Что получают из кварца

Кварц: формула и химические свойства, виды и применение

Кварц считается одним из самых распространённых минералов на Земле, выступающим в качестве породообразующего вещества многих магматических и метаморфических материалов.

Его массовая доля в коре планеты превышает 60%.

Под общей формулой кварца объединяется множество видов минерала, которые отличаются своими физическими и химическими свойствами.

Свойства минерала

Слово «кварц» имеет немецкое происхождение. Согласно одной из версий, оно образовалось от «quarz», что значит «твёрдый», а по другой — от слов «querklüfterz» или «quererz» (при дословном переводе означает «руда секущих жил»). Формула кварца в химии — SiO2 (диоксид кремния).

В чистом виде этот минерал бесцветен и прозрачен или же обладает белой окраской, которая может образовываться из-за трещин во внутренней структуре или кристаллических дефектов. Он отличается блестящей поверхностью, которая может напоминать стекло. Иные оттенки у этого камня появляются из-за примеси других веществ (чаще всего — оксидов железа).

Кварц минерал и его свойства

Кварц принято относить к группе стеклообразующих оксидов, благодаря чему он может выступать главной составляющей для создания стекла. Ещё одним свойством камня является способность пропускать ультрафиолетовые лучи. Минерал считается твёрдым материалом, он даже способен оставлять царапины на стекле.

Этот материал обладает отсутствием спайности, свойствами пьезоэлектрика и диэлектрика, стойкостью к выветриванию (не разлагается химическим путём). Температура плавления камня составляет +1713−1728 градусов по Цельсию. Он почти не вступает в реакцию с кислотами — исключение составляет лишь HF (плавиковая кислота), при взаимодействии кварца с которой образуется летучее соединение SiF4. При этом минерал способен поддаваться влиянию щелочных составов.

У камня существуют двойники — полевой шпат, халцедон, нефелин, опал и топаз.

Полевой шпат можно отличить по совершенной спайности в 2 направлениях, которой кварц не обладает вовсе. Опал и халцедон можно отличить даже внешне по восковому блеску и более плотному строению. Нефелин способен растворяться в крепком растворе серной кислоты, а топазу свойственна спайность в 1 направлении.

Происхождение кварца

Кварц образуется в результате различных геологических процессов. Он способен кристаллизоваться непосредственно из магмы с кислым составом, образуя порфировые вкрапленники. Камень формируется на основе пегматитовых магм, которые обогащены флюидами, и считается одним из основных минералов в группе гранитных пегматитов. При этом материал срастается с калиевым полевым шпатом, который и считается пегматитом, причём внутренние части таких жил довольно часто состоят из чистого кварца.

Минерал входит как в интрузивные породы (диорит, гранит), так и в эффузивные материалы (дацит, риолит) с кислым и средним составом. Камень также встречается в магматических образованиях основного состава (кварцевое габбро).

Кроме того, кварцевые и хрусталеносные жилы могут появляться в результате гидротермального процесса. При этом особенно важными считаются слои этого минерала, которые относятся к альпийскому типу. При преобладании поверхностных условий кварц способен накапливаться в россыпях разнообразного генезиса — эоловых, прибрежно-морских, аллювиальных и других.

Главным поставщиком натурального кварца считается Бразилия. Месторождения минерала встречаются и в других регионах:

Индии,
• Шри-Ланке,
• Мадагаскаре;
• Бирме;
• Швейцарии;
• Уругвае.

В России этот камень также добывается. Он встречается на Урале (деревни Шайтанка, Липовка, Южаковка, Мурзинка и другие), на территории Якутии (Большая Хатыма), Приморье, Восточном Оренбуржье.

