Silicis - www.Kristalai.eu

Silicis

Silicium, grundstofsymbol Si Atomnummer 14 Halvmetal i gruppe 14 Standardatommasse 28,085 Kubisk krystalstruktur af diamanttypen Densitet ca. 2,33 g/cm³ Smeltepunkt ca. 1414 °C Indirekte båndgab på ca. 1,12 eV ved stuetemperatur Grænseflade af høj kvalitet mellem Si og SiO₂ Monokrystallinske, polykrystallinske og amorfe former Det næstmest udbredte grundstof i jordskorpen målt på masse Forekommer oftest som siliciumdioxid og silikatmineraler

Silicium: et tetraedrisk grundstof, der forbinder sten, glas, lys og logik

Silicium forbinder to skalaer, som sjældent omtales i fortællinger om det samme materiale. I jordskorpen danner det skeletter, kæder, lag og isolerede tetraedre med et oxygenatom i centrum, som indgår i kvarts, feldspat, ler, glimmer, pyroxen, amfibol og mange andre mineraler. Raffineret til sin elementære form bliver det samme atom til en præcist kontrollerbar halvleder, hvis ledningsevne kan ændres med meget små mængder bor, fosfor og lignende dopstoffer. Dets værdi skyldes ikke dets overflod som metal eller dets farve som ædelsten, men dets struktur: fire kovalente bindinger, et stabilt oxid, et justerbart båndgab og et produktionssystem, der kan forme milliarder af enheder på en poleret krystaloverflade.

Stilizuota silicio plokštelė, kristalinė gardelė, polikristalinis fragmentas ir grandinės takeliai Šviesą atspindinčioje apskritoje silicio plokštelėje matyti integrinių grandynų lustų tinklelis ir oksido interferencinės spalvos. Šalia pavaizduotos tetraedrinės atomų jungtys vaizduoja deimanto tipo kubinę gardelę, o lūžusio polikristalinio silicio gabalo paviršiai yra metališkai pilki.
En rund wafer viser monokrystallinsk silicium opdelt i mange enhedschips. Blå, violette, lyserøde og ravfarvede nuancer viser interferens forårsaget af tynde oxid- eller nitridlag, ikke siliciums egen farve. Det tetraedriske netværk viser fire kovalente bindinger, og den brudte blok viser industrielt polykrystallinsk silicium.

Korte fakta

Grundstofsilicium er en halvleder med kovalente bindinger, ikke et almindeligt metal. Den polerede overflade kan se metallisk ud, men de elektriske egenskaber, det sprøde brud, den optiske absorption og krystalstrukturen, hvor hvert atom har fire naboer, placerer det i en anden materialekategori. Næsten alt silicium, der findes i naturen, er kemisk bundet til ilt og andre grundstoffer; grundstofsiliciumprøver i samlingsstørrelse er normalt blevet renset eller dyrket i et laboratorium.

GrundstofSilicium
SymbolSi
Atomnummer14
Placering i det periodiske systemGruppe 14, periode 3
Almindelig klassifikationHalvmetal
Standardatommasse28,085
Stabile isotoper²⁸Si, ²⁹Si og ³⁰Si
Krystalstruktur under normale omgivelsesforholdDiamantkubisk
KoordinationFire tetraedrisk placerede nabaatomer
BindingsvinkelCa. 109,5°
Parameter for krystalgitterCa. 5,431 Å ved stuetemperatur
MassefyldeCa. 2,33 g/cm³
HårdhedCa. 6,5–7 på Mohs' skala
Mekaniske egenskaberHårdt og sprødt; tynde kanter skaller let af
SpaltningTydelig i enkeltkrystaller langs {111}-planer
BrudFra muslingeformet til ujævnt
SmeltepunktCa. 1414 °C
KogepunktCa. 3265 °C
VarmeledningsevneCa. 148 W/m·K for en krystal med høj renhed ved næsten stuetemperatur
VarmeudvidelseLille sammenlignet med mange metaller, der anvendes i teknik
Forbudt båndbreddeIndirekte, ca. 1,12 eV ved stuetemperatur
Elektriske egenskaberLedningsevnen øges kraftigt, når temperaturen stiger, og ved legering
Naturlig overfladeDer dannes et tyndt lag siliciumoxid i luft
UdseendeFra mørkegråt til stålgråt; friske eller polerede overflader reflekterer lys
Gennemtrængelighed for infrarød strålingTilstrækkeligt rent silicium gennemtrænges af noget stråling i det nær- og melleminfrarøde område
Forekomst i jordskorpenCa. 27–28 % af massen; det næstmest udbredte grundstof efter ilt
Forekomst i naturenHovedsageligt i form af siliciumdioxid og silikatmineraler
Forekomst af grundstoffet i naturenEkstremt sjældent og normalt mikroskopisk
Industrielle råstofferKvarts eller kvartsit med høj renhed og kul
Vigtigste metoder til krystaldyrkningCzochralski-metoden og digelfri zonedannelse
Almindelige dopstofferBor til p-type; fosfor, arsen eller antimon til n-type
SamlerformerSmeltestykker, polykrystallinsk silicium, afskæringer fra barrer, wafere, dendritter og forarbejdede chipkrystaller
Vigtigste hensyn ved håndteringSkøre kanter, belægninger, behandlede overflader og ukendte rester fra industrimaterialer
Sikkerhedsforanstaltninger i værkstedetUndgå at indånde fint støv fra skæring og slibning
Betegnelse Betydning Vigtig forskel
Silicium Grundstoffet Si i form af elementært stof, legering eller krystallinsk, polykrystallinsk eller amorft materiale. Elementært silicium er hverken kvarts eller en fleksibel silikonepolymer.
Siliciumdioxid Siliciumdioxid, SiO₂, findes i form af kvarts, tridymit, cristobalit, coesit, stishovit, opal, glas og beslægtede former. Siliciumdioxid indeholder oxygen, og dets egenskaber adskiller sig markant fra egenskaberne ved elementært silicium.
Silikat En stor gruppe mineraler og materialer, hvis struktur er baseret på silicium- og ilttetraedre, der er bundet til metaller og andre kationer. Feldspat, glimmer, ler, pyroxen, amfibol, olivin og granat er silikater, ikke elementært silicium.
Silikone En familie af syntetiske polysiloxanmaterialer, hvor silicium- og oxygenatomer skiftevis indgår i polymerernes hovedkæde. Silikoner kan være gummiagtige, flydende, harpiksagtige eller klæbrige; de er ikke elementært silicium.
Siliciumcarbid SiC er en hård, kovalent keramik, der findes naturligt som det sjældne mineral moissanit og fremstilles i forskellige former til tekniske anvendelser. Det er hårdere og tættere og har andre optiske egenskaber end elementært silicium.
Polysilicium Højrent polykrystallinsk silicium, der afsættes som stænger, stykker eller granulat til fremstilling af halvledere og solcelleprodukter. Navnet henviser til mange krystallinske korn, ikke til en polymer, der indeholder silicium.
Monokrystallinsk silicium En sammenhængende krystal, hvor den krystallografiske orientering er den samme i hele det anvendte volumen. De fleste wafer til integrerede kredsløb fremstilles af omhyggeligt dyrkede monokrystallinske barrer.
Amorft silicium Ikke-krystallinsk silicium, der afsættes som en tynd film, hydreres oftest for at reducere antallet af elektroniske defekter. Det har ikke den langtrækkende orden i diamantkubisk struktur, som findes i en plade af en krystal.
Tilbage til navigation

Identitet, betegnelse og grænsen mellem grundstof og mineral

Silicium er et grundstof, ikke en fællesbetegnelse for alle siliciumholdige materialer. Denne forskel er vigtig, fordi elementært silicium er en mørk, uigennemsigtig, skør halvleder med en diamantkubisk struktur, mens kvarts er gennemsigtig eller halvgennemsigtig siliciumdioxid, og silikone er en syntetisk polymer.

Navnets oprindelse går tilbage til ord, der er forbundet med flint og hård sten. Tidlige kemikere indså, at siliciumdioxid sandsynligvis indeholdt et ukendt grundstof, længe før de kunne isolere det. Den moderne engelske form silicon blev taget i brug, før man havde tilstrækkeligt rene prøver til detaljerede fysiske undersøgelser.

