Silicis
Linas JuozėnasПоділитися
Кремній: тетраедричний елемент, що поєднує камінь, скло, світло й логіку
Кремній поєднує два масштаби, які рідко розглядають в оповідях про одну й ту саму речовину. У земній корі він утворює каркаси, ланцюги, шари й окремі тетраедри з атомом кисню в центрі, з яких складаються кварц, польовий шпат, глина, слюда, піроксен, амфібол і багато інших мінералів. Після очищення до елементарної форми той самий атом стає точно контрольованим напівпровідником, провідність якого можна змінювати за допомогою надзвичайно малих кількостей легувальних домішок, як-от бору, фосфору та інших подібних елементів. Його цінність визначають не поширеність металу чи колір коштовного каменю, а структура: чотири ковалентні зв’язки, стабільний оксид, змінна ширина забороненої зони та виробнича система, що дає змогу сформувати на полірованій поверхні кристала мільярди пристроїв.
Короткі факти
Елементарний кремній — це ковалентно зв’язаний напівпровідник, а не звичайний метал. Його полірована поверхня може мати металевий вигляд, однак електричні властивості, крихкий злам, оптичне поглинання та кристалічна структура, у якій кожен атом має чотирьох сусідів, відносять його до іншої категорії матеріалів. Майже весь кремній, що трапляється в природі, хімічно сполучений із киснем та іншими елементами; зразки елементарного кремнію колекційного розміру зазвичай очищують або вирощують у лабораторії.
| Термін | Значення | Важлива відмінність |
|---|---|---|
| Кремній | Хімічний елемент Si у вигляді простої речовини, сплаву, кристалічного, полікристалічного або аморфного матеріалу. | Елементарний кремній — це не кварц і не гнучкий силіконовий полімер. |
| Діоксид кремнію | Діоксид кремнію, SiO₂, трапляється у вигляді кварцу, тридиміту, кристобаліту, коеситу, стишовіту, опалу, скла та споріднених матеріалів. | Діоксид кремнію містить кисень, а його властивості дуже відрізняються від властивостей елементарного кремнію. |
| Силікат | Велика група мінералів і матеріалів, структуру яких утворюють тетраедри кремнію й кисню, сполучені з металами та іншими катіонами. | Польовий шпат, слюда, глина, піроксен, амфібол, олівін і гранат — це силікати, а не елементарний кремній. |
| Силікон | Сімейство синтетичних полісилоксанових матеріалів, у полімерному ланцюзі яких атоми кремнію й кисню чергуються. | Силікони можуть бути гумоподібними, рідкими, смолистими або липкими; це не елементарний кремній. |
| Карбід кремнію | SiC — тверда ковалентна кераміка, що трапляється в природі як рідкісний мінерал моісаніт і виробляється в різних формах для технічних потреб. | Він твердіший і щільніший, а його оптичні властивості відрізняються від властивостей елементарного кремнію. |
| Полікремній | Високочистий полікристалічний кремній, осаджений у вигляді стрижнів, шматків або гранул для виробництва напівпровідникових і фотогальванічних виробів. | Назва вказує на численні кристалічні зерна, а не на кремнійвмісний полімер. |
| Монокристалічний кремній | Суцільний кристал з однаковою кристалографічною орієнтацією в усьому використовуваному об’ємі. | Більшість пластин для інтегральних схем виготовляють із ретельно вирощених монокристалічних зливків. |
| Аморфний кремній | Некристалічний кремній, осаджений у вигляді тонкої плівки, зазвичай гідрують, щоб зменшити кількість електронних дефектів. | Йому не властивий далекопорядок кубічної структури типу алмазу, характерний для пластини в кристалі. |
Ідентичність, назва та межа між елементом і мінералом
Кремній — це хімічний елемент, а не загальна назва всіх кремнієвмісних матеріалів. Ця відмінність важлива, адже елементарний кремній — темний, непрозорий, крихкий напівпровідник із кубічною структурою типу алмазу, тоді як кварц — прозорий або напівпрозорий діоксид кремнію, а силікон — синтетичний полімер.
Походження назви сягає слів, пов’язаних із кременем і твердим каменем. Ранні хіміки зрозуміли, що діоксид кремнію, ймовірно, містить невідомий елемент, задовго до того, як змогли його виділити. Сучасну англійську форму silicon прийняли ще до того, як з’явилися достатньо чисті зразки для докладних фізичних досліджень.
Про природний елементарний кремній повідомляли під час досліджень рідкісних метеоритів і сильно відновлювальних середовищ Землі, однак такі знахідки зазвичай мікроскопічні й потребують аналітичного підтвердження. Зразок розміром із долоню з позначкою «кремній» майже завжди є промисловим матеріалом: металургійним кремнієм, полікремнієм, кристалом, вирощеним із розплаву, пластиною або обробленим компонентом.
Елементарний кремній
Ковалентний кристал, утворений лише атомами кремнію, не враховуючи легувальних домішок, забруднень, поверхневого оксиду та шарів, що утворилися під час обробки.
Діоксид кремнію
Кристалічні, склоподібні, опалоподібні або високотискові форми діоксиду кремнію. Його кисневий каркас зумовлює зовсім інші оптичні та хімічні властивості.
Силікатні мінерали
Мінерали, у яких тетраедри кремнію та кисню сполучені з алюмінієм, магнієм, залізом, кальцієм, натрієм, калієм та іншими елементами.
Сплави кремнію
Феросиліцій і сплави алюмінію з кремнієм містять значну кількість кремнію, але за властивостями належать до багатофазних металевих матеріалів, а не до чистих напівпровідників.
Силікони
Промислово вироблені полімери, гнучкість, герметизувальні властивості, термічна стабільність і властивості поверхні яких визначаються основним ланцюгом Si–O з органічними бічними групами.
Термінологія колекціонерів
В описах слід зазначати, чи є зразок металургійного класу чистоти, полікремнієм, монокристалічним чи полікристалічним, матеріалом для пластин, вкритим покриттям, легованим або обробленим.
Атомна архітектура: чому чотири зв’язки змінюють усе
За звичайного тиску кристалічний кремній має кубічну структуру типу алмазу. Кожен атом сполучений із чотирма сусідніми атомами, розташованими в напрямках вершин тетраедра. Ця відкрита спрямована сітка пояснює крихкість і спайність кремнію, його напівпровідникову зонну структуру, порівняно низьку густину та незвичне розширення під час тверднення.
Тетраедрична координація
Кожен атом кремнію утворює чотири міцні ковалентні зв’язки, ідеальний кут між якими становить близько 109,5°. Ця геометрія повторюється в кристалі у трьох вимірах.
Кубічна ґратка типу алмазу
Цю структуру можна описати як дві взаємопроникні кубічні гранецентровані підґратки, зміщені одна відносно одної.