Основные виды камня

Несмотря на общую для всей группы химическую формулу, кварц встречается во множестве вариаций, причём ни один из других минералов не может похвастаться таким огромным количеством разновидностей. К основным видам относятся:

1. Горный хрусталь — полностью прозрачный и бесцветный материал, который считается чистой разновидностью кварца, не имеющей примесей. Оникс — непрозрачный камень, имеет коричневый оттенок и поверхность, украшенную белыми или чёрными рисунками. Может содержать красно-коричневые, медовые, розоватые, желтоватые или коричнево-жёлтые вкрапления. Этот вид часто обладает плоско-параллельными прослойками разных тонов.
2. Авантюрин — кварцит желтоватого или буровато-красного оттенков, имеет мерцающую поверхность. Его цвет и фактура связаны с примесями слюды и железной руды.
3. Бингемит — иризирующий камень, отличающийся включениями гётита.
4. Агат — слоисто-полосатая разновидность, имеющая различные оттенки, начиная от синего и заканчивая красным. Отличается матовой поверхностью, однако после огранки приобретает стеклянный блеск.
5. Волосатик — разновидность горного хрусталя, имеющая включения турмалина, рутила и других веществ, способных образовывать игольчатые кристаллы.
6. Кремень — разновидность кремнезёма (агата) со скрытокристаллической структурой и непостоянным составом. Состоит из кварца с примесью халцедона, опала или кристобалита. Аметист — камень фиолетового цвета.
7. Сапфировый кварц — минерал синеватого оттенка с грубозернистой структурой.
8. Гелиотроп — материал тёмно-зелёного оттенка, имеющий непрозрачную фактуру и скрытокристаллическим составом. Может обладать ярко-красными пятнами или полосами за счёт примесей железа и халцедона.
9. Переливт — камень, состоящий из чередующихся прослоек кварцита и халцедона. Никогда не бывает прозрачным.

Кроме того, встречаются разновидности под названием бычьего (бурый или густо-малиновый цвет), соколиного (синевато-серый), кошачьего (белый, серый или розовый с эффектом отлива на свету) и тигрового (золотисто-коричневатый) глаза. Среди минералов, которые относятся к группе кварцита, также стоит выделить морион, имеющий чёрный цвет, раухтопаз (дымчатый кварц), отличающийся светло-серым или светло-бурым оттенком, зелёный празем, цитрин лимонно-жёлтого тона и розовый кварц.

Искусственным путём получается такая разновидность камня, как празиолит. Этот материал имеет луково-зелёный оттенок и получается в результате прокаливания жёлтого кварца.

Лечебные способности

Сторонники народной медицины считают, что кварцевые образования обладают рядом целебных свойств. Одним из самых популярных рецептов использования этого минерала считается кварцевая вода, которую можно сделать в домашних условиях. Для приготовления кристаллы следует поместить в воду, настоять в течение суток, после чего пропустить через фильтры. Считается, что полученная жидкость обладает пользой для организма и способна лечить некоторые болезни.

Её применение позволяет бороться с заболеваниями дыхательной системы. Кроме того, вода имеет омолаживающий и антибактериальный эффект, благодаря чему её используют для лечения недугов кожного покрова. Жидкость борется с угревой сыпью, дерматитами, а при постоянном применении кожа приобретает нежность и упругость.

Эта вода обладает ранозаживляющей и антисептической способностями, поэтому её можно применять для приготовления компрессов от ран, порезов или ожогов. Жидкость также лечит ушибы, синяки и гематомы.

Подвески с кварцевыми кристаллами способны укреплять иммунную систему, сокращать симптомы простудных заболеваний и усиливать центральную нервную систему, снижая воздействие стрессов. Особые свойства при этом приписываются минералу белого цвета. Благодаря химической формуле кварцита при смене температуры этот камень начинает выделять озоновые вещества, которые очищают организм от углекислоты и налаживают работу лёгких.

Минерал также хорошо воздействует на мочеполовую систему, особенно эффективными считаются кристаллы фиолетового цвета. Их используют для лечения бесплодия, при снижении репродуктивной функции и для восстановления потенции.

Магическая сила

Минералу приписывают и магические способности, поскольку считается, что он обладает сильной энергетикой. В этой сфере используются шары, линзы и кристаллы камня, которые применяются при жертвенных и спиритических сеансах, предсказании будущего и других ритуалах. Среди магических способностей кварца выделяют следующие:

горный хрусталь может программировать человека на определённые действия;
• розовый кварц избавляет владельца от обидчивости, вспыльчивости и дарит ему уверенность в себе;
• зелёные кристаллы снимают сонливость и дарят энергию, налаживая связь с высшими силами;
• дымчатый минерал спасает ранимую душу от обидчиков;
• красный кварц помогает определиться в выборе партнёра и приворожить того, кто понравился владельцу камня;
• белый минерал освобождает душу и мысли от порочных идей и чёрных замыслов.

