Wstęp
Dziś niewielu ludzi pamięta czasy przed internetem i powszechnością elektroniki półprzewodnikowej. A minęło zaledwie kilka dekad. Kolejna odsłona naszej cywilizacji oparta na sztucznej inteligencji, wyłania się na naszych oczach.
Niewielu wie, że podstawą rewolucji było zaskakujące odkrycie dokonane przez Polaka w 1916 roku. Jan Czochralski z Kcyni jest twórcą tzw. metody Czochralskiego służącej do otrzymywania monokryształów. Ta tania i genialnie prosta metoda, zastosowana w połowie XX wieku do produkcji monokryształów krzemu, dała impuls do potężnego rozwoju elektroniki.
A wszystko zaczęło się tak…
Zadziwiający przypadek
W 1916 roku Jan Czochralski, polski chemik pracujący w berlińskim laboratorium koncernu elektrycznego AEG, dokonał przypadkowego odkrycia, które zmieniło bieg historii. Zmęczony badaniami mającymi na celu znalezienie metody pomiaru szybkości krystalizacji metali, Czochralski popełnił pozornie błahy błąd. Zamierzając zapisać swoje obserwacje, odruchowo zanurzył pióro nie w kałamarzu, lecz w pobliskim tyglu z roztopioną cyną. Ku jego zdziwieniu, po wyciągnięciu pióra, z końcówki stalówki zwisał cienki drucik zestalonego metalu. To nieoczekiwane pojawienie się nici metalu zaintrygowało go. Powtórzył czynność, zanurzając końcówkę w roztopionej cynie i powoli ją wyciągając. Zaobserwował powstawanie kolejnej nici. Gdy wyciągał pióro szybciej, nić była krótsza. Seria systematycznych eksperymentów wykonanych tego wieczoru potwierdziła, że szybkość, z jaką pióro było wyciągane z roztopionego metalu, wpływała na długość i strukturę zestalonej nici. Zdał sobie sprawę, że to zjawisko może dostarczyć kluczowych informacji o właściwościach krystalizacji metali.
Czochralski zauważył, że nacięcie w stalówce pióra działało jak otwarta kapilara; wcześniej krystalizacją w rurkach kapilarnych opisał Gustav Tammann. Polski uczony zastąpił więc pióro szklaną rurką, a rękę mechanizmem zegarowym. Mógł w ten sposób kontrolować szybkość wyciągania krystalicznej nici.
To przypadkowe doświadczenie nazwane później metodą Czochralskiego a opublikowane po raz pierwszy w 1918 roku, zapoczątkowało przełom w technologii otrzymywania monokryształów niezbędnych w elektronice półprzewodnikowej.
W 1950 roku, po drugiej stronie Atlantyku, amerykański naukowiec Gordon Teal zmagał się z problemem uzyskania dużych, wysokiej jakości monokryształów germanu do tranzystorów. Okazało się, że metoda Czochralskiego używana w laboratoriach metalurgicznych, po koniecznych ulepszeniach, nadaje się do tego. Później Teal zastosował metodę do otrzymywania kryształów krzemu. Bez metody Czochralskiego rozwój mikroprocesorów, komputerów, telefonów komórkowych i wielu innych urządzeń byłby niemożliwy. Prostota i wszechstronność metody uczyniły ją fundamentem rewolucji technologicznej, zapewniając jej miejsce w laboratoriach i firmach elektronicznych na całym świecie.
Jan Czochralski, urodzony w 1885 roku w Kcyni, w Polsce rozdartej zaborami, był chemikiem samoukiem, który wzniósł się na wyżyny nauki. Pomimo braku formalnego wykształcenia wyższego, pracował w berlińskim przemyśle chemicznym i metalurgicznym, kierując laboratorium metali w firmie AEG. Jego przypadkowe odkrycie w 1916 roku nie było jedynie szczęśliwym zbiegiem okoliczności, ale jest świadectwem jego zdolności i naukowej rzetelności. Po powrocie do Polski w 1928 roku został profesorem Politechniki Warszawskiej. Niestety, w 1945 roku nie pozwolono mu powrócić na uczelnię z powodów bliżej nieznanych. Swoje ostatnie lata spędził w Kcyni, prowadząc mały zakład chemiczny BION. Zmarł w 1953 roku. Dopiero w 2011 roku Politechnika Warszawska oficjalnie uznała jego zasługi, znosząc infamię nałożoną dekady wcześniej. Czochralski nazwał metodę pomiaru szybkości krystalizacji „metodą kapilarną” (Capillarverfahren, Capillarmethode), odnosząc się do początkowego zasysania stopionego materiału przez kapilarę umieszczoną na końcu haczyka. Pierwszy opis metody, zatytułowany „Ein neues Verfahren zur Messung der Kristallisationgeschwindigkeit der Metalle” („Nowa metoda pomiaru prędkości krystalizacji metali”), został opublikowany w czasopiśmie Zeitschrift für physikalische Chemie w 1918 roku. Redakcja otrzymała tę pracę 19 sierpnia 1916 roku – tę datę uznaje się za narodziny metody. W publikacji przedstawiono szczegóły techniczne i wyniki pierwszych doświadczeń na cynie, cynku i ołowiu.
