Кремний
Linas JuozėnasПоделиться
Кремний: тетраэдрический элемент, лежащий в основе камня, стекла, света и логики
Кремний связывает два масштаба, которые редко встречаются в описании одного и того же материала. В земной коре он входит в структуры, цепи, слои и изолированные тетраэдры с кислородом в центре, образующие кварц, полевой шпат, глину, слюду, пироксен, амфибол и бесчисленное множество других минералов. В очищенной элементарной форме тот же атом превращается в полупроводник с точно контролируемыми свойствами, проводимость которого можно изменять ничтожными добавками бора, фосфора и родственных легирующих примесей. Его ценность определяется не металлической распространённостью и не цветом драгоценного камня, а структурой: четырьмя ковалентными связями, стабильным оксидом, регулируемой шириной запрещённой зоны и производственной системой, способной размещать миллиарды устройств на отполированной поверхности кристалла.
Краткие сведения
Элементарный кремний представляет собой ковалентно связанный полупроводник, а не обычный металл. Его отполированная поверхность может выглядеть металлической, но электрические свойства, хрупкий излом, оптическое поглощение и четырёхкратная кристаллическая структура относят его к другой категории материалов. Почти весь природный кремний химически связан с кислородом и другими элементами; образцы элементарного кремния коллекционного размера обычно получают рафинированием или выращивают в лаборатории.
| Термин | Значение | Важное различие |
|---|---|---|
| Кремний | Химический элемент Si в элементарной, легированной, кристаллической, поликристаллической или аморфной форме. | Элементарный кремний - не кварц и не гибкий силиконовый полимер. |
| Кремнезём | Диоксид кремния, SiO₂, встречающийся в виде кварца, тридимита, кристобалита, коэсита, стишовита, опала, стекла и родственных форм. | Диоксид кремния содержит кислород и обладает свойствами, сильно отличающимися от свойств элементарного кремния. |
| Силикат | Большое семейство минералов и материалов, состоящих из тетраэдров кремния и кислорода, связанных с металлами и другими катионами. | Полевые шпаты, слюда, глина, пироксен, амфибол, оливин и гранат - это силикаты, а не элементарный кремний. |
| Силикон | Семейство синтетических полисилоксановых материалов с чередующимися атомами кремния и кислорода в полимерной цепи. | Силиконы могут быть эластичными, жидкими, смолистыми или клеящими; это не элементарный кремний. |
| Карбид кремния | SiC - твердая ковалентная керамика, встречающаяся в природе в виде редкого муассана и выпускаемая во множестве технических форм. | Он тверже, плотнее и оптически отличается от элементарного кремния. |
| Поликремний | Высокочистый поликристаллический кремний, осажденный в виде стержней, кусков или гранул для производства полупроводников и фотоэлектрических устройств. | Название относится ко множеству кристаллических зерен, а не к кремнийсодержащему полимеру. |
| Монокристаллический кремний | Непрерывный кристалл с одной кристаллографической ориентацией по всему полезному объему. | Большинство пластин для интегральных схем начинают с тщательно выращенных монокристаллических слитков. |
| Аморфный кремний | Некристаллический кремний, осажденный в виде тонкой пленки, обычно гидрогенизированный для уменьшения электронных дефектов. | Он не обладает дальним порядком алмазоподобной кубической структуры кристалла пластины. |
Идентичность, названия и граница между элементом и минералом
Кремний - это элемент, а не общее название любого кремнийсодержащего вещества. Это различие важно, поскольку элементарный кремний темный, непрозрачный, хрупкий, обладает полупроводниковыми свойствами и имеет алмазоподобную кубическую структуру, тогда как кварц представляет собой прозрачный или полупрозрачный диоксид кремния, а силикон - синтетический полимер.
Название в конечном счёте происходит от слов, связанных с кремнем и твёрдым камнем. Ранние химики предполагали, что кремнезём, вероятно, содержит неизвестный элемент, задолго до того, как его удалось выделить. Современная английская форма silicon была принята ещё до появления достаточно чистых образцов для полноценного физического изучения.
Самородный элементарный кремний обнаружен в редких метеоритах и сильно восстановительных условиях на Земле, но такие находки обычно имеют микроскопический размер и требуют подтверждения аналитическими методами. Образец размером с ладонь с этикеткой «кремний» почти всегда является промышленным материалом: металлургическим кремнием, поликремнием, выращенным из расплава кристаллом, пластиной или обработанным компонентом.
Элементарный кремний
Ковалентный кристалл, состоящий только из атомов кремния, за исключением легирующих примесей, примесей, поверхностного оксида и технологических слоёв.
Кремнезём
Диоксид кремния в кристаллической, стеклообразной, опаловой или высокобарической форме. Его кислородный каркас обусловливает совершенно иные оптические и химические свойства.
Силикатные минералы
Минералы, в которых кремний-кислородные тетраэдры соединяются с алюминием, магнием, железом, кальцием, натрием, калием и другими элементами.
Кремниевые сплавы
Ферросилиций и алюминиево-кремниевые сплавы содержат значительное количество кремния, но ведут себя как многофазные металлические материалы, а не как чистые полупроводники.
Силиконы
Синтетические полимеры, гибкость, герметизируемость, термостойкость и свойства поверхности которых обусловлены цепью Si–O с органическими боковыми группами.
Терминология коллекционеров
В описаниях следует указывать, является ли образец металлургическим кремнием, поликремнием, монокристаллическим или поликристаллическим материалом, материалом пластины, покрытым, легированным или подвергнутым обработке.
Атомная архитектура: почему четыре связи меняют всё
При обычном давлении кристаллический кремний принимает алмазоподобную кубическую структуру. Каждый атом связан с четырьмя соседями, расположенными по направлениям к вершинам тетраэдра. Эта открытая направленная сеть объясняет хрупкость кремния, спайность, зонную структуру полупроводника, относительно низкую плотность и необычное расширение при замерзании.
Тетраэдрическая координация
Каждый атом кремния образует четыре прочные ковалентные связи с идеальным углом около 109,5°. Геометрия повторяется в кристалле во всех трёх измерениях.
Алмазоподобная кубическая решётка
Структуру можно описать как две взаимопроникающие гранецентрированные кубические подрешётки, смещённые относительно друг друга.