Der er rapporteret om naturligt forekommende elementært silicium i undersøgelser af sjældne meteoritter og stærkt reducerende miljøer på Jorden, men sådanne fund er normalt mikroskopiske og skal bekræftes med analytiske undersøgelser. En håndfladestor prøve mærket »silicium« er næsten altid et industrielt materiale: metallurgisk silicium, polysilicium, en krystal dyrket fra smelte, en wafer eller en forarbejdet komponent.

Elementært silicium

En kovalent krystal, der udelukkende består af siliciumatomer, bortset fra dopstoffer, urenheder, overfladeoxid og lag dannet under forarbejdning.

Siliciumdioxid

Krystallinske, glasagtige, opaline eller højtryksformer af siliciumdioxid. Dets iltskelet giver det helt andre optiske og kemiske egenskaber.

Silikatmineraler

Mineraler, hvor silicium- og ilttetraedre er bundet til aluminium, magnesium, jern, calcium, natrium, kalium og andre grundstoffer.

Siliciumlegeringer

Ferrosilicium og aluminium-siliciumlegeringer indeholder betydelige mængder silicium, men har egenskaber som flerfasede metalliske materialer snarere end som rene halvledere.

Silikoner

Industrielt fremstillede polymerer, hvis fleksibilitet, tætningsegenskaber, termiske stabilitet og overfladeegenskaber bestemmes af en grundlæggende Si–O-kæde med organiske sidegrupper.

Samlert terminologi

Beskrivelser bør angive, om prøven er af metallurgisk kvalitet, polysilicium, monokrystallinsk, polykrystallinsk, materiale til waferproduktion, belagt, dopet eller forarbejdet.

Det metalliske udseende betyder ikke, at silicium er et almindeligt metal. Dets valenselektroner deltager hovedsageligt i retningsbestemte kovalente bindinger, og dets ledningsevne afhænger i høj grad af temperaturen, krystaldefekter, belysning og koncentrationen af dopstoffer.
Tilbage til navigation

Atomar arkitektur: Hvorfor fire bindinger ændrer alt

Ved normalt tryk har krystallinsk silicium en diamantkubisk struktur. Hvert atom er bundet til fire naboatomer, der ligger i retningerne mod et tetraeders hjørner. Dette åbne, retningsbestemte netværk forklarer siliciums sprødhed, spaltbarhed, halvleder-båndstruktur, relativt lave densitet og usædvanlige udvidelse under størkning.

Tetraedrisk koordination

Hvert siliciumatom danner fire stærke kovalente bindinger med en ideel indbyrdes vinkel på omkring 109,5°. Denne geometri gentager sig i krystallen i tre dimensioner.

Diamantkubisk gitter

Denne struktur kan beskrives som to indbyrdes gennemtrængende kubiske fladecentrerede undergitter, der er forskudt i forhold til hinanden.

Spaltbarhed og brud

Enkeltkrystaller kan spaltes langs {111}-planer. Brudstykker viser også buede muslingeformede brudflader, især hvor bruddet ikke følger ét tydeligt plan.

Udvidelse ved størkning

I flydende silicium ligger atomerne tættere end i det faste siliciumns åbne tetraedriske struktur, så materialet udvider sig, når det størkner – en usædvanlig egenskab, som også findes hos vand og nogle få beslægtede materialer.

Højtryksstrukturer

Ved ekstremt højt tryk omdannes silicium til tættere faser med metalliske egenskaber. Det viser, at de elektriske egenskaber ikke kun afhænger af sammensætningen, men også af atomernes placering.

Isotopsammensætning

Naturligt silicium består hovedsageligt af ²⁸Si, mens der er mindre af ²⁹Si og ³⁰Si. Isotopisk rensning er vigtig i præcisionsmetrologi og i visse studier af kvanteenheder.

Enkeltkrystal

Én sammenhængende krystallografisk orientering gør det muligt at forudsige elektrontransport, styre spaltning og sikre reproducerbarhed i fremstillingen af enheder.

Polykrystallinsk silicium

Mange korn med forskellige orienteringer mødes ved grænser, som kan indfange ladning, sprede ladningsbærere, samle urenheder eller fremme brud.

Amorft silicium

Der er ingen langtrækkende orden. Ved brug i tyndfilmselektronik passiveres mange ubundne bindinger normalt med hydrogen.

Porøst og nanostruktureret silicium

Kontrolleret ætsning eller vækst skaber porer, tråde, partikler og fotoniske strukturer med andre egenskaber end det massive krystal.

Sammensætningen alene bestemmer ikke egenskaberne. En plade, en stang af polykrystallinsk silicium, en amorf film og et porøst siliciumlag består hovedsageligt af Si, men deres kornstruktur, defekttæthed, overflader og elektroniske egenskaber er meget forskellige.
Tilbage til navigation

Silicium på Jorden: tetraedre, forvitring, sedimenter og liv

Silicium er det næstmest almindelige grundstof i Jordens skorpe målt på masse, men det meste er bundet til oxygen. SiO₄-tetraedret er en af mineralogiens vigtigste strukturelle enheder; tetraedrene forbindes på forskellige måder og danner bjergarter fra kappen til kontinenternes overflade.

Strukturel opbygning Sådan forbindes tetraedrene Karakteristiske materialer
Enkelte tetraedre Hver SiO₄-enhed forbliver separat og forbindes med andre via andre kationer. Olivin, granat, zirkon og mange mineraler fra kappen eller metamorfe mineraler.
Parvise grupper og ringe Tetraederne deler visse oxygenatomer og danner dobbeltgrupper eller lukkede ringe. Epidotgruppens strukturer, beryl, turmalin og beslægtede mineraler.
Enkeltkæder Hvert tetraeder deler to oxygenatomer langs en langstrakt kæde. Pyroxener som augit, diopsid og enstatit.
Dobbeltkæder To tetraederkæder forbindes periodisk til bredere bånd. Amfiboler som hornblende og tremolit.
Lag Kiekvienas tetraedras deler tre oxygenatomer og danner brede lag. Žėručiai, molio mineralai, talkas, serpentinas ir chloritas.
Karkasai Alle fire tetraederhjørner indgår i et tredimensionelt netværk. Feldspat, feldspatoider, zeolitter, kvarts og kvartsglas.

Magmatiske bjergarter

Siliciumindholdet og mætningen med siliciumdioxid er med til at bestemme magmaens viskositet, mineralsammensætning, udbruddets karakter, og om der krystalliseres kvarts, feldspat, pyroxen, olivin eller feldspatoider.

Forvitring og jordbund

Når silikater forvitrer, frigives opløst kiselsyre, og der dannes lermineraler, mens atmosfærisk kuldioxid forbruges over geologiske tidsrum.

Sand og sedimenter

Kvarts består gennem mange forvitringscyklusser og ophobes i sand, sandsten, strandaflejringer, klitter og flodsystemer.

Biogen siliciumdioxid

Kiselalger, radiolarier, mange svampe og planters phytolitter danner strukturer af hydreret eller amorf siliciumdioxid, som de optager fra vand eller jord.

Siliciums adfærd i Jordens indre

I kappen indgår silicium i højtrykssilikater. Ved endnu højere tryk ændres koordinationen, og tætte strukturer bliver stabile.

Diagenese af siliciumdioxid

Biogen opal og vulkansk glas, der er begravet under sedimenter, kan omdannes til opal-CT, kalcedon eller kvarts, hvilket ændrer porøsiteten og bjergartens styrke.

Stor forekomst i jordskorpen betyder ikke, at rent silicium er almindeligt. På grund af siliciums stærke kemiske affinitet til ilt indgår næsten hvert siliciumatom, der findes i naturen, i siliciumdioxid, et silikatmineral, opløst kiselsyre, glas eller en biologisk siliciumdioxidstruktur.
Tilbage til navigation

Fysiske, termiske, kemiske og optiske egenskaber

Referenceværdierne afhænger af temperatur, krystalorientering, koncentrationen af urenheder, ladningsbærertæthed, kornstruktur og overfladebehandling. Derfor er egenskaberne for en enkeltkrystal af halvlederkvalitet mere reproducerbare end for et stykke metallurgisk silicium, der indeholder jern, aluminium, calcium, kulstof og andre urenheder.