Астрологи считают, что изделия из этого камня подходят Тельцам, Львам, Овнам, Водолеям, Стрельцам, Весам и Скорпионам. Не рекомендуется использовать этот камень Девам и Близнецам.

Сферы использования

Благодаря своим физическим и химическим свойствам кварц считается ценным минеральным сырьём. Одним из его важнейших свойств, которое нашло применение в различных сферах, считается пьезоэффект, открытый в 1880 году французскими учёными — братьями Пьером и Полем Кюри, однако использовать эту способность впервые предложил их соотечественник Поль Ланжевен во время Первой Мировой войны. Он считал, что пьезоэффект можно применять для получения ультразвука, который поможет обнаружить подводные лодки противника.

В современном мире различные пьезоэлементы из кварца применяются в качестве хороших источников ультразвука, а также при сборке промышленных, исследовательских, медицинских и даже бытовых аппаратов — к примеру, пьезозажигалок, приборов для ультразвуковой борьбы с крысами и другими грызунами. Это приспособление вызывает у животных некомфортное состояние, из-за чего они в течение нескольких дней покидают помещение.

Резонаторы из кварца применяются как фильтры, которые отличаются высокой избирательной способностью, а также в целях эталонирования и стабилизации частот при производстве генераторов. Их также задействуют при изготовлении радио- и телефонной аппаратуры.

Не менее ценным минерал считается в стекольной и керамической отраслях промышленности. В этих сферах обычно задействуют горный хрусталь или кварцевый песок без примесей. Материал используется для изготовления кварцевого стекла и конструирования кремнезёмистых огнеупоров. Камень применяется и для производства сосудов, используемых в химической сфере.

Монокристаллы кварца нашли широкое применение в оптическом приборостроении. В этой отрасли они используются при изготовлении призм и фильтров для монохроматоров, спектрографов и линз для УФ-оптики.

Благодаря внешней привлекательности и твёрдости минерал популярен и в ювелирном искусстве. Он используется в качестве поделочного материала, из которого вырезают статуэтки, амулеты, предметы для украшения интерьера. Кроме того, некоторые прозрачные или красивоокрашенные разновидности кварца считаются полудрагоценными камнями, поэтому из них изготавливают бусы, ожерелья, браслеты, а также вставляют в изделия из золота и серебра.

Иногда кварц, имеющий естественное происхождение, могут подделывать, выдавая за него аналог, произведённый синтетическим путём, или обычное стекло. Чтобы отличить натуральный камень от подделки, нужно провести по поверхности минерала острым или тупым предметом — к примеру, ножом или камнем. Если это настоящий кварц, на нет не останется никаких следов. Кроме того, поверхность натурального минерала всегда будет холоднее, тогда как подделка быстро нагревается в руках.

Источник

Минеральный состав и в чем разница кварца и кварцита

Кварцит — камень, который представляет собой один из подвидов кварца. Минерал используется, по большей части, в промышленности. Но лучшие экземпляры, имеющие декоративные качества, изредка применяются ювелирами для создания украшений. Кварцит — минерал, который имеет различный внешний вид, в зависимости от среды его образования, от наличия в составе различных химических элементов.

Камень кварцит — история происхождения породы, месторождения

Кварцит — натуральный камень, который образуется из песчаника. Под действием высоких температур, песчаник и ряд магматических пород (шпат, тальк, слюда) соединяются, образуя прочное и огнеупорное соединение — кварцит.

На территории Месопотамии были обнаружены бусы из минерала, а значит, уже в древности он представлял поделочную ценность.

Месторождения находятся по всему миру, на всех материках. Наиболее крупными сегодня являются следующие места добычи:

• Африка;
• Россия — Урал, Карелия;
• Украина — Житомирская область;
• Америка.

В Казахстане и на Кольском полуострове находятся месторождения камня кварцита малинового, голубого, сиреневого и синего цвета.

Несмотря на кажущуюся простоту камня, в природе встречаются его редкие экземпляры различных оттенков, из которых ювелиры делают настоящие произведения искусства.