Спайность и излом
Монокристаллы могут раскалываться по плоскостям {111}. На обломках также видны изогнутые раковистые поверхности, особенно там, где излом не проходит по одной чётко выраженной плоскости.
Расширение при затвердевании
Жидкий кремний имеет более плотную упаковку, чем открытая тетраэдрическая кристаллическая структура твёрдого состояния, поэтому при замерзании материал расширяется - необычное свойство, характерное также для воды и нескольких родственных материалов.
Структуры высокого давления
Под экстремальным давлением кремний превращается в более плотные фазы с металлическими свойствами, демонстрируя, что электрическое поведение зависит не только от состава, но и от расположения атомов.
Изотопный состав
В природном кремнии преобладает ²⁸Si, а ²⁹Si и ³⁰Si содержатся в меньших количествах. Изотопная очистка важна для высокоточной метрологии и некоторых исследований квантовых устройств.
Монокристалл
Единая непрерывная ориентация обеспечивает предсказуемый перенос заряда, контролируемое скалывание и воспроизводимое изготовление устройств.
Поликристаллический кремний
Множество зёрен с различной ориентацией встречаются на границах, которые могут захватывать заряд, рассеивать носители, концентрировать примеси или способствовать разрушению.
Аморфный кремний
Дальний порядок отсутствует. Многочисленные оборванные связи обычно пассивируют водородом для использования в тонкоплёночной электронике.
Пористый и наноструктурированный кремний
Контролируемое травление или выращивание создаёт поры, проволоки, частицы и фотонные структуры со свойствами, не похожими на свойства объёмного кристалла.
Кремний на Земле: тетраэдры, выветривание, осадок и жизнь
Кремний — второй по распространённости элемент земной коры по массе, но он почти полностью связан с кислородом. Тетраэдр SiO₄ — одна из важнейших структурных единиц минералогии; соединяясь разными способами, он формирует породы от мантии до поверхности континентов.
| Структурная организация | Как соединяются тетраэдры | Типичные материалы |
|---|---|---|
| Изолированные тетраэдры | Каждая единица SiO₄ остаётся отдельной и соединяется через другие катионы. | Оливин, гранат, циркон и многие мантийные или метаморфические минералы. |
| Парные группы и кольца | Тетраэдры делят отдельные атомы кислорода, образуя двойные единицы или замкнутые кольца. | Структуры группы эпидота, берилл, турмалин и родственные минералы. |
| Одиночные цепочки | Каждый тетраэдр делит два атома кислорода вдоль протяжённой цепочки. | Пироксены, такие как авгит, диопсид и энстатит. |
| Двойные цепочки | Две тетраэдрические цепочки периодически соединяются в более широкие ленты. | Амфиболы, такие как роговая обманка и тремолит. |
| Слои | Каждый тетраэдр делит три атома кислорода с другими тетраэдрами в обширных слоях. | Слюды, глинистые минералы, тальк, серпентин и хлорит. |
| Каркасные структуры | Все четыре вершины тетраэдра участвуют в формировании трёхмерной структуры. | Полевые шпаты, фельдшпатоиды, цеолиты, кварц и стекло кремнезёма. |
Магматические породы
Содержание кремния и насыщенность кремнезёмом помогают определять вязкость магмы, минеральный состав, характер извержения и то, кристаллизуются ли кварц, полевой шпат, пироксен, оливин или фельдшпатоиды.
Выветривание и почва
Силикатное выветривание высвобождает растворённую кремниевую кислоту и образует глинистые минералы, одновременно поглощая атмосферный углекислый газ на протяжении геологического времени.
Песок и осадок
Кварц выдерживает многие циклы выветривания и накапливается в песке, песчанике, пляжных отложениях, дюнах и речных системах.
Биогенный кремнезём
Диатомовые водоросли, радиолярии, многие губки и фитолиты растений строят структуры из гидратированного или аморфного кремнезёма, извлечённого из воды или почвы.
Поведение в глубинных слоях Земли
В мантии кремний входит в состав силикатов высокого давления. При ещё большем давлении координация изменяется, и устойчивыми становятся плотные структуры.
Диагенез кремнезёма
Биогенный опал и вулканическое стекло при захоронении могут перестраиваться в опал-CT, халцедон или кварц, изменяя пористость и прочность породы.
Физические, тепловые, химические и оптические свойства
Справочные значения зависят от температуры, ориентации кристалла, концентрации примесей, концентрации носителей заряда, структуры зёрен и обработки поверхности. Поэтому монокристалл полупроводникового качества воспроизводимее металлургического куска, содержащего железо, алюминий, кальций, углерод и другие примеси.
| Свойство | Типичное значение или поведение | Практическое значение |
|---|---|---|
| Атомный номер | 14. | Располагает кремний между алюминием и фосфором в третьем периоде и в углеродной группе. |
| Стандартная атомная масса | 28.085. | Отражает природную смесь трёх стабильных изотопов. |
| Кристаллическая система | Кубическая, алмазная структура; пространственная группа Fd3̅m. | Определяет спайность, анизотропные механические свойства, электронные зоны и ориентацию пластины. |
| Плотность | Примерно 2,329 г/см³ при температуре около комнатной. | Легче галенита, гематита, карбида кремния и большинства металлических минералов, похожих по внешнему виду. |
| Твёрдость | Примерно 6,5–7 по шкале Мооса. | Устойчив к обычной стали, но уязвим для кварца, корунда, алмаза и твёрдой абразивной пыли. |
| Спайность и излом | Выраженная спайность по {111}; в других направлениях излом раковистый или неровный. | Тонкие пластины и острые фрагменты могут внезапно разрушаться при изгибе или давлении на край. |
| Температура плавления | Примерно 1414 °C. | Позволяет выращивать кристаллы из расплава, но требует использования огнеупорных систем с контролируемым производством кристаллов. |
| Температура кипения | Примерно 3265 °C. | Имеет значение при высокотемпературной обработке и контроле загрязнения в газовой фазе. |
| Теплопроводность | Примерно 148 W/m·K для высокочистого монокристалла при температуре около комнатной. | Высокая для полупроводника и керамикоподобного твёрдого тела, хотя ниже, чем у меди или серебра. |
| Тепловое расширение | Низкое и ограниченное направлениями кубической решётки. | Полезен в прецизионных устройствах, хотя перепады температуры всё ещё могут раскалывать пластины. |
| Запрещённая зона | Непрямозонный, примерно 1,12 эВ при комнатной температуре. | Подходит для электроники и преобразования солнечной энергии, но излучает свет менее эффективно, чем полупроводники с прямой запрещённой зоной. |
| Оптические свойства | Сильно поглощают свет и в обычной массивной форме кажутся непрозрачными. | Полированные пластины под поверхностными покрытиями выглядят тёмно-серыми, коричнево-серыми или почти чёрными. |
| Инфракрасная оптика | Высокий показатель преломления и полезное пропускание в частях ближнего и среднего инфракрасного диапазона. | Подходит для инфракрасных линз, окон, датчиков и интегральной фотоники. |
| Естественный поверхностный оксид | Тонкая плёнка оксида кремния самопроизвольно образуется на воздухе; более толстый высококачественный оксид выращивают или осаждают промышленным способом. | Пассивирует поверхность и создаёт технологически ценную границу раздела. |
| Химические свойства | Стабилен в воде и устойчив ко многим кислотам при комнатной температуре благодаря поверхностному оксиду; подвергается воздействию специальных травителей и сильных щелочей. | Бытовая очистка обычно не требуется и может повредить покрытия или металлизацию. |
Физика полупроводников: носители, примеси, переходы и интерфейсы
Чистый кристаллический кремний содержит при комнатной температуре очень мало подвижных носителей заряда по сравнению с металлом. Его полезные свойства проявляются, когда температура, свет, электрические поля и тщательно подобранные примеси изменяют количество и движение электронов и дырок.