Egenskab Typisk værdi eller adfærd Praktisk betydning
Atomnummer 14. Bestemmer siliciums placering i 3. periode mellem aluminium og fosfor og i kulstofgruppen.
Standardatommasse 28,085. Afspejler den naturlige blanding af tre stabile isotoper.
Krystalsystem Kubisk struktur af diamanttypen; rumgruppe Fd3̅m. Bestemmer spaltelighed, anisotrope mekaniske egenskaber, elektroniske energibånd og pladens orientering.
Massefylde Cirka 2,329 g/cm³ ved temperaturer tæt på stuetemperatur. Lettere end galena, hæmatit, siliciumcarbid og de fleste metallisk udseende materialer, der ligner det.
Hårdhed Cirka 6,5–7 på Mohs-skalaen. Modstandsdygtigt over for ridser fra almindeligt stål, men kan ridses af kvarts, korund, diamant og hårdt slibestøv.
Spaltning og brud Tydelig spaltning langs {111}-planer; i andre retninger er bruddet muslingeformet eller ujævnt. Tynde plader og skarpe fragmenter kan pludseligt knække, når de bøjes eller trykkes på kanten.
Smeltepunkt Cirka 1414 °C. Muliggør krystalvækst fra smelten, men kræver krystaldyrkningssystemer, der kan styres og tåler høje temperaturer.
Kogepunkt Cirka 3265 °C. Vigtigt ved højtemperaturbearbejdning og kontrol af forurening i dampfasen.
Varmeledningsevne For en monokrystal med høj renhed ved en temperatur tæt på stuetemperatur – cirka 148 W/m·K. Højt sammenlignet med andre halvledere og keramiske faste stoffer, men lavere end for kobber eller sølv.
Termisk udvidelse Lav; dets retningsbestemte egenskaber begrænses af det kubiske krystalgitter. Nyttigt i præcisionsinstrumenter, selvom wafere stadig kan revne på grund af temperaturgradienter.
Båndgab Indirekte båndgab med en bredde på cirka 1,12 eV ved stuetemperatur. Egnet til elektronik og omdannelse af solenergi til elektricitet, men udsender ikke lys lige så effektivt som halvledere med direkte båndgab.
Synliglysoptik Absorberer lys kraftigt og virker uigennemsigtig i sin almindelige massive form. Polerede wafere ser mørkegrå, brungrå eller næsten sorte ud under overfladebelægningerne.
Infrarød optik Højt brydningsindeks og praktisk anvendelig transmission i visse nær- og melleminfrarøde områder. Muliggør fremstilling af infrarøde linser, vinduer, sensorer og integrerede fotoniske enheder.
Naturligt overfladeoxid En tynd siliciumoxidfilm dannes naturligt i luften; et tykkere oxidlag af høj kvalitet dyrkes eller aflejres industrielt. Passiverer overfladen og danner en teknologisk værdifuld overgang.
Kemiske egenskaber Overfladeoxidet gør det stabilt i vand og modstandsdygtigt over for mange syrer ved stuetemperatur; det påvirkes af specialiserede ætsere og stærke baser. Rengøring med husholdningsprodukter er normalt ikke nødvendig; det kan beskadige belægninger eller metalliseringslag.
Materialets hårdhed beskytter ikke waferen mod at knække, når den bøjes. En siliciumwafer kan ridse glas, men samtidig knække ved selv en lille bøjning, en afskallet kant, termiske spændinger eller tryk, der er koncentreret i ét punkt.
Tilbage til navigation

Halvlederfysik: ladningsbærere, dopstoffer, overgange og grænseflader

Ved stuetemperatur har rent krystallinsk silicium meget få bevægelige ladningsbærere sammenlignet med et metal. Dets praktiske anvendelser kommer til udtryk, når temperatur, lys, elektriske felter og omhyggeligt udvalgte urenheder ændrer antallet og bevægelsen af elektroner og huller.

Intrinsisk silicium

Termisk energi løfter lejlighedsvis en elektron over båndgabet og efterlader en bevægelig ubesat tilstand, der kaldes et hul. Der er lige mange elektroner og huller.

n-type silicium

Donoratomer, for eksempel fosfor, arsen eller antimon, afgiver elektroner, som bevæger sig lettere gennem krystallen end de naturlige ladningsbærere.

p-type silicium

Acceptoratomer, oftest bor, skaber mobile huller, som i valensbåndets struktur fungerer som positive ladningsbærere.

p–n-overgang

Der, hvor p-type- og n-typeområder mødes, opstår der et indre elektrisk felt, når ladningen omfordeles. Dioders, fotodioders, transistorers og solcellers funktion afhænger af denne overganges egenskaber.

MOS-overgang

Et lag af oxid eller et lignende dielektrikum, der dannes under kontrollerede forhold, adskiller gateelektroden fra silicium. Elektriske felter ved overgangen danner eller fjerner derefter en ledende kanal.

Defekter og fælder

Vakanser, dislokationer, urenheder, korngrænser, ufuldstændige bindinger og forurenede overflader kan fange ladning eller forkorte ladningsbærernes levetid.

Materialets tilstand Dominerende ladningsbærere Fremstilling Typisk anvendelse
Intrinsisk silicium Lige mange termisk dannede elektroner og huller. En særligt ren krystal uden bevidst indførte elektrisk aktive dopantatomer. Referencepunkt til vurdering af egenskaber, detektormateriale og udgangspunkt for enheders design.
n-type silicium Elektroner. Bevidst doping med donoratomer, ofte fosfor, arsen eller antimon. Transistorområder, kontakter, dioder, sensorer og solcellers strukturer.
p-type silicium Huller. Bevidst doping med acceptoratomer, oftest bor. Substrater, transistorområder, overgange, sensorer og fotovoltaiske enheder.
Kompensationsdopet silicium Bestemmes af balancen mellem donor- og acceptoratomer. Begge typer dopantatomer forekommer, enten bevidst indført eller som følge af forurening. Præcis styring af resistiviteten eller kompensation for virkningen af uønskede urenheder.
Degenereret dopet silicium Meget høj koncentration af elektroner eller huller. Kraftig doping under implantation, diffusion eller krystalvækst. Kontakter med lav modstand og områder, der delvist har lederegenskaber.
Et „hul“ er ikke et tomt hulrum i krystallen. Det er en praktisk beskrivelse af elektroners kollektive adfærd: Når en elektrontilstand ikke er besat, kan elektroner i nærheden bevæge sig på en måde, så denne frie plads tilsyneladende bevæger sig gennem krystalgitteret som en positiv ladningsbærer.
Tilbage til navigation

Fra kvarts til krystal til elektronik

Siliciumproduktion er en række trin, hvor den kemiske sammensætning og strukturen styres stadig mere præcist. Kvarts reduceres til metallurgisk silicium, som renses ved hjælp af flygtige forbindelser, udfældes som polysilicium, krystalliseres til en barre, skæres i wafere og derefter formes til strukturer gennem hundredvis af strengt kontrollerede procestrin.

Principinė gamybos seka nuo kvarco iki silicio plokštelės Kvarcas ir anglis tiekiami į karštą krosnį, kurioje gaunamas metalurginis silicis. Chemiškai gryninant gaunamas polisilicis, auginant kristalą – luitas, o jį pjaustant – atspindinčios apskritos plokštelės.
Forenklet sekvens for industriel produktion: Kvarts reduceres med kulstof i en elektrisk ovn, det fremkomne metallurgiske silicium omdannes til oprenset polysilicium, en krystalbarre dyrkes under kontrollerede forhold, og denne skæres i wafere og poleres.
  • Carbotermisk reduktionKvarts eller kvartsit med høj renhed reagerer med kulstof i en ovn med nedsænket lysbue. Den forenklede samlede reaktion: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
  • Silicium af metallurgisk kvalitetProduktet fra ovnen indeholder typisk omkring 98–99 % silicium, mens indholdet af urenheder stadig er langt for højt til avanceret elektronik.
  • Kemisk omdannelseSilicium omdannes gennem kemiske reaktioner til flygtige klorsilaner eller silan, så det kan destilleres og renses kemisk flere gange.
  • Deponering af polysiliciumRensede gasser spaltes på opvarmede overflader eller i fluidiserede lejesystemer og danner ultrarene stænger eller granulat.
  • KrystalvækstTrækning af krystaller med Czochralski-metoden eller rensning med den digelfrie zone-smeltemetode giver enkeltkrystaller med kontrollerede egenskaber; støbning eller retningsbestemt størkning giver multikrystallinsk materiale.
  • Fremstilling af wafereFør komponentfremstillingen påbegyndes, orienteres barrerne og skæres i wafere, deres kanter afrundes, og overfladerne glattes, ætses og poleres.
1

Kvarts reduceres ved høj temperatur

I kemiske reaktioner i en elektrisk ovn fjerner kulstofholdige materialer ilt, så der dannes smeltet silicium med et kontrolleret, men stadig højt indhold af urenheder.

