Юрий Фиалков - Девятый знак
Но, если техника, промышленность говорят «надо», химия должна, обязана сказать «есть».
И началась работа…
Но сначала о том, зачем понадобились технике вещества такой сверхъестественной чистоты.
Большинство полупроводниковых материалов проявляет свои свойства только в состоянии очень высокой чистоты. Вот, например, один из самых распространенных полупроводников — металл германий. Современная полупроводниковая техника в ряде случаев требует для германия чистоту 99,9999999999 %. Это значит, что на один атом примеси приходится тысяча миллиардов атомов германия. Два атома примесей на это количество — и полупроводник уже не «работает».
Итак, перед химиками всей своей громадой выросла вершина десятого десятичного знака. И вот на этот Эверест современной химии, предстояло взойти не отдельным ученым. На «вершину» должен был подняться весь громадный коллектив химиков, работающих в области промышленности полупроводниковых материалов. Перед ними стояла задача получения не каких-нибудь уникальных двух-трех граммов вещества сверхвысокой чистоты. Надо было создать заводы, где эти вещества производились бы сотнями и тысячами килограммов.
Читатель помнит, какими трудностями сопровождалось завоевание «вершин» шестого и седьмого десятичных знаков. Теперь же предстояло взять десятый. А ведь подобно тому, как каждый метр на большой высоте дается альпинистам труднее, чем километр пути, пройденный по равнине, каждая последующая девятка в числе, выражающем чистоту препарата, достается химику со все возрастающим трудом.
Получение вещества со степенью чистоты 99,99 %, или, как говорят, вещества «четыре девятки», не представляет в настоящее время трудностей для экспериментатора даже в скромно оснащенной лаборатории. Но давно ли это так?
Вот три статьи, помещенные в различных химических журналах. В первой из них читаем: «Нам удалось получить чрезвычайно чистое вещество чистотой 99,99 %». Во второй статье написано: «Содержание основного вещества в продукте — 99,999 %. Значит, полученный продукт можно считать относительно чистым». В третьей статье говорится следующее: «Полученный образец был весьма грязным: содержание основного металла в нем составляет всего 99,9999 %».
В чем тут дело? Ведь высказывания в этих статьях полностью исключают друг друга. Однако противоречия здесь никакого нет. Просто первая работа была написана в начале века, вторая — в 20-х годах, а третья появилась в наши дни. Читателю теперь уже ясно, что вещество, казавшееся лет шестьдесят назад чистым, теперь не может сохранить прежнюю «репутацию».
Очень интересно хотя бы вкратце рассмотреть, каким же образом удается сейчас химикам получать вещества такой чистоты.
Скажу сразу, что получение сверхчистых веществ в больших количествах стало возможным только в результате колоссальных успехов аналитической химии. Ведь когда очищаешь вещество от примесей, надо прежде всего знать, от каких примесей следует его очищать, и затем уже сколько этих примесей находится в основном веществе. На эти вопросы дает ответы аналитическая химия. И чем выше степень очистки вещества, тем изощреннее должны быть приемы этой науки: ведь чем меньше примесей должно оставаться, тем точнее должны быть аналитические определения.
Тут уже неприменимы даже те чувствительнейшие методы химического анализа, о которых мы рассказывали на первых страницах этой книги. Для анализа полупроводниковых материалов химикам пришлось полностью обновить свое исследовательское оружие.
Из всего арсенала «вооружения», которое стоит на службе аналитической химии, мы выберем для иллюстрации всего два, но и этого будет достаточно, чтобы показать точность прицела аналитического оружия.
Вот один из самых молодых методов анализа — радиоактивационный. Очищенный металл подвергается облучению нейтронами. При этом его атомы — не все, понятно, а только некоторая небольшая часть — становятся радиоактивными. Приобретают искусственную радиоактивность и атомы примесей. Однако характеристики излучения разных искусственных радиоактивных элементов резко отличаются друг от друга. Определяя количество каждого вида излучения, можно легко определить количество и характер примесей в металле. Этот метод дает возможность находить примеси посторонних элементов в количестве до 10-13 грамма.
