Si vous deviez voyager dans le temps au tournant du siècle précédent et essayer de convaincre la personne moyenne que les grains de sable sur à peu près n'importe quelle plage seraient la base d'une industrie valant des centaines de milliards de dollars d'ici 100 ans, ils J'aurais probablement pensé que tu étais fou. En plus d'être grossier, rugueux et irritant, le sable est partout, et convaincre quiconque de sa valeur serait difficile à vendre, à moins que votre interlocuteur ne soit un visionnaire de l'immobilier avec une appréciation de la valeur future de la propriété balnéaire et beaucoup de patience.

Avance rapide jusqu'à notre époque, et nous connaissons tous la valeur du matériau qui provient du sable de quartz commun: le silicium, en particulier les cristaux de silicium ultra-purifiés qui finissent comme les plaquettes dont nous dépendons pour construire les circuits de la vie. Le voyage de la plage à la fonderie de copeaux est long et non évident qui n'aurait pas été possible sans les connaissances d'un étudiant polonais non distingué et ancien pharmacien qui a découvert le processus qui a rendu l'ère de l'information possible: Jan Czochralski.

Ceux qui ne peuvent pas enseigner

Né en 1885 dans ce qui est aujourd'hui Kcynia, en Pologne, mais faisait alors partie de l'Empire prussien, Jan Czochralski a montré une aptitude précoce à la chimie. Comme cela semble toujours le cas avec les prodiges de la chimie, une première expérience dans son laboratoire d'origine a provoqué une explosion. Son père, menuisier, aspirait à ce que Jan devienne un jour enseignant, mais malgré son amour de la chimie, ou peut-être à cause de cela, les notes de Jan étaient suffisamment faibles pour l’empêcher de suivre cette carrière. Au lieu de cela, il a quitté la maison et a pris un emploi dans une pharmacie, jurant de ne retourner dans sa ville natale qu'une fois devenu riche et célèbre.

Jan Czochralski, vers 1910

Jan a poursuivi ses études par lui-même et a progressé dans une série d’emplois dans l’industrie de la chimie en plein essor en Allemagne. Il était en grande partie autodidacte lorsqu'il a postulé et a été accepté par la Technische Hochschule de Berlin Charlottenburg, où il se spécialiserait en métallurgie. Peu de temps après, en tant qu'ingénieur chimiste nouvellement formé chez le géant allemand de l'électricité AEG, il a commencé des études sur les applications en électronique de ce qui était alors un matériau exotique et coûteux: l'aluminium.

La carrière de Czochralski progressait rapidement en raison de la valeur de ses recherches métallurgiques et de la mesure dans laquelle il publiait ses découvertes. Ses travaux ont été fréquemment cités, à tel point qu'il deviendrait un jour l'un des scientifiques polonais les plus référencés, ce qui n'est pas une mince affaire lorsque la liste comprend des noms comme Marie Skłodowska Curie et Stanisław Ulam. Sa renommée fut finalement telle qu'Henry Ford le courtisa agressivement et lui proposa de le mettre en charge de toute son usine en 1923. Czochralski refusa poliment.

Professeur absent?

Pour quelqu'un qui était si motivé et dévoué au domaine de la métallurgie chimique, et aussi méthodique que Czochralski l'aurait été, il est ironique que ce pour quoi il est peut-être le plus connu, et la découverte qui deviendrait certainement son héritage le plus important, en soit le résultat. d'un accident. En 1916, selon l'histoire, Czochralski prenait des notes sur une expérience métallurgique à son banc. Intentionné sur ses pages de cahier, il n’a pas remarqué qu’au lieu de plonger sa plume dans l’encrier, il l’avait trempée dans un creuset d’étain fondu. L'histoire peut être apocryphe, étant donné que le point de fusion de l'étain est de 232 ° C et il serait peu probable qu'un expérimentateur prudent comme Czochralski soit aussi cavalier avec un pot de métal fondu, mais quelle que soit la manière dont le stylo est entré dans l'étain, le résultat était intéressant.