Собственный кремний
Тепловая энергия иногда перебрасывает электрон через запрещённую зону, оставляя подвижную вакансию, называемую дыркой. Электроны и дырки возникают в равном количестве.
Кремний n-типа
Атомы доноров, такие как фосфор, мышьяк или сурьма, вносят электроны, которые перемещаются по кристаллу легче, чем собственные носители.
Кремний p-типа
Атомы акцепторов, чаще всего бора, создают подвижные дырки, которые в структуре валентной зоны ведут себя как положительные носители заряда.
p–n-переход
В месте контакта областей p-типа и n-типа перераспределение заряда создаёт внутреннее электрическое поле. Работа диодов, фотодиодов, транзисторов и солнечных элементов зависит от поведения этого перехода.
МОП-интерфейс
Управляемый оксид или другой диэлектрик отделяет электрод затвора от кремния. Затем электрические поля создают или устраняют проводящий канал на границе раздела.
Дефекты и ловушки
Вакансии, дислокации, примеси, границы зёрен, оборванные связи и загрязнённые поверхности могут захватывать заряд или сокращать время жизни носителей.
| Состояние материала | Преобладающие носители | Способ получения | Типичное применение |
|---|---|---|---|
| Собственный кремний | Равное количество термически генерируемых электронов и дырок. | Чрезвычайно чистый кристалл без намеренно введённой электрически активной примеси. | Эталонное поведение, материал для детекторов и исходная точка для проектирования устройств. |
| Кремний n-типа | Электроны. | Намеренное легирование донорами, часто фосфором, мышьяком или сурьмой. | Области транзисторов, контакты, диоды, датчики и структуры солнечных элементов. |
| Кремний p-типа | Дырки. | Намеренное легирование акцепторами, чаще всего бором. | Подложки, области транзисторов, переходы, датчики и фотоэлектрические устройства. |
| Компенсированный кремний | Определяется соотношением между атомами доноров и акцепторов. | Присутствуют оба типа примесей — намеренно или вследствие загрязнения. | Точная регулировка удельного сопротивления или устранение нежелательных примесей. |
| Вырожденный кремний | Очень высокая концентрация электронов или дырок. | Сильная ионная имплантация, диффузионное или легирование при выращивании. | Низкоомные контакты и области, частично ведущие себя как проводники. |
От кварца к электронному кристаллу
Производство кремния представляет собой последовательность этапов, на которых усиливается химический и структурный контроль. Кварц восстанавливают до кремния металлургической чистоты, очищают с помощью летучих соединений, осаждают в виде поликремния, кристаллизуют в слиток, нарезают на пластины, а затем формируют рисунок в ходе сотен тщательно контролируемых технологических операций.
- Карботермическое восстановлениеКварц или кварцит высокой чистоты вступает в реакцию с углеродом в руднотермической печи. Упрощённое суммарное уравнение реакции: SiO₂ + 2C → Si + 2CO.
- Кремний металлургической чистотыСодержание кремния в продукте печи обычно составляет около 98–99%, а примесей остаётся слишком много для современной электроники.
- Химическое превращениеКремний вступает в реакцию с образованием летучих хлорсиланов или силана, что позволяет многократно проводить дистилляцию и химическую очистку.
- Осаждение поликремнияОчищенный газ разлагается на нагретых поверхностях или в псевдоожиженных системах, образуя стержни или гранулы чрезвычайно высокой чистоты.
- Выращивание кристалловМетоды вытягивания по Чохральскому или зонной плавки создают контролируемые монокристаллы; литьё или направленная кристаллизация создают мультикристаллический материал.
- Производство пластинПеред началом изготовления приборов слитки ориентируют, нарезают, скругляют по краям, шлифуют, травят и полируют.
Кварц восстанавливается при высокой температуре
Химические реакции в электрической печи удаляют кислород с помощью углеродсодержащих реакций и образуют расплавленный кремний с контролируемым, но всё ещё значительным содержанием примесей.
Кремний превращается в очищаемый газ
Летучие соединения позволяют отделять бор, фосфор, металлы, углеродсодержащие соединения и другие загрязнители химическими методами.
Осаждается сверхчистый поликремний
Чистота в несколько девяток достигается потому, что на каждом этапе обработки отбрасываются или отделяются примеси, которые в противном случае изменили бы время жизни носителей и удельное сопротивление.
Определяется ориентация кристалла
Затравочный кристалл направляет рост, благодаря чему формирующийся слиток сохраняет заданную ориентацию и контролируемую концентрацию легирующей примеси.
Слиток превращается в пластины
Резка проволокой позволяет получать тонкие диски. Обработка кромок, химическое травление и химико-механическая полировка создают плоскую поверхность с малым количеством дефектов.
Устройства создаются послойно
Окисление, осаждение, фотолитография, травление, имплантация, диффузия, очистка, отжиг и металлизация создают электронные структуры по всей пластине.