Naturalną konsekwencją odkrycia stało się zastosowanie „metody pomiaru prędkości krystalizacji” do wytwarzania monokryształów. Już w sierpniu 1918 roku Hans Joachim von Wartenberg uzyskał w ten sposób kryształy cynku i jako pierwszy zastąpił kapilarę zarodkiem krystalicznym. Kolejne modyfikacje zaproponowali m.in. Ervin von Gomperz (1922), H. Mark i współpracownicy (1923) oraz E.G. Linder (1925).
Metoda
Istota otrzymywania kryształu metodą Czochralskiego jest prosta. Materiał przeznaczony do krystalizacji topi się w tyglu, a kapilara lub przygotowany wcześniej zarodek wprowadza się w powierzchniową warstwę stopu. Po zassaniu niewielkiej ilości metalu rozpoczyna się krystalizacja, a zarodek jest wyciągany z odpowiednią prędkością, tak aby utrzymać kontakt z roztopioną substancją. Napięcie powierzchniowe podtrzymuje słupek ciekłego materiału przy wylocie kapilary lub „przyklejony” do zarodka. Styk tej kolumny z chłodniejszym powietrzem powoduje jej powolne zestalanie powyżej powierzchni cieczy, czego efektem jest monokryształ o uporządkowanej strukturze atomowej.
Metoda Czochralskiego ma wiele zalet:
- kierunek wzrostu kryształu wyznacza orientacja zarodka,
- brak kontaktu z tyglem zapewnia wzrost bez naprężeń,
- możliwa jest łatwa kontrola jakości i składu chemicznego, w tym domieszkowanie,
- wadliwy kryształ można w całości lub części przetopić, ograniczając straty materiału i koszty,
- można uzyskać duże kryształy w różnych warunkach, także w atmosferach gazowych.
Początkowo metoda służyła jedynie do otrzymywania monokryształów metali. Szybko znalazła jednak zastosowanie do otrzymywania monokryształów wielu innych materiałów, w tym krzemu kluczowego dla elektroniki. Żadna inna metoda wzrostu kryształów nie może się z nią równać.
Jan Czochralski nie opatentował swojego wynalazku i nie odniósł z niego korzyści finansowych. Zapewne nie przypuszczał, że stanie się w pewnym sensie „ojcem elektroniki krzemowej”. To właśnie dzięki jego odkryciu możliwe było powstanie dobrych tranzystorów i rozwój współczesnych technologii półprzewodnikowych.
Dzisiaj
Jan Czochralski rozpoczynał od cienkich monokryształów cyny długości zaledwie 15 cm. Pierwsze kryształy krzemu miały około 2,5 cm średnicy i ważyły tylko 50–200 g. Szybko jednak zrozumiano, że bardziej opłacalne jest hodowanie większych kryształów, z których można wykonać tzw. wafle pozwalające na umieszczenie na nich wielu układów scalonych. Zwiększanie średnicy ma ogromne znaczenie ekonomiczne: z wafla o średnicy 20 cm można uzyskać 74 mikroprocesory 64 Mb, a z 30 cm – już 170 procesorów 1 Gb.
Skalę rozwoju tej metody pokazują dzisiejsze parametry monokryształów krzemu – podstawowego surowca do produkcji układów scalonych – mają długość do dwóch metrów, średnicę 30 cm i wagę ponad 250 kg (takie kryształy firma Wacker-Siltronic GmbH w Freibergu koło Drezna produkuje od 2002 r.). W 2006 r. ponad połowa produkcji odbywała się już na waflach 30 cm. Możliwe jest też wytwarzanie krzemu o średnicy 45 cm i masie około 800 kg. Koszty i technologia wytwarzania tak dużych kryształów stwarzają jednak poważne problemy natury ekonomicznej.
Obecnie około 99 % wszystkich urządzeń półprzewodnikowych powstaje z monokryształu krzemu, z czego ok. 95 % kryształów produkowanych jest w różnych wariantach procesu Czochralskiego. Fabryki dysponują dziesiątkami instalacji wielkoskalowych.
Przez dziesięciolecia mało kto wiedział, kim był autor „metody Czochralskiego”, a dopiero w latach 80. rozpoczęto przywracanie pamięci o tym wybitnym polskim uczonym.
W filmie dokumentalnym Powrót chemika profesor Zbigniew T. Kuźnicki podkreślił, że Jan Czochralski należy do trójki największych polskich uczonych, obok Mikołaja Kopernika i Marii Skłodowskiej-Curie. Kolejność można ustalić według wpływu na życie codzienne – i tu, jak zauważył Kuźnicki, zwycięża Jan Czochralski.
Wbrew oczekiwaniom optymistów jeszcze długo krzem będzie podstawowym materiałem elektroniki, a wraz z nim metoda Czochralskiego będzie nadal potrzebna i używana.