Состав кварцита, разновидности

Минеральный состав кварцита представлен следующими элементами:

• руда марганцевая;
• гематит;
• кремнезем;
• кварц;
• корунды;
• магнетит.

Эти элементы являются основными. В состав могут входить и другие компоненты, в зависимости от условий, в которых формируется минерал.

Вне зависимости от разновидности камня, неизменным в его составе является высокий процент оксида кремния.

Существует 4 вида вулканического минерала:

• Железистый — самый распространенный вид. Особенность — наличие оксида железа, который размещается в виде прослоек, полос различной толщины. Цвет — красный или бурый. Степень крепости железистого камня составляет 7-20 баллов, в зависимости от примесей.
• Камень чистого белого цвета или с желтым оттенком — камень имеет неоднородную структуру, часто с примесями темного цвета, которые расположены в виде полос или вкраплений.
• Малиновый минерал — имеет розовый, бурый или красный оттенок. Это один из самых красивых видов кварцита, который ценится ювелирами. Встречается редко.
• Серый минерал — с голубым окрасом и сверкающей, серебряной поверхностью.

Среди скульпторов и резчиков по камню есть своя классификация минерала не только по его цвету, но и по физико-химическим составляющим:

Самая редкая разновидность камня малиновый кварцит. Его цвет может варьироваться от красного до фиолетового с бурым оттенком.

Свойства камня

Благодаря уникальным свойствам камня кварцита, он используется в разных сферах жизнедеятельности человека. Описание основных параметров минерала:

• Твердость — в зависимости от разновидности кварцита данный параметр составляет от 7 до 10 баллов по шкале Мооса. Несмотря на высокую прочность, в этом есть и минус — минерал тяжело обрабатывать, хотя он великолепно поддается полировке.
• Долговечность — от 150 до 300 лет без потери своего внешнего вида и качеств.
• Это один из немногих минералов, который выдерживает большие температурные колебания. Он жаростойкий и морозоустойчивый.
• Стойкость к химическим веществам — абсолютная.
• Кварцит не поддается влиянию высокой влажности.
• Высокая огнеупорность — минерал способен выдерживать температуру до 1770 °С, а потому часто используется в отделке бань, печей и саун.
• Экологическая чистота — камень имеет первый класс радиоактивности и является абсолютно безопасным.

Целебные свойства кварцита:

• оказывает укрепляющее действие на иммунную систему;
• ускоряет процессы выздоровления и реабилитации;
• способствует купированию болей в мышцах;
• помогает ускорить обменные процессы;
• благоприятно влияет на мышцы.

Кварцит — это минерал, который обладает рядом целебных и мистических свойств. Древние шаманы и маги использовали минерал для лечения многих заболеваний и применяли его в различных ритуалах.

Литотерапевты рекомендуют носить кварцит людям пожилого возраста. Положительное влияние минерала на мышцы распространяется и на сердце, способствуя его укреплению и предотвращению многих патологий, связанных с работой данного органа.

Магические свойства и силы минерала:

• помогает поднять самооценку;
• добавляет храбрости и уверенности в себе;
• приводит в порядок мысли, что способствует привлечению удачи и достижению поставленных целей;
• помогает обрести почет и уважение в обществе.

Самоцвет не рекомендуется носить людям, которые не держат своих обещаний. Камень обернет свою энергетическую силу против таких людей.

Подходит минерал в качестве талисмана людям со слабым характером или тем, кто часто становится жертвой морального насилия. Он придаст им уверенности в себе с сделает психически устойчивыми.

Кварцит благоволит многим знакам Зодиака, помогая им привлечь в жизнь удачу и обрести уверенность в своих силах. Не любит лишь кварцитовый минерал самоуверенных людей — Овнов, Львов и Стрельцов. Им не рекомендуется носить минерал даже в качестве украшения.

Разница между кварцитом и кварцем

Кварц и кварцит это разные минералы, хотя многих сбивает с толку схожее название камней.

Кварцит и кварц, в чем разница между камнями? Их основные отличия:

• Состав. Кварц — кремнезем и кислород. Кварцит образуется вследствие метаморфизма песчаников кварца.
• Кварц является более распространенным минералом с обширными месторождениями.
• Обработка кварца более легкая.
• Кварцит — камень метаморфический, кварц является кристаллическим минералом.
• Цветовая гамма у кварца более обширна, встречаются камни желтого, белого и розового, фиолетового и коричневого цвета, с прозрачной и матовой структурой. Кварцит, не считая редчайших разновидностей, чаше всего бывает белым или серым.

