद्धि एक तरल बूंद की वृद्धि से भिन्न होती है, जिसमें वृद्धि के दौरान अणुओं या आयनों को एक व्यवस्थित क्रिस्टल के बढ़ने के लिए जाली की सही स्थिति में गिरना चाहिए। यह एक बहुत ही रोचक प्रक्रिया है जिसने विज्ञान को कई रोचक खोजें दी हैं, जैसे जर्मेनियम का इलेक्ट्रॉनिक सूत्र।
क्रिस्टल बढ़ने की प्रक्रिया विशेष उपकरणों - फ्लास्क और झंझरी की बदौलत की जाती है, जिसमें किसी पदार्थ के क्रिस्टलीकरण की प्रक्रिया का मुख्य भाग होता है। ये उपकरण धातु, खनिज और अन्य समान पदार्थों के साथ काम करने वाले लगभग हर उद्यम में बड़ी संख्या में मौजूद हैं। उत्पादन में क्रिस्टल के साथ काम करने की प्रक्रिया के दौरान, कई महत्वपूर्ण खोजें की गईं (उदाहरण के लिए, ऊपर वर्णित जर्मेनियम का इलेक्ट्रॉनिक सूत्र)।
निष्कर्ष
यह लेख जिस पद्धति के लिए समर्पित है, उसने आधुनिक औद्योगिक उत्पादन के इतिहास में एक बड़ी भूमिका निभाई है। उनके लिए धन्यवाद, लोगों ने आखिरकार सिलिकॉन और कई अन्य पदार्थों के पूर्ण क्रिस्टल बनाना सीख लिया है। पहले प्रयोगशाला स्थितियों में, और फिर औद्योगिक पैमाने पर। महान पोलिश वैज्ञानिक द्वारा खोजे गए एकल क्रिस्टल उगाने की विधि अभी भी व्यापक रूप से उपयोग की जाती है।
