基于静力悬浮原理的单晶硅球间微量密度差异精密测量方法研究

单晶硅球间微量密度差异测量是阿伏伽德罗常数量子基准定义的重要研究内容,也是半导体产业中高纯度单晶硅制备工艺质量控制的主要方法.为了改善现有非接触相移干涉法测量装置复杂和静力称重法测量不确定度低的特点,根据单晶硅密度精密测量需要,实现了一种基于静力悬浮原理的单晶硅球密度相对参比测量方法.通过改变静压力和温度进行三溴丙烷和二溴乙烷混合液体密度的微量调节,分别使两个待测单晶硅球在液体中悬浮,根据悬浮状态时的液体温度和悬浮高度计算出待测单晶硅球密度差值.通过双循环水浴和PID温度控制系统实现±100μK的恒温液体测量环境.通过图像识别和迭代拟合算法实现单晶硅球悬浮高度的测量.使用PID静压力控制系统实现单晶硅球的稳定悬浮控制,同时减少Joule-Thomson效应引起的液体温度改变.利用静力悬浮模型中的温度变化和静压力变化线性关系准确测量出标准液体的压缩系数.试验结果表明,这种测量方法可以避免液体液面张力的影响,测量相对标准不确定度达到2.1×10(-7),能够实现单晶硅球密度差值的精密测量.

压缩热效应对单晶硅密度测量的影响

为了探究压缩热效应对近单晶硅液体(DSL-2329)温度的影响,可采用理论推导与实验结果相结合的方式分析计算DSL-2329液体恒温压缩系数与恒熵压缩系数的比值,比值越大,则液体温度对压强越敏感。在0.1 mK的恒温液体测量环境中,通过对液体温度与所受压强的微量调节,实现单晶硅球特定的3种悬浮状态,这3种状态之间包括液体密度分别在恒温与恒熵条件下的变化过程,利用这3种特定悬浮状态之间的压强关系计算出液体等温压缩系数与等熵压缩系数的比值。实验数据表明,压强变化量越小,测得的恒熵压缩系数与液体恒温压缩系数的比值与理论值0.72越接近。