Отличается у камней область их применения. Кварц является поделочным камнем для создания различных ювелирных украшений и декоративных предметов быта. Еще одна область применения минерала — электроника, например, кварцевый часовой механизм.

Кварцит — материал для строительства и промышленности, редко камень используется ювелирами, только если попадаются действительно красивые, редкие по окрасу экземпляры.

Применение кварцита

В древние времена камень использовался для создания колонн к жилым домам и храмам, для изготовления статуй и других монументальных вещей. Сегодня область применения минерала широка:

• Благодаря жаростойкости минерал является одним из лучших материалов для производства саун, бань и печей.
• Строительство — измельченный камень входит в состав щебня и различных сухих смесей.
• Металлургия — используется в создании печей — коксовых и мартеновских, в которых требуется поддерживать очень высокие температуры.
• На основе минерала изготавливается флюс, необходимый элемент в технологических процессах, предназначение которого — снижать при плавке температурные показатели.
• Это один из составляющих динаса — вещества, которое входит в состав огнеупорного кирпича.

Кварцит является полудрагоценным камнем, и его образцы, обладающие наибольшей декоративностью, используются ювелирами для создания различных украшений и предметов быта.

Наибольшую распространенность нашел камень в качестве материала для создания различных предметов домашнего обихода. Из него делают красивые и прочные подоконники, раковины и стойки, лестницы. Используется минерал для строительства беседок, фонтанов, для оформления веранд. В обработанном виде кварцит внешне очень схож с яшмой.

Красиво и очень необычно смотрится кварцит как часть интерьера или экстерьера, к тому же найти ему аналог с такой же прочностью и декоративными характеристиками внешнего вида достаточно проблематично.

Кварцит — уникальный камень, крепкий и долговечный, обладающий привлекательным внешним видом. Минерал широко используется в тяжелой промышленности и в строительстве. Из него изготавливают ювелирные изделия, которые не только имеют привлекательный внешний вид, но и являются мощными защитными талисманами, ведь целебные и энергетические силы кварцита известны с давних времен.

Источник

Что получают из кварца

Политехникум

Производство микропроцессоров 1: от песка до кремния

Василий Панюшкин

1. Получение кремния из кварца

Кремний – второй по распространенности элемент в земной коре после кислорода[i]. По массе он составляет 27.7% земной коры. В природе он обычно встречается в виде сложных силикатов, то есть соединений оксида кремния с оксидами металлов, составляющих до 90% массы земной коры, а также, более редко, в виде чистого SiO2, кварца, Рис. 1[ii]. Тот же диоксид кремния, только мелкокристаллический, является основным компонентом обычного песка.

Именно переработкой такого песка и получают кремний, используемый в промышленности. Самым распространенным современным методом получения элементного кремния является восстановление диоксида кремния коксом в дуговых электрических печах, Рис. 2[iii]:

Смесь песка с коксом поступает в кратер печи, где она нагревается до 2000°С электрической дугой, образующейся между углеродными электродами. При таких температурах углерод кокса и электродов взаимодействует с оксидом кремния, превращаясь в газообразный монооксид углерода, и восстанавливает песок до элементного кремния:

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Получающийся расплавленный кремний стекает через специальное отверстие внизу печи. После первичной очистки от шлака и газов, кремнию дают остыть, а потом дробят до нужного размера. В результате, в зависимости от используемых на производстве методов очистки, получается кремний либо технической (95 – 98%)[iv] либо металлургической (98 – 99.9%) чистоты, Рис. 3[v]. Основными примесями в получаемом кремнии являются углерод и другие элементы, содержавшиеся в исходном кремнеземе, такие как бор, фосфор, алюминий¸ железо[vi].

Главным побочным продуктом такого процесса является раскаленная смесь монооксида углерода и паров кремния. После выхода из печи полученные газы охлаждают, нагревая водяной пар, который далее используется для генерации электроэнергии, значительно снижая затраты на производство. Охлажденные же газы фильтруют, конденсируя кремниевые пары и получая дополнительно еще около 300 кг кремниевого конденсата на каждую тонну произведенного металлического кремния[vii].

