Jan Czochralski y la revolución del silicio
Si viajara en el tiempo hasta el final del siglo anterior y tratara de convencer a la persona promedio de que las areniscas en casi cualquier playa serían la base de una industria que valdrá cientos de miles de millones de dólares en 100 años, probablemente lo haría. cree que estás loco. Además de ser cruda, áspera e irritante, la arena está en todas partes, y convencer a alguien de su valor sería difícil de vender a menos que su interlocutor fuera un vidente de bienes raíces con una apreciación del valor futuro de las propiedades costeras y mucha paciencia.
Avancemos a nuestro tiempo, y todos conocemos el valor del material que proviene de la arena de cuarzo común: el silicio, específicamente los cristales de silicio ultrapurificados que terminan como las obleas de las que dependemos para construir los circuitos de la vida. El viaje de una playa a una fundición de chips es largo e incomprensible, lo que no habría sido posible sin las percepciones de un estudiante y ex farmacéutico polaco indistinguible que descubrió el proceso que hizo posible la Era de la Información: Jan Czochralski.
Aquellos que no pueden enseñar
Nacido en 1885 en lo que hoy es Kcinio, Polonia, pero que entonces formaba parte del Imperio Prusiano, Jan Czochralski mostró una aptitud temprana para la química. Como parece ser siempre el caso de las maravillas químicas, uno de los primeros experimentos en su laboratorio doméstico resultó en una explosión. Su padre, un carpintero, aspiraba a que Jan algún día se convirtiera en profesor, pero a pesar de su amor por la química, o tal vez a causa de ella, las notas de Jan eran lo suficientemente malas como para impedirle seguir esa carrera. Alternativamente, se fue de casa y comenzó a trabajar en una farmacia, prometiendo regresar a su ciudad natal solo después de hacerse rico y famoso.
Jan Czochralski, alrededor de 1910
Jan continuó sus estudios por su cuenta y progresó a través de una serie de trabajos en la creciente industria química de Alemania. Fue en gran parte autodidacta cuando postuló y fue aceptado por la Technische Hochschule en Berlín Charlottenburg, donde se especializaría en metalurgia. Poco tiempo después, como ingeniero químico químico recién creado en el gigante eléctrico alemán AEG, comenzó a estudiar las aplicaciones en electrónica de lo que entonces era un material exótico y costoso: el aluminio.
La carrera de Czochralski progresó rápidamente en el valor de su investigación metalúrgica y el grado en que publicó sus resultados. Su trabajo fue citado a menudo, tanto que algún día se convertiría en uno de los científicos polacos más destacados, no está mal si la lista incluye nombres como Marie Skłodowska Curie y Stanisław Ulam. Su fama fue finalmente tal que Henry Ford caería en amarlo agresivamente y ofrecerle ponerlo en el puesto de toda su fábrica en 1923. Czochralski declinó cortésmente.
¿Un profesor distraído?
Para alguien tan entusiasta y dedicado al campo de la metalurgia de campo, y tan metódico como se dice que fue Czochralski, es irónico que lo que quizás sea más conocido y el descubrimiento que seguramente se convertiría en su legado más importante, fue el resultado por accidente. En 1916, según la historia, Czochralski tomó algunas notas sobre un experimento metalúrgico en su banco. Deliberadamente en las páginas de su cuaderno, no se dio cuenta de que en lugar de sumergir la pluma en el tintero, la sumergía en un crisol de estaño fundido. La historia puede ser apócrifa, ya que el punto de fusión del estaño es de 232 ° C y sería poco probable que un experimentador cuidadoso como Czochralski fuera tan caballeroso con una olla de metal fundido, pero la pluma entró en la lata, el resultado fue interesante.
Cuando retiró la pluma, una delicada barba de estaño fue sacada con ella del charco de metal fundido. Curioso por la naturaleza del hilo, Czochralski lo analizó y se sorprendió al descubrir que es un cristal. Continuó experimentando con la técnica, reemplazando el bolígrafo con varios tubos capilares y agregando cristales semilla para proporcionar sitios nucleares para la formación de cristales. Pronto pudo producir monocristales de varios metales de hasta 1 mm de diámetro y hasta un metro y medio. Además del estaño, utilizó su método para producir filamentos de cristal a partir de plomo y zinc.
