CzochralskiProzess

Der Czochralski-Prozess (CZ-Prozess) ist ein Verfahren zur Herstellung einkristalliner Feststoffe aus einer Schmelze. Ein Seed-Kristall wird in eine Schmelze getaucht, hochgezogen und gleichzeitig rotiert. Benannt ist es nach dem polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski, der die Methode 1916 beschrieb. Das Verfahren ist in der Halbleiterindustrie weit verbreitet.

Prinzip: Eine Seed-Kristall wird in eine Schmelze eines Reinstoffes in einem Heizofen eingesetzt. Der Seed wird langsam nach oben gezogen, während er rotiert. An der Seed-Oberfläche kristallisiert kontinuierlich Material aus der Schmelze, und der Kristall wächst als Zylinderspitze weiter. Die Temperatur der Schmelze liegt leicht oberhalb des Schmelzpunkts, wodurch der Temperaturgradient die Kristallqualität bestimmt.

Ausrüstung und Einflussgrößen: Typischerweise wird der Kristall in einem feuerfesten Gefäß aus Quarz geschmolzen, mit inertem oder reduziertem Gas umgeben, um Oxidation zu verhindern. Prozessparameter sind Zugrate, Rotationsgeschwindigkeit und Temperaturgradient. Durch deren Einstellung lassen sich Durchmesser, Länge, Dotierung und Kristallqualität steuern. In Siliziumkristallen, die für Wafer genutzt werden, kann Sauerstoff aus dem Gefäß in den Kristall gelangen und Eigenschaften beeinflussen.

Anwendungen und Bedeutung: CZ-Kristalle liefern große, hochwertige Einkristalle für Wafer in der Halbleitertechnik und Photovoltaik. Siliziumkristalle erreichen Durchmesser von mehreren Zentimetern bis zu mehreren Dezimetern; sie werden zu Wafern geschnitten. Das Verfahren ermöglicht größere Durchmesser als viele Alternativen, ist aber empfindlich gegenüber Kontaminationen und Spannungen. Es existieren Alternativen wie der Floating-Zone-Prozess, der ohne Gefäß arbeitet und oftmals höhere Reinheit ermöglicht.