История

Свойства

Применение

Опыты

         Кремний

 
    Кремний это основной материал для полупроводниковой техники и, одновременно, один из самых распространенных на Земле элементов. Также, кремний это элемент, который человечество научилось производить в наиболее чистом виде и выращивать из него самые большие монокристаллы.
      Из кремния одно время даже пытались сделать эталон килограмма, но, насколько я знаю, не вполне успешно.
    Целью изготовления кремниевого эталона было получение образца массы, «привязанного» к каким-либо фундаментальным величинам. Так, чтобы можно было обходиться без использования единственного образца для сравнения. Например, один метр можно определить, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299792458 часть секунды. Секунда определяется через частоту излучения атома цезия, температура - через тройную точку воды и т.д. То есть, эти величины можно определить, не используя никаких вещественных эталонов для сравнения. Эталоном же массы в настоящее время считается масса платино-иридиевого цилиндра, хранящегося во французской палате мер и весов.
    Если мы хотим изготовить эталон килограмма, нам обязательно придется сравнивать его с тем самым цилиндром. Чтобы избежать этого, была предпринята попытка сделать эталоном массы кремниевый шар определенного диаметра, вырезанный из монокристалла кремния (благо кремний это вещество, из которого научились выращивать самые чистые и малодефектные кристаллы). В общем, такой шарик вырезали, отполировали его до идеальной сферической формы (вроде даже говорили, что это самое круглое тело, когда-либо изготовленное человеком), но масса все-таки оказалась немного меньше килограмма. Вероятнее всего, из-за каких-то дефектов кристалла :(. В общем, если найду статью, с описанием этого эксперимента, помещу на сайт.
    В промышленности, кремний находит много различных применений и используется в виде элемента, с самой различной чистотой.


    Поликристаллический кремний технической чистоты (99%), который можно видеть на фотографии, получают восстановлением SiO₂ углеродом в дуговых печах. После специальной промывки, можно получить продукт чистотой до 99.9%

 
    Более чистый кремний получают восстановлением очищенного тетрахлорида кремния водородом, или термическим разложением силана (SiH₄) при температуре 1000-1200 градусов. На фото – порошок кремния чистотой 99.999%.

 
    Для дальнейшей очистки кремния применяют бестигельную зонную плавку, или выращивание монокристаллов по методу Чохральского. На третьей фотографии – небольшой кристалл, выращенный таким методом. Это не верхушка, отпиленная от кристалла, поскольку на нижней части нет следов распила (есть следы быстрого вытягивания кристалла из расплава). Скорее всего, это был какой-то не вполне удачный эксперимент, или просто проверка оборудования.

 
    Целые кристаллы (но уже без верхушек) можно увидеть на четвертом фото. Они имеют протравленную блестящую поверхность и форму, характерную для всех кристаллов, выращенных вытягиванием из расплава. По идее, диаметр кристаллов можно регулировать, изменяя скорость вытягивания. А их профиль можно задавать, помещая на поверхность расплава, например, пластинки слюды с отверстиями, соответствующими необходимому профилю кристалла. Такой метод называется методом Степанова и позволяет выращивать монокристаллы в форме трубок, уголков, полос и т.п. Как-то я видел монокристалл кремния, целиком выращенный (не выточенный!) в форме бокала.

 
    Дальше, после завершения роста, у кристаллов кремния отрезают верхушку (поскольку она имеет диаметр меньше, чем основной кристалл) и распиливают его алмазной дисковой пилой на тонкие пластины – «вафли» (англ. «wafers»), см. фото. На современных заводах, производящих монокристаллы кремния, диаметр кристаллов достигает 30 сантиметров (12" технология), а длина превышает два метра. Но производятся и небольшие кристаллы – для дюймовых вафель, как на фото справа. После резки пластины кремния травят, полируют и, методом многослойной фотолитографии и напыления из газовой фазы, наносят будущие транзисторы и прочие электронные компоненты.

 
    Результатом всех этих операций являются, в частности, процессоры, микросхемы памяти и прочие микрочипы на кремниевых подложках.

 
    Выше на одной из фотографий были куски кристаллического кремния. На этом фото – примерно такие же куски, но отколотые от поверхности кремниевого слитка. Видно, что кристаллы кремния при затвердевании образовали на ней красивый узор.

 
    Не уверен, что точно знаю, что это за штука. Верхний (темный) слой это чистый кремний. Нижний слой выполнен из меди. Вероятнее всего, это мишень для магнетронного напыления тонких пленок кремния. Пока решил сфотографировать не распечатывая оригинальную упаковку. Пусть так полежит.

 
    И еще один монокристалл кремния, на этот раз обработанный до цилиндра. Скорее всего предназначен для дальнейшей резки на вафли небольшого диаметра.