Крихкість і спайність
Монокристали можуть розколюватися вздовж площин {111}. На уламках також видно вигнуті поверхні раковистого зламу, особливо там, де злам не проходить по одній чіткій площині.
Розширення під час тверднення
У рідкому кремнії атоми розташовані щільніше, ніж у відкритій тетраедричній структурі твердого кремнію, тому під час тверднення матеріал розширюється — це незвичайна властивість, притаманна також воді та кільком спорідненим матеріалам.
Структури високого тиску
Під дією надвисокого тиску кремній переходить у щільніші фази з металевими властивостями. Це свідчить, що електричні властивості залежать не лише від складу, а й від розташування атомів.
Ізотопний склад
У природному кремнії переважає ²⁸Si, а ²⁹Si і ³⁰Si трапляються в меншій кількості. Ізотопне очищення важливе для точної метрології та деяких досліджень квантових пристроїв.
Монокристал
Єдина безперервна кристалографічна орієнтація дає змогу передбачати електронне перенесення, контролювати розколювання та забезпечувати відтворюваність виготовлення пристроїв.
Полікристалічний кремній
Численні зерна з різною орієнтацією стикаються на межах, які можуть захоплювати заряд, розсіювати носії заряду, накопичувати домішки або полегшувати руйнування.
Аморфний кремній
Далекого порядку немає. У тонкоплівковій електроніці численні обірвані зв’язки зазвичай пасивують воднем.
Пористий і наноструктурований кремній
Контрольоване травлення або вирощування створює пори, дроти, частинки й фотонні структури, властивості яких відрізняються від властивостей об’ємного кристала.
Кремній на Землі: тетраедри, вивітрювання, осади та життя
Кремній — другий за масою найпоширеніший елемент земної кори, але більша його частина сполучена з киснем. Тетраедр SiO₄ є однією з найважливіших структурних одиниць мінералогії; ці тетраедри з’єднуються різними способами й утворюють породи від мантії до поверхні континентів.
| Структурне розташування | Як з’єднуються тетраедри | Характерні матеріали |
|---|---|---|
| Поодинокі тетраедри | Кожна одиниця SiO₄ залишається окремою і з’єднується з іншими через інші катіони. | Олівін, гранат, циркон і багато мінералів мантії та метаморфічних порід. |
| Парні групи та кільця | Тетраедри ділять деякі атоми кисню, утворюючи подвійні одиниці або замкнуті кільця. | Структури групи епідоту, берил, турмалін і споріднені мінерали. |
| Одинарні ланцюги | Кожен тетраедр ділить два атоми кисню вздовж протяжного ланцюга. | Піроксени, такі як авгіт, діопсид і енстатит. |
| Подвійні ланцюги | Два ланцюги тетраедрів періодично з’єднуються, утворюючи ширші смуги. | Амфіболи, такі як рогова обманка і тремоліт. |
| Шари | Kiekvienas тетраедр ділить три атоми кисню з іншими та утворює широкі шари. | Žėručiai, molio mineralai, talkas, serpentinas ir chloritas. |
| Karkasai | Усі чотири вершини тетраедра беруть участь у тривимірній сітці. | Польові шпати, фельдшпатоїди, цеоліти, кварц і кварцове скло. |
Магматичні породи
Вміст кремнію та насиченість діоксидом кремнію допомагають визначити в’язкість магми, асоціацію мінералів, характер виверження та те, чи кристалізуватимуться кварц, польовий шпат, піроксен, олівін або фельдшпатоїди.
Вивітрювання і ґрунт
Під час вивітрювання силікатів вивільняється розчинена кремнієва кислота й утворюються глинисті мінерали, а протягом геологічних періодів витрачається атмосферний вуглекислий газ.
Пісок і осади
Кварц зберігається протягом багатьох циклів вивітрювання й накопичується в піску, пісковику, пляжних відкладах, дюнах і річкових системах.
Біогенний діоксид кремнію
Діатомові водорості, радіолярії, багато губок і фітоліти рослин утворюють структури з гідратованого або аморфного діоксиду кремнію, отриманого з води чи ґрунту.
Поведінка кремнію в надрах Землі
У мантії кремній входить до складу силікатів високого тиску. За ще вищого тиску координація змінюється, і стабільними стають щільні структури.
Діагенез діоксиду кремнію
Біогенний опал і вулканічне скло, поховані під осадами, можуть перетворюватися на опал-CT, халцедон або кварц, змінюючи пористість і міцність породи.
Фізичні, теплові, хімічні та оптичні властивості
Еталонні значення залежать від температури, орієнтації кристала, концентрації домішок, густини носіїв заряду, структури зерен і обробки поверхні. Тому властивості монокристала напівпровідникової якості відтворюються краще, ніж властивості шматка металургійного кремнію, що містить залізо, алюміній, кальцій, вуглець та інші домішки.
| Властивість | Типове значення або поведінка | Практичне значення |
|---|---|---|
| Атомний номер | 14. | Визначає місце кремнію в 3-му періоді між алюмінієм і фосфором та в групі вуглецю. |
| Стандартна атомна маса | 28,085. | Відображає природну суміш трьох стабільних ізотопів. |
| Кристалічна система | Кубічна, алмазоподібна структура; просторова група Fd3̅m. | Визначає спайність, анізотропні механічні властивості, електронні енергетичні зони та орієнтацію пластинки. |
| Густина | Приблизно 2,329 г/см³ за температури, близької до кімнатної. | Легший за галеніт, гематит, карбід кремнію та більшість схожих матеріалів із металічним виглядом. |
| Твердість | Приблизно 6,5–7 за шкалою Мооса. | Стійкий до подряпин звичайною сталлю, однак його можуть подряпати кварц, корунд, алмаз і тверді абразивні частинки. |
| Спайність і злам | Виражена спайність за площинами {111}; в інших напрямках злам раковистий або нерівний. | Тонкі пластинки та гострі уламки можуть раптово зламатися під час згинання або натискання на край. |
| Температура плавлення | Приблизно 1414 °C. | Дає змогу вирощувати кристали з розплаву, але для цього потрібні контрольовані системи вирощування кристалів, стійкі до високих температур. |
| Температура кипіння | Приблизно 3265 °C. | Важливо для обробки за високих температур і контролю забруднення в паровій фазі. |
| Теплопровідність | Для монокристала високої чистоти за температури, близької до кімнатної, – приблизно 148 W/м·К. | Висока порівняно з іншими напівпровідниками та керамічними твердими матеріалами, але нижча, ніж у міді чи срібла. |
| Теплове розширення | Невелике; його спрямований характер обмежує кубічна кристалічна ґратка. | Корисний у прецизійних пристроях, хоча через температурні градієнти пластина все одно може тріснути. |
| Ширина забороненої зони | Непряма заборонена зона завширшки приблизно 1,12 еВ за кімнатної температури. | Підходить для електроніки та перетворення сонячної енергії на електрику, але випромінює світло менш ефективно, ніж напівпровідники з прямою забороненою зоною. |
| Оптика видимого світла | Сильно поглинає світло та у звичайному масивному вигляді є непрозорим. | Поліровані пластини під поверхневими покриттями мають темно-сірий, сірувато-коричневий або майже чорний вигляд. |
| Інфрачервона оптика | Високий показник заломлення та придатне для практичного використання пропускання в деяких діапазонах ближнього та середнього інфрачервоного випромінювання. | Дає змогу виготовляти інфрачервоні лінзи, віконця, датчики та пристрої інтегральної фотоніки. |
| Природний поверхневий оксид | На повітрі природно утворюється тонка плівка оксиду кремнію; товстіший високоякісний шар оксиду в промисловості вирощують або осаджують. | Пасивує поверхню та утворює технологічно цінний перехід. |
| Хімічні властивості | Завдяки поверхневому оксиду стабільний у воді та за кімнатної температури стійкий до багатьох кислот; на нього діють спеціалізовані травники та сильні луги. | Чищення побутовими засобами зазвичай не потрібне; так можна пошкодити покриття або шари металізації. |
Фізика напівпровідників: носії заряду, легувальні домішки, переходи та міжфазні межі
У чистому кристалічному кремнії за кімнатної температури рухомих носіїв заряду дуже мало порівняно з металом. Його практична користь проявляється, коли температура, світло, електричні поля та ретельно підібрані домішки змінюють кількість і рух електронів та дірок.