2

Silicium omdannes til gasser, der egner sig til rensning

Flygtige forbindelser gør det muligt at adskille bor, fosfor, metaller, kulstofholdige kemiske forbindelser og andre forurenende stoffer ved kemisk behandling.

3

Ultrarent polysilicium deponeres

Renheden, som udtrykt i procent har mange niere, opnås, fordi urenheder, der ellers ville ændre ladningsbærernes levetid og resistivitet, fjernes eller adskilles i hvert behandlingstrin.

4

Krystallens orientering bestemmes

En frøkrystal styrer væksten, så den valgte orientering bevares i den voksende barre, og koncentrationen af dopstoffer kontrolleres.

5

Barren omdannes til wafere

Savning med trådsav giver tynde skiver. Kantbearbejdning, kemisk ætsning og kemisk-mekanisk polering skaber en plan overflade med få defekter.

6

Komponenter dannes lag for lag

Elektroniske strukturer skabes på tværs af hele waferen ved oxidation, deponering, litografi, ætsning, implantation, diffusion, rengøring, udglødning og metallisering.

Renhed er kun ét af kravene. Silicium til fremstilling af komponenter kræver også kontrol med krystaldefekter, ilt- og kulstofindhold, ensartet fordeling af dopstoffer, overfladepartikler, metalforurening, mekaniske spændinger, planhed og mikroskopiske skader.
Tilbage til navigation

Industrielle former, krystaltyper og samlerprøver

Prøver af grundstoffet silicium er normalt produktionsprodukter, ikke fund fra geologiske ekspeditioner. Derfor er de mest nyttige oplysninger om deres oprindelse industrielle: fremstillingsproces, renhedsgrad, dyrkningsmetode, krystalorientering, belægning, producent, dato og oprindeligt formål.

Metallurgisk silicium

Mørke stykker i stålgrå farve med blanke brudflader, ujævnt fordelt urenheder, glasagtigt brud og undertiden blålig eller bronzefarvet overfladebelægning.

Polysiliciumstang

Silicium med høj renhed, udfældet med en mat, knudret, kornet eller blomkålslignende overflade omkring en central tråd.

Polykrystallinske siliciumgranulater

Små løse partikler, fremstillet så de er nemme at håndtere og smelte ved krystaldyrkning eller fremstilling af fotovoltaiske enheder.

Monokrystallinsk barre

En cylindrisk eller anden formet krystal, hvor orientering, diameter, iltindhold, dopant og specifik elektrisk modstand er nøje kontrolleret.

Spejlpoleret plade

En tynd, ekstremt flad skive med et hak eller en lige kantsektion til orientering. Farven kan skyldes oxid-, nitrid-, fotoresist- eller flerlagsfilm.

Multikrystallinsk plade

Et snit med mange krystallinske korn, som ofte fremhæves af ætsede grænser, retningsbestemt tekstur eller forskellig refleksion.

Dendritisk silicium

Forgrenede krystalformer, dyrket fra smelte under kontrolleret afkøling, snarere end dannet ved naturlig mineralvækst.

Amorf siliciumfilm

Et tyndt aflejret lag, der bruges i elektronik, detektorer, skærme og fotovoltaiske strukturer, snarere end en separat krystalsamlergenstand.

Silicium dyrket efter Czochralski-metoden

Dyrkes fra smeltet siliciumdioxid i en digel. Iltindholdet kan kontrolleres og påvirker den mekaniske styrke og defektadfærden.

Silicium dyrket ved digelfri zone-smeltning

En smal smeltezone bevæger sig langs stangen uden brug af en digel, hvilket giver silicium med et ekstremt lavt iltindhold og en høj specifik elektrisk modstand.

Multikrystallinsk silicium til solceller

Traditionelt blev det støbt til blokke, der indeholder mange krystallinske korn. Korngrænser og urenheder gør passivering og omhyggelig udformning af solceller nødvendig.

Teknologisk bearbejdet chip

Et afskåret stykke af en plade med transistorer, sensorer, forbindelsesledere, optiske strukturer eller testmønstre. De synlige farver skyldes hovedsageligt overfladefilm.

Historisk plade

En plade med dokumenteret oprindelse og tilknytning til et genkendeligt forskningsprogram, en produktionslinje, en generation af enheder eller en institution kan have teknologisk betydning, der overstiger dens materialeværdi.

Sjælden siliciumklump

Naturlige korn af elementært silicium er normalt mikroskopiske, kan identificeres ved hjælp af analytiske metoder og findes indlejret i en meteorit eller en usædvanlig jordisk matrix, ikke som store, fritstående krystaller til salg.

For industrisilicium har „findested“ en anden betydning. Når det gælder en wafer eller en prøve af polykrystallinsk silicium, giver vækstvirksomheden, rensningsmetoden, producenten, procesdatoen, krystalorienteringen og den tidligere anvendelse normalt mere information end minen, hvorfra den oprindelige kvarts blev udvundet.
Tilbage til navigation

Overfladekemi, tyndfilmsfarver og infrarødt lys

Ubelagt silicium er naturligt ikke klart blåt, violet eller gyldent. Disse farver opstår som regel, når lys reflekteres fra både den øvre og den nedre grænseflade i en tynd, gennemsigtig film. Selv små ændringer i oxid- eller nitridtykkelsen ændrer interferensfarven markant.

Naturligt oxid

Ved kontakt med luft dannes et meget tyndt oxidlag, som passiverer overfladen kemisk, men kan være for tyndt til at skabe en tydeligt synlig farve.

Termisk oxid

Kontrolleret oxidation danner et tæt SiO₂-lag, hvis tykkelse kan måles optisk og vælges til isolering, maskering og styring af overfladeegenskaber.

Siliciumnitrid

Si₃N₄-belægninger bruges til passivering, styring af mekaniske spændinger, maskering og reduktion af refleksion. Deres interferensfarver kan ligne oxidfarver eller være mere intense.

Fotoresist og procesfilm

Organiske resister, metaller, dielektriske materialer og flerlagsstrukturer giver ekstra farver, som ikke afspejler selve det elementære siliciums bulkfarve.

Gennemsigtighed for infrarød stråling

Under absorptionskanten transmitterer tilstrækkeligt rent silicium en del af det infrarøde spektrum og har et højt brydningsindeks.

Absorption fra frie ladningsbærere

Kraftig doping skaber mobile ladningsbærere, som absorberer infrarød stråling og indsnævrer det nyttige optiske vindue.

Observeret kendetegn Sandsynlig årsag Hvad man bør tage i betragtning ved vurderingen
Ensartet stålgrå brudflade Frisk overflade af elementært silicium med en tynd dekorativ overfladefilm. Metallurgiske urenheder kan gøre overfladen mørkere eller give den et plettet udseende.
Blå, violet, lyserød eller ravfarvet wafer Tyndfilmsinterferens forårsaget af oxid, nitrid, resist eller flerlagsprocesbehandling. Farven alene afslører ikke typen af dopant, renheden eller enhedens anvendelse.
Spejlblank, sortpoleret overflade Absorption af synligt lys kombineret med en meget glat, reflekterende overflade. Et mørkt udseende betyder ikke, at materialet er amorft eller urent.
Mat overflade af polykrystallinsk silicium Mange små krystalflader, korngrænser, aflejrede knopper eller kemisk ætsning. Teksturen kan opstå under fremstillingen og ikke som følge af naturlig krystallisation.
Radiale eller hvirvelformede mærker på waferen Polering, rengøring, ujævn aflejring, striber fra krystalvækst eller rester fra fremstillingsprocessen. Det kan kræve en professionel mikroskopisk undersøgelse at skelne fremstillingsspor fra skader.
Et regelmæssigt indhak eller et lige kantsegment Et element til orientering og håndtering, som er formet under fremstillingen. Dette er ikke en skade som følge af naturlig nedbrydning.
Interferensfarven bestemmes af overfladelagenes struktur. Hvis disse lag fjernes ved ætsning, rengøring, opvarmning eller ridsning, kan farven ændres irreversibelt, selv om siliciumet nedenunder forbliver intakt.
Tilbage til navigation

Anvendelsesområder: fra kemien i bjergartsdannende forbindelser til programmerbare overflader

Siliciums betydning rækker langt ud over computerprocessorer. Dets forbindelser dominerer geologiske materialer, mens renset elementært silicium bruges til energikonvertering, sensorer, mekanik, optik, kemi og præcisionsmålinger.

