Kum, Cam, Kuvars ve Silikon
Vectors
Hughes Aircraft Co.
Bina 100, MS C680
P.O. Box 90515
Los Angeles, CA 90009
Elektronikteki olağanüstü ilerlemeler, doğanın en sıradan elementlerinden biri olan silikona yeni bir parlaklık katmıştır. Günümüzün gereksinimlerini karşılamak için teknoloji, saflık ve hassasiyet açısından mütevazı atalarından çok daha üstün olan biçimlerde silikonu şekillendirmektedir.
1927’de, 40 sente sahip olan herkes, ABD Hükümeti Basımevi’nden Technology and Uses of Silica and Sand başlıklı 204 sayfalık Bulletin 266’yı satın alabiliyordu.
Yayın, yazarının hayal edebileceğinden daha kehanet dolu bir biçimde, “muhtemelen başka hiçbir metal olmayan mineral, çok çeşitli biçimleriyle silika kadar sanayide daha fazla kullanım alanına ve daha fazla değere sahip değildir ...” ifadesini kaydediyordu.
Bolluk
Dünyanın en bol bulunan elementlerinden biri olan silikon ucuzdur ve neredeyse her yerde bulunur. Kumun temel bir bileşeni olarak, insan tarafından yaklaşık 6000 yıl önce cam yapmak için ilk kez kullanılmıştır. Aslında doğa, bu atılımı milyarlarca yıl önce volkanik fırınları ateşleyerek kumu ve sodayı obsidyen adı verilen doğal cama dönüştürerek gerçekleştirmiştir.
Ancak Bulletin 266 yayımlandığında söz konusu edilen teknoloji, 1824’te bir İsveçli bilim insanının silikonu ilk kez izole etmesine kadar başlamamıştı. 1927 tarihli bülten zamanında silikon; kimya ve inşaat endüstrilerinde, pirometalurjide ve sertlik, refrakterlik ve ısıya, hava koşullarına ve sıradan kimyasal etkilere direnç gibi özel niteliklerinden yararlanan diğer sektörlerde artan bir değere sahipti.
O günlerde kimse, henüz emekleme aşamasındaki bir endüstrinin—elektroniğin—yaklaşık çeyrek yüzyıl sonra silikonu teknolojik üstünlüğe taşıyacağını öngöremezdi.
Hızla Artan Önem
Yarı iletkenin ortaya çıkışından bu yana, silikonun önemi gerçekten de hızla artmıştır. Günümüzde mikroelektronik devrelerin üretiminde baskın maddedir. Transistörler, diyotlar ve tümleşik devrelerin imalatında temel malzeme olarak kullanıldığında, endüstri düşük özdirençli bir silikon kullanır—özünde, içinde görece yüksek saflıkta olmayan maddelerin orta düzeyde denetimini gerektiren bir malzeme.
Hughes Aircraft Co. tarafından yayımlanan ve yukarıda adresi verilen, Vectors dergisinin 1979 Sonbahar sayısındaki bir makaleye dayanmaktadır.
“Silikon için yeni ve hayranlık uyandıran kullanımlara açılan kapılar durmadan açılıyor—çölde kum tepeleri gibi büyüyor görünen kullanımlar.”
Spektrumun diğer ucunda ise, optik algılayıcılara çıplak gözle görünmeyeni algılama yeteneği kazandıran elektro-optik sınıf silikolar yer alır. Bu maddeler yüksek özdirence sahiptir ve algılayıcılar için seri üretimde tutarlı biçimde elde edilebilen en yüksek saflıktadır. Bu tür uygulamalar, görünmez lazer ve kızılötesi ışınıma bile son derece duyarlı malzemeler gerektirir.
“İntrinsik” Silikon
Örneğin, yakın kızılötesinde yayılan lazerlerden gelen ışınımı algılamak için, silikonun saflığı ne kadar yüksekse, duyarlılığı da o kadar yüksektir.
Bu uygulamada kullanılan maddeye intrinsik silikon denir.
Uzak kızılötesinde termal ışınımı algılayan dedektör dizileri için ise ekstrinsik silikon kullanılır. Burada, yüksek saflıktaki silikonla diğer maddelerin ya da katkılayıcıların kesin miktarları bir araya getirilir.
Her iki tür optik dedektör sınıfı silikon da, saflık ve hassasiyet için getirilen katı gereksinimler nedeniyle, kuvars ve kuvars minerallerinden oluşan doğal mineralojik aileleriyle yalnızca temel köken açısından ilişkilidir. Şaşırtıcı olmayan bir biçimde, elektro-optik, mikrodalga ve parçacık algılama aygıtları için günümüzde gerekli olan kalite ve hacimde silikon üretmeye yönelik uzmanlık bir gecede gelişmemiştir.
En yaygın kullanılan iki süreç, kızılötesi dedektörler için ekstrinsik silikon üretmek ya da büyütmek amacıyla Czochralski yöntemi ve lazer dedektörlerinin üretiminde kullanılan tek kristalli, ultra yüksek saflıkta intrinsik silikonu büyütmek için kullanılan yüzer bölge yöntemidir.