Промышленные формы, типы кристаллов и коллекционные образцы
Образцы элементарного кремния обычно являются продуктами производства, а не геологического коллекционирования. Поэтому наиболее полезные сведения об их происхождении имеют промышленный характер: процесс, класс чистоты, метод выращивания, кристаллографическая ориентация, покрытие, производитель, дата и первоначальное применение.
Металлургический кремний
Тёмные сине-серые куски с яркими поверхностями излома, неравномерными примесями, стекловидным изломом и иногда синеватым или бронзовым поверхностным потускнением.
Стержень из поликремния
Высокочистый осаждённый кремний с матовой, узловатой, зернистой или похожей на цветную капусту поверхностью вокруг центральной нити.
Гранулы поликремния
Мелкие свободно сыпучие частицы, предназначенные для удобного обращения и плавления при выращивании кристаллов или производстве фотоэлектрических элементов.
Монокристаллический слиток
Цилиндрический или профилированный кристалл с тщательно контролируемыми ориентацией, диаметром, содержанием кислорода, легирующей примесью и удельным сопротивлением.
Зеркально полированная пластина
Тонкий, идеально плоский диск с меткой или плоским срезом для ориентации. Цвет может быть обусловлен оксидными, нитридными, фоторезистивными или многослойными плёнками.
Мультикристаллическая пластина
Пластина, содержащая множество зёрен, часто выявляемых по протравленным границам, направленной текстуре или различающейся отражательной способности.
Дендритный кремний
Ветвящиеся формы кристаллов, выращенных из расплава в условиях контролируемого охлаждения, а не типичного природного роста минералов.
Плёнка аморфного кремния
Тонкий осаждённый слой, используемый в электронике, детекторах, дисплеях и фотоэлектрических структурах, а не отдельный кристалл для коллекционирования.
Кремний, выращенный методом Чохральского
Выращивается из расплава в кварцевом тигле. Может содержать контролируемое количество кислорода, влияющее на механическую прочность и поведение дефектов.
Кремний, выращенный методом зонной плавки
Узкая расплавленная зона перемещается вдоль стержня без тигля, обеспечивая исключительно низкое содержание кислорода и высокое удельное сопротивление.
Мультикристаллический кремний для солнечной энергетики
Исторически отливался в блоки, содержащие множество зёрен. Границы зёрен и примеси требуют пассивации и тщательной разработки солнечных элементов.
Обработанный кристалл
Вырезанный фрагмент пластины с транзисторами, датчиками, межсоединениями, оптическими структурами или тестовыми рисунками. Его видимые цвета в основном обусловлены поверхностными плёнками.
Историческая кремниевая пластина
Документально подтверждённая пластина, связанная с определённой исследовательской программой, производственной линией, поколением устройств или учреждением, может иметь технологическое значение, выходящее за рамки стоимости материала.
Редкий самородный кремний
Природные образцы элементарного кремния обычно имеют микроскопические размеры, определяются аналитически и находятся в метеорите или необычной земной матрице, а не продаются в виде крупных отдельных кристаллов.
Химия поверхности, цвет тонких плёнок и инфракрасный свет
Чистый кремний не бывает естественным образом ярко-синим, фиолетовым или золотистым. Такие цвета обычно возникают, когда свет отражается от верхней и нижней границ тонкой прозрачной плёнки. Небольшие изменения толщины оксида или нитрида резко меняют интерференционную окраску.
Естественный оксид
Воздействие воздуха приводит к образованию очень тонкого слоя оксида, который химически пассивирует поверхность, но может быть слишком тонким для создания яркой видимой окраски.
Термический оксид
Контролируемое окисление создаёт плотный слой SiO₂, толщину которого можно измерять оптически и задавать для изоляции, маскирования и управления свойствами поверхности.
Нитрид кремния
Покрытия Si₃N₄ используют для пассивации, управления напряжениями, маскирования и просветления. Их интерференционные цвета могут быть похожи на цвета оксида или превосходить их по насыщенности.
Фоторезист и технологические плёнки
Органические фоторезисты, металлы, диэлектрики и многослойные структуры добавляют дополнительные цвета, которые не отражают собственный цвет элементарного кремния.
Прозрачность в инфракрасном диапазоне
Ниже края поглощения достаточно чистый кремний пропускает части инфракрасного спектра и имеет высокий показатель преломления.
Поглощение свободными носителями заряда
Сильное легирование вводит подвижные носители заряда, которые поглощают инфракрасное излучение, сужая полезный оптический диапазон.
| Наблюдаемая особенность | Вероятная причина | Осторожность при интерпретации |
|---|---|---|
| Однородный стально-серый излом | Свежий элементарный кремний с небольшим количеством декоративной поверхностной плёнки. | Металлургические примеси могут затемнять поверхность или придавать ей крапчатый вид. |
| Синяя, фиолетовая, розовая или янтарная пластина | Интерференция тонких плёнок оксида, нитрида, фоторезиста или многослойной структуры. | Один только цвет не указывает на тип легирующей примеси, чистоту или функцию устройства. |
| Зеркально-чёрная полированная поверхность | Заметное поглощение в сочетании с очень плоской отражающей поверхностью. | Тёмный внешний вид не означает, что материал аморфен или имеет низкую чистоту. |
| Матовая поликристаллическая поверхность | Многочисленные мелкие грани, границы зёрен, осаждённые узелки или химическое травление. | Текстура может быть следствием производства, а не естественной кристаллизации. |
| Радиальные или спиральные следы на пластине | Полировка, очистка, неоднородность осаждения, полосы роста кристалла или остатки технологического процесса. | Чтобы отделить следы производственной истории от повреждений, может потребоваться профессиональная микроскопия. |
| Обычная выемка или плоская грань | Особенность промышленной ориентации и обработки. | Это не повреждение от естественного раскалывания. |
Применения: от химии породообразования до программируемых поверхностей
Влияние кремния выходит далеко за пределы компьютерных процессоров. Его соединения преобладают в геологических материалах, а очищенный элементарный кремний обеспечивает преобразование энергии, сенсорику, механику, оптику, химию и прецизионные измерения.
Стекло и керамика
Кремнезём и силикаты образуют окна, волокна, оптическое стекло, фарфор, огнеупоры, глазури, лабораторную посуду и техническую керамику.
Цемент и бетон
Силикаты кальция регулируют значительную часть гидратации портландцемента и развитие прочности бетона.