Glas og keramik

Siliciumdioxid og silikater bruges til at fremstille vinduesglas, fibre, optisk glas, porcelæn, ildfaste materialer, glasurer, laboratorieudstyr og teknisk keramik.

Cement og beton

Calciumsilikater står for størstedelen af portlandcementens hydrering og betonens styrkeudvikling.

Integrerede kredsløb

Siliciumwafere bruges til at udvikle systemer til logik, hukommelse, analog elektronik, strømstyring, kommunikation og blandede signaler.

Fotovoltaik

Krystallinsk silicium absorberer sollys og adskiller lysgenererede ladningsbærere ved overgangene, og det er fortsat grundlaget for de fleste konventionelle solcellemoduler.

MEMS og sensorer

Mikromekanisk bearbejdet silicium bruges til at fremstille accelerometre, tryksensorer, mikrofoner, gyroskoper, væskestyringssystemer og resonansstrukturer.

Infrarød optik og fotonik

Det høje brydningsindeks og den infrarøde transmissionsgrad muliggør udvikling af bølgeledere, modulatorer, detektorer, linser og integrerede optiske kredsløb.

Metallurgiske legeringer

Silicium forbedrer støbeegenskaberne, deoxiderer stål, ændrer aluminiumlegeringers egenskaber og indgår i varmebestandige siliciders sammensætning.

Silikonmaterialer

Slutprodukter inden for industriel siliciumkemi omfatter fugemasser, elastomerer, smøremidler, indkapslingsmaterialer, materialer egnet til medicinsk brug og varmebestandige polymerer.

Præcisionsmetrologi

Særligt rene siliciumkrystaller og -kugler med kontrolleret isotopsammensætning anvendes til dimensionsmålinger og undersøgelser af fundamentale konstanter.

Kvanteenheder

Isotopisk renset silicium kan reducere magnetisk støj omkring spinbaserede kvantetilstande og udgøre en veludviklet produktionsplatform.

Siliciums teknologiske forspring skyldes en kombination af mange faktorer. Dets store forekomst er vigtig, men oxidkvalitet, waferstørrelse, rensning, mekanisk styrke, termiske egenskaber, kompatibilitet med litografi, forsyningsinfrastruktur og processer, der er blevet forbedret gennem årtier, er mindst lige så vigtige.
Tilbage til navigation

Identifikation og materialer, der ofte forveksles

Massivt elementært silicium genkendes mest pålideligt ud fra en kombination af kendetegn: lav densitet for et materiale med metallisk udseende, sprødt muslingeskalsbrud, mørkegrå farve, hård overflade, manglende formbarhed som hos metaller og industriel oprindelse. Fremstillede wafere er lettere at identificere ud fra geometri, hak, polering og teknologiske lag end ved hjælp af felttests.

Ikke-destruktiv undersøgelsesrækkefølge

Undersøg hele objektet, før du tester en enkelt blank overflade. Emballage, etiketter, spor efter forarbejdning, orienteringshak og tilhørende udstyr kan give mere information end selve bruddet.

  • Fastslå objekttypenSkeln mellem silicium fra en smelter, polysilicium, en enkeltkrystal, en wafer, en chip, et belagt substrat, en legering eller en efterligning.
  • Vurdér tætheden kvalitativtSilicium virker overraskende let sammenlignet med galena, hæmatit, stål eller siliciumcarbid af lignende størrelse.
  • Undersøg bruddets geometriSe efter muslingeskalslignende buer, skarpe kanter, lysreflekterende flader og variation i korngrænserne.
  • Undersøg overfladelageneFind ud af, om farven skyldes et oxid, et nitrid, metal, resist, urenheder eller en dekorativ belægning.
  • Se efter en kornet strukturI polykrystallinsk materiale kan man se korngrænser, korn, segregerede urenheder og uregelmæssige brudforløb.
  • Kontrollér de magnetiske egenskaberRent silicium er ikke ferromagnetisk; en stærk reaktion kan tyde på ferrosilicium, fastsiddende metal eller forurening.
  • Undgå ridseprøver på skiverHårdhedsprøver beskadiger polerede overflader og kan forårsage revner, der starter ved kanten.
  • Brug analysemetoder efter behovRaman-spektroskopi, røntgendiffraktion, måling af elektrisk resistivitet, måling af infrarød transmission og sammensætningsanalyse kan bekræfte materialets identitet og teknologiske tilstand.
Materiale Hvorfor det kan ligne silicium Nyttige kendetegn
Kvarts eller kvartsglas Lignende hårdhed, muslingeskalsbrud og en siliciumrig kemisk sammensætning. Kvarts og kvartsglas er SiO₂, som normalt er gennemsigtige eller halvgennemsigtige og ikke-metalliske; elementært silicium er mørkt og uigennemsigtigt.
Siliciumcarbid Mørkt kovalent materiale med metalglans eller regnbueglans på overfladerne. SiC er betydeligt hårdere og tættere; det har ofte en tydeligere kunstig regnbueglans eller pladekrystaller.
Galenit Blygråt metallisk udseende og sprødhed. Galenit er meget tungere og blødere og har perfekt kubisk spaltelighed.
Hæmatit Stålgrå overflader med metallisk eller halvmetallisk glans. Hæmatit er tættere og efterlader en rødbrun streg.
Grafit Mørkegrå farve, halvmetallisk glans og elektrisk ledeevne. Grafit er meget blødt, fedtet at røre ved, efterlader et mørkt mærke og spaltes i bøjelige flager.
Ferrosilicium Industrielle, mørke blokke med metallisk glans og et højt indhold af silicium. Højere densitet, mulige magnetiske egenskaber, faser af metallegeringer og en kemisk sammensætning med et højt jernindhold.
Metalglas eller slagge En mørk, lysreflekterende brudflade og en uregelmæssig industriform. Bobler, flydestruktur, varierende densitet, blandet sammensætning og fravær af kendetegn for krystallinsk silicium.
Belagt glasplade En flad, rund plade med farverige tyndfilm. Lysgennemtrængning ved kanten, lavere densitet, bruddets udseende og optiske undersøgelser hjælper med at skelne glas fra silicium.
Pladens materiale kan ikke bestemmes ud fra farven alene. Blå, violette, gyldne, grønne og rosa film kan dannes på substrater af silicium, glas, safir, siliciumkarbid, kvarts eller halvlederforbindelser.
Tilbage til navigation

Isolering, halvledervidenskab og fremkomsten af siliciums teknologiske platform

Siliciums historie strækker sig fra mineralanalyse til kemisk isolering, fra et sprødt laboratoriemateriale til en krystal med ultrahøj renhed og fra enkeltstående ensrettere til integrerede systemer. Det afgørende vendepunkt var ikke blot opdagelsen af grundstoffet, men også evnen til at kontrollere dets renhed, overflade, krystaldefekter og grænseflader.

Siliciumdioxid identificeres som et oxid af et ukendt grundstof

Kemikere indså, at kvarts og beslægtede materialer indeholder en bestanddel, der modstår almindelige reduktionsmetoder, men det var stadig vanskeligt at isolere den, fordi silicium danner stærke bindinger med ilt.

Urent silicium fremstilles, og det engelske navn tager form

Tidlige reduktionsforsøg frembragte et siliciumholdigt materiale, og det engelske navn »silicon« afløste former, der var dannet mere direkte efter mønster af metalliske grundstoffers navne.