Yüzer Bölge Süreci
Yüzer bölge sürecinde, genellikle kuvarsitten elde edilen yüksek dereceli polikristalin silikondan bir çubuk bir vakum haznesine yerleştirilir ve bir radyo frekansı ısıtma bobininin içine konumlandırılır. Alt uç, sarkık bir erimiş silikon damlası oluşturacak şekilde ısıtılır.
Daha sonra, alttan bir tohum kristal yukarı doğru getirilir ve erimiş silikonla kaynaştırılır. Tohum ve silikon çubuğu bobinin içinden yavaşça aşağı indirildikçe, bobinin merkezinde yaklaşık 2 santimetre uzunluğunda bir erimiş silikon bölgesi oluşur. Polikristalin silikon çubuk, yukarıdan erimiş bölgeye beslenir ve tohum döndürülüp aşağı indirilirken saf silikon kristali bölgenin altında oluşur. Safsızlıkların çoğu ya erimiş bölgede tutulur ya da vakum ortamına buharlaşarak uzaklaştırılır.
(Lütfen sayfa 22’ye geçiniz.)
Ortaya çıkan silindirik çubuklar ya da külçeler (boule), daha sonra dilimlenerek, taşlanarak, aşındırılarak ve parlatılarak, çapı 3 inçe kadar ve toleransları 0.00025 inç kadar hassas olan çift yüzlü wafer’lara dönüştürülebilir.
Bu öz (intrinsic) silikonun 30.000 ohm-cm’ye kadar çıkan yüksek özgül direnci, pozitif elektrik yükü taşıyan safsızlıkların negatif yük taşıyanlara eşitlenmesi anlamına gelen dengeleme yerine, gerçek anlamda saflıktan kaynaklanır. Bu nedenle vakum float zone işleme sırasında safsızlıkların yeniden dağılımı daha az olur ve külçeden külçeye tutarlılık daha yüksektir.
"Ekstrinsik" Silikon: Czochralski Süreci
Tek kristalli ekstrinsik silikonun yetiştirilmesine yönelik Czochralski yönteminde, yüksek saflıktaki polikristal silikonla kesin sayılarda indiyum ya da galyum atomu karıştırılır ve ardından koruyucu bir argon atmosferi içinde yerleştirilmiş bir potada dirençle ısıtılarak eritilir.
Bir tohum kristal, erimiş silikonun içine daldırılır. Tohum ve eriyik genellikle zıt yönlerde döndürülür. Tohum istenen çapa ulaştığında—bu, sıcaklığın hassas denetimiyle düzenlenen bir etkendir—dikkatle kontrol edilen çekme hızları kullanılarak eriyikten çekilir.
Ortaya çıkan ekstrinsik silikon kristalleri daha sonra dilimlenir ve karanlık, pus ya da dumanla kaplı bir sahnenin görünür bir görüntüsünü "boyamak" için hiçbir aydınlatmaya gerek duymayacak kadar ısıl radyasyona duyarlı dedektör dizilerinin üretiminde kullanılır.
Hughes Aircraft Company, ABD’de dedektörler için elektro-optik kalite silikonu seri olarak üreten tek tesise sahiptir; ayrıca iyon implantasyonu, karmaşık monolitik yapılar ve yüksek çözünürlüklü projeksiyon maske hizalaması gibi silikon alanındaki ilerlemelere öncülük etmiştir. Hughes’un dengelenmemiş, yüksek dirençli silikonları, tipik tümleşik devrelerin üretiminde kullanılan silikonlarda bulunan safsızlıkların yalnızca %0.001’i kadarını içerir. Şirketin öz silikon diyot dedektörleri, tek elemanlı aygıtları ve çok elemanlı dizileri; füze güdümü ve fiber optik haberleşme, lazer mesafe ölçerler ve lazerle işaretlenmiş hedef izleme sistemleri, optik tapalar, yıldız algılayıcılar ve uydu haritalama sistemlerinde kullanılır.
Silikonun Yayılması ve Yaygınlaşan Kullanımları
Ekim 1919’da, Bulletin 266 yayımlanmadan yaklaşık sekiz yıl önce, Dr. Rudolf Wegscheider, Viyana Üniversitesi’nde silisyumun fizyokimyasını bir ders konusu olarak tanıttığında akademik bir “ilk”e imza attı. Dr. Wegscheider kuşkusuz silisyumun geniş kapsamlı potansiyelini sezmişti. Ancak sınıfına, bilim topluluğu için yeni bir kapı açmış biri olarak değil, Kutsal Kitap’taki “Güneşin altında yeni bir şey yoktur” gözleminin ek bir kanıtını sunmuş biri olarak anılmak istediğini söyledi.
Belki de Dr. Wegscheider’in bakış açısı yerindeydi. Ancak bu bol ve yaygın element için yeni ve hayranlık uyandırıcı kullanımlara açılan kapılar durmaksızın açılmaya devam ediyor—çölde kum tepeleri gibi büyüyen kullanımlar.