Lorsqu'il retira la plume, une fine moustache d'étain fut tirée avec elle de la mare de métal fondu. Curieux de la nature du fil, Czochralski l'a analysé et a été surpris de constater qu'il s'agissait d'un monocristal. Il a continué à expérimenter la technique, en remplaçant la pointe du stylo par divers tubes capillaires et en ajoutant des germes de cristaux pour fournir des sites de nucléation pour la formation de cristaux. Il fut bientôt en mesure de produire des monocristaux de différents métaux jusqu'à 1 mm de diamètre et aussi longtemps qu'un mètre et demi. En plus de l'étain, il a utilisé sa méthode pour produire des filaments de cristal de plomb et de zinc.

Czochralski a dûment rapporté ses découvertes en 1917, et bien qu'il y ait eu une première poussée d'expérimentation par d'autres dans la «méthode Czochralski», les distractions des guerres mondiales consécutives ont laissé le travail en grande partie dans l'obscurité. Il a continué à travailler dans l'industrie chimique pour le reste de sa vie et vivrait assez longtemps pour voir des chercheurs de Bell Labs – c'est toujours Bell Labs – redécouvrir son procédé à la fin des années 1940 et l'appliquer à des matériaux avec lesquels il n'aurait jamais imaginé travailler, comme silicium et germanium, alors qu'ils ont commencé à inventer l'industrie des semi-conducteurs.

Planter la graine

Vue en coupe du procédé CZ montrant un creuset en quartz et une boule en croissance. Source: Produits WaferPro

Les détails du processus Czochralski pour produire les énormes cristaux de silicium, ou boules, qui sont la matière première de presque tous les produits semi-conducteurs fabriqués aujourd'hui ne diffèrent de la méthode originale que dans des détails mineurs, et bien sûr à l'échelle de la production. La production de boules de silicium est réalisée dans un four à induction qui a un contrôle précis de la température et peut être pourvu d'une atmosphère inerte telle que l'argon. Le processus commence lorsqu'un creuset en quartz est chargé de silicium polycristallin ultra pur (99,9999%, ou une molécule non silicium sur un million). Le four est chauffé à environ 1 500 ° C tandis que le creuset tourne lentement.

Lorsque le polysilicium a fondu, une tige d'extraction est abaissée dans le pool de silicium fondu. L'extrémité de la tige d'extraction porte un germe cristallin de silicium dans une orientation précise, pour servir de site de nucléation pour la cristallisation. La tige d'extraction, qui tourne dans le sens inverse du creuset, reste un court instant dans le silicium fondu avant d'être lentement retirée. Le silicium fondu a à ce stade commencé à cristalliser et la tige de traction commence à accumuler un cône de silicium cristallin dans la même orientation que le germe cristallin.

Finalement, le cristal en croissance atteint son diamètre maximum et la boule devient plus cylindrique. Le diamètre de la boule peut atteindre jusqu'à 300 mm en routine, bien que des procédés de diamètre 450 mm soient actuellement en cours de prototypage; un maximum théorique de 675 mm est possible mais n'a pas été atteint. La boule continue de croître au fur et à mesure de son retrait, un monocristal de silicium se balançant à la tige d'extraction et pesant finalement plusieurs centaines de kilogrammes. La vidéo ci-dessus donne un bon aperçu de l'ensemble du processus, de la production de silicium polycristallin à partir de sable de quartzite à la formation de boules, et aux détails fascinants du traitement de la boule en plaquettes.

Pas seulement pour le silicium

Boule de silicium monocristallin terminée. Source: Produits WaferPro

Le procédé Czochralski n'est pas seulement utilisé pour les cristaux de silicium. Les pierres précieuses synthétiques, y compris le rubis, le saphir, le grenat et le spinelle peuvent être cultivées en utilisant la méthode. En revanche, le procédé est loin d'être le seul moyen de fabriquer des lingots de silicium monocristallin.

Le procédé float-zone, également développé chez Bell Labs, utilise l'énergie RF pour chauffer une zone à l'intérieur d'une tige de silicium polycristallin. Il peut produire du silicium d'une pureté beaucoup plus élevée car la masse fondue n'est pas exposée à l'oxygène par le creuset en quartz de la méthode Czochralski. Il y a aussi la méthode Bridgman – Stockbarger, qui est essentiellement une version inversée de la méthode Czochralski.

En fin de compte, cependant, la découverte accidentelle par Jan Czochralski d’une technique de culture de cristaux a résisté à l’épreuve du temps, car 90% des tranches de silicium sont coupées à partir de boules cultivées selon sa méthode.

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