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 unter dem Schmelzpunkt gehalten (innerhalb des Ostwald-Miers-Bereiches, in dem keine spontane Keimbildung stattfindet). Darin taucht der Keim (z.B. kleiner Einkristall der zu züchtenden Substanz) ein. Durch Drehen und langsames Nach-oben-ziehen – ohne dass der Kontakt zu der Schmelze abreißt – wächst der Einkristall, der sich am Keim orientiert, zu einem Kristallgitter.

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Technik

In einem Tiegel befindet sich eine schon gereinigte Schmelze des gewünschten Materials (beispielsweise Silicium). 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 Schmelze infolge Unterkühlung an der sich ausbildenden Grenzfläche erstarrt. Durch Variation von Ziehgeschwindigkeit und Temperatur erreicht der wachsende Kristall den gewünschten Durchmesser, der im industriellen Bereich derzeit maximal ca. 30 cm erreicht. Mittels einer geeigneten Regelung kann der Kristalldurchmesser bis zum Ende des Ziehvorgangs sehr genau beibehalten werden. Die als Ingot bezeichnete Kristallsäule kann bis über zwei Meter lang werden.

Anwendung

Mit diesem Verfahren ist die Herstellung von reinen, monokristallinen Materialien möglich. Es erreicht nicht ganz die Qualität des Zonenschmelzverfahrens, ist jedoch kostengünstiger. Es werden unter anderem Halbleiter (z. B. Silicium), Metalle wie z. B. Palladium, Platin, Gold, Silber, oder auch Salze, z. B. Alkalimetallhalogenide (optische Kristalle) und Oxide (zahlreiche Anwendungen vor allem in der Lasertechnik und Sensorik) mit dieser Methode hergestellt.

Silicium 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.

Geschichte

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.

Literatur

J. Evers, P. Klüfers, R. Staudigl und P. Stallhofer: Czochralskis schöpferischer Fehlgriff: ein Meilenstein auf dem Weg in die Gigabit-Ära. In: Angewandte Chemie Bd. 115 (2003) S. 5862-5877