Czochralski informó debidamente sobre sus resultados en 1917, y aunque comenzó un experimento realizado por otros sobre el "método Czochralski", las distracciones de las guerras mundiales consecutivas dejaron el trabajo en gran parte en la oscuridad. Continuó trabajando en la industria química durante el resto de su vida, y viviría lo suficiente para ver a los investigadores de Bell Labs, siempre Bell Labs, redescubrir su proceso a fines de la década de 1940 y aplicarlo a materiales que nunca usó. Se imaginaba trabajando , como el silicio y el germanio, cuando comenzaron a inventar la industria de los semiconductores.
Plantar la semilla
Corte de proceso CZ que muestra un crisol de cuarzo y una bola en crecimiento. Fuente: Productos WaferPro
Los detalles del proceso de Czochralski para producir los enormes cristales de silicio, o burbujas, que son la materia prima de casi todos los productos semiconductores en la actualidad, varían del método original solo en pequeños detalles y, por supuesto, de acuerdo con la escala de producción. La producción de bolas de silicio se lleva a cabo en un horno de inducción que tiene un control preciso de la temperatura y se puede suministrar con una atmósfera inerte como el argón. El proceso comienza cuando un crisol de cuarzo se carga con silicio policristalino ultrapuro (99,9999%, o una molécula que no es de silicio en un millón). El horno se calienta a unos 1.500 ° C mientras el crisol gira lentamente.
Cuando el polisilicio se ha derretido, una barra de tiro se hunde en el agua de silicio fundido. El extremo de la barra de tiro lleva un cristal semilla de silicio en una orientación precisa, para servir como un sitio nuclear para la cristalización. La varilla de tracción, que gira en la dirección opuesta al crisol, permanece en el silicio fundido durante un corto tiempo antes de retraerse lentamente. El silicio fundido en este momento comenzó a cristalizar y la varilla comienza a acumular un cono de silicio cristalino en la misma orientación que el cristal semilla.
Finalmente, el cristal en crecimiento alcanza su diámetro máximo y el gránulo se vuelve más cilíndrico. El diámetro del pellet puede alcanzar de forma rutinaria hasta 300 mm, aunque actualmente se están prototipando procesos de 450 mm de diámetro; Es posible un máximo teórico de 675 mm, pero no se ha alcanzado. El gránulo sigue creciendo a medida que se retira, un cristal de silicio cuelga de la barra de tiro y finalmente pesa unos cientos de kilogramos. El video de arriba ofrece una buena descripción general de todo el proceso, desde la producción de silicio policristalino a partir de arena de cuarcita hasta la formación de bolas, y los fascinantes detalles del procesamiento del gránulo en obleas.
No solo para Silicon Plus
Pellet de silicio monocristalino completo. Fuente: Productos WaferPro
El proceso de Czochralski no solo se utiliza para cristales de silicio. Mediante el método se pueden cultivar gemas sintéticas, como rubí, zafiro, granate y espinela. Por otro lado, el método está lejos de ser la única forma de producir ladrillos de oro a partir de silicio monocristalino.
El proceso del cinturón flotante, también desarrollado en Bell Labs, utiliza energía de RF para calentar un cinturón dentro de una varilla de silicio policristalino. Puede producir silicio con una pureza mucho mayor, porque la masa fundida no está expuesta al oxígeno por el crisol de cuarzo del método Czochralski. También existe el método Bridgman-Stockbarger, que es básicamente una versión inversa del método Czochralski.
Sin embargo, al final del día, el descubrimiento accidental de una técnica de cultivo de cristales por Jan Czochralski resistió la prueba del tiempo, ya que algo parecido al 90% de las obleas de silicio se corta de las burbujas que crecen con su método.
Renio dice:
"Crudo, áspero y desaparecido"
De joven desapruebo este comentario ...Dan Maloney dice:
Anotado con regularidad.
Dibujos dice:
Todavía estoy esperando que la-tecnologia publique un artículo sobre un horno Czochralski construido en casa para hacer bromas rubí.