Власний кремній
Теплова енергія час від часу переносить електрон через заборонену зону, залишаючи рухомий незайнятий стан, який називають діркою. Електронів і дірок порівну.
Кремній n-типу
Атоми донорної домішки, наприклад фосфору, миш’яку або сурми, віддають електрони, які рухаються кристалом легше, ніж власні носії заряду.
Кремній p-типу
Атоми акцепторів, найчастіше бору, створюють рухливі дірки, які в структурі валентної зони діють як носії позитивного заряду.
p–n-перехід
Там, де стикаються області p-типу та n-типу, перерозподіл заряду створює внутрішнє електричне поле. Робота діодів, фотодіодів, транзисторів і сонячних елементів залежить від властивостей цього переходу.
MOS-перехід
Шар оксиду або подібного діелектрика, сформований у контрольованих умовах, відокремлює електрод затвора від кремнію. Тоді електричні поля на межі розділу створюють або усувають провідний канал.
Дефекти та пастки
Вакансії, дислокації, домішки, межі зерен, ненасичені зв'язки й забруднені поверхні можуть захоплювати заряд або скорочувати час життя носіїв заряду.
| Стан матеріалу | Переважні носії заряду | Спосіб отримання | Звичайне призначення |
|---|---|---|---|
| Власний кремній | Однакова кількість термічно утворених електронів і дірок. | Надзвичайно чистий кристал без навмисно введених електрично активних легувальних домішок. | Точка відліку для оцінювання властивостей, матеріал детекторів і основа для початкового проєктування пристроїв. |
| Кремній n-типу | Електрони. | Цілеспрямоване легування донорними домішками, часто фосфором, миш'яком або стибієм. | Області транзисторів, контакти, діоди, датчики та структури сонячних елементів. |
| Кремній p-типу | Дірки. | Цілеспрямоване легування акцепторними домішками, найчастіше бором. | Підкладки, області транзисторів, переходи, датчики та фотоелектричні пристрої. |
| Компенсований кремній | Визначається балансом донорних і акцепторних атомів. | Наявні обидва типи легувальних домішок, навмисно введені або потрапили внаслідок забруднення. | Точне керування питомим опором або компенсація впливу небажаних домішок. |
| Вироджено легований кремній | Дуже висока концентрація електронів або дірок. | Інтенсивне легування під час імплантації, дифузії або вирощування кристала. | Низькоомні контакти та області, що частково мають властивості провідників. |
Від кварцу до кристала для електроніки
Виробництво кремнію — це послідовність етапів, на яких дедалі точніше контролюють хімічний склад і структуру. Кварц відновлюють до металургійного кремнію, який очищують за допомогою летких сполук, осаджують у вигляді полікремнію, кристалізують у злиток, нарізають на пластини, а потім протягом сотень суворо контрольованих технологічних етапів формують у ньому структури.
- Карбтермічне відновленняВисокочистий кварц або кварцит реагує з вуглецем у печі із зануреною електричною дугою. Спрощене сумарне рівняння реакції: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Кремній металургійної чистотиПродукт, отриманий у печі, зазвичай містить близько 98–99 % кремнію, а вміст домішок усе ще набагато перевищує допустимий для передової електроніки.
- Хімічне перетворенняХімічними реакціями кремній перетворюють на леткі хлорсилани або силан, що дає змогу повторно переганяти його та хімічно очищати.
- Осадження полікремніюОчищені гази розкладаються на нагрітих поверхнях або в системах із псевдозрідженим шаром, утворюючи надчисті стрижні або гранули.
- Вирощування кристалівВитягуванням кристала за методом Чохральського або очищенням методом безтигельного зонного плавлення отримують монокристали з контрольованими властивостями; литтям або спрямованим твердненням отримують мультикристалічний матеріал.
- Виробництво пластинПеред виготовленням приладів злитки орієнтують, розрізають на пластини, заокруглюють їхні краї, а поверхні згладжують, травлять і полірують.
Кварц відновлюють за високої температури
У хімічних реакціях в електричній печі вуглецевмісні матеріали видаляють кисень, утворюючи розплавлений кремній із контрольованим, але все ще високим вмістом домішок.
Кремній перетворюють на гази, придатні для очищення
Леткі сполуки дають змогу хімічним обробленням відокремити бор, фосфор, метали, вуглецевмісні хімічні частинки та інші забруднювачі.
Осаджують надчистий полікремній
Високої чистоти, вираженої багатьма дев’ятками у відсотках, досягають завдяки тому, що на кожному етапі оброблення видаляють або відокремлюють домішки, які інакше змінювали б час життя носіїв заряду та питомий опір.
Визначають орієнтацію кристала
Затравний кристал спрямовує ріст, забезпечуючи збереження заданої орієнтації в зростаючому злитку та контроль концентрації легувальних домішок.
Злиток перетворюють на пластини
Різанням дротяною пилкою отримують тонкі диски. Обробленням країв, хімічним травленням і хіміко-механічним поліруванням створюють пласку поверхню з малою кількістю дефектів.
Прилади формують шарами
Окисненням, осадженням, літографією, травленням, імплантацією, дифузією, очищенням, відпалюванням і металізацією по всій пластині створюють електронні структури.
Промислові форми, типи кристалів і колекційні зразки
Зразки елементарного кремнію зазвичай є продуктами виробництва, а не знахідками геологічних експедицій. Тому найкорисніші відомості про їхнє походження стосуються промислового виробництва: процес, клас чистоти, метод вирощування, орієнтація кристала, покриття, виробник, дата та початкове призначення.