В случае полупроводников применим один специфический метод анализа, основанный на том, что электропроводность полупроводниковых материалов сильно зависит от примесей — в этом, собственно говоря, и заключается причина требования исключительно высокой чистоты полупроводников. Очищая полупроводник, каждый раз испытывают его электропроводность. Чем чище вещество, тем меньше величина его проводимости. А электропроводность можно измерять с высокой степенью точности.
Рассказать о всех ухищрениях, к которым прибегают химики, чтобы получить сверхчистые вещества, невозможно, так же как невозможно, скажем, за один урок изучить географию нашей планеты. В основном, все эти методы очень походят на те, о которых мы вели речь при описании очистки воды. Но остановиться на очень уж интересных способах получения веществ «девять» или «десять девяток» просто необходимо.
Прежде всего, о лабораториях, в которых производятся такие работы. Народ в этих лабораториях особый. Они ужасно боятся сквозняков. Простуда им не страшна: это большей частью молодые, закаленные люди. Сквозняк может внести в помещение какие-нибудь твердые частички, которые попадут в очищаемое вещество. Мельчайшая пылинка, которую не заметит даже самая придирчивая домашняя хозяйка, приводит их в ужас. В этих лабораториях не принято быстро ходить, громко разговаривать: резкие движения могут способствовать выделению из одежды тех остатков пыли, которые не успел высосать стоящий на входе в лабораторию пылесос. Стены и потолки этих лабораторий совершенно гладкие и блестящие: ни одной соринке не зацепиться. Все манипуляции там производят с помощью особых приспособлений, напоминающих пинцеты с длинной ручкой, причем делают это опять-таки очень плавно, осторожно… Непросвещенного человека эта обстановка может, пожалуй, отпугнуть.
Но это впечатление сразу исчезает, как только мы подробнее познакомимся с тем, как люди в прозрачных пластмассовых халатах совершают восхождение на одну из высочайших вершин современной науки — вершину «девяти девяток». Вот один из самых новых приборов для получения сверхчистых веществ, установка, где осуществляется процесс, называемый зонной плавкой.
Медленно движется вдоль кварцевой трубки окружающая ее электрическая печь. В этой трубке лежит на особой подставке небольшой растянутый слиток германия — одного из наиболее распространенных полупроводников. Снаружи ничего примечательного нет. Мы видим, как расплавленная зона перемещается вдоль слитка германия. В том месте, где над металлом проходит печь, он расплавляется и превращается в вязкую жидкость. Печь проходит дальше, и металл медленно застывает.
А делается все это вот для чего. Оказывается, что примеси, содержащиеся в германии, при расплавлении металла предпочитают оставаться в жидкой зоне. Почему? Да потому, что атомы расплавленного металла, соединяясь друг с другом при застывании, выталкивают «чужаков» из кристаллической решетки, и, таким образом, примеси «вынуждены» оставаться в жидкой зоне. Жидкая зона, перемещаясь вдоль слитка металла, увлекает с собой значительную часть примесей. Когда, наконец, жидкая зона доходит до конца слитка и застывает, ее отрезают — и перед нами германий, значительно более чистый в сравнении с тем, который мы имели в начале работы.
Метод зонной плавки наиболее универсален при получении сверхчистых веществ. Однако и он пригоден не всегда. Вот, например, другой полупроводник, сосед германия по Периодической системе Менделеева, — кремний. Сложность получения сверхчистого кремния заключается в том, что он плавится гораздо выше, чем германий, — при 1400°. При такой высокой температуре атомы почти всех окружающих посторонних веществ стремятся вступить с ним, кремнием, в химическое взаимодействие. Эти атомы берутся из воздуха, окружающего расплавляемый слиток кремния, и из того тигля, в котором плавится этот слиток. Ну, пусть воздух можно откачать, но чем заменить тигель где происходит плавление?
С другими элементами — металлами, которые подвергаются влиянию магнитного поля, — поступили при плавлении очень остроумно: плавили их вообще без всяких сосудов. Помещают кусок металла внутри круглого электромагнита, включают ток, и… кусок металла повисает в воздухе, а вернее, даже в пустоте, потому что воздух откачан. Там же, в пустоте, его расплавляют и проводят другие необходимые манипуляции.