2. Очистка технического кремния через силаны

Большая часть кремния технической чистоты используется далее в металлургических производствах, в качестве компонента сплавов, например, бронзы, при выплавке чугуна и сталей, а также в качестве легирующего элемента или модификатора свойств металлов. Только небольшая часть металлургического кремния очищается дальше для использования в полупроводниковой промышленности.

Очистка такого кремния происходит следующим образом. Измельченный в порошок металлургический кремний смешивают с соляной кислотой в отсутствие воды при 300 °С в специальном реакторе и получают трихлорсилан SiHCl3.

В ходе этой реакции такие примеси, как Fe, Al, и B, образуют свои галоидные соединения (FeCl3, AlCl3, и BCl3). Низкая температура кипения SiHCl3, составляющая 31.8°С, используется для его очистки от примесей дистилляцией. В получившемся таким образом SiHCl3 концентрация электрически активных примесей, таких как Al, P, B, Fe, Cu или Au, составляет меньше одного атома на миллиард атомов кремния[viii].

Для восстановления кремния в технологиях, использующих трихлорсилан, в основном применяется Сименс-процесс (называемый так из-за того, что в свое время был разработан компанией Siemens): в протоке смеси газообразных силанов и водорода на поверхности нагретых до 650−1300°С кремниевых стержней (либо крошек в кипящем слое) происходит восстановление силана и осаждение свободного кремния[ix].

Эта реакция протекает в больших вакуумных камерах в течение 200−300 часов, в результате чего образуются бруски ультрачистого поликристаллического кремния диаметром 150−200 мм, Рис. 4[x]. Образующиеся в ходе реакции газообразные продукты уносятся протоком непрореагировавшей парогазовой смеси и после очистки и разделения могут быть использованы повторно.

Также иногда применяют другие модификации этого метода, использующие разложение силана SiH4, тетрахлорсилана SiCl4 или других галогенидов кремния, таких как фторид SiF4. Они бывают удобными для удаления некоторых специфических примесей, а также, благодаря различным температурам кипения разных силанов, могут быть более выгодными по энергоемкости и материалоемкости по сравнению с Сименс-процессом[xi]. Тем не менее, на сегодняшний день основным методом получения поликристаллического кремния является именно восстановление трихлорсилана.

3. Получение монокристаллического кремния

Следующей стадией обработки кремния, предназначенного для использования в микроэлектронике, является получение монокристаллического кремния высокой чистоты. Вообще, кристаллический кремний высокой чистоты в зависимости от предназначения подразделяют на кремний солнечного качества и кремний электронного качества.

Солнечный кремний содержит более 99.99% кремния по весу и используется для производства солнечных батарей. Электронный кремний – наиболее качественный, содержащий более 99.999% кремния по весу, используется для производства электронных приборов, микросхем, и т.д.[xii]. Для изготовления полупроводниковых пластин, на основе которых делают интегральные микросхемы, используется высокочистый электронный кремний с чистотой порядка 99.9999999% (т.н. «девять девяток»)[xiii]. Основная масса кристаллов кремния электронного качества является т.н. бездислокационными кристаллами, т.е. такими кристаллами, количество дефектов кристаллической решетки которых не превышает 10 штук на см 2 , однако, в некоторых случаях, для изготовления электронных приборов также применяются слитки с двойниковой (т.е. основанной на двух монокристаллах) или даже поликристаллической структурой.

Самым известным методом получения монокристаллического кремния высокой чистоты является метод Чохральского[xiv].

Метод был разработан польским химиком Яном Чохральским и первоначально использовался им для измерения степени кристаллизации металлов (олово, цинк, свинец).

По некоторым сведениям, Чохральский открыл свой знаменитый метод в 1916 году, когда случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленным оловом. Вытягивая ручку из тигля, он обнаружил, что вслед за металлическим пером тянется тонкая нить застывшего олова. Заменив перо ручки микроскопическим кусочком металла, Чохральский убедился, что образующаяся таким образом металлическая нить имеет монокристаллическую структуру. В экспериментах, проведенных Чохральским, были получены монокристаллы размером около одного миллиметра в диаметре и до 150 см длиной. Чохральский изложил суть своего открытия в статье «Новый метод измерения степени кристаллизации металлов», опубликованной в немецком журнале «Zeitschrift für Physikalische Chemie» (1918)[xv].