Металургійний кремній
Темні шматки сталево-сірого кольору з блискучими поверхнями зламу, нерівномірно розподіленими домішками, склоподібним зламом і подекуди синюватим або бронзовим поверхневим нальотом.
Полікремнієвий стрижень
Осаджений кремній високої чистоти з матовою, горбистою, зернистою поверхнею або поверхнею, схожою на цвітну капусту, навколо центральної нитки.
Гранули полікристалічного кремнію
Дрібні сипкі частинки, виготовлені так, щоб їх було зручно обробляти й плавити під час вирощування кристалів або виробництва фотогальванічних пристроїв.
Монокристалічний злиток
Циліндричний або іншої форми кристал, орієнтацію, діаметр, вміст кисню, легувальну домішку та питомий електричний опір якого ретельно контролюють.
Дзеркально полірована пластина
Тонкий, надзвичайно плаский диск із виїмкою або прямою ділянкою краю для визначення орієнтації. Колір може бути зумовлений оксидною, нітридною, фоторезистивною або багатошаровою плівкою.
Полікристалічна пластина
Зріз із багатьма кристалічними зернами, часто помітними завдяки протравленим межам, напрямленій текстурі або різному відбиттю світла.
Дендричний кремній
Розгалужені кристалічні форми, вирощені з розплаву шляхом контрольованого охолодження, а не утворені внаслідок звичайного природного росту мінералів.
Плівка аморфного кремнію
Тонкий осаджений шар, який використовують в електроніці, детекторах, дисплеях і фотогальванічних структурах, а не окремий кристал для колекціонування.
Кремній, вирощений методом Чохральського
Вирощується з розплаву в тиглі з діоксиду кремнію. Вміст кисню в ньому можна контролювати; він впливає на механічну міцність і поведінку дефектів.
Кремній, вирощений методом безтигельного зонного плавлення
Вузька розплавлена зона рухається вздовж стрижня без використання тигля, у результаті чого отримують кремній із надзвичайно низьким вмістом кисню та високим питомим електричним опором.
Полікристалічний кремній для сонячних елементів
Традиційно його відливали у злитки, що містять багато кристалічних зерен. Через межі зерен і домішки необхідні пасивація та ретельне проєктування сонячних елементів.
Технологічно оброблений чип
Відрізаний фрагмент пластини з транзисторами, датчиками, з’єднувальними провідниками, оптичними структурами або тестовими візерунками. Видимі кольори здебільшого зумовлені поверхневими плівками.
Історична пластина
Пластина з документованим походженням, пов’язана з відомою дослідницькою програмою, виробничою лінією, поколінням пристроїв або установою, може мати технологічне значення, що перевищує її матеріальну цінність.
Рідкісний самородок кремнію
Природні зерна елементарного кремнію зазвичай мікроскопічні, виявляються аналітичними методами й трапляються в метеориті або незвичній матриці земного походження, а не продаються як великі окремі кристали.
Хімія поверхні, кольори тонких плівок та інфрачервоне світло
Непокритий кремній від природи не має яскраво-синього, фіолетового чи золотистого кольору. Зазвичай ці кольори виникають, коли світло відбивається і від верхньої, і від нижньої межі тонкої прозорої плівки. Навіть незначні зміни товщини оксиду чи нітриду суттєво змінюють інтерференційний колір.
Природний оксид
Під дією повітря утворюється дуже тонкий шар оксиду, який хімічно пасивує поверхню, але може бути надто тонким, щоб створити помітний колір.
Термічний оксид
Контрольоване окиснення створює щільний шар SiO₂, товщину якого можна виміряти оптичними методами й підібрати для ізоляції, маскування та керування властивостями поверхні.
Нітрид кремнію
Покриття з Si₃N₄ використовують для пасивації, керування механічними напруженнями, маскування та зменшення відбиття. Їхні інтерференційні кольори можуть бути схожими на кольори оксиду або яскравішими за них.
Фоторезист і технологічні плівки
Органічні фоторезисти, метали, діелектрики та багатошарові структури створюють додаткові кольори, які не відображають об’ємний колір самого елементарного кремнію.
Прозорість для інфрачервоного випромінювання
Нижче краю поглинання достатньо чистий кремній пропускає частину інфрачервоного спектра й має високий показник заломлення.
Поглинання вільними носіями заряду
За сильного легування утворюються рухливі носії заряду, які поглинають інфрачервоне випромінювання та звужують корисне оптичне вікно.
| Спостережувана ознака | Ймовірна причина | На що зважати під час оцінювання |
|---|---|---|
| Рівномірно сталево-сіра поверхня зламу | Свіжа поверхня елементарного кремнію з тонкою декоративною поверхневою плівкою. | Металургійні домішки можуть затемнювати поверхню або надавати їй плямистого вигляду. |
| Синя, фіолетова, рожева або бурштинова пластина | Інтерференція тонких плівок, спричинена оксидом, нітридом, фоторезистом або багатошаровою технологічною обробкою. | За самим лише кольором не можна визначити тип легувальної домішки, чистоту чи призначення пристрою. |
| Дзеркально-чорна полірована поверхня | Поглинання видимого світла в поєднанні з надзвичайно пласкою відбивною поверхнею. | Темний вигляд не означає, що матеріал аморфний або нечистий. |
| Matова полікристалічна поверхня | Багато дрібних кристалічних стінок, меж зерен, осаджених виступів або хімічне травлення. | Текстура може виникнути під час виробництва, а не внаслідок природної кристалізації. |
| Радіальні або спіральні сліди на пластині | Полірування, очищення, нерівномірне осадження, смуги росту кристала або залишки технологічного процесу. | Щоб відрізнити сліди виробництва від пошкоджень, може знадобитися професійне мікроскопічне дослідження. |
| Правильний виріз або пряма ділянка краю | Елемент орієнтації та обробки, сформований під час виробництва. | Це не пошкодження внаслідок природного розпаду. |
Сфери застосування: від хімії породоутворювальних сполук до програмованих поверхонь
Значення кремнію далеко виходить за межі комп’ютерних процесорів. Його сполуки переважають у геологічних матеріалах, а очищений елементарний кремній використовують для перетворення енергії, у датчиках, механіці, оптиці, хімії та точних вимірюваннях.
Скло та кераміка
Із діоксиду кремнію та силікатів виготовляють віконне скло, волокна, оптичне скло, порцеляну, вогнетривкі матеріали, глазурі, лабораторний посуд і технічну кераміку.
Цемент і бетон
Силікати кальцію визначають більшу частину гідратації портландцементу та зростання міцності бетону.
Інтегральні схеми
На кремнієвих пластинах створюють логічні схеми, пам’ять, аналогову електроніку, системи керування потужністю, зв’язку та змішаних сигналів.