Podría usar uno para hacer grandes conjuntos de joyas de reloj, aunque dudo que cualquier persona normal lo necesite.Sí, sé que hubo un artículo sobre cómo hacer un rubí, pero realmente no lo creó exactamente como puede hacerlo este método.
RW versión 0.0.1 dice:
Pensé que tal vez la gente de láser hogareña tendría una oportunidad, pero no pude enojarme con Google por más de dos intentos. Tenía un cinturón negro de googlefu, pero ahora es una estupidez artificial 3er dan, así que tengo que entrenar un poco.
daveboltman dice:
Escuche, escuche sobre Google. Incluso las “cadenas de búsqueda” entre citas hace tiempo que dejaron de funcionar correctamente.
RW versión 0.0.3 dice:
Bien, solo dame cosas con las palabras clave reales y deja de intentar adivinar lo que quiero decir con FFS.
qwert dice:
Siempre es una señal de una gran vergüenza cuando descubro que puedo atraer a Bing para que ofrezca resultados de búsqueda más relevantes que una gran G
Matt Cramer dice:
"Como siempre parece ser el caso de las maravillas químicas, uno de los primeros experimentos en el laboratorio de su casa resultó en una explosión".
¿No es ese normalmente el objetivo?
Dan Maloney dice:
Se necesita un nuevo canal de YouTube: ChemicalBOOM, para acompañar a ElectroBOOM. Las cejas pensativas son opcionales, ya que probablemente se quemarían de todos modos.
Ostraco dice:
Por eso fue Beaker.
mjrippe dice:
Meep meep mep meeeeep?
qwert dice:
Me enojaría si me enfocara en Chememia y solo tuviera un cáncer de aceite simple en lugar de aniquilarlo en una explosión de combustible de cohete. O metanfetamina. No soy tan quisquilloso.
dru dice:
Dependiendo de los químicos con los que juegues, podrías terminar con uno de los cánceres más exóticos ...
RW versión 0.0.1 dice:
Si eres tan descuidado como ese, o te aclamas a ti mismo como el inventor de la sacarina o un número crítico de edulcorantes y sabores artificiales ... (Hmmm, esto sabe a plátanos, etc.) ... o estás muerto por cosas que el patólogo forense puede ' t identificar. .
desagradable dice:
De cualquier manera, reciben algo que lleva su nombre.
jafinch78 dice:
"Todavía estoy esperando que la-tecnologia publique un artículo sobre un horno Czochralski construido en casa para hacer bromas de color rubí".
Yo apoyo eso.
De manera similar, solicito un artículo sobre el cultivo de cristales para aplicaciones ópticas y otras aplicaciones electromagnéticas. Tal vez incluso la majestuosidad del cortador de discos de bricolaje.
El procesamiento de los materiales incluso vale un artículo.
Dan Maloney dice:
Ah, hombre, como si ya no tuviera suficiente en mi plato.
Suspira, agrega otro proyecto a la lista
jafinch78 dice:
¡Lo tienes deportivo! ¡Aquí está el espíritu! : - |)
Todd3465 dice:
De acuerdo, quería construir uno desde que tenía 10 años (eso fue hace mucho, mucho tiempo). ¿Ha recopilado algunas piezas a lo largo del camino, pero con aparatos de mayor potencia más fácilmente disponibles (o escribibles?) ¿Quizás la fuente de alimentación del horno no sea demasiado difícil de arrancar? Quiero decir, ¿quién no quiere derretir una piedra tan fría?
Las orientaciones de la superficie de los cristales de semillas son algo real para mí, simplemente no lo entiendo por lo que leo para leer en él, así que tal vez un artículo al respecto (o un enlace).
Parte de una serie de artículos sobre el proyecto ... ... solo un pensamiento, quizás solo algunos de nosotros ...pero más tarde, ¿quién no querría intentar construir un pequeño taller de acuerdo con el tamaño controlado del horno de fusión de metales por inducción atmosférica / estación de vertido para atmósfera inerte para derretir magnesio, bronce, aleaciones ss (tal vez el primero debería estar fuera del taller? )
Dibujos dice:
Ciertamente, hay personas aquí que trabajan en o para alguna empresa que ha fabricado calentadores de calefacción anteriormente, o alguien que ha fabricado uno anteriormente.
