19.01.2021
PL EN
22.10.2013 aktualizacja 22.10.2013

Metoda Czochralskiego - przepis na monokryształ

Dzięki opracowanej przez polskiego naukowca metodzie otrzymywania monokryształów mamy dziś komputery, telefony komórkowe i inne elektroniczne urządzenia powszechnego użytku.

Metoda Czochralskiego polega na bardzo ostrożnym „wyciąganiu” monokryształów z roztopionej substancji za pomocą pręta dotykającego jej powierzchni. Ze wszystkich materiałów, których cząsteczki nie rozpadają się podczas podgrzewania i topnienia można w ten sposób uzyskać monokryształy o wysokiej czystości i jednorodności.

Dobrym przykładem są monokryształy krzemu, z których powstają układy elektroniczne w komputerach, odtwarzaczach MP3, telefonach komórkowych czy zegarkach.

Wytwarzanie monokryształów metodą Czochralskiego odbywa się w piecach do monokrystalizacji. Wewnątrz pieca, w atmosferze chemicznie obojętnego argonu, umieszcza się tygiel wykonany z krzemionki (tlenku krzemu, SiO2). Dzięki wykorzystaniu krzemionki do roztopionego krzemu (Si) w tyglu nie przenikają atomy obcych pierwiastków (tlen zawarty w krzemionce bywa źródłem problemów, ale także wiąże zanieczyszczenia i przyczynia się do zwiększenia wytrzymałości mechanicznej monokryształu).

Gdy polikrystaliczny krzem zmieni się w ciecz – w temperaturze 1400 stopni Celsjusza – z jej powierzchnią styka się cienki pręt z monokryształu krzemu. Pełni on rolę zarodka, wokół którego stopniowo osadzają się atomy cieczy. Procesem wzrostu kryształu można sterować dobierając odpowiednio szybkość wyciągania zarodka z wnętrza tygla, prędkość obracania pręta, temperaturę czy skład i ciśnienie atmosfery wewnątrz pieca. Odpowiedni dobór tych parametrów to prawdziwa sztuka. Im większy jest powstający monokryształ, tym wyższa koncentracja zanieczyszczeń w pozostałym ciekłym krzemie i tym wolniej postępuje proces chłodzenia.

Rosnący kryształ jest stale ważony za pomocą czułych wag elektronicznych, a specjalne oprogramowanie monitoruje tempo wzrostu. Jeśli przyrasta zbyt szybko, można podwyższyć temperaturę pieca, co zmniejsza lepkość cieczy i obniża tempo przyrostu. Układ chłodzenia zapewnia, że temperatura nie będzie też zbyt wysoka. Właściwą prędkość wysuwania pręta z tygla gwarantują sterowane komputerowo silniki krokowe, co wpływa na średnicę powstającego kryształu. Jeśli zarodek jest wyciągany zbyt szybko, struktura krystaliczna ma liczne defekty, a nawet może się wcale nie wytworzyć. Atomy płynnej substancji w tyglu muszą mieć czas, by trafić we właściwe miejsce w sieci krystalicznej.

Krzemowe kryształy rosną szybko: 1 m kryształu powstaje w 30 godzin. Inne półprzewodniki przyrastają wolniej, zwykle ok. 10 cm na dobę. Monokryształy tlenkowe (na przykład rubiny, szafiry czy różnego rodzaju kryształy stosowane do produkcji laserów) przyrastają niewiele ponad 10 cm na tydzień. Piece z rosnącymi kryształami są zabezpieczane przed drganiami podłoża i wyposażane w zasilacze, pozwalające zachować ciągłość procesu nawet podczas przerw w dopływie prądu z elektrowni.

Pierwsze kryształy wytworzone przez prof. Czochralskiego przypominały metalowe druty: miały milimetr średnicy i długość do półtora metra. Dziś metodą Czochralskiego produkuje się przede wszystkim kryształy z krzemu i związków półprzewodnikowych. Te pierwsze mogą mieć ponad dwa metry długości, średnicę zbliżoną do pół metra i masę kilkuset kilogramów. Inne są zwykle znacznie mniejsze. Na przykład monokryształy tlenkowe mają do 10 cm długości, przy średnicy poniżej 5 cm. Kryształy szczególnie rzadkich i/lub trudnych w obróbce materiałów wymagają hodowania w specjalnie zmodyfikowanych piecach. Maleńkie, lecz niezwykle cenne kryształy Czochralskiego wyciąga się wtedy z... pojedynczych kropel lewitujących w polu magnetycznym.

Wyhodowany kryształ krzemu jest poddawany obróbce. Nadaje mu się postać walca o dopasowanej do wymogów linii przemysłowych średnicy, po czym tnie na płytki. Po wypolerowaniu płytki stają się idealnym materiałem do budowy elementów elektronicznych. W przypadku kryształów krzemu płytki mają zazwyczaj średnice 20-30 cm, a niedługo powinny się one zwiększyć nawet do 45 cm. Przy związkach półprzewodnikowych średnice są mniejsze, od 5 do 15 cm, ponieważ kryształy są trudniejsze do wyhodowania.

By uzyskać jak najwyższą jakość, specjaliści postępują jak hodowcy zwierząt - wybierają najczystsze chemicznie fragmenty kryształów, o najdoskonalszej strukturze, aby użyć ich jako zarodków przy wytwarzaniu kolejnych kryształów.

Metoda Czochralskiego stała się fundamentem współczesnego przemysłu elektronicznego – aż 90 proc. urządzeń półprzewodnikowych powstaje właśnie dzięki niej. W Polsce na największą skalę metodę wykorzystuje Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie. Znaczenie wynalazku jest ogromne i wciąż wzrasta. Świadczy o tym fakt, że liczba publikacji naukowych odwołujących się do pracy prof. Czochralskiego w ostatniej dekadzie wzrosła niemal dwukrotnie, a liczba cytowań – niemal trzykrotnie. Prof. Czochralski wciąż jest najczęściej cytowanym polskim uczonym. 23 października, w dniu urodzin Czochralskiego, o godz. 17.00 planowana jest w całej Polsce zsynchronizowana akcja poświęcona temu uczonemu.

\"Aby przyłączyć się do akcji nie trzeba wielkich przygotowań. Wystarczy, by w środę 23 października, dokładnie o 17.00, każdy z nas wyciągnął jakieś przenośne urządzenie, które zawsze ma przy sobie i które zawiera kryształy Czochralskiego – i przez kilkadziesiąt sekund po prostu pokazał je innym lub kamerom pobliskiego monitoringu” - wyjaśnia Piotr Kossobudzki, wiceprezes Polskiego Stowarzyszenia Dziennikarzy Naukowych.

Telefony komórkowe, tablety, cyfrowe aparaty fotograficzne, odtwarzacze mp3, przenośnie konsole do gier i inne urządzenia elektroniczne działają w oparciu o monokryształy, produkowane metodą opracowaną przez Czochralskiego. Organizatorami akcji \"Pokaż swój kryształ Czochralskiego\" jest grupa popularyzatorów nauki (w tym Polskie Stowarzyszenie Dziennikarzy Naukowych) przy współpracy z Instytutem Chemii Fizycznej PAN. Akcja powiązana jest z Rokiem Jana Czochralskiego, który, zgodnie z decyzją Sejmu, obchodzimy w 2013 r.

PAP - Nauka w Polsce

pmw/ ula/

Copyright © Fundacja PAP 2021