Фотовольтаїка
Кристалічний кремній поглинає сонячне світло, розділяє створені світлом носії заряду на переходах і досі є основою більшості звичайних сонячних модулів.
MEMS і датчики
З кремнію, обробленого методами мікромеханіки, виготовляють акселерометри, датчики тиску, мікрофони, гіроскопи, системи керування рідинами та резонансні структури.
Інфрачервона оптика та фотоніка
Високий показник заломлення та пропускання інфрачервоного випромінювання дають змогу створювати хвилеводи, модулятори, детектори, лінзи й інтегральні оптичні схеми.
Металургійні сплави
Кремній покращує ливарні властивості, розкислює сталь, змінює властивості алюмінієвих сплавів і входить до складу термостійких силіцидів.
Силіконові матеріали
Кінцеві продукти промислової хімії кремнію включають герметики, еластомери, мастила, матеріали для інкапсуляції, матеріали для медичного застосування та термостійкі полімери.
Точна метрологія
Надчисті кристали й кулі кремнію з контрольованим ізотопним складом використовують для вимірювання розмірів і дослідження фундаментальних констант.
Квантові пристрої
Ізотопно очищений кремній може зменшити магнітний шум навколо квантових станів на основі спіну та забезпечити добре розвинену виробничу платформу.
Розпізнавання та матеріали, з якими його найчастіше плутають
Масивний елементарний кремній найнадійніше розпізнається за сукупністю ознак: низькою для матеріалу з металевим виглядом щільністю, крихким раковистим зламом, темно-сірим кольором, твердою поверхнею, відсутністю характерної для металів ковкості та промисловим походженням. Виготовлені пластини легше розпізнати за геометрією, виїмкою, поліруванням і технологічними шарами, ніж за допомогою польових випробувань.
Послідовність неруйнівного дослідження
Перш ніж випробовувати одну блискучу поверхню, огляньте весь об’єкт. Упаковка промислового матеріалу, етикетки, сліди обробки, орієнтаційні виїмки та супутнє обладнання можуть дати більше інформації, ніж сам злам.
- Визначте тип об’єктаВідрізніть кремній, отриманий у плавильній печі, полікремній, монокристал, пластину, чип, підкладку з покриттям, сплав або імітацію.
- Оцініть щільність приблизноКремній здається несподівано легким порівняно з галенітом, гематитом, сталлю або карбідом кремнію подібного розміру.
- Огляньте геометрію зламуШукайте раковисті вигини, гострі краї, площини, що відбивають світло, і різноманітні межі зерен.
- Дослідіть систему поверхневих шарівВизначте, чи колір надає оксид, нітрид, метал, резист, забруднення або декоративне покриття.
- Шукайте зернисту структуруУ полікристалічному матеріалі можуть бути помітні межі кристалів, зерна, сегреговані домішки й нерегулярні траєкторії зламу.
- Перевірте магнітні властивостіЧистий кремній не є феромагнітним; сильна реакція може свідчити про феросиліцій, налиплий метал або забруднення.
- Уникайте подряпин на пластинахВипробування на твердість пошкоджують поліровані поверхні й можуть спричинити тріщини, що починаються від краю.
- За потреби застосовуйте методи аналізуРаманівська спектроскопія, рентгенівська дифракція, вимірювання питомого електричного опору й пропускання інфрачервоного випромінювання, а також методи аналізу складу можуть підтвердити ідентичність матеріалу та його технологічний стан.
| Матеріал | Чому його можна сплутати з кремнієм | Корисні ознаки для розрізнення |
|---|---|---|
| Кварц або кварцове скло | Подібна твердість, раковистий злам і високий вміст кремнію в хімічному складі. | Кварц і кварцове скло — це SiO₂, зазвичай прозорі або напівпрозорі й неметалеві; елементарний кремній темний і непрозорий для видимого світла. |
| Карбід кремнію | Темна ковалентна речовина, поверхні якої мають металевий або райдужний блиск. | SiC значно твердіший і щільніший; для нього часто характерний виразніший штучний райдужний блиск або пластинчасті кристали. |
| Галеніт | Свинцево-сірий металевий вигляд і крихкість. | Галеніт значно важчий і м’якший, має досконалу кубічну спайність. |
| Гематит | Сталево-сірі поверхні з металевим або напівметалевим блиском. | Гематит має вищу густину й залишає червонувато-коричневу риску. |
| Графіт | Темно-сірий колір, напівметалевий блиск і електропровідність. | Графіт дуже м’який, жирний на дотик, залишає темний слід і розшаровується на гнучкі лусочки. |
| Феросиліцій | Промислові темні злитки з металевим блиском і високим вмістом кремнію. | Вища густина, можливі магнітні властивості, фази металевого сплаву та хімічний склад із високим вмістом заліза. |
| Металеве скло або шлак | Темна, світловідбивна поверхня зламу та неправильна форма промислового виробу. | Бульбашки, текстура плину, мінлива густина, неоднорідний склад і відсутність ознак, характерних для кристалічного кремнію. |
| Пластина з покриттям зі скла | Плоска кругла підкладка з барвистими тонкими плівками. | Світлопроникність країв, менша густина, характер зламу та оптичні дослідження допомагають відрізнити скло від кремнію. |
Виділення, наука про напівпровідники та поява технологічних платформ на основі кремнію
Історія кремнію простягається від аналізу мінералів до хімічного виділення, від крихкої лабораторної речовини до надчистого кристала, від окремих випрямлячів до інтегрованих систем. Вирішальним стало не лише відкриття елемента, а й здатність контролювати його чистоту, поверхню, дефекти кристала та міжфазні межі.
Діоксид кремнію розпізнано як оксид невідомого елемента
Хіміки зрозуміли, що кварц і споріднені матеріали містять компонент, стійкий до звичайних методів відновлення, але виділити його й далі було складно, оскільки кремній утворює міцні зв’язки з киснем.
Отримано неочищений кремній і сформувалася його англійська назва
Під час ранніх спроб відновлення було отримано кремнійвмісну речовину, а англійська назва «silicon» замінила форми, утворені безпосередніше за зразком назв металевих елементів.
Йонс Якоб Берцеліус виділяє аморфний кремній
Берцеліус отримав і описав значно чистішу елементарну речовину, заклавши основу для встановлення хімічної ідентичності кремнію.
Отримано кристалічний кремній
Анрі Сент-Клер Девіль отримав кристалічний кремній, що полегшило вивчення його блиску, крихкості та структури.
Кремній стає матеріалом для електронних детекторів
Точкові контактні пристрої та кристалічні детектори демонстрували випрямлення ще до того, як вирощування кристалів високої чистоти створило умови для сучасної напівпровідникової інженерії.
Високочистий кремній відкриває шлях до транзисторів і практичних сонячних елементів
Очищення, контроль легувальних домішок, формування переходів і вирощування кристалів закріпили за кремнієм статус дедалі практичнішої альтернативи германію.
