Krystallinsk silicium

Krystallinsk silicium  er hovedformen, hvor silicium bruges til fremstilling af fotovoltaiske omformere og solid-state elektroniske enheder ved hjælp af plan teknologi . Anvendelsen af ​​silicium i form af tynde film ( epitaksiale lag ) af krystallinske og amorfe strukturer på forskellige substrater er aktivt under udvikling .

Typer af krystallinsk silicium

Afhængigt af formålet er der:

• Silicium af elektronisk kvalitet (såkaldt "elektronisk silicium") - silicium af højeste kvalitet med et siliciumindhold på mere end 99,999 vægtprocent, længere levetid for ikke-ligevægtsbærere (over 25 μs), der anvendes til fremstilling af faststof- tilstand elektroniske enheder, mikrokredsløb osv. Den specifikke elektriske modstand af silicium af elektronisk kvalitet kan ligge i området fra ca. 0,001 til 150 Ω cm, men i dette tilfælde skal modstandsværdien udelukkende tilvejebringes af en given urenhed. Det vil sige, at indtrængen af ​​andre urenheder i krystallen, selvom de giver en given elektrisk resistivitet, som regel er uacceptabel. Hovedparten af ​​siliciumkrystaller af elektronisk kvalitet er den såkaldte. "dislokationsfrie krystaller", dislokationstætheden i dem overstiger ikke 10 cm – 2 , men i nogle tilfælde bruges barrer med en tvilling eller endda polykrystallinsk struktur også til fremstilling af elektroniske enheder. Kravene til siliciumrenhed for specifikke typer elektroniske enheder kan være særligt strenge, op til 99,9999999 %.
• Solar-grade silicium (såkaldt "solar silicium") - silicium med et siliciumindhold på mere end 99,99 vægtprocent, med gennemsnitsværdier​ af levetiden for ikke-ligevægtsbærere og elektrisk resistivitet (op til 25 μs) og op til 10 Ω cm), bruges til produktion af fotoelektriske omformere (solbatterier);
• Teknisk silicium - blokke af silicium med en polykrystallinsk struktur, opnået ved carbotermisk reduktion fra rent kvartssand; indeholder 98% silicium, hovedurenheden er kulstof, den har et højt indhold af legeringselementer - bor, fosfor, aluminium; hovedsagelig bruges til at fremstille polykrystallinsk silicium ; i 2006-2009 blev der på grund af mangel på siliciumråmaterialer af solkvalitet gjort forsøg på at bruge dette materiale til fremstilling af krystallinsk silicium af solkvalitet: til dette formål blev teknisk silicium yderligere renset ved at knuse langs interkrystallinske grænser og ætsning urenheder koncentreret ved grænserne, derefter blev omkrystallisation udført på en af ​​de ovennævnte måder).

Afhængigt af metoden til omkrystallisation er der:

• enkeltkrystal silicium - cylindriske siliciumbarrer af mono- og polykrystallinsk struktur med en diameter på op til 400 mm, opnået ved Czochralski-metoden ;
• digelløs enkeltkrystal silicium - cylindriske siliciumstænger af enkeltkrystalstruktur med en diameter på op til 150 mm, opnået ved metoden med digelfri zonesmeltning ;
• multisilicium - rektangulære siliciumblokke af polykrystallinsk struktur med dimensioner op til 1000 × 1000 × 600 mm opnået ved retningsbestemt krystallisation i en beholder;
• profilerede siliciumkrystaller af en polykrystallinsk struktur i form af hule rør (OJSC Podolsky Chemical and Metallurgical Plant, Russian Federation) eller hule flerfacetterede prismer (Wacker Schott Solar, Tyskland), siliciumtape af en dendritisk (polykrystallinsk) struktur med en bredde på op til 30 mm, opnået ved metoden Czochralski (uden brug af matricer) eller Stepanov-metoden (med brug af profileringsmatricer);
• siliciumskrot - udskæringer, fragmenter og andre rene affaldsprodukter fra siliciumproduktion ved de ovenfor beskrevne metoder uden spor af oxidation, smeltede dele af digelen eller foringen - igen kan opdeles i undergrupper afhængigt af oprindelsen - bruges som genbrugsrå materiale i produktionen af ​​krystallinsk silicium;
• umg-skrot - metallurgisk renset teknisk silicium - dette er teknisk silicium, der udsættes for yderligere rensning ved interaktion af siliciumsmelten med andre stoffer (til udvinding af urenheder eller deres overførsel til en uopløselig eller gasformig fase osv.) og efterfølgende retningsbestemt krystallisation og efterfølgende fjernelse af forureningskoncentrationszonen;
• Pot-skrot - fragmenter, afpuds og andre affaldsprodukter fra fremstilling af krystallinsk silicium ved hjælp af metoderne beskrevet ovenfor med rester af digler eller foringer, spor af oxidation, slagger - som regel er dette også det område, hvor urenheder blev skubbet under krystallisation - det mest snavsede silicium - kan igen opdeles i undergrupper afhængigt af oprindelsen - efter rensning fra indeslutninger af fremmede stoffer kan det bruges som tilsætning til cirkulerende råmaterialer ved opnåelse af siliciumkvaliteter med reducerede kvalitetskrav.

