بلورات السيليكون النقية والطرق المستخدمة في التنقية

2013 الرمل والسيليكون

دنيس ماكوان

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الكيمياء

تزخر لغتنا بتعابير النقاوة مثل " نقي كالثلج المتساقط ". ويفتن الألماس الألباب بمظهره النقي الخالي من التصدع، لكن بلورات السيليكون الأحادية تتفوق في النقاوة والكمال.

وتأخذ الصناعات الإلكترونية الرمل على شكل كوارتزيت وتحوله إلى بلورات سيليكون أحادية كبيرة تعتبر أكثر البلورات على الأرض نقاوة كيميائياً وكمالاً بنيوياً.

ومن الإنصاف القول أن الصناعة الإلكترونية كاملة، كما نعرفها، لم تكن لترى النور لو لم يطور العلميون طرائق تصنيع السيليكون النقي من الرمل. يناقش هذا الفصل كيف يصبح الرمل سيليكون فائق النقاوة والعلوم المؤسِسَة لتصنيع السيليكون النقي.

كانت دعاية صابون أيفري منذ أربعة عقود تعلن أنه نقي بدرجة 99.44% وأنه " آمن لعجيزة طفلك ". تعني النسبة 99.44% أنه إذا كان ممكن تعداد 10000 جزيء من الصابون، فسيكون عند ذلك 56 منها من بعض أنواع الشوائب.

وبالمقارنة مع صابون العاج، يُنقّى السيليكون عادة حتى مستوى الجزء من الميليار أو نسبة نقاوة قدرها 99.999999%. ولتلمُّس معنى هذا الرقم، لنعتبر دلواً يستعمله طفل على الشاطئ. يحتوي الدلو حوالي مليار حبة رمل، ويكافئ السيليكون عند درجة نقاوة جزء من الميليار إلى حبة واحدة (من الشوائب) في الدلو.

تعتبر الخواص الكهربائية للسيليكون محساسة بشكلٍ خاص حتى لكميات صغيرة من الشوائب، وتعتمد ترانزستورات جذاذات الحاسوب على الإضافة المضبوطة للشوائب في السيليكون. ولتصنيع جذاذات حاسوب موثوقة وقابلة للتكرارية، يجب أن تكون نقاوة السيليكون الأولي أعلى مما قد تم تحقيقه على الإطلاق.

بعد اختراع الترانزستور في مختبرات شركة بل للهاتف المتحدة عام 1947، تم تطوير طريقتين، حيث أنتجت الأولى كميات على المستوى المختبري لاستعمالات مجموعات البحث والتطوير، وتوصلت الثانية إلى مستوى الإنتاج الصناعي الحالي الفريد من 30 طن من السيليكون المستعمل كل عام في الصناعات الإلكترونية والخلايا الشمسية.

الطريقة الأولى هي تنقية النطاق التي اخترعها بيل بفان (Bill Pfann) في مختبرات بل (Pfann 1951)، وتتضمن الطريقة الثانية التي طورها سيمنس (Siemens) التقطير المجزَّأ عالي الأداء (Wilkes 1996).

وقد أحدثت الطريقتان ثورة في قدرة الصناعة على تصنيع المواد فائقة النقاوة. وفي يومنا الراهن، إذا أصبح مضموناً توفر المواد فائقة النقاوة بيسر، فإن تحقيق نقاوة جزء من الميليار منذ خمسين عاماً كان يمثل تطوراً ثورياً في علوم المواد.