Интегральные схемы
Кремниевые пластины используются в логических схемах, памяти, аналоговой электронике, управлении мощностью, системах связи и системах со смешанными сигналами.
Фотовольтаика
Кристаллический кремний поглощает солнечный свет, разделяет фотогенерированные носители заряда в переходах и остаётся основой большинства традиционных солнечных модулей.
МЭМС и датчики
Микрообработанный кремний образует акселерометры, датчики давления, микрофоны, гироскопы, микрофлюидные системы и резонансные структуры.
Инфракрасные технологии и фотоника
Высокий показатель преломления и пропускание инфракрасного излучения обеспечивают создание волноводов, модуляторов, детекторов, линз и интегральных оптических схем.
Металлургические сплавы
Кремний улучшает литейные свойства, раскисляет сталь, изменяет свойства алюминиевых сплавов и участвует в образовании жаростойких силицидов.
Силиконовые материалы
Химия промышленного кремния в конечном счёте обеспечивает производство герметиков, эластомеров, смазочных материалов, инкапсулирующих материалов, материалов медицинского назначения и термостойких полимеров.
Прецизионная метрология
Исключительно чистые кристаллы и сферы кремния с контролируемым изотопным составом поддерживают исследования измерений размеров и фундаментальных констант.
Квантовые устройства
Изотопно очищенный кремний может снижать магнитный шум вокруг квантовых состояний на основе спина и обеспечивать зрелую платформу для производства.
Идентификация и распространённые похожие материалы
Массивный элементарный кремний надёжнее всего распознаётся по сочетанию низкой плотности при металлическом внешнем виде, хрупкому раковистому излому, тёмно-серому цвету, твёрдой поверхности, отсутствию металлической ковкости и промышленному происхождению. Готовые пластины легче идентифицировать по геометрии, вырезу, полировке и технологическим слоям, чем по полевым испытаниям.
Последовательность неразрушающего исследования
Перед испытанием одной яркой грани изучите объект целиком. Для промышленного материала упаковка, этикетки, технологические отметки, установочные вырезы и сопутствующая оснастка могут содержать больше информации, чем сам излом.
- Определите класс объектаРазличайте кремний из плавильной печи, поликремний, монокристалл, пластину, кристалл, подложку с покрытием, сплав или имитацию.
- Оцените плотность качественноКремний кажется неожиданно лёгким по сравнению с галенитом, гематитом, сталью или карбидом кремния сопоставимого размера.
- Исследуйте геометрию изломаИщите раковистые изгибы, острые края, отражающие плоскости и различия по границам зёрен.
- Изучите структуру поверхностных слоёвОпределите, вызван ли цвет оксидом, нитридом, металлом, резистом, загрязнением или декоративным покрытием.
- Изучите структуру зёренПоликристаллический материал может выявить грани, зёрна, выделившиеся примеси и неправильные траектории излома.
- Проверьте магнитные свойстваЧистый кремний не является ферромагнитным; сильная реакция указывает на ферросилиций, прикреплённый металл или загрязнение.
- Не царапайте пластиныИспытания на твёрдость повреждают полированные поверхности и могут вызвать трещины от края.
- При необходимости используйте анализРамановская спектроскопия, рентгеновская дифракция, измерение удельного сопротивления, инфракрасное пропускание и методы определения состава позволяют подтвердить материал и состояние процесса.
| Материал | Почему он может напоминать кремний | Полезные различия |
|---|---|---|
| Кварц или кварцевое стекло | Сходная твёрдость, раковистый излом и химический состав с высоким содержанием кремния. | Кварц и стекло состоят из SiO₂, обычно прозрачны или полупрозрачны и неметалличны; элементарный кремний в видимом свете тёмный и непрозрачный. |
| Карбид кремния | Тёмный ковалентный материал с металлическими или иризирующими поверхностями. | SiC значительно твёрже и плотнее, часто отличается более выраженной искусственной иризацией или кристаллическими пластинками. |
| Галенит | Свинцово-серый металлический вид и хрупкость. | Галенит значительно тяжелее и мягче, для него характерна совершенная кубическая спайность. |
| Гематит | Стально-серые металлические или субметаллические поверхности. | Гематит плотнее и оставляет красно-коричневую черту. |
| Графит | Тёмно-серый цвет, полуметаллический блеск и электропроводность. | Графит очень мягкий, жирный на ощупь, оставляет тёмный след и раскалывается на гибкие чешуйки. |
| Ферросилиций | Промышленные тёмные металлические куски с высоким содержанием кремния. | Более высокая плотность, возможный магнетизм, металлические фазы сплава и химический состав со значительным содержанием железа. |
| Металлическое стекло или шлак | Тёмный отражающий излом и неправильная промышленная форма. | Пузырьки, текстура потёков, переменная плотность, неоднородный состав и отсутствие признаков кристаллического кремния. |
| Пластина из стекла с покрытием | Плоская круглая подложка с разноцветными тонкими плёнками. | Передача света через край, меньшая плотность, характер разрушения и оптические испытания позволяют отличить стекло от кремния. |
Выделение, физика полупроводников и становление кремниевой платформы
История кремния проходит путь от анализа минералов к химическому выделению, от хрупкого лабораторного материала к сверхчистому кристаллу и от отдельных выпрямителей к интегрированным системам. Решающий переход заключался не просто в открытии элемента, а в освоении контроля его чистоты, поверхности, дефектов кристалла и границ раздела.
Кремнезём признан оксидом неизвестного элемента
Химики поняли, что кварц и родственные материалы содержат компонент, устойчивый к обычному восстановлению, однако выделение оставалось трудным, поскольку кремний прочно связывается с кислородом.
Получен примесный кремний и формируется английское название
Первые эксперименты по восстановлению дали материал, содержащий кремний, а название «кремний» заменило формы, более непосредственно смоделированные по названиям металлических элементов.
Йёнс Якоб Берцелиус выделяет аморфный кремний
Берцелиус получил и описал существенно более чистый элементарный материал, заложив основу для химической идентичности кремния.
Получен кристаллический кремний
Анри Сент-Клер Девиль получил кристаллический кремний, благодаря чему его блеск, хрупкость и структура стали доступнее для изучения.