Пасивація поверхні, планарна технологія та MOS-пристрої змінюють виробництво
Контрольована межа розділу кремній-оксид дала змогу захищати поверхні, формувати контури пристроїв фотолітографією та створювати інтегральні схеми з високою щільністю елементів.
Застосування кремнію розширюється на фотоелектрику, MEMS, фотоніку, метрологію та квантові дослідження
Та сама виробнича платформа тепер використовується для перетворення енергії, механічних датчиків, оптичних схем, кристалів із контрольованим ізотопним складом та пристроїв нанометрових розмірів.
Кремній став основоположним матеріалом не тому, що в природному стані він особливо добре проводить струм. Таку роль він здобув завдяки тому, що його електропровідність, поверхню, геометрію та межі розділу фаз можна контролювати з надзвичайною точністю.
Оцінювання, походження та відносна значущість
Універсальної системи оцінювання колекційного кремнію не існує. Для необробленого плавильного зливка, стрижня полікремнію, дослідницького монокристала, виробничої пластини, кристала з нанесеним рисунком схеми, раннього сонячного елемента, історичної інтегральної схеми та рідкісного природного зерна застосовують різні пріоритети оцінювання.
Ідентифікація матеріалу
Підтвердьте, чи є об’єкт елементарним кремнієм, сплавом, карбідом кремнію, покритим склом, технологічно обробленим напівпровідником чи іншим промисловим матеріалом.
Кристалічна форма
Зафіксуйте, чи є зразок монокристалічним, полікристалічним, дендритним, у формі аморфної плівки, пористим, розколотим, розпиляним, полірованим чи осадженим.
Цілісність поверхні
Перевірте сколи на краях, розщеплення вздовж площин спайності, подряпини, помутніння, відбитки пальців, колір оксиду, розшарування, корозію та пошкодження металізаційного шару.
Технологічне походження
Виробник, метод вирощування, місце виробництва, кристалографічна орієнтація пластини, легувальна домішка, питомий електричний опір, діаметр, дата й передбачене призначення можуть бути важливішими за бездоганний вигляд.
Історичний контекст
Наукові етикетки, покоління виробничої технології, установа, тип пристрою, корпус і документація можуть допомогти визначити технологічну значущість.
Природне походження
Щоб обґрунтувати твердження про самородний кремній, потрібні дані про місце знахідки, материнську породу, аналітичні докази та збережена первинна матриця.
| Тип об’єкта | Ключові властивості | Що перевірити |
|---|---|---|
| Шматок металургійного кремнію | Характерний злам, промислове походження, текстура домішок, розмір і стійка поверхня. | Чи не є матеріал підміною феросиліцію, чи немає шлаку, покриття, окиснення, гострих країв і чи задокументоване походження. |
| Полікремнієвий стрижень або гранула | Морфологія осадження, документи про чистоту, метод виробництва й непошкоджена структура. | Забруднення, сліди роботи, обірвана нитка, покриття та оманливі твердження про природний кристал. |
| Монокристалічна пластина | Діаметр, орієнтація, виїмка, товщина, полірування, легувальна домішка, питомий опір і метод вирощування. | Відколи на краях, мікротріщини, викривлення, подряпини, забруднення, покриття та невідома історія обробки. |
| Пластина зі сформованим рисунком | Рисунок пристрою або тестовий шаблон, виробничий контекст, дата, розташування чипів, документи й стан збереження поверхні. | Корозія металу, розшаровані плівки, залишки фоторезисту, відламаний край і неповні дані про походження. |
| Історичний чип або мікросхема | Впізнавана функція, виробник, дата, корпус, установа й технологічний контекст. | Замінений корпус, зняті етикетки, фальшиве маркування, відірвані з’єднання та відсутні документи. |
| Зразок самородного кремнію | Природна матриця, точне місце знахідки, аналітичне підтвердження, масштаб і історія публікацій. | Промислове забруднення, матеріал плавильні, уламки від удару, штучне включення та безпідставне приписування походження. |
Догляд, зберігання, експонування та безпека в майстерні
Масивний елементарний кремній хімічно стабільний за звичайних умов у приміщенні, але його краї крихкі, а оброблені поверхні можуть містити чутливі оксиди, нітриди, метали, полімери чи структури пристроїв. Догляд слід добирати з огляду на весь об’єкт, а не лише на кремнієву основу.
Масивні шматки
Зберігайте уламки неправильної форми в м’яких тримачах, не допускайте їх падіння, а гострі краї зламу тримайте подалі від сусідніх зразків і рук.
Непокриті пластини
Беріть за край чистими рукавичками або відповідними інструментами для роботи з пластинами. Уникайте згинання, натискання на краї, складання без прокладок і контакту з абразивними частинками.
Покриті пластини
Не вважайте, що кольорова поверхня стійка до води, спирту, розчинника, мийного засобу чи протирання. Видима плівка може бути м’якшою й менш стабільною, ніж кремній.
Оброблені пристрої
Металеві доріжки, контактні площадки, полімери та корпусовані мікросхеми можуть кородувати або розшаровуватися. Активним електронним пристроям також може знадобитися захист від електростатичного розряду.
Контроль пилу
Не шліфуйте кремній насухо, не обробляйте наждачним папером, не свердліть і не подрібнюйте його без належних запобіжних заходів. Застосовуйте відповідні вологі методи або місцеве відсмоктування й використовуйте належні засоби захисту очей і органів дихання.
Промислові відходи невідомого походження
На обробленому матеріалі можуть бути металеві плівки, легувальні домішки, залишки, припій, фоторезист або забруднення, яких не видно з лицьового боку.
| Небезпека | Можливий вплив | Спосіб запобігання |
|---|---|---|
| Удар по краю | Викришування, радіальні тріщини, поширення розколу та гострі уламки. | Використовуйте м’які опори й тримачі, що не торкаються країв, та зберігайте окремо. |
| Згинання пластини | Раптове повне руйнування через незначне згинання або наявний дефект краю. | Підіймайте, рівномірно підтримуючи пластину, і ніколи не втискайте її силоміць у затісне кріплення. |
| Абразивний пил | Незворотні подряпини, помутніння, втрата блиску полірованої поверхні та пошкодження тонких плівок. | Перед протиранням видаліть вільні частинки чистою грушею для продування або контрольованим безконтактним способом. |
| Побутовий розчинник або мийний засіб | Набухання резисту, втрата покриття, корозія металу, залишки та зміна інтерференційного кольору. | Не використовуйте на оброблених поверхнях довільно підібрані хімічні засоби очищення. |
| Температурний градієнт | Розтріскування через напруження, відшарування плівок і пошкодження металізації. | Уникайте відкритого полум’я, парів, нагрівальних плит, потужних ламп і різких перепадів температури. |
| Електростатичний розряд | Пошкодження активних або історично значущих діючих схем. | Якщо пристрій і досі електрично активний або незахищений, використовуйте під час роботи з ним засоби захисту від статичної електрики. |
| Сухе різання або шліфування | Гострі частинки, що розносяться повітрям, і потенційно займистий дрібний пил. | Застосовуйте засоби контролю пилу, придатні для професійної роботи, і не обробляйте відходи з невідомими покриттями. |
| Нестійке кріплення | Зісковзування пластини, стискання країв, розламування та стирання через тертя об тверді затискачі. | Використовуйте широкі опори з інертних матеріалів, щоб не створювати точкового навантаження. |
Документування та відповідальний опис
У докладному описі зразка кремнію окремо зазначають елементний склад, клас чистоти, кристалічну структуру, промислову форму, історію технологічного процесу, покриття, стан пристрою, природне походження та стан. Сама назва «кристал кремнію» може приховувати більшість інформації, що надає зразку значення.
