Giới thiệu quy trình Czochralski
Phương pháp tăng trưởng tinh thể Czochralski (CZ) đã có từ hàng trăm năm trước. Phương pháp Czochralski là một trong những công nghệ phát triển tinh thể công nghiệp và nghiên cứu hàng đầu cho phép thu được các đơn tinh thể đường kính lớn có chất lượng cấu trúc cao với chi phí sản xuất thấp trên một đơn vị thể tích. Đây là một trong những cách hiệu quả nhất để tạo ra silicon đơn tinh thể chất lượng cao và có độ tinh khiết cao cho các tấm bán dẫn và tấm năng lượng mặt trời. Nhiều năm trước đây, các ngành công nghiệp này đã đưa tăng trưởng CZ trở thành tiêu chuẩn cho sản xuất. Các tấm wafer được trồng CZ là cơ sở cho vô số thiết bị điện tử trạng thái rắn được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, cũng như các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả cao. Phương pháp CZ cung cấp hiệu suất lặp lại, kiểm soát chính xác các thông số kỹ thuật nội tại và có thể được mở rộng thành các hoạt động rất lớn.
Quá trình Czochralski được đặt theo tên nhà khoa học người Ba Lan Jan Czochralski. Đó là quá trình phát triển các tinh thể đơn lẻ của chất bán dẫn (ví dụ như silicon, germani và gali arsenide), kim loại (ví dụ như palađi, bạch kim, bạc, vàng), muối và đá quý tổng hợp.
Quá trình này được phát hiện vào năm 1916 trong khi Jan Czochralski đang điều tra tốc độ kết tinh của kim loại. Czochralski đã nhúng bút của mình vào thiếc nóng chảy thay vì bình mực. Điều đó gây ra một sợi thiếc hình thành trên đầu bút. Thông qua nghiên cứu sâu hơn, ông đã có thể chứng minh rằng dây tóc là một tinh thể đơn. Khám phá của ông đã thúc đẩy ông thử nghiệm sản xuất hàng loạt các đơn tinh thể của chất bán dẫn.
Ứng dụng quan trọng nhất có thể là sự phát triển của các thỏi hình trụ lớn, hoặc các thanh, của silicon đơn tinh thể để sử dụng làm chất bán dẫn.
Gali arsenide và các chất bán dẫn khác cũng có thể được trồng bằng phương pháp này. Tuy nhiên, thông thường để thu được các chất bán dẫn này bằng cách sử dụng các phương pháp khác vì mật độ khuyết tật thấp hơn thu được.
Quy trình Czochralski hoạt động như thế nào
Czochraslski đã sử dụng một chén nung bằng silica – một vật chứa làm bằng thạch anh – để nuôi cấy các tinh thể. Ông đặt nó trong một buồng không có ôxy, carbon dioxide và các chất gây ô nhiễm tiềm ẩn khác. Căn phòng được bao quanh bởi các lò sưởi chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt. Ông cũng sử dụng sóng vô tuyến ở tần số cao để nấu chảy silicon bên trong nồi nấu kim loại. Khi nhiệt độ bên trong nồi nung đạt khoảng 1.700 kelvins, nó làm tan chảy silica bán dẫn có độ tinh khiết cao.
Sau khi silicon nóng chảy, ông đặt một mảnh vật liệu đa tinh thể nhỏ – tinh thể hạt – vào đầu của một thanh quay, dài 14 cm. Sau đó, ông từ từ hạ que vào chén nung cho đến khi tinh thể hạt nhúng ngay dưới bề mặt của silicon nóng chảy. Ông phát hiện ra rằng một dấu vết của các nguyên tố tạp chất – một chất pha tạp – chẳng hạn như boron hoặc phốt pho, có thể được thêm vào silica nóng chảy với một lượng chính xác để thay đổi nồng độ chất mang của silica. Tùy thuộc vào chất dopants mà ông thêm vào, silica biến thành silicon loại p hoặc loại n. Chúng có các đặc tính điện tử khác nhau. Khi chúng được ghép lại với nhau, chúng sẽ tạo ra một diode, cho phép dòng điện chạy qua silicon.
Czochraslski đồng thời nhấc và xoay thanh giữ tinh thể hạt giống. Trong bước này, silicon nóng chảy kết tinh ở bề mặt của hạt. Điều đó hình thành một tinh thể mới, hình dạng của tinh thể mới được chiết xuất từ quá trình nung chảy bằng cách kiểm soát chính xác nhiệt độ, tốc độ kéo và tốc độ quay. Kỹ thuật “quy trình tạo cổ” đó là rất quan trọng để hạn chế các khuyết tật về cấu trúc của tinh thể.
Các chất bán dẫn khác, chẳng hạn như arsenide gali, cũng có thể được trồng bằng phương pháp Czochralski.
Video sau đây cho thấy một sơ đồ và giải thích quá trình
Kích thước của tinh thể
Trong khi các thỏi silicon lớn nhất được sản xuất hiện nay có đường kính 400 mm và chiều dài từ 1 đến 2 mét, thì các tinh thể đường kính 200mm và 300mm là quy trình công nghiệp tiêu chuẩn.
Các tấm mỏng được cắt ra từ những thỏi này dày khoảng 0,2 – 0,75 mm. Chúng được đánh bóng với độ phẳng rất cao để chế tạo mạch tích hợp hoặc kết cấu để sản xuất pin mặt trời.
Quá trình Czochralski đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ năng lượng mặt trời và vẫn đang được sử dụng cho đến ngày nay.
Xem thêm tấm pin năng lượng mặt trời LONGi
Tham khảo nhà sản xuất các lò nung Czochralski, hãy truy cập www.lintoncrystal.com
