Logo PTB

Verunreinigungen in Si

Die chemische Reinheit des isotopisch angereicherten 28Si ist bei der Neubestimmung der Avogadrokonstante NA von zentraler Bedeutung. Herstellungsbedingte Verunreinigungen haben je nach Art und Konzentration Einfluss auf den Gitterparameter und die volumenbezogene Masse. Die Kenntnis der Verunreinigungskonzentrationen dienen zur Korrektur der Si-Kugelmasse sowie der durch die Fremdatome bewirkten Veränderung des Atomabstandes im Si-Gitter. Die Unsicherheiten dieser Messungen tragen unmittelbar zur Unsicherheit von NA bei und müssen daher möglichst gering gehalten werden.

Zur Messung der Verunreinigungskonzentrationen wird die Infrarotspektrometrie eingesetzt. Unter tiefkalten Bedingungen können damit sowohl die dominanten Verunreinigungen Sauerstoff und Kohlenstoff (ca. 1015 Atome cm-3) als auch verschiedene Elemente der dritten (B, Al, Ga, In) und fünften (P, As, Sb) Hauptgruppe ("Opens external link in new windowshallow impurities", ca. 1012 Atome cm-3) erfasst werden. Dabei werden Kohlenstoff und Sauerstoff anhand der Strahlungsabsorption lokaler Schwingungen der Si-O-Si Gruppen im Gitter bei Wellenlängen um 10 µm (mittleres Infrarot, MIR), Bor, Phosphor sowie einige weitere Elemente durch Anregung von Elektronen in Zwischenbandzuständen bei Wellenlängen um 30 µm (fernes Infrarot, FIR) detektiert. Um möglichst schmale Absorptionsbanden zu erhalten, werden die 3 mm dicken Proben während der Messung auf etwa 5 K abgekühlt.


Zur Bestimmung der Konzentrationen aus den Bandenmaxima der IR-Messungen werden gewöhnlich aus der Literatur bekannte und mit primären Methoden bestimmte Kalibrierfaktoren verwendet. Diese Kalibrierfaktoren wurden jedoch für Silizium mit natürlicher Isotopenzusammensetzung bestimmt und können nicht unmittelbar zur Auswertung von Messungen an isotopisch hoch angereichertem 28Si verwendet werden. Die Schwingungsfrequenzen der sechs möglichen unterschiedlich isotopisch substituierten xSi-O-ySi (x, y = 28, 29, 30) Gruppen sind verschieden und tragen daher nicht entsprechend ihres Flächenanteils an der Bande zur Höhe des Bandenmaximums bei. Deshalb wurde ein Modell entwickelt, mit dessen Hilfe die Verhältnisse von Silizium in natürlicher Isotopenverteilung übertragen werden können.

Gemessene Verunreinigungskonzentrationen  von Kohlenstoff, Sauerstoff und Bor entlang der Längsachse des 28Si-Einkristalls. Aus den markierten Bereichen des Kristalls wurden die Avogadro-Kugeln S5 und S8 gefertigt.

 

Publikationen

S. Zakel, S. Wundrack, H. Niemann, O. Rienitz, D. Schiel: Infrared spectrometric measurement of impurities in highly enriched Si28. Metrologia 48 (2011), 14-19.