Creo que hacer un rubí es algo que alguien se saltaría, solo por un factor genial y un desafío técnico.
Dibujos dice:
Dios, quiero que este sitio ya tenga una función de edición.
Todd3465 dice:
No recuerdo que encontré uno aquí, solo un proyecto que recuerdo que calentaría un gran perno ardiendo, frecuencia incorrecta y no suficiente energía. Y, por supuesto, el objetivo era un rubí (fue unos años después de que se inventara el láser de rubí).
BrilaBluJim dice:
Pensé que habías encontrado una nueva ortografía para "phat", pero luego me di cuenta de que no encajaba en la oración.
Daniel Smith dice:
Solía hacer esto para mantenerme. Fue un artículo muy agradable de leer, fue como un verdadero flashback de los 80. Por lo general, trabajamos para una subsidiaria de Rockwell International y, créanlo o no, Pottstown Pennsylvania, y fabricamos obleas de silicio a partir de registros en bruto o dinamita de silicio Nobel. Antes de trabajar allí, en realidad hacían obleas para suministrar computadoras de comodoro que estaban en el camino en Norristown, justo al lado de Valley Forge, y también en West Chester, Pensilvania.
En cuanto a encontrar la orientación correcta de las semillas, etc., estoy muy seguro de que puede comprar y buscar las que se venden en la industria, ya que usa silicio relativamente puro con algunos aditivos de diferentes tipos de metales o materiales para fundir. Estoy bastante seguro de que estas empresas desde el principio comienzan a utilizar una pieza de silicona limpia con una determinada orientación. Pero de esta manera los creamos, en realidad cultivaríamos un cristal semilla que podría tener unas pocas pulgadas de ancho y 30 pulgadas de largo, y crecería a partir de un cristal semilla ya existente. Una vez procesado este, se conducirá a una sección de molienda donde se rectificará el exterior y uno de los pasos necesarios en el proceso de molienda sería la aplicación de rayos X al Cristal en diferentes puntos para asegurar que esté en línea con cualquier parámetro de grados a la orientación deseada.
Entonces, durante el proceso de molienda, el molinillo trituraba y cortaba la semilla a un cierto ancho específico y, a veces, formaba cuadrados para que coincidieran con el camión que estaba en la cámara superior de los hornos con los que crecimos los cristales de silicio. Entonces digamos que tenías 111 o 100 Cristales, había muchas orientaciones diferentes a veces experimentando con orientaciones muy extrañas 110 etc., pero el molinillo con rayos X para ver los diferentes puntos asegurándose de que la semilla cuando saliera del fondo de la comprobación funcionará al 100% para quitar el cristal de la orientación necesaria.
Lo que básicamente también obtengo es que solo necesitas encontrar una semilla o cristalería relativamente limpia y de alta calidad que estoy seguro de que hay muchas en el mundo, pero el molinillo con x -Radu para ver los diferentes puntos asegurándote de que la semilla, cuando salí del fondo del cheque, se encenderá al 100% para quitar un cristal de la orientación necesaria.
Lo que básicamente también obtengo es que todo lo que necesita encontrar es un stock de semillas o un stock de Crystal relativamente limpio y de alta calidad, que estoy seguro de que hay muchos de ellos en el mundo, y obtener una máquina de rayos X para medir desde el avión. de la orientación particular que está buscando y luego corte en consecuencia.
O simplemente solicite una capacidad de semillas de una casa de cristal de silicio en algún lugar donde estoy seguro de que todavía existen. Todavía no me he molestado en mirar eBay. También permítanme mencionar que los tipos de hornos que usamos principalmente en esos días eran Siltec y Hamco, y estoy seguro de que todavía existen, son tiendas industriales, etc., pero tenga cuidado con esos tanques viejos y esas cubiertas viejas de los tanques de enfriamiento, que nosotros Me he acostumbrado a algunos de ellos, he experimentado muchas experiencias traumáticas en las que el agua se ha cerrado, etc.