Ідентифікація матеріалу
Укажіть, чи це елементарний кремній, феросиліцій, карбід кремнію, кремній із покриттям, скляна підкладка, полікремній чи інший перевірений матеріал.
Кристалічність
Dokumentuokite monokristalinę, daugiakristalę, polikristalinę, amorfinę, porėtąją, dendritinę arba nežinomą sandarą.
Auginimo ir gryninimo metodas
Jei žinoma, nurodykite metalurginį lydymą, nusodinimą Siemenso metodu, granulių gamybą verdančiajame sluoksnyje, auginimą Čochralskio arba slankiosios zonos metodu, liejimą ar plėvelės nusodinimą.
Elektrinės charakteristikos
Išsaugokite duomenis apie kristalografinę orientaciją, legiruojančiąją priemaišą, laidumo tipą, savitąją varžą, skersmenį, storį, plokštumą, deguonies kiekio klasę ir paskirtį įtaisuose.
Paviršiaus sluoksnių sandara
Aprašykite, ar paviršius nedengtas, oksiduotas, nitriduotas, metalizuotas, padengtas fotorezistu, pasyvuotas, suformuoto rašto, ėsdintas, ar bandinys yra korpuse.
Kilmė ir būklė
Išsaugokite duomenis apie gamintoją, instituciją, projektą, datą, pakuotę, ankstesnį naudojimą, kraštų ištrupėjimus, įbrėžimus, užterštumą, taisymus ir nuotraukas.
Šiuolaikinė simbolika ir apmąstymų prasmė
Šiuolaikinės simbolinės silicio interpretacijos gali tiesiogiai remtis tikrosiomis jo medžiaginėmis savybėmis: keturguba ryšių sandara, kontroliuojamomis priemaišomis, atrankiuoju laidumu, sluoksnių sąsajomis, tiksliu raštų formavimu ir gausios mineralinės žaliavos virsmu tikslia kristaline platforma. Šios temos yra šiuolaikiniai apmąstymai, o ne teiginiai apie senovines silicio tradicijas.
Pirmiausia sandara, paskui sudėtingumas
Didžiulė elektroninė sistema prasideda nuo pasikartojančių vietinių ryšių: kiekvienas atomas numatomu būdu susijungęs su keturiais kaimynais.
Mažos priemaišos, didelis poveikis
Labai maža legiruojančiųjų priemaišų koncentracija gali pakeisti laidumą keliomis dydžio eilėmis, primindama, kad kruopščiai parinktos priemaišos svarbesnės už beatodairišką jų gausą.
Sąsajos sukuria funkciją
Riba tarp silicio ir izoliacinio sluoksnio ne vien atskiria: būtent čia tampa įmanomi valdomi kanalai ir įtaisai.
Gryninimas kaip atranka
Elektronikai reikalingas grynumas pasiekiamas kartojant atskyrimą ir matavimą, o ne vienu įspūdingu pašalinimo veiksmu.
Raštu apibrėžti apribojimai
Naudinga grandinė nepraleidžia srovės visur. Ji nukreipia judėjimą per tikslingai suformuotas sritis, barjerus ir sandūras.
Paviršius ir vidus
Plokštelės spalvą gali lemti vos kelių nanometrų storio plėvelė, primindama, kad išorinis vaizdas ir po juo slypinti sandara yra susiję, bet netapatūs.
Plokštelės ir Mėnulio apžvalga
- Pasirinkite vieną sistemą, kuri atrodo sudėtinga, nes kiekviena jos dalis laikoma vienodai laidžia.
- Nustatykite pagrindinę struktūrą, kuri turi išlikti stabili.
- Назвіть один внесок, який варто збільшити, одну домішку, яку слід усунути, та одну межу, яку треба посилити.
- Визначте, де рухатися має бути легко, а де корисний опір.
- Виберіть одну вимірювану дію, яка змінить систему, не перебудовуючи її всю.
- Після одного повного циклу оцініть результат і змінюйте лише одну змінну за раз.
Читайте далі спеціалізовані посібники з кремнію
Кремній можна пізнавати через кристалографію елементарного кремнію, оптику напівпровідників, геологію, промислове очищення, полікристалічну структуру, історію технологій, сучасну символіку та практику роздумів.
Найчастіші запитання
Силіцій — це метал?
Силіцій зазвичай відносять до металоїдів. Його поверхня має металевий вигляд, але це напівпровідник із ковалентними зв’язками, електропровідність якого значно більше залежить від температури й легувальних домішок, ніж у звичайного металу.
Чи силіцій і діоксид силіцію — це те саме?
Ні. Силіцій — це хімічний елемент Si. Формула діоксиду силіцію — SiO₂; до нього належать кварц, кристобаліт, тридиміт, опал, кварцове скло та форми високого тиску.
Чи силіцій і силікон — це те саме?
Ні. Силікони — це родина синтетичних полімерів, основний ланцюг яких складається з почергово розташованих атомів силіцію та кисню, до яких приєднані органічні бічні групи. Силіконова гума, олива, смола й герметик не є елементарним силіцієм.
Чому самородний силіцій такий рідкісний?
Силіцій утворює міцні зв’язки з киснем і легко входить до структур діоксиду силіцію та силікатів. Для утворення природного елементарного силіцію потрібні незвично відновні умови, а його утворення зазвичай мають мікроскопічний розмір.
Чому пластина із силіцію має синій або фіолетовий вигляд?
Зазвичай колір виникає через інтерференцію в тонкій плівці оксиду, нітриду, фоторезисту або багатошаровій плівці. Сама непокрита полірована пластина із силіцію має колір від темно-сірого до майже чорного.
Чому силіцій використовують у комп’ютерних чипах?
Силіцій має відповідну ширину забороненої зони, високоякісний природний і термічний оксид, чудову пасивацію поверхні, достатню теплопровідність і механічну міцність. Крім того, його сировина поширена, технології очищення зрілі, а методи виробництва добре розвинені.
Чим відрізняються силіцій p-типу і n-типу?