Jöns Jacob Berzelius isolerer amorft silicium

Berzelius fremstillede og beskrev et langt renere grundstof og lagde dermed grundlaget for at fastslå siliciums kemiske identitet.

Krystallinsk silicium fremstilles

Henri Sainte-Claire Deville fik krystallinsk silicium, hvilket gjorde det lettere at undersøge dets glans, sprødhed og struktur.

Silicium bliver materiale i elektroniske detektorer

Spidsslutningsanordninger og krystaldetektorer viste ensretning, før dyrkning af krystaller med høj renhed muliggjorde moderne halvlederteknik.

Silicium med høj renhedsgrad baner vejen for transistorer og praktisk anvendelige solceller

Rensning, kontrol af dopanter, dannelse af overgange og krystalvækst gjorde silicium til et stadig mere praktisk alternativ til germanium.

Overfladepassivering, plantarteknologi og MOS-enheder omformer produktionen

Den kontrollerede grænseflade mellem silicium og oxid gjorde det muligt at beskytte overflader, forme enheders konturer ved hjælp af fotolitografi og skabe integrerede kredsløb med høj komponenttæthed.

Siliciums anvendelsesområder udvides til fotovoltaik, MEMS, fotonik, metrologi og kvanteforskning

Den samme produktionsplatform bruges nu til energiomdannelse, mekaniske sensorer, optiske kredsløb, krystaller med kontrolleret isotopsammensætning og enheder i nanometerskala.

Silicium blev et grundlæggende materiale, ikke fordi det er særligt ledende i naturlig tilstand. Det skyldes, at dets ledningsevne, overflade, geometri og grænseflader kan styres med enestående præcision.

Tilbage til navigation

Vurdering, oprindelse og relativ betydning

Der findes ikke noget universelt vurderingssystem for samlersilicium. Uforarbejdede smelteovnsbarrer, polysiliciumstænger, monokrystaller til forskning, wafere til produktion, chips med mønstrede kredsløb, tidlige solceller, historiske integrerede kredsløb og sjældne naturlige korn vurderes efter forskellige kriterier.

Materialeidentitet

Bekræft, om objektet er elementært silicium, en legering, siliciumkarbid, belagt glas, en teknologisk forarbejdet halvleder eller et andet industrielt materiale.

Krystalform

Notér, om prøven er monokrystallinsk, polykrystallinsk, dendritisk, i form af en amorf film, porøs, revnet, skåret, poleret eller aflejret.

Overfladens integritet

Undersøg kantafskalninger, spaltning langs spaltningsplaner, ridser, uklarhed, fingeraftryk, oxidfarve, delaminering, korrosion og skader på metalliseringslaget.

Teknologisk oprindelse

Producent, dyrkningsmetode, produktionssted, waferens krystallografiske orientering, dopant, resistivitet, diameter, dato og tilsigtet anvendelse kan være vigtigere end et fejlfrit udseende.

Historisk kontekst

Forskningsetiketter, generation af produktionsteknologi, institution, enhedstype, indkapsling og dokumentation kan hjælpe med at fastslå den teknologiske betydning.

Naturlig oprindelse

For at underbygge påstande om naturligt silicium kræves oplysninger om findestedet, værtsmaterialet og analytiske beviser samt den oprindelige matrix bevaret.

Objekttype Vigtigste egenskaber Hvad skal undersøges?
Stykke metallurgisk silicium Karakteristisk brud, industriel oprindelse, urenhedernes tekstur, størrelse og stabil overflade. Om det er ændret ved ferrosilicium, om der er slagger, coating, oxidation eller skarpe kanter, og om oprindelseskilden er dokumenteret.
Polykrystallinsk siliciumpind eller granulat Udfældningsmorfologi, dokumentation for renhed, fremstillingsmetode og intakt struktur. Forurening, spor efter håndtering, brudt tråd, coating og vildledende påstande om en naturlig krystal.
Enkeltkrystalwafer Diameter, orientering, indhak, tykkelse, polering, dopant, resistivitet og vækstmetode. Afslag langs kanterne, mikrorevner, bøjning, ridser, forurening, coating og ukendt bearbejdningshistorik.
Mønstret wafer Komponent- eller testmønster, produktionskontekst, dato, chipopbygning, dokumentation og overfladens bevaringstilstand. Korroderet metal, delaminerede film, rester af fotolak, brækket kant og ufuldstændige oplysninger om oprindelsen.
Historisk chip eller kredsløb Genkendelig funktion, producent, dato, kabinet, institution og teknologisk kontekst. Ændret kabinet, fjernede etiketter, forfalsket mærkning, afbrudte forbindelser og manglende dokumentation.
Prøve af gedigent silicium Naturlig matrix, præcist fundsted, analytisk bekræftelse, målestok og publikationshistorik. Industriel forurening, smeltemateriale, nedslagsfragmenter, kunstig indlejring og udokumenteret oprindelsestilskrivning.
Den højeste renhed betyder ikke altid den største værdi. En dokumenteret tidlig wafer, en usædvanlig prøve til proceskontrol, en mislykket forskningskrystal eller et mikroskopisk fund af gedigent silicium kan give mere information end en skive, der er poleret til spejlglans, men har ukendt oprindelse.
Tilbage til navigation

Håndtering, opbevaring, udstilling og sikkerhed på værkstedet

Massivt elementært silicium er kemisk stabilt under normale indendørs forhold, men kanterne er sprøde, og bearbejdede overflader kan indeholde følsomme oxider, nitrider, metaller, polymerer eller komponentstrukturer. Håndteringen bør tilpasses hele genstanden, ikke kun siliciumsubstratet.

Massive stykker

Opbevar stykker med uregelmæssig form i polstrede holdere, beskyt dem mod at falde, og hold skarpe brudkanter på afstand af andre prøver og hænder.

Ucoatede wafere

Tag fat i kanten med rene handsker eller egnede værktøjer til waferhåndtering. Undgå at bøje dem, trykke på kanterne, stable dem uden mellemlæg og lade dem komme i kontakt med slibende partikler.

Coatede wafere

Antag ikke, at en farverig overflade er modstandsdygtig over for vand, alkohol, opløsningsmidler, rengøringsmidler eller aftørring. Den synlige film kan være blødere og mindre stabil end silicium.

Bearbejdede komponenter

Metalliske spor, kontaktflader, polymerer og indkapslede kredsløb kan korrodere eller delaminere. Aktive elektroniske komponenter kan også kræve beskyttelse mod elektrostatisk udladning.

Støvkontrol

Tørslib ikke silicium, skrub det ikke med sandpapir, bor ikke i det, og knus det ikke uden at tage forholdsregler. Brug egnede vådmetoder eller lokal udsugning, og anvend passende øjen- og åndedrætsværn.

Industriaffald af ukendt oprindelse

Bearbejdet materiale kan have metalfilm, dopstoffer, rester, loddemetal, fotolak eller forurening, som ikke kan ses fra forsiden.

Fare Mulig påvirkning Forebyggelse
Kantpåvirkning Afskalning, radiale revner, udbredelse af brud og skarpe fragmenter. Brug polstrede understøtninger og holdere, der ikke berører kanterne, og opbevar skiven separat.
Bøjning af skive Pludseligt, fuldstændigt brud ved en let bøjning eller en eksisterende kantdefekt. Løft med jævn understøtning, og tving aldrig skiven ind i en for trang holder.
Slibende støv Uoprettelige ridser, uklarhed, tab af glans på poleret overflade og beskadigelse af tyndfilm. Fjern løse partikler med en ren blæsebælg eller en kontrolleret berøringsfri metode, før du tørrer af.
Husholdningsopløsningsmiddel eller rengøringsmiddel Opsvulmning af resist, tab af belægning, metalkorrosion, rester og ændret interferensfarve. Brug ikke vilkårlige kemiske rengøringsmetoder på bearbejdede overflader.
Temperaturgradient Spændingsrevner, delaminering af film og beskadigelse af metallisering. Undgå åben ild, dampe, varmeplader, kraftige lamper og pludselige temperaturændringer.
Elektrostatisk udladning Beskadigelse af fungerende eller historisk betydningsfulde aktive kredsløb. Hvis enheden stadig er elektrisk aktiv eller ubeskyttet, skal du bruge antistatiske forholdsregler, når du håndterer den.
Tørskæring eller slibning Skarpe partikler i luften og potentielt brændbart fint pulver. Brug støvkontrol, der egner sig til professionelt arbejde, og undgå at bearbejde affald med ukendte belægninger.
Ustabil fastgørelse Skiven glider, kanterne klemmes, den går i stykker eller slides ved friktion mod hårde klemmer. Brug brede understøtninger af inerte materialer, der undgår punktbelastning.
Rengøring bør bevare proceshistorikken. En svag oxidfarve, rester af fotolak, et testmærke, kanten af et aflejret lag eller en mønstret film kan være en del af prøvens proceshistorik og ikke snavs, der skal fjernes.
Tilbage til navigation

Dokumentation og ansvarlig beskrivelse

En detaljeret beskrivelse af en siliciump prøve angiver separat grundstofsammensætning, renhedsklasse, krystalstruktur, industriel form, proceshistorik, belægning, enhedstilstand, naturlig oprindelse og tilstand. Betegnelsen »siliciumkrystal« alene kan skjule det meste af den information, der giver prøven betydning.