Выращивание монокристаллов методом Чохральского происходит следующим образом, Рис. 5[xvi]:

Для обеспечения более равномерного распределения температуры и примесей по объему расплава затравочный кристалл и тигель с расплавом вращают, причем обычно в противоположных направлениях. Несмотря на это, вращения в заведомо неоднородно нагретой среде всегда приводят к появлению на поверхности слитка мелкой винтовой нарезки. Более того, в случае неблагоприятных условий роста, помимо винтовой нарезки на поверхности, сам слиток может начать расти в форме штопора. Аналогичная картина и с распределением примесей: несмотря на вращения, вдоль фронта кристаллизации всегда остается неподвижная область расплава переменной толщины, в которой перенос примесей осуществляется медленно, исключительно за счет диффузии. Это обусловливает неравномерность распределения компонентов расплава по диаметру слитка.

С другой стороны, метод Чохральского отличается наличием большого объема расплава, который по мере роста слитка постепенно уменьшается за счет формирования монокристалла. При росте кристалла расплав постепенно обедняется компонентами, интенсивно встраивающимися в кристалл, и обогащается компонентами, оттесняемыми при росте кристалла. По мере роста концентрации компонента в расплаве его концентрация повышается и в кристалле, поэтому распределение компонентов по длине слитка неравномерно (для кристаллов кремния характерно повышение концентраций углерода и легирующих примесей к концу слитка).

1. После вытягивания кристалла нужного размера, температуру повышают, скорость вытягивания увеличивают, в результате кристалл сужается, после чего производится отрыв слитка от расплава и его постепенное охлаждение.

Все режимные параметры каждого из этапов процесса являются, как правило, ноу-хау конкретного производителя. В результате получаются цилиндрические слитки моно- или поликристаллической структуры с диаметром до 40 см, Рис. 7.

Несмотря на то, что метод Чохральского повсеместно используется для выращивания подложек в промышленных масштабах, полученный с его помощью кремний обладает некоторыми недостатками, которые не желательны, если ваша цель — максимально возможный КПД, как, например, в лабораториях или при изготовлении элементов для солнечных батарей.

Подложки Чохральского содержат большое количество кислорода. Кислород уменьшает время жизни неосновных носителей заряда, таким образом снижая напряжение, ток и КПД. Кроме того, при больших температурах кислород или соединения кислорода с другими веществами могут стать активными, что делает подложки чувствительными к высокотемпературной обработке. Чтобы избавиться от этих проблем, используют метод зонной плавки[xvii].

Обработке таким методом, как и в случае с методом Чохральского, подвергается поликристаллический кремний солнечного или электронного качества, полученный в результате силановой очистки. Суть метода заключается в том, что область, расплавленная с помощью индукционной катушки, медленно движется вдоль поликристаллического кремниевого слитка, Рис. 8. Примеси при этом не кристаллизируются, а концентрируются в расплавленной области. Также из-за отсутствия примесей в пройденной области, слиток может формировать идеальный монокристалл, если в его начало поместить затравочный кристалл для инициации направленного роста. Таким образом, после прохождения катушки, примеси оказываются собранными в одной части получившегося монокристалла, которую потом удаляют[xviii].

После этого выращенные монокристаллы кремния подвергаются механической обработке. Как правило, механическая обработка слитков кремния ведется с использованием алмазного инструмента: ленточных пил, пильных дисков, шлифовальных профилированных и непрофилированных дисков, чаш. На текущий момент в оборудовании наблюдается постепенный переход с ленточных пил на проволочную резку алмазно-импрегнированной проволокой, а также проволочную резку стальной проволокой в карбид-кремниевой суспензии.

При механической обработке сначала из слитка вырезают части пригодные (по своим структурным, геометрическим и электрофизическим свойствам) для изготовления приборов. Затем монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления электронных приборов (электронный кремний), подвергается калибровке под заданный диаметр[xiii]. После предварительной подготовки слиток нарезается на пластины диаметром до 45 см и толщиной в несколько сот микрометров[xix].

Источник