Processo Czochralski: crescita di cristalli

Il processo Czochralski prende il nome dal chimico polacco Jan Czochralski che nel 1916 pubblicò una sua ricerca che permette di realizzare la crescita di cristalli di estrema purezza usati successivamente per ottenere cristalli singoli utilizzabili nei semiconduttori ad esempio al silicio, germanio e arseniuro di gallio oppure metalli come palladio, platino, oro, e argento o sali e gemme sintetiche.

Crescita di cristalli: processo Czochralski

La scoperta avvenne in modo casuale mentre studiava la velocità di cristallizzazione dei metalli quando, invece di intingere la sua penna nell’inchiostro, la mise nello stagno fuso e ottenne un filamento del metallo che scoprì essere un cristallo singolo.

Nel 1948 con questo metodo furono ottenuti cristalli singoli di germanio e nel 1949 quelli di silicio e il silicio monocristallino ottenuto con questo metodo viene spesso indicato come Cz-Si.

Si stima che il 99% di tutti i semiconduttori siano realizzati in silicio monocristallino. Sebbene esistano diversi metodi per ottenere wafer di silicio su cui sono costruiti circuiti integrati attraverso drogaggi, il processo Czochralski è uno dei più utilizzati per l’elevatissimo grado di purezza.

Dopanti

Il silicio, ad elevata purezza, è introdotto in un crogiolo di quarzo dove sono aggiunti in quantità precise, a seconda del risultato desiderato il fosforo o arsenico che sono dopanti di tipo n o il boro che è un dopante di tipo p.

Quando il silicio è drogato con fosforo o di arsenico, gli atomi di questi droganti sostituiscono atomi di silicio nel reticolo cristallino del semiconduttore. Poiché hanno un elettrone esterno in più del silicio, essi tendono a fornire questo elettrone alla banda di conduzione. Quando il silicio è drogato con il boro che ha un elettrone esterno in meno del silicio esso tende a prendere un elettrone dalla banda di valenza. Si crea così  una lacuna.

Alla temperatura di 1425°C il silicio fonde e il processo consiste nel sollevamento verticale di un seme monocristallino di silicio costituito da un’asta con sopra un sottile strato di silicio in forma monocristallina, immerso inizialmente per pochi millimetri nel crogiolo.

Gli atomi di silicio fuso a contatto con il seme monocristallino si orientano secondo il reticolo atomico della struttura del silicio e, attraverso un processo contemporaneo di sollevamento e rotazione si ha una progressiva solidificazione all’interfaccia fra solido e liquido, che genera un monocristallo di grandi dimensioni.

Il controllo della:

• temperatura del materiale fuso
• atmosfera nella camera
• velocità di estrazione

consente l’ottenimento di fusi perfettamente cilindrici e altamente puri che sono tagliati con un disco diamantato per ottenere i wafer.

Applicazioni del processo Czochralski

E’ il metodo più importante per la produzione di cristalli singoli sfusi di un’ampia gamma di materiali elettronici e ottici. Dalla sua scoperta iniziato a utilizzare questo metodo in modo estensivo per la coltivazione di cristalli singoli sfusi di composti di ossido per laser, ottica non lineare, scintillatore e numerose altre applicazioni.

Molti miglioramenti al metodo sono stati apportati nei decenni successivi. Le variazioni compositive lungo la lunghezza e il diametro sono state di grande importanza e hanno stimolato la costruzione e l’analisi dei relativi diagrammi di fase .

Si è scoperto, ad esempio, che la composizione stechiometrica non era sempre la composizione congruente e per ottenere l’uniformità era necessario spostare la composizione sulla composizione congruente non stechiometrica per ottenere l’omogeneità.

Tramite questo metodo si sono ottenuti cristalli di ossido di alluminio e fluoruro come il  fluoruro di calcio.

Circa duemila anni fa dalla sabbia che contiene un’elevata quantità di silicio  si otteneva il vetro e dopo un paio di millenni lo stesso elemento costituisce il materiale base per ottenere chip elettronici. Certo che un po’ di cammino è stato fatto.