Силіцій p-типу містить акцепторні домішки, завдяки яким основними носіями заряду стають дірки. Силіцій n-типу містить донорні домішки, завдяки яким основними носіями заряду стають електрони.
Що таке дірка?
Дірка — це ефективний позитивний носій заряду, пов’язаний із відсутністю електрона в стані валентної зони. Вона поводиться так, ніби крізь кристал рухається позитивний заряд.
Що таке полісиліцій?
Полісиліцій — це високочистий полікристалічний елементарний силіцій. Зазвичай його осаджують у формі стрижнів, шматків або гранул, а потім розплавляють для виготовлення пластин або сонячних елементів.
Чим відрізняються полікристалічний і монокристалічний силіцій?
У монокристалічному силіції в усьому використовуваному об’ємі зберігається одна кристалічна орієнтація. Полікристалічний силіцій складається з багатьох зерен, відокремлених межами, які впливають на руйнування, розподіл домішок і перенесення носіїв заряду.
Що таке аморфний силіцій?
Аморфний кремній не має далекого кристалічного порядку й зазвичай осаджується у вигляді тонкої плівки. Часто додають водень, щоб пасивувати ненасичені зв’язки та поліпшити електронні властивості.
Що таке кремній, вирощений методом Чохральського?
Це монокристалічний кремній, вирощений повільним витягуванням і обертанням затравкового кристала з розплавленого кремнію, що міститься в тиглі з діоксиду кремнію. Цим методом виготовляють більшість звичайних великих напівпровідникових пластин.
Що таке кремній, отриманий безтигельним зонним плавленням?
Кремній, отриманий безтигельним зонним плавленням, очищують і кристалізують, переміщуючи вузьку розплавлену зону вздовж кремнієвого стрижня без використання тигля. Так можна досягти дуже низького вмісту кисню та високого питомого опору.
Чому кремній не пропускає видиме світло, але підходить для інфрачервоної оптики?
Фотони видимого світла зазвичай мають достатньо енергії, щоб поглинатися під час електронних переходів у кремнії. Інфрачервоні фотони з меншою енергією можуть проходити крізь достатньо чистий матеріал у певному діапазоні довжин хвиль, який залежить від сфери застосування.
Чи проводить кремній електрику від природи?
За кімнатної температури чистий кремній проводить електрику слабше, ніж метал. Тепло, світло, дефекти та цілеспрямоване легування можуть значно підвищити його провідність.
Чому провідність кремнію зростає під час нагрівання?
Тепло збуджує більше електронів, даючи їм змогу подолати заборонену зону, і таким чином утворюються додаткові пари електрон-дірка. Збільшення кількості носіїв заряду може переважити зниження рухливості, спричинене коливаннями ґратки.
Чи може елементарний кремній подряпати скло?
Гострий край кремнію може подряпати багато звичайних видів скла, оскільки його твердість за шкалою Мооса становить близько 6,5–7. Перевіряти твердість готової пластини чи задокументованого зразка не потрібно, а така перевірка безповоротно їх пошкодить.
Чому кремній так легко ламається, хоча він твердий?
Твердість визначає опір подряпинам, а не руйнуванню. Ґратка кремнію з напрямленими ковалентними зв’язками жорстка, але крихка, а тонкі пластини чутливі до дефектів країв і згинання.
Чи можна чистити кремній водою?
Необроблений масивний кремній витримує короткочасний контакт із водою, але оброблені пластини можуть мати плівки, метали, полімери або залишки, які цього не витримають. Для невідомого обробленого зразка безпечнішим початковим варіантом є сухе безконтактне очищення.
Чи можна відполірувати зламану кремнієву пластину?
Під час полірування видаляється наявна поверхня, і можна знищити колір, зумовлений оксидом, шари пристроїв, ознаки походження та геометрію країв. Також утворюється дрібний пил, тому не варто ставитися до цього легковажно.
Чи є карбід кремнію різновидом кремнію?
Карбід кремнію містить кремній, але це окрема сполука з формулою SiC. Він твердіший, щільніший і термостійкіший, а його електронні властивості відрізняються від властивостей елементарного кремнію.
Що означає насічка на пластині?
Насічку роблять під час виробництва, щоб полегшити визначення орієнтації пластини та роботу з нею. Вона допомагає автоматизованому обладнанню орієнтувати пластину й позначає опорний кристалографічний напрямок.
Чи можна визначити точну товщину плівки за кольором оксиду?
За контрольованого освітлення колір може приблизно вказувати на товщину, але для точного визначення потрібне каліброване оптичне вимірювання, оскільки колір також залежить від кута, підкладки, показника заломлення та додаткових шарів.
Що слід зазначити на етикетці зразка?
Зазначте хімічний елемент, чистоту або клас якості, монокристалічну чи полікристалічну форму, метод вирощування, орієнтацію пластини, легувальну домішку та питомий електричний опір, якщо вони відомі, покриття, виробника, дату, попереднє використання та стан.
Заключні роздуми
Основою будови кремнію є просте локальне правило: кожен атом утворює чотири напрямлені зв’язки. Повторення цього правила по всьому кристалу створює ґратку, достатньо жорстку, щоб бути основою точних приладів, але водночас достатньо крихку, щоб тріснути від пошкодженого краю. Ті самі зв’язки зумовлюють непряму заборонену зону, середню теплопровідність, високий показник заломлення в інфрачервоній спектральній області та поверхню, на якій можна сформувати шар оксиду з надзвичайно точними контрольованими параметрами.
У геологічному середовищі кремній рідко трапляється у вільному вигляді. Він сполучається з киснем, утворюючи тетраедри, які об’єднуються в окремі групи, кільця, ланцюги, шари та каркаси. Так кремній стає складовою мінералів мантії, вулканічного скла, граніту, глини, ґрунту, піску, панцирів діатомових водоростей, бетону, порцеляни та віконного скла.
Промислова обробка спрямовує цю природну схильність до окиснення у протилежний бік. Кварц відновлюють, кремній очищають за допомогою летких сполук, осаджують у вигляді полікристалічного кремнію, вирощують кристал із контрольованими властивостями, нарізають його на пластини, а потім формують на них візерунки, повторюючи цикли додавання та видалення матеріалу. Надзвичайно малі кількості легувальних домішок змінюють електричні властивості; нанометрові плівки змінюють колір і межі поділу фаз; мікроскопічні дефекти визначають, чи працюватиме пристрій, чи вийде з ладу.
Тому всебічне вивчення кремнію поєднує мінералогію, кристалографію, термодинаміку, фізику твердого тіла, оптику, металургію, хімію, виробництво, електроніку, енергетику, збереження та історію технологій. Його винятковість полягає не в природній електропровідності чи вражаючому вигляді. Вона в тому, що поширений породоутворювальний елемент можна очищати, змінювати його структуру та формувати візерунки, аж поки сам матеріал не стане програмованим.