Кремний становится материалом для электронных детекторов
Точечные устройства и кристаллические детекторы продемонстрировали выпрямление тока ещё до того, как выращивание высокочистых кристаллов сделало возможной современную полупроводниковую инженерию.
Высокочистый кремний делает возможными транзисторы и практичные солнечные элементы
Очистка, контроль примесей, формирование переходов и выращивание кристаллов сделали кремний всё более практичной альтернативой германию.
Пассивация поверхности, планарная технология и МОП-устройства преобразуют производство
Контролируемая граница раздела кремний–оксид сделала возможными защиту поверхностей, фотолитографическое формирование устройств и создание плотных интегральных схем.
Кремний распространяется на фотоэлектрику, МЭМС, фотонику, метрологию и квантовые исследования
Та же производственная платформа теперь поддерживает преобразование энергии, механические датчики, оптические схемы, изотопно контролируемые кристаллы и устройства наномасштаба.
Кремний стал основополагающим материалом не потому, что в естественном состоянии особенно хорошо проводит ток. Он стал основополагающим, поскольку его проводимость, поверхность, геометрию и границы раздела можно контролировать с исключительной точностью.
Оценка, происхождение и относительная значимость
Для кремния не существует универсальной системы оценки коллекционной ценности. Грубый кусок, полученный при плавке, стержень из поликремния, научный монокристалл, промышленная пластина, структурированный кристалл, ранний солнечный элемент, историческая интегральная схема и редкое природное зёрнышко требуют разных приоритетов.
Идентификация материала
Подтвердите, является ли объект элементарным кремнием, сплавом, карбидом кремния, стеклом с покрытием, обработанным полупроводником или другим промышленным материалом.
Кристаллическая форма
Зафиксируйте, является ли форма монокристаллической, поликристаллической, дендритной, аморфно-плёночной, пористой, растрескавшейся, резаной, полированной или осаждённой.
Состояние поверхности
Осмотрите сколы по краям, спайность, царапины, помутнение, отпечатки пальцев, цвет оксида, расслоение, коррозию и разрушенную металлизацию.
Происхождение, связанное с процессом
Производитель, метод выращивания, предприятие, ориентация пластины, легирующая примесь, удельное сопротивление, диаметр, дата и предполагаемое применение могут иметь большее значение, чем визуальное совершенство.
Исторический контекст
Исследовательские этикетки, поколение изготовления, учреждение, тип устройства, упаковка и документация могут подтверждать технологическую значимость.
Природное происхождение
Заявления о природном кремнии требуют указания местонахождения, вмещающего материала, аналитических доказательств и сохранности исходной матрицы.
| Тип объекта | Каким признакам отдавать приоритет | Что осматривать |
|---|---|---|
| Кусок металлургического кремния | Характерный излом, промышленный источник, текстура примесей, размер и стабильная поверхность. | Подмена ферросилицием, шлак, покрытие, окисление, острые края и неподтверждённый источник. |
| Стержень или гранула поликремния | Морфология осаждения, документация о чистоте, метод производства и сохранность структуры. | Загрязнение, следы обращения, разрушенная нить, покрытие и вводящие в заблуждение заявления о природном кристалле. |
| Монокристаллическая пластина | Диаметр, ориентация, метка, толщина, полировка, легирующая примесь, удельное сопротивление и метод выращивания. | Сколы по краям, микротрещины, коробление, царапины, загрязнение, покрытие и неизвестная история процесса. |
| Пластина с нанесённым рисунком | Устройство или тестовый рисунок, контекст изготовления, дата, топология кристалла, документация и сохранность поверхности. | Корродированный металл, отслоившиеся плёнки, остатки фоторезиста, повреждённый край и неполная история происхождения. |
| Исторический кристалл или схема | Идентифицируемые назначение, производитель, дата, корпус, учреждение и технологический контекст. | Перепаковка, снятые этикетки, поддельная маркировка, нарушенные соединения и отсутствующая документация. |
| Природный образец кремния | Природная матрица, точное местонахождение, аналитическое подтверждение, масштаб и история публикаций. | Промышленное загрязнение, материал плавильного производства, ударный обломочный материал, искусственная инкрустация и неподтверждённая атрибуция. |
Уход, хранение, экспонирование и безопасность в мастерской
Массивный элементарный кремний химически стабилен при обычных комнатных условиях, однако его края хрупки, а обработанные поверхности могут иметь деликатные оксиды, нитриды, металлы, полимеры или структуры устройств. Уход следует подбирать с учётом всего объекта, а не только кремниевой подложки.
Массивные куски
Поддерживайте неровные фрагменты в мягких держателях, не роняйте их и держите острые края излома подальше от соседних образцов и рук.
Пластины без покрытия
Берите за край в чистых перчатках или подходящими инструментами для пластин. Не допускайте изгибания, давления на края, укладки без разделителей и контакта с абразивными частицами.
Покрытые пластины
Не следует считать, что цветная поверхность устойчива к воде, спирту, растворителям, моющим средствам или протиранию. Видимая плёнка может быть мягче и менее стабильной, чем кремний.
Обработанные устройства
Металлические дорожки, контактные площадки, полимеры и корпуса микросхем могут корродировать или отслаиваться. Для активных электронных устройств также могут потребоваться меры защиты от электростатического разряда.
Контроль пыли
Не шлифуйте всухую, не зачищайте наждачной бумагой, не сверлите и не дробите кремний без необходимости. Используйте подходящие влажные методы или местную вытяжку, а также подходящие средства защиты глаз и органов дыхания.