Una cosa curiosa que pensé que no se mencionó en este proceso fue que cuando algunos ingenieros para algunos de los nuevos hornos que compramos una vez que instalaron el horno, es en nuestro departamento, hablamos con ellos sobre lo poco tiempo que era nuestra operación, y ellos Hizo referencia a lugares a los que fueron a instalarlos en todo el mundo, donde dijeron que efectivamente en algún lugar está la caja de envío en la que entró o fue enviado el horno, era la parte más grande del "edificio" en el que residiría el horno. Esto era difícil de imaginar, ya que estas máquinas requerían mucha electricidad para alcanzar los niveles de calor que estaban produciendo y el nivel de conversación de agua de refrigeración, etc. para mantener el funcionamiento. Debo decir que muchos de estos hornos tenían dos partes, el depósito principal, la silicona fundida en el lateral y así sucesivamente. Y el gas fluye dentro de eso y luego un panel de control completamente separado, que ajusta las orientaciones, la velocidad de la bola que corre dentro de ella, la velocidad de rotación de la semilla aplicada y la velocidad de extracción del cristal, etc. Sinceramente contigo, es uno de los procesos más fascinantes que he podido presenciar. Es una lástima que las empresas en ese momento no pagaran más dinero y más respeto por sus trabajadores que era muy bajo en una especie de operación.Daniel Smith dice:
Debo mencionar que uno de los factores críticos sobre la semilla que usarías es el tipo de material que creas en el cristal que cultivas en relación al tipo de captura, como digo estoy seguro de este tío. Exprese en estos videos que estaban aceptando y regalando materiales utilizados en los dopantes, lo que significa que tiene una banda P o tipo M básicamente hecha de silicona. Entonces, lo último que desea hacer es usar el tipo opuesto de semilla para derretir o crecer. Probablemente no importe si es un tipo de semilla virgen cultivada a partir de otro Cristal, porque la mayoría de la gente no sembraría una cantidad muy alta de droga y en ellos porque eso en sí mismo daría una cierta resistencia o Regalo para el Cristal resultante. que no desea que el cristal se cree a partir de la droga, es que usted mismo agregue al muelle de silicio solo ambos. Pero muchas de las semillas y muchos de los cristales que se pueden ver en cierto Crystal ya molido previamente tendrían tan poca droga y en él comenzarían si dijera Cristal de muy alta resistencia si nunca tuviera mucha droga y probablemente No importaría mucho, pero debes asegurarte de usar el Tipo de semilla correcto con el tipo correcto de dopaje, agregarás cualquier tipo de banda P y dentro de una cierta resistencia. asi que
Ren dice:
¿Cómo afecta la orientación del cristal al oblato y los circuitos construidos sobre él?
Tenía una ex vaquera que había trabajado anteriormente en cristalografía ikradi en el Triángulo de Investigación de Carolina del Norte.
RW versión 0.0.1 dice:
Es como la primera capa de ladrillos, si comienzas con una espina, continúa con una espina, si comienzas con una camilla continúa con una camilla.
Todd3465 dice:
Mi muy mala comprensión de las caras de cristal es que para la electrónica, cada cara diferente puede tener su propio conjunto de propiedades atómicas y electrónicas, porque en algunas caras puede haber una mejor alineación / coincidencia atómica para que la siguiente capa se agregue / deposite en el " oblea ".". "Etapa por epitaxia o CVD, y posiblemente para grabado, y para propiedades electrónicas como conductividad, etc. Porque esto es realmente mucho más complicado que producir cristales" ópticos "como rubí (aluminio dopado con cromo) o YAG para láseres, nunca ha he estado en mi mira ... Creo que el objetivo de los cristales láser es obtener la orientación correcta requerida para el cristal (en rubí al menos IIRC) es aceptar la luz de bombeo de las lámparas XENON a lo largo del eje largo y rebotar y adelante entre parcialmente espejado termina produciendo una "ganancia" antes de dejar el "frente" del cristal en la frecuencia coherente característica. Creo que hay métodos "ópticos" para esto que no requieren máquinas de rayos X como para el mucho más complicado componentes electrónicos, aunque los hornos funcionan igual, frecuencia más alta en general para fundir óxidos como la alúmina, frecuencias más bajas para los "metales". Creo que 60 Hz pueden calentar el hierro pero ~ 900 Hz o más para la alúmina. materiales yo cree que las corrientes de Foucault calientan e impulsan el derretimiento. No me queda claro si el material de fusión o el crisol transmite calor a materiales no conductores / magnéticos en los Hz más altos.
desagradable dice:
¿Estamos publicando tonterías generadas por IA ahora? Supongo que es solo cuestión de tiempo ...
