ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ КРЕМНИЯ ВЫСОКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ И ИЗОТОПНОЙ ЧИСТОТЫ А.В.Гусев, В.А.Гавва, А.М.Гибин Институт химии высокочистых веществ РАН г. Нижний Новгород gusev@ihps.nnov.ru Схема получения моноизотопного кремния Выращивание монокристаллов Получение поликристаллического кремния Синтез и глубокая очистка силана Разделение изотопов кремния Синтез и очистка исходных летучих соединений Изотопное разбавление при выращивании монокристалла из кварцевого тигля SiO2 + Si = 2 SiO SiH4 + H2 горелка концентрация. Si-28, % ат. 99.84 О2 99.88 Защитное покрытие тигель 99.92 99.96 0.4 0.8 X/L Получение стержня-подложки из моноизотопного кремния Изготовление монокристаллической затравки Поликристалл моноизотопного кремния U Зонноочищенный кремний Монокристалл природного кремния Распределение концентрации изотопов по длине затравки концентрация изотопа, ат% 28Si 100 C(L)=Ci -(Ci - C0) e-L/U 90 29Si, 30Si 80 70 60 50 0 2 4 6 длина затравки, L/U 8 10 Распределение изотопа кремния-29 по длине затравки ___ - расчет - эксперимент Монокристаллы стабильных изотопов кремния 28Si (99,99%) 29Si (99,92%) 30Si (99,97%) Содержание газообразующих примесей (C,О) <1.1016 см-3 Удельное электросопротивление (300 К) - 100-200 ом*см Примесный состав монокристаллического моноизотопного кремния Элемент H Li Be B C N O F Na Mg Al Si P S Cl K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Примесь, ppm, масс ND <0,001 <0,001 <0,001 ND ND ND <0,01 <0,01 <0,01 <0,04 основа <0,02 <0,05 <0,3 <0,05 0,06 <0,01 <0,02 <0,01 <0,01 <0,01 <0,05 <0,01 <0,01 <0,02 Элемент Примесь, ppm, масс Zn <0,2 Ga <0,05 Ge <0,1 As <0,03 Se <0,05 Br <0,05 Rb <0,05 Sr <0,05 Y <0,05 Zr <0,1 Nb <0,1 Mo <0,3 Ru <0,2 Rh <0,05 Pd <0,2 Ag <0,1 Cd <0,2 In <0,05 Sn <0,1 Sb <0,1 Te <0,2 I <0,05 Cs <0,1 Ba <0,2 La <0,1 Ce <0,1 Элемент Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Th U Примесь, ppm, масс <0,05 <0,2 <0,4 <0,2 <0,5 <0,1 <0,5 <0,05 <0,1 <0,05 <0,2 <0,1 <0,4 ND <0,3 <0,4 <0,8 <0,5 <0,4 <0,2 <0,6 <0,1 <0,5 <0,3 <0,1 <0,1 Изотопный состав моносилана и полученного из него поли- и монокристаллического кремния-29 Масса изотопа Моносилан Поликристалличес кий кремний Монокристалл 28 0,041±0,010 0,023±0,004 0,026±0,005 29 99,909±0,019 99,923±0,016 99,919±0,011 30 0,050±0,015 0,055±0,009 0,054±0,015 Спектры комбинационного рассеяния изотопнообогащенного кремния I, arb.units w = AM -1/2 - B/ M Зависимость положения максимума полосы комбинационного рассеяния от атомной массы ω = 2758 * M-1/2 Теплоемкость изотопнообогащенного кремния Si-28, Si-29, Si-30 12 R T CV = 5 D 4 3 (1) D = 6412 K 29Si: = 6272 K D 30Si: = 6163 K D 28Si: Измерения проведены совместно с Институтом исследований твердого тела общества Макса Планка (Штутгарт, Германия) D (Si28) : D (Si29) : D (Si30) = 1 1 1 : : M Si28 M Si29 M Si30 (2) Теплопроводность изотопнообогащенного кремния-28 Измерения проведены совместно с РНЦ «Курчатовский институт» Теплопроводность изотопнообогащенного кремния-28 в интервале 50-300К 28 Si(99,98%) - data of RRC Kurchatov Institute 28 Si(99,9%) - data of MPI FKF (Stuttgart) 28 Si(99,98%) - data of IChHPS RAS nat Si - data of RRC Kurchatov Institute nat Si - data of MPI FKF (Stuttgart) nat Si - data of IChHPS RAS nat Si - (Touloukian-data) -1 Thermal Conductivity, W.cm.K -1 100 10 1 60 80 100 200 Temperature, K 300 Зависимость ширины запрещенной зоны кремния от атомной массы 1156 1263.8-623.7*M -1/2 1154 Еg, meV 1152 1150 1148 1146 1144 1142 0,182 0,184 0,186 -1/2 м 0,188 0,190 Перспективы применения моноизотопного кремния Создание эталонов свойств и физических постоянных Изотопные сверхрешетки, элементы наноэлектроники Детекторы ионизирующих излучений - с высокой радиационной стойкостью - высокого временного и энергетического разрешения Монохроматоры рентгеновского излучения Рефлекторы для рентгеновских лазеров Квантовые компьютеры Благодарю за внимание ! Схема получения высокочистых моноизотопных силанов Синтез тетрафторида кремния Изотопный состав силанов Изотоп 500-600ºС Na2SiF6(тв) → 2NaF(тв) + SiF4(г) Центробежное разделение 28SiF , 29SiF , 30SiF 4 4 4 Содержание изотопа, % 28SiH 4 29SiH 4 30SiH 4 28 99,9930,001 0,0410,010 0,0140,005 29 0,00620,0007 99,9090,019 0,0420,007 30 0,00080,0004 0,0500,015 99,9440,010 Содержание примесей в очищенном силане Синтез 28SiH4, 29SiH4, 30SiH4 SiF4(г) + 2CaH2(тв.) SiH4(г) + 2CaF2(тв.) Очистка 28SiH4, 29SiH4, 30SiH4 от фторсодержащих примесей Глубокая очистка 28SiH4, 29SiH4, 30SiH4 1. Криофильтрация 2. Низкотемпературная ректификация Примесь С · 106, % мол. Si2H6 (200 ±40) Si2OH6 (10±2) CH4, CHF3, C2H6, изо-C4H10, н-C4H10, C2H4, CO2 <6 C3H6, PH3, С2H5Cl, CH3SiH3, C3H8, C2H5SiH3, Si3H8 <1 (С2H5)2SiH2, AsH3, C2H3F, СH3Cl, транс-1,2-C2H2F2 <0,6 H2S, (CH3)2SiH2, цис-1,2-С2Н2F2 <0,4 C2F4, С2HF3, (SiH3)2CH2, 1,1-C2H2F2, GeH4, SF6 <0,3