Неизвестные промышленные обрезки
Обработанный материал может содержать металлические плёнки, легирующие примеси, остатки, припой, фоторезист или загрязнения, не видимые с лицевой поверхности.
| Риск | Возможное последствие | Профилактический подход |
|---|---|---|
| Удар по краю | Сколы, радиальные трещины, распространение сколов и острые осколки. | Используйте мягкие опоры, крепления с зазором от края и раздельное хранение. |
| Изгиб пластины | Внезапный полный излом из-за небольшого изгиба или уже существующего дефекта края. | Поднимайте пластину, равномерно поддерживая её, и никогда не вставляйте её с усилием в тесный держатель. |
| Абразивная пыль | Неустранимые царапины, помутнение, потеря полировки и повреждение тонких плёнок. | Перед протиранием удалите свободные частицы чистой воздушной грушей или контролируемым бесконтактным способом. |
| Бытовой растворитель или чистящее средство | Разбухание резиста, потеря покрытия, коррозия металла, остатки и изменение интерференционной окраски. | Не используйте самодельную химическую очистку обработанных поверхностей. |
| Температурный градиент | Трещины от напряжений, отслоение плёнки и разрушение металлизации. | Избегайте пламени, пара, нагревательных плит, интенсивных ламп и резких изменений температуры. |
| Электростатический разряд | Повреждение функциональной или исторически значимой активной схемы. | Используйте антистатические средства при обращении, если устройство сохраняет электрическую активность или не защищено. |
| Сухая резка или шлифовка | Острые взвешенные частицы и потенциально горючий мелкодисперсный порошок. | Используйте профессионально подходящие средства контроля пыли и не обрабатывайте неизвестные обрезки с покрытием. |
| Нестабильное крепление | Скольжение пластины, давление на край, разрушение и истирание о жёсткие зажимы. | Используйте широкие инертные опоры без точечной нагрузки. |
Документирование и ответственное описание
Качественная документация кремниевого образца разделяет элементный состав, класс чистоты, кристаллическую структуру, промышленную форму, историю обработки, покрытие, состояние устройства, природное происхождение и состояние. Одно лишь обозначение «кристалл кремния» может скрывать большую часть информации, придающей образцу ценность.
Идентификация материала
Фиксируйте элементарный кремний, ферросилиций, карбид кремния, кремний с покрытием, стеклянную подложку, поликремний или другой подтверждённый материал.
Кристалличность
Документируйте монокристаллическую, мультикристаллическую, поликристаллическую, аморфную, пористую, дендритную или неизвестную структуру.
Метод выращивания и рафинирования
По возможности указывайте металлургическую плавку, осаждение по методу Сименса, гранулы из кипящего слоя, выращивание по Чохральскому, выращивание методом зонной плавки, литьё или осаждение плёнки.
Электронные характеристики
Сохраняйте ориентацию, тип легирующей примеси, тип проводимости, удельное сопротивление, диаметр, толщину, плоскостность, класс по содержанию кислорода и назначение устройства.
Поверхностная структура
Описывайте состояние: без покрытия, окисленное, нитридированное, металлизированное, покрытое фоторезистом, пассивированное, с нанесённым рисунком, травлёное или упакованное.
Происхождение и состояние
Сохраняйте сведения о производителе, учреждении, проекте, дате, упаковке, прежнем использовании, сколах по краям, царапинах, загрязнениях, ремонте и фотографиях.
Современная символика и рефлексивное значение
Современные символические интерпретации кремния могут напрямую опираться на его реальные свойства материала: четырёхкратную структуру, контролируемые примеси, избирательную проводимость, многослойные интерфейсы, точное нанесение рисунка и превращение распространённого минерального сырья в точную кристаллическую платформу. Эти темы представляют собой современные размышления, а не утверждения о древних традициях, связанных с кремнием.
Сначала структура, затем сложность
Обширная электронная система начинается с повторяющихся локальных связей: каждый атом предсказуемо связан с четырьмя соседями.
Малые добавки, большие эффекты
Крошечные концентрации легирующих примесей могут менять проводимость на порядки, показывая, что тщательно выбранные входные воздействия важнее безразборного изобилия.
Интерфейсы создают функциональность
Граница между кремнием и изолирующим слоем — это не просто разделение; именно здесь становятся возможными управляемые каналы и устройства.
Очистка как отбор
Электронная чистота достигается посредством многократного разделения и измерения, а не одним радикальным удалением.
Ограничение с заданным рисунком
Полезная схема проводит не везде. Она направляет движение через специально определённые области, барьеры и переходы.
Поверхность и внутренняя часть
Цвет пластины может определяться плёнкой толщиной всего в несколько нанометров, напоминая, что внешний вид и underlying структура связаны, но не идентичны.
Обзор «Вафельная луна»
- Выберите одну систему, которая кажется сложной, потому что к каждой её части относятся как к одинаково проводящей.
- Определите центральную структуру, которая должна оставаться стабильной.
- Назовите один входной сигнал, который следует усилить, одну примесь, которую нужно удалить, и одну границу, которую следует укрепить.
- Определите, где движение должно быть свободным, а где полезно сопротивление.
- Выберите одно измеримое действие, которое изменит систему, не требуя перестройки всего.
- Оцените результат после одного полного цикла и изменяйте только одну переменную за раз.
Перейти к специализированным руководствам по кремнию
Кремний можно изучать через кристаллографию элементов, оптику полупроводников, геологию, промышленное рафинирование, поликристаллическую структуру, историю технологий, современную символику и рефлексивную практику.
Часто задаваемые вопросы
Кремний - это металл?
Кремний обычно классифицируют как металлоид. У него поверхность с металлическим блеском, но это ковалентно связанный полупроводник, электропроводность которого гораздо сильнее зависит от температуры и легирующих примесей, чем у обычного металла.
Кремний - это то же самое, что диоксид кремния?
Нет. Кремний - это элемент Si. Диоксид кремния - это SiO₂; к нему относятся кварц, кристобалит, тридимит, опал, кварцевое стекло и высокобарические формы.
Кремний - это то же самое, что силикон?
Нет. Силикон - это семейство синтетических полимеров с чередующейся кремний-кислородной цепью и органическими боковыми группами. Силиконовые резина, масло, смола и герметик не являются элементарным кремнием.
Почему самородный кремний настолько редок?
Кремний прочно связывается с кислородом и легко входит в состав структур из диоксида кремния и силикатов. Природный элементарный кремний требует необычно восстановительных условий и обычно встречается лишь в микроскопических количествах.
Почему кремниевая пластина выглядит синей или фиолетовой?
Цвет обычно возникает из-за интерференции в тонкой плёнке оксида, нитрида, фоторезиста или многослойной структуре. Чистый кремний сам по себе при полировке имеет тёмно-серый, почти чёрный цвет.
Почему кремний используют в компьютерных микросхемах?
Кремний сочетает в себе подходящую ширину запрещённой зоны, высококачественный собственный и термический оксид, отличную пассивацию поверхности, достаточную теплопроводность, механическую прочность, доступное сырьё, отлаженные методы очистки и высокоразвитые технологии изготовления.
В чём разница между кремнием p-типа и n-типа?
