29 Si

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 = 6412 K
29Si:  = 6272 K
D
30Si:  = 6163 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
99,9930,001
0,0410,010
0,0140,005
29
0,00620,0007
99,9090,019
0,0420,007
30
0,00080,0004
0,0500,015
99,9440,010
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