Materialeidentitet

Angiv, om det er elementært silicium, ferrosilicium, siliciumcarbid, belagt silicium, et glasunderlag, polysilicium eller et andet godkendt materiale.

Krystallinsk struktur

Dokumentér, om strukturen er monokrystallinsk, multikrystallinsk, polykrystallinsk, amorf, porøs, dendritisk eller ukendt.

Vækst- og rensningsmetode

Angiv, hvis det vides, metallurgisk smeltning, aflejring med Siemens-processen, fremstilling af granulat i fluidiseret leje, vækst med Czochralski- eller flydende zone-metoden, støbning eller filmaflejring.

Elektroniske egenskaber

Gem oplysninger om krystallografisk orientering, dopstof, ledningstype, resistivitet, diameter, tykkelse, planhed, iltindholdsklasse og anvendelse i komponenter.

Overfladelagenes struktur

Beskriv, om overfladen er ubelagt, oxideret, nitrideret, metalliseret, dækket med fotoresist, passiveret, mønstret eller ætset, eller om prøven sidder i en indkapsling.

Oprindelse og tilstand

Gem oplysninger om producent, institution, projekt, dato, emballage, tidligere brug, afslag i kanterne, ridser, forurening, reparationer og fotos.

En kort beskrivelse kan stadig være præcis. „Czochralski-dyrket p-type-enkrystallinsk siliciumwafer med (100)-orientering, termisk oxideret, med en mønstret testchip og et afslag ved indhakket i kanten, producent angivet i dokumentationen“ siger langt mere end „blå siliciumskive“.
Tilbage til navigation

Moderne symbolik og refleksion

Moderne symbolske fortolkninger af silicium kan bygge direkte på dets faktiske materialeegenskaber: dets struktur med fire bindinger, kontrollerede dopstoffer, selektiv ledningsevne, grænseflader mellem lag, præcis mønsterdannelse og omdannelsen af rigelige mineralråstoffer til præcise krystallinske platforme. Disse temaer er moderne refleksioner, ikke påstande om gamle siliciumtraditioner.

Først struktur, så kompleksitet

Et enormt elektronisk system begynder med gentagne lokale forbindelser: Hvert atom er forbundet med fire naboer på en forudsigelig måde.

Små tilsætninger, stor virkning

Meget lave koncentrationer af dopstoffer kan ændre ledningsevnen med flere størrelsesordener, hvilket minder os om, at nøje udvalgte bidrag er vigtigere end ukritisk overflod.

Grænseflader skaber funktion

Grænsen mellem silicium og et isolerende lag adskiller ikke blot: Det er netop her, styrede kanaler og komponenter bliver mulige.

Rensning gennem udvælgelse

Den renhed, elektronikken kræver, opnås ved gentagne gange at adskille og måle, ikke ved én imponerende fjernelsesproces.

Begrænsninger defineret af mønstre

Et nyttigt kredsløb leder ikke strøm overalt. Det styrer bevægelsen gennem målrettet udformede områder, barrierer og overgange.

Overflade og indre

Waferens farve kan skyldes en film, der kun er få nanometer tyk, hvilket minder os om, at det ydre udseende og den underliggende struktur hænger sammen, men ikke er det samme.

Oversigt over wafers og Månen

  1. Vælg ét system, der virker komplekst, fordi alle dets dele betragtes som lige ledende.
  2. Fastlæg den grundlæggende struktur, som skal forblive stabil.
  3. Nævn ét bidrag, der skal øges, én urenhed, der skal fjernes, og én grænse, der skal styrkes.
  4. Definér, hvor det skal være let at bevæge sig, og hvor modstand er nyttig.
  5. Vælg én målbar handling, der kan ændre systemet uden at bygge det hele om.
  6. Efter én fuld cyklus skal resultatet evalueres, og kun én variabel ændres ad gangen.
Symbolsk refleksion bliver nyttig, når den omsættes til observerbar praksis. Silicium kan inspirere til at skabe en renere grænseflade, vælge ét bidrag, beskytte én grænse eller åbne én vej, hvor energi og opmærksomhed kan bevæge sig målrettet.
Tilbage til navigation

Læs videre i specialiserede vejledninger om silicium

Silicium kan udforskes gennem elementært siliciums krystallografi, halvlederoptik, geologi, industriel rensning, polykrystallinsk struktur, teknologihistorie, moderne symbolik og refleksionspraksis.

Elementært siliciums struktur og optik Silicium: fysiske og optiske egenskaber Bindinger i et diamantkubisk gitter, densitet, hårdhed, spaltning, båndgab, termiske egenskaber, infrarødstransmission, oxidlag og identifikation. Jorden og materialets oprindelse Silicium: dannelse, geologi og varianter Silicium i mineraler i Jordens skorpe, siliciumdioxidcyklusser, den sjældne forekomst af silicium i ren form i naturen, industriel reduktion, vækst af monokrystaller, amorfe former og beslægtede forbindelser. Vurdering og oprindelse Silicium: vurdering og forekomster Renhed, krystallinitet, wafernes tilstand, industriel oprindelse, forekomst i naturen, belægninger, forarbejdningshistorik, etiketter og vedligeholdelse. Korn og deres grænser Polykrystallinsk silicium: fysiske og optiske egenskaber Kornstruktur, grænsefladedefekter, brud, ætsning, reflektans, ladningsbæreres adfærd, urenhedssegregation og sammenligning med monokrystaller. Historie og teknologi Silicium: historie og kulturel betydning Siliciumdioxid i den tidlige materielle kultur, isolering af grundstoffet, udviklingen af halvlederteknologier, solenergi, integrerede kredsløb og det kulturelle sprog i siliciumalderen. Industriel krystallisering Polykrystallinsk silicium: dannelse og varianter Aflejring af polysilicium, dannelse af kim til korn, støbning, retningsbestemt størkning, råmateriale til solceller, morfologi, rensning og industrielle former. Myter og moderne fortolkninger Silicium: legender og myter Omhyggelig adskillelse af gammel stensymbolik, moderne teknologisk mytologi, metaforer fra den digitale tidsalder, science fiction og nutidige spirituelle fortolkninger. Fokuseret refleksionspraksis Wafermåne Struktureret praksis baseret på grænseflader, kontrolleret input, selektiv ledning, lagdelt lys og én målbar ændring.
Tilbage til navigation

Ofte stillede spørgsmål

Er silicium et metal?

Silicium klassificeres normalt som et halvmetal. Overfladen ser metallisk ud, men det er en kovalent bundet halvleder, hvis ledningsevne afhænger langt mere af temperaturen og dopstofferne end i et almindeligt metal.

Er silicium og siliciumdioxid det samme?

Nej. Silicium er grundstoffet Si. Siliciumdioxid har formlen SiO₂ og omfatter kvarts, cristobalit, tridymit, opal, siliciumdioxidglas og højtryksformer.

Er silicium og silikone det samme?

Nej. Silikoner er en familie af syntetiske polymerer med en hovedkæde af skiftevis silicium- og oxygenatomer, hvortil der er knyttet organiske sidegrupper. Silikonegummi, -olie, -harpiks og -fugemasse er ikke grundstofsilicium.

