Kāpēc tīrība ir noteicošais īpašums
Pētniecībā silīciju bieži izmanto kā atsauces materiālu, kā substrātu, kā mērķi plānslāņa nogulsnēšanai vai kā lādiņu kristāla augšanas eksperimentam, un katrā gadījumā nezināms piemaisījumu līmenis iznīcina eksperimenta vērtību. Bors un fosfors ir dopanti, kas maina pretestību par lielumu daļām uz miljardu, un pārejas metāli ievieš dziļus līmeņus, kas darbojas kā rekombinācijas centri. Skābeklis un ogleklis izgulsnējas termiskās apstrādes laikā un rada defektus. Tāpēc augstākās kvalitātes materiālu nosaka ne tikai kopējais silīcija saturs, bet arī katra kritiskā elementa maksimālā koncentrācija, un šo robežvērtību demonstrēšanai izmantotā analīzes metode ir daļa no specifikācijas.
Tīrības līmeņi un pakāpes nomenklatūra
Silīcija tīrība bieži tiek aprakstīta ar N konvenciju, kur 4N nozīmē 99,99 procentus un 5N nozīmē 99,999 procentus. Metalurģiskās kvalitātes materiāls ir aptuveni 2N, ķīmiski rafinētās kategorijas, ko izmanto silikoniem un saules enerģijas izejvielām, ir no 3N līdz 6N atkarībā no maršruta, un elektroniskās kvalitātes polisilīcija sasniedz 9N līdz 11N. Laboratorijai var nebūt nepieciešama elektroniskās kvalitātes tīrība, taču tai ir nepieciešams materiāls, kura piemaisījumu līmenis ir pietiekami zems, lai netraucētu, un ir norādīts sertifikātā. Klases, kas aprakstītas kā 4N un 5N ar kontrolētām bora, fosfora, oglekļa un metālisku piemaisījumu robežvērtībām, aptver lielāko daļu pētniecības lietojumu un ir pieejamas gabaliņu, granulu, pulvera veidā un monokristāliskā vai polikristāliskā formā.
Kā tiek ražots augstas tīrības pakāpes silīcijs
Īpaši tīru silīciju parasti iegūst no metalurģiskās kvalitātes silīcija ķīmiskā ceļā. Siemens process silīciju pārvērš trihlorsilānā un no tvaika fāzes nogulsnē augstas tīrības silīciju, un šķidrā slāņa ceļā līdzīgā veidā iegūst granulētu polisilīciju. Zonas attīrīšana tiek izmantota, lai nospiestu atlikušos piemaisījumus uz vienu silīcija stieņa galu, un tas ir īpaši efektīvs, lai noņemtu elementus ar labvēlīgiem segregācijas koeficientiem. Atsevišķus kristālus audzē pēc Czochralski jeb peldošās zonas metodes, ar peldošās zonas metodi, kas nodrošina visaugstāko tīrību, jo izkausētā zona nesaskaras ar tīģeli. Izmantotais maršruts nosaka piemaisījumu profilu, tāpēc pētnieciskajam pircējam ir jāapstiprina, kurā procesā materiāls tika ražots un ko parāda iegūtā analīze.
Dopings, konsekvence un piegādes forma
Daudzos eksperimentos ir nepieciešams noteikta veida vadītspējas un pretestības silīcijs, kas nozīmē apzināti leģētu materiālu ar norādīto bora vai fosfora līmeni un pielaides joslu. Leģēts materiāls parasti tiek piegādāts ar norādīto pretestību un piedevu, un pielaide ir tikpat svarīga kā mērķa vērtība, jo plaša izplatība padara eksperimentu salīdzinājumu neuzticamu. Konsekvence starp partijām ir ļoti svarīga ilgstošām programmām, tāpēc laboratorijai ir vai nu jāiegādājas viena liela partija un tā pareizi jāuzglabā, vai arī jākvalificē piegādātājs, kurš var demonstrēt reproducējamu analīzi secīgās piegādēs. Svarīga ir arī fiziskā forma: gabaliņi kausēšanai, granulas uzlādēšanai, pulveris reakcijas darbam un vafeles vai stieņi elektriskiem mērījumiem, un virsmas stāvoklim un iepakojumam ir jāpasargā materiāls no piesārņojuma.
Pētniecības kvalitātes silīcija noteikšana un apstrāde
Specifikācijā jānorāda tīrības pakāpe, bora, fosfora, oglekļa, skābekļa un galveno metālu maksimālā koncentrācija, dopanta veids un pretestība, ja nepieciešams, fiziskā forma un izmērs, kā arī izmantojamā analīzes metode. Pircējiem jāpieprasa faktiskās partijas analīzes sertifikāts un, veicot kritiskus darbus, saglabāts paraugs neatkarīgai pārbaudei. Apstrāde ir tikpat svarīga kā specifikācija, jo silīcijs savāc piesārņojumu no apstrādes instrumentiem, no iepakojuma un no apkārtējās vides mitruma. Materiāls jāuzglabā tīrā, sausā vietā oriģinālajā noslēgtā iepakojumā, ar to jārīkojas ar tīriem instrumentiem un cimdiem, un jebkura virsmas apstrāde, piemēram, kodināšana, jāveic tieši pirms lietošanas, lai virsma uzglabāšanas laikā netiktu bojāta.
Bieži uzdotie jautājumi
J: Kāpēc pētījumiem ir nepieciešams augstas tīrības silīcijs?
Tā kā bora, fosfora un metālu pēdas maina pretestību, defektu uzvedību un reakcijas rezultātus, tāpēc nezināms piemaisījumu līmenis padara eksperimentālos rezultātus neuzticamus un neatkārtojamus.
J: Ko 4N un 5N nozīmē silīcija tīrībai?
Tie raksturo kopējo silīcija saturu attiecīgi kā 99,99 procentus un 99,999 procentus, un praksē specifikācija ierobežo arī atsevišķus kritiskos elementus, piemēram, boru un fosforu.
J: Kā tiek ražots īpaši tīrs silīcijs?
Metalurģiskās kvalitātes silīcijs tiek pārveidots par gaistošu savienojumu, piemēram, trihlorsilānu, un tiek nogulsnēts kā augstas tīrības silīcijs, pēc tam tiek tālāk attīrīts ar zonu rafinēšanu un, ja nepieciešams, tiek audzēts vienkristālā.
J: Kam tiek izmantota zonas rafinēšana?
Tas noslauka atlikušos piemaisījumus uz vienu silīcija stieņa galu, pārvietojot pa to izkusušo zonu, un tas ir īpaši efektīvs elementiem, kas stipri atdala cieto un šķidro silīciju.
J: Kāpēc konsekvencei ir liela nozīme?
Garās pētniecības programmas salīdzina rezultātus laika gaitā, tāpēc piemaisījumu līmeņa izmaiņas starp partijām ievieš mainīgo, ko var sajaukt ar eksperimentālu efektu.
J: Kas jāiekļauj pētījuma specifikācijā?
Tīrības pakāpe, bora, fosfora, oglekļa, skābekļa un metālu ierobežojumi, dopanta veids un pretestība, ja nepieciešams, fiziskā forma un izmērs, kā arī analītiskā verifikācijas metode.