Czochralski-Verfahren
Das Czochralski-Verfahren bezeichnet ein Verfahren der Werkstofftechnik zur Herstellung von einkristallinen Werkstoffen. Es ist auch unter den Begriffen Tiegelziehen oder Ziehen aus der Schmelze bekannt. Im Tiegel wird die zu kristallisierende Substanz wenig über dem Schmelzpunkt gehalten. Darin taucht der Keim (z.B. kleiner Einkristall) der zu züchtenden Substanz ein. Durch drehen und langsames nach oben ziehen - ohne dass die Schmelze abreisst - wächst der Einkristall der sich am Keim orientiert Kristallgitter.
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2 Anwendung 3 Geschichte |
In einem Tiegel befindet sich eine schon gereinigte Schmelze des gewünschten Materials (beispielsweise Silizium). Ein an einem langsam rotierenden Metallstab befestigter Impfkristall wird von oben mit der Spitze in die Schmelze eingetaucht. Der Impfkristall muss am Metallstab exakt mit der gewünschten Kristallorientierung ausgerichtet sein, da er die Kristallorientierung des entstehenden Einkristalls vorgibt. Der Stab mit dem Einkristall wird langsam wieder nach oben gezogen, während das Silizium an der Grenzfläche erstarrt. Durch Variation von Ziehgeschwindigkeit und Temperatur erreicht die Säule schnell ihren gewünschten Durchmesser, der im Maximalfall ca. 30 cm erreichen kann. Dieser kann dann bis zum Ende des Ziehvorgangs sehr genau beibehalten werden. Die Säule kann bis über zwei Meter lang werden.
Mit diesem Verfahren ist die Herstellung von reinem, monokristallinen Materialien möglich. Es erreicht nicht ganz die Qualität des Zonenschmelzverfahrens, ist jedoch kostengünstiger. Es werden unter anderem Halbleiter (z. B. Silizium), Metalle wie z. B. Palladium, Platin, Gold, Silber, oder auch Salze, z. B. Alkalimetallhalogenide (optische Kristalle) mit dieser Methode hergestellt.
Silizium als Einkristall wird auf diese Weise sehr häufig hergestellt und wird beispielsweise in der Mikrosystemtechnik, in der Computerindustrie für integrierte Schaltungen (siehe auch Wafer) oder in der Photovoltaik für die Herstellung von Solarzellen verwendet. Gerade für monokristalline Solarzellen hat sich dieses Verfahren etabliert. Zur Gewinnung der Zellen wird hier die entstandene zylindrische Säule noch quadratisch zurechtgeschnitten.
Das Czochralski-Verfahren wurde 1916 vom polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski (1885-1953, 1904-1929 in Deutschland) durch ein Versehen entdeckt: er tauchte seine Schreibfeder in einen Schmelztiegel mit flüssigem Zinn anstatt ins Tintenfass. Daraufhin entwickelte und verbesserte er das Verfahren: Er wies nach, dass damit Einkristalle hergestellt werden können und benutzte es, um Kristallisationsgeschwindigkeiten abzuschätzen (Veröffentlichung von 1918).
Obwohl Wartenberg schon 1918 erkannte, dass das Verfahren zur Kristallzüchtung verwendet werden kann, kam es erst ab 1950 zur praktischen Verwendung auch in großem Maßstab.Technik
Anwendung
Geschichte