Кремний p-типа содержит акцепторные примеси, благодаря которым дырки становятся основными носителями заряда. Кремний n-типа содержит донорные примеси, благодаря которым электроны становятся основными носителями заряда.
Что такое дырка?
Дырка - это эффективный положительный носитель, связанный с отсутствующим электронным состоянием в валентной зоне. Она ведёт себя так, будто положительный заряд движется через кристалл.
Что такое поликремний?
Поликремний - это высокочистый поликристаллический элементарный кремний. Обычно его осаждают в виде стержней, кусков или гранул, а затем расплавляют для производства пластин или солнечных элементов.
В чём разница между поликристаллическим и монокристаллическим кремнием?
Монокристаллический кремний сохраняет единую кристаллографическую ориентацию по всему рабочему объёму. Поликристаллический кремний состоит из множества зёрен, разделённых границами, которые влияют на разрушение, распределение примесей и перенос носителей заряда.
Что такое аморфный кремний?
Аморфный кремний не имеет дальнего кристаллического порядка и обычно осаждается в виде тонкой плёнки. Для пассивации оборванных связей и улучшения электронных свойств обычно добавляют водород.
Что такое кремний, выращенный методом Чохральского?
Это монокристаллический кремний, который выращивают медленным вытягиванием и вращением затравки из расплавленного кремния, находящегося в кварцевом тигле. Большинство обычных крупных полупроводниковых пластин производят этим методом.
Что такое кремний, выращенный зонной плавкой?
Кремний, выращенный зонной плавкой, очищают и кристаллизуют, перемещая узкую расплавленную зону вдоль кремниевого стержня без тигля. Это позволяет достичь очень низкого содержания кислорода и высокого удельного сопротивления.
Почему кремний непрозрачен для видимого света, но используется в инфракрасной оптике?
Видимые фотоны обычно обладают достаточной энергией, чтобы поглощаться при электронных переходах в кремнии. Инфракрасные фотоны с более низкой энергией могут проходить через достаточно чистый материал в диапазоне длин волн, зависящем от конкретного применения.
Проводит ли кремний электричество сам по себе?
Чистый кремний при комнатной температуре проводит ток значительно хуже металла. Тепло, свет, дефекты и преднамеренное легирование могут существенно повысить его проводимость.
Почему проводимость кремния увеличивается при нагревании?
При нагревании большее число электронов получает энергию для перехода через запрещённую зону, что создаёт дополнительные электронно-дырочные пары. Рост концентрации носителей может перевешивать снижение подвижности, вызванное колебаниями решётки.
Может ли элементарный кремний царапать стекло?
Острый край кремния может царапать многие обычные виды стекла, поскольку его твёрдость составляет около 6,5–7 по шкале Мооса. Проверять готовую пластину или документированный образец не требуется, поскольку это приведёт к необратимому повреждению.
Почему кремний так легко ломается, если он твёрдый?
Твёрдость показывает устойчивость к царапанию, а не устойчивость к разрушению. Направленная ковалентная решётка кремния жёсткая, но хрупкая, а тонкие пластины чувствительны к дефектам по краям и изгибу.
Можно ли очистить кремний водой?
Необработанный массивный кремний выдерживает кратковременный контакт с водой, но обработанные пластины могут иметь плёнки, металлы, полимеры или остаточные загрязнения, которые его не переносят. Сухая бесконтактная очистка является более безопасным вариантом по умолчанию для неизвестного обработанного образца.
Можно ли отполировать разбитую кремниевую пластину?
Полировка удаляет существующую поверхность и может уничтожить цвет оксида, слои устройства, сведения о происхождении и геометрию края. Она также создаёт мелкую пыль, поэтому не следует приступать к ней без необходимости.
Является ли карбид кремния формой кремния?
Карбид кремния содержит кремний, но является отдельным соединением с формулой SiC. Он твёрже, плотнее, более термостоек и отличается по электронным свойствам от элементарного кремния.
Что означает прорезь на кремниевой пластине?
Прорезь является изготовленным элементом для ориентации и обращения. Она помогает автоматизированному оборудованию выравнивать пластину и указывает опорное кристаллографическое направление.
Может ли цвет оксида показать точную толщину плёнки?
Цвет может дать приблизительное представление при контролируемом освещении, но для точного определения толщины требуется откалиброванное оптическое измерение, поскольку цвет также зависит от угла, подложки, показателя преломления и дополнительных слоёв.
Что должно быть указано на этикетке образца?
Укажите элементный состав, чистоту или марку, монокристаллическую или поликристаллическую форму, метод выращивания, ориентацию пластины, легирующую примесь и удельное сопротивление, если они известны, покрытие, производителя, дату, предыдущее использование и состояние.
Итоговое размышление
Кремний начинается с простого локального правила: каждый атом образует четыре направленные связи. Повторяясь в кристалле, это правило создаёт решётку, достаточно жёсткую для поддержки прецизионных устройств, но достаточно хрупкую, чтобы скалываться от повреждённого края. Те же связи формируют непрямую запрещённую зону, умеренную теплопроводность, высокий показатель преломления в инфракрасном диапазоне и поверхность, способную нести исключительно контролируемый оксид.
В геологии кремний редко встречается отдельно. Он соединяется с кислородом, образуя тетраэдры, а те формируют изолированные группы, кольца, цепочки, слои и каркасы. Благодаря им кремний входит в состав минералов мантии, вулканического стекла, гранита, глины, почвы, песка, панцирей диатомовых водорослей, бетона, фарфора и оконного стекла.
Промышленная обработка обращает естественную склонность к окислению вспять. Кварц восстанавливают, очищают через летучие соединения, осаждают в виде поликремния, выращивают в форме контролируемого кристалла, нарезают на пластины и структурируют посредством повторяющихся циклов нанесения и удаления. Незначительные примеси перенаправляют электрические свойства; плёнки нанометровой толщины изменяют цвет и характеристики границ раздела; микроскопические дефекты определяют, будет ли устройство работать или выйдет из строя.
Полное понимание кремния объединяет минералогию, кристаллографию, термодинамику, физику твёрдого тела, оптику, металлургию, химию, производство, электронику, энергетику, охрану природы и историю технологий. Его определяющее свойство не в том, что он обладает природной проводимостью или отличается впечатляющим внешним видом. Оно в том, что распространённый породообразующий элемент можно очистить, структурировать и наносить по заданному рисунку, пока сама материя не станет программируемой.