Dibujos dice:
No publican tonterías, yo sé y sigo lo que se está discutiendo.
Me alegra ver esos detalles de alguien que lo mantuvo vivo; algunos podrían ver esto como una broma, yo no. Aunque esto no ayuda mucho con mi tipo de rubí básico, ya que no requiere dopaje para eso, ni ningún tipo p o n para derretirse.
Básicamente, la razón por la que me interesa este método específico es porque el cristal fundido no tiene tensiones internas en comparación con la fusión por llama (que se puede hacer en casa), y necesito un tono muy específico de rojo y otros colores para hacer lo que quiero con mis rodamientos de joyería, esto es más fácilmente medible y repetible con este método de fundición, y ópticamente más limpio en comparación con la fundición por llama.
Carl dice:
Nadie hubiera imaginado que el proceso de Czochralski pondría en marcha una industria valorada en un billón de dólares.
Pero el Sr. Czochralski murió antes de que eso sucediera. El mundo no vio el silicio transformarse en microchips hasta que estuvo en la Tierra durante una década.
Vladimir dice:
¿En el piso? es verdad Esperaría que lo incineraran
Moritz v. Sivers dice:
Cuando estaba en la universidad, solíamos cultivar cristales de tungsteno de calcio brillantes (CaWO4) mediante el método de Czochralski. Los cristales se utilizaron para construir detectores de materia oscura.
https://www.cresst.de/crystalgrowth.php
La técnica de Czochralski es uno de los métodos de producción más comunes para centelleadores inorgánicos que se utilizan ampliamente en experimentos de física nuclear y de partículas, pero también, p. En escáneres PET. Un ejemplo destacado es el calorímetro CMS, que consta de casi 80.000 cristales de plomo y tungsteno (PbWO4) cultivados en Bogoroditsk.
Fábrica tecnoquímica en Rusia con 150 hornos Czochralski. Gran parte de la experiencia del crecimiento de los cristales todavía se encuentra en los antiguos estados soviéticos.
También visité una vez la fábrica de silicio de Wacker Chemie en Alemania. Lo que me sorprende por completo es cómo son capaces de sacar unos cientos de kilogramos de lingotes pesados del fino cristal semilla, como se muestra en la imagen de arriba.Graham dice:
Jajaja, buen Ren. ¿No lo sabes, todo importa?
Ulo dice:
Sabes que cualquier sustantivo puede ser reemplazado por un verbo, porque nada existe como una cosa en sí misma, sino como un evento.
¡Solo cierra la mano y lucha!
desagradable dice:
Durante mucho tiempo he soñado con hacer caramelos de roca monocristalinos. Demasiado perezoso para intentarlo, pero al menos ahora sé el nombre del método.
RW versión 0.0.3 dice:
Eso es más fácil, puede hacerlo desde una solución, no necesita tenerla en un punto de fusión. Derretir y hornear están un poco cerca cuando se trata de azúcar, por lo que se recomendaría un termómetro dulce adecuado y una fuente de calor muy manejable si desea probarlo derretido (que, sin embargo, no está seguro de que el azúcar derretido sea más como un vidrio, creo)
David Forbes dice:
Curiosamente, estos lingotes de cristal no se podían utilizar para hacer transistores y circuitos integrados cuando eran adultos. Tuvieron que refinarse aún más, utilizando un proceso llamado refinado de banda. Gordon Teal, de Texas Instruments, descubrió cómo hacer esto alrededor de 1954. Naturalmente, no recibió financiación inicial y instaló su estufa en un pasillo, según el conocimiento popular. Sin embargo, no tengo idea de cómo lo hacen porque no trabajo en la industria.
jafinch78 dice:
"... usando un proceso llamado refinamiento de zona"
Me recuerda a esta serie, que detalla la historia de la industria electrónica en Japón y sus métodos refinados en la actualidad (~ 19:15):
https://youtu.be/ihkRwArnc1k?t=1156