Hvorfor er silicium som rent grundstof så sjældent?

Silicium danner stærke bindinger med oxygen og indgår let i strukturer af siliciumdioxid og silikater. Det kræver usædvanligt reducerende forhold at danne naturligt grundstofsilicium, og det forekommer normalt i mikroskopiske mængder.

Hvorfor ser en siliciumwafer blå eller lilla ud?

Farven skyldes normalt interferens i et tyndt lag af oxid, nitrid, fotoresist eller en flerlagsfilm. Ubelagt, poleret silicium er mørkegråt til næsten sort.

Hvorfor bruges silicium i computerchips?

Silicium har en passende båndgab-bredde, et oxid af høj kvalitet, der dannes naturligt og termisk, fremragende overfladepassivering, tilstrækkelig varmeledningsevne og mekanisk styrke. Desuden findes råmaterialerne i rigelige mængder, rensningsteknologierne er modne, og fremstillingsmetoderne er højt udviklede.

Hvad er forskellen på silicium af p-typen og n-typen?

Silicium af p-typen indeholder acceptorurenheder, som gør huller til de primære ladningsbærere. Silicium af n-typen indeholder donorurenheder, som gør elektroner til de primære ladningsbærere.

Hvad er et hul?

Et hul er en effektiv positiv ladningsbærer, der er knyttet til fraværet af en elektron i en tilstand i valensbåndet. Det opfører sig, som om en positiv ladning bevæger sig gennem krystallen.

Hvad er polysilicium?

Polysilicium er polykrystallinsk grundstofsilicium med høj renhed. Det aflejres normalt i form af stænger, stykker eller granulat og smeltes senere for at fremstille wafere eller solceller.

Hvad er forskellen på polykrystallinsk og monokrystallinsk silicium?

I monokrystallinsk silicium bevares én krystalorientering i hele det anvendte volumen. Polykrystallinsk silicium består af mange korn, der er adskilt af grænser, som påvirker brud, fordelingen af urenheder og ladningsbærernes transport.

Hvad er amorft silicium?

Amorft silicium har ikke langtrækkende krystallinsk orden og aflejres normalt som en tynd film. Der tilsættes ofte hydrogen for at passivere umættede bindinger og forbedre de elektroniske egenskaber.

Hvad er silicium dyrket med Czochralski-metoden?

Det er monokrystallinsk silicium, der dyrkes ved langsomt at trække og rotere en krystalfrø fra smeltet silicium i en digel af siliciumdioxid. Denne metode bruges til at fremstille de fleste almindelige store halvlederwafere.

Hvad er silicium fremstillet ved zoneudsmeltning uden digel?

Ved zoneudsmeltning uden digel renses og krystalliseres silicium ved at føre en smal smeltezone langs en siliciumstang uden brug af en digel. Metoden kan give et meget lavt iltindhold og en høj specifik modstand.

Hvorfor transmitterer silicium ikke synligt lys, men egner sig til infrarød optik?

Fotoner med synligt lys har normalt tilstrækkelig energi til at blive absorberet ved elektronovergange i silicium. Infrarøde fotoner med lavere energi kan trænge gennem tilstrækkeligt rent materiale inden for et bestemt bølgelængdeområde, som afhænger af anvendelsen.

Er silicium naturligt elektrisk ledende?

Ved stuetemperatur leder rent silicium elektricitet dårligt sammenlignet med et metal. Varme, lys, defekter og tilsigtet doping kan øge dets ledningsevne betydeligt.

Hvorfor øges siliciums ledningsevne, når det opvarmes?

Varme exciterer flere elektroner, så de kan overvinde båndgabet, og danner dermed flere elektron-hul-par. Stigningen i antallet af ladningsbærere kan opveje faldet i mobilitet, som skyldes gittervibrationer.

Kan elementært silicium ridse glas?

En skarp siliciumkant kan ridse mange typer almindeligt glas, fordi hårdheden er cirka 6,5–7 på Mohs-skalaen. Det er ikke nødvendigt at teste hårdheden på en fremstillet wafer eller en dokumenteret prøve, og testen beskadiger dem uopretteligt.

Hvorfor knækker silicium så let, selvom det er hårdt?

Hårdhed beskriver modstandsdygtighed over for ridser, ikke brud. Siliciums gitter med retningsbestemte kovalente bindinger er stift, men sprødt, og tynde wafere er følsomme over for kantdefekter og bøjning.

Kan silicium rengøres med vand?

Ubelagt massivt silicium tåler kortvarig kontakt med vand, men behandlede wafere kan indeholde film, metaller, polymerer eller rester, der ikke tåler det. Ved en uidentificeret behandlet prøve er tør, kontaktfri rengøring det sikreste første valg.

Kan jeg polere en ødelagt siliciumwafer?

Polering fjerner den eksisterende overflade og kan ødelægge den farve, som oxidlaget giver, lag af komponenter, tegn på oprindelse samt kantgeometrien. Det danner også fint støv, så det bør ikke gøres uden videre.

Er siliciumcarbid en form for silicium?

Siliciumcarbid indeholder silicium, men er en selvstændig forbindelse med formlen SiC. Det er hårdere, tættere og mere varmebestandigt, og dets elektroniske egenskaber adskiller sig fra egenskaberne ved elementært silicium.

Hvad betyder hakket i waferen?

Et hak dannes under fremstillingen for at gøre det lettere at bestemme waferens orientering og håndtere den. Det hjælper automatiseret udstyr med at orientere waferen og markerer en referencekrystallografisk retning.

Kan man bestemme filmens nøjagtige tykkelse ud fra oxidets farve?

Under kontrolleret belysning kan farven give en omtrentlig indikation af tykkelsen, men en præcis bestemmelse kræver kalibreret optisk måling, da farven også afhænger af vinklen, underlaget, brydningsindekset og eventuelle ekstra lag.

Hvad bør angives på prøvens etiket?

Angiv det kemiske grundstof, renhed eller kvalitetsklasse, monokrystallinsk eller polykrystallinsk form, dyrkningsmetode, waferens orientering, dopstof og resistivitet, hvis de kendes, belægning, producent, dato, tidligere anvendelse og tilstand.

Tilbage til navigation

Afsluttende betragtninger

Grundlaget for siliciums struktur er en enkel lokal regel: hvert atom danner fire retningsbestemte bindinger. Når denne regel gentages gennem hele krystallen, dannes et gitter, der er stift nok til at være grundlag for præcisionsanordninger, men samtidig skrøbeligt nok til at revne fra en beskadiget kant. De samme bindinger giver et indirekte båndgab, moderat varmeledningsevne, et højt brydningsindeks i det infrarøde spektralområde og en overflade, hvorpå et oxidlag kan dannes med meget præcis kontrol.

I geologiske omgivelser findes silicium sjældent frit. Det bindes til ilt og danner tetraedre, som forbindes til særskilte grupper, ringe, kæder, lag og netværk. Således indgår silicium i kappens mineraler, vulkansk glas, granit, ler, jord, sand, kiselalgers skaller, beton, porcelæn og vinduesglas.

Industriel forarbejdning vender denne naturlige tilbøjelighed til at oxidere i den modsatte retning. Kvarts reduceres, silicium renses ved hjælp af flygtige forbindelser, udfældes som polykrystallinsk silicium, en krystal med kontrollerede egenskaber dyrkes, skæres i skiver, og mønstre dannes i dem ved gentagne cyklusser med tilførsel og fjernelse af materiale. Meget små mængder dopstoffer ændrer de elektriske egenskaber; nanometertynde film ændrer farve og grænseflader; mikroskopiske defekter afgør, om en anordning fungerer eller svigter.

En fuld forståelse af silicium omfatter derfor mineralogi, krystallografi, termodynamik, faststoffysik, optik, metallurgi, kemi, fremstilling, elektronik, energi, konservering og teknologihistorie. Det særlige ved silicium er hverken dets naturlige elektriske ledningsevne eller dets imponerende udseende. Det særlige er, at et almindeligt grundstof, der danner bjergarter, kan renses, og dets struktur og mønstre kan formes, indtil selve materialet bliver programmerbart.

Tilbage til blog