Die Produktion von Computerchips und Solarzellen erfordert hochreines Silizium, dessen Qualität bereits durch geringste Mengen an Bor beeinträchtigt werden kann. Da Bor ein Elektron weniger als Silizium besitzt, entstehen Fehlstellen in der Elektronenstruktur des Halbleiters. Diese verschlechtern die elektronischen Eigenschaften und können große Mengen des Materials unbrauchbar machen.
Bisher ließ sich die Reinheit der unter hohem Energieaufwand destillierten Siliziumverbindungen erst am Ende des Prozesses durch aufwändige Testabscheidungen überprüfen. Eine neue massenspektrometrische Methode ermöglicht es nun, die Borkonzentration direkt während der Destillation in Echtzeit zu messen. Durch diese frühzeitige Kontrolle kann die geforderte Reinheit mit einem deutlich geringeren Einsatz an Energie und Material sichergestellt werden.
Den Nachteil zum Vorteil gemacht
Das von Brigitte Fox-Beyer, Martin Beyer und Milan Ončák in Kooperation mit der Wacker Chemie AG entwickelte Verfahren macht sich genau jene chemische Eigenschaft zunutze, die Bor im Halbleiter problematisch werden lässt. „In gasförmigen Verbindungen, wie sie im Destillat vorliegen, bildet Bor nur drei chemische Bindungen aus, das heißt es hat in seiner äußeren Schale noch Platz für ein Elektronenpaar bzw. eine vierte Bindung“, erklärt Martin Beyer. Im Flussreaktor eines Massenspektrometers reagieren daher negativ geladene Ionen mit freiem Elektronenpaar bevorzugt mit der Borverbindung. Diese selektive Reaktion ermöglicht es, Bor-Moleküle selbst dann gezielt zu identifizieren, wenn sie nur in einer Konzentration von wenigen Teilchen pro Milliarde Siliziummoleküle vorkommen.
Für die praktische Umsetzung nutzte das Team ein modifiziertes PTRMS-Massenspektrometer des Innsbrucker Spin-off-Unternehmens Ionicon Analytik GmbH. Diese Analytikmethode wurde zum Patent angemeldet.