Silicium enkelt-krystal digelfri fremstilles kun i elektronisk kvalitet. Multisilicium produceres kun i solcellekvalitet. Monokrystallinsk silicium, rør og tape opnået ved Czochralski-metoden kan være af både elektronisk og solenergi kvalitet.

Monokrystallinsk silicium

Monokrystallinsk silicium omfatter cylindriske barrer af silicium dyrket ved Czochralski-metoden . Ingots kan have en enkelt-krystal dislokationsfri struktur (antallet af dislokationer er ikke mere end 10 stykker/cm²); enkeltkrystalstruktur med glidelinjer, tvillingstruktur (to- og trekornede krystaller), polykrystallinsk struktur med fine og grove korn.

Afhængigt af vækstbetingelserne kan barrer, der har en dislokationsfri struktur i den øvre (frø)region, standse dislokationsfri vækst og først transformeres til en struktur med glidelinjer (under vækst vokser udviklende glidelinjer ind i den dislokationsfri del af barren i en længde af størrelsesordenen af ​​barrens diameter), og derefter en polykrystallinsk struktur dannet af krystallitter, der gradvist aftager til 2-3 mm i tværsnit.

Tvillingkrystaller dyrket fra tvillingefrø har oprindeligt kilder til dislokationer ved intertwin-grænsen. Derfor udvikler sig signifikante indeslutninger af polykrystallinske områder i tvillingekrystaller gradvist (i en afstand på omkring 2-3 barrediametre), der gradvist absorberer krystallitter af den oprindelige tvillingestruktur.

De dyrkede krystaller af enkeltkrystal silicium udsættes for mekanisk bearbejdning.

Som regel udføres mekanisk behandling af siliciumbarrer ved hjælp af diamantværktøj: båndsave, savklinger, slibning af profilerede og ikke-profilerede skiver, skåle. I slutningen af ​​2000'erne skete der inden for udstyr til indledende skæring og firkantning af barrer en gradvis overgang fra båndsave til trådskæring med diamantimprægneret tråd samt trådskæring med ståltråd i siliciumkarbidophæng.

Under mekanisk bearbejdning skæres de første dele ud af barren, egnet (med hensyn til deres strukturelle, geometriske og elektriske egenskaber) til fremstilling af enheder. Derefter kalibreres enkeltkrystal silicium beregnet til fremstilling af elektroniske enheder (elektronisk silicium) til en forudbestemt diameter. I nogle tilfælde foretages et basissnit på generatrixen af ​​den opnåede cylinder, parallelt med et af de krystallografiske planer.

Enkeltkrystal silicium beregnet til fremstilling af fotoelektriske omformere udsættes ikke for kalibrering, men den såkaldte kvadrering udføres. Ved kvadratur skæres segmenter fra cylinderens generatrix for at danne et helt kvadratisk eller ufuldstændigt kvadrat (pseudo-kvadrat), som er dannet af symmetrisk placerede ufuldstændige sider af kvadratet med en diagonal større end diameteren af ​​barren, forbundet langs buen af ​​den resterende generatrix af cylinderen. På grund af kvadratering er der tilvejebragt en mere rationel udnyttelse af området, hvor pseudo-firkantede siliciumwafers er installeret.

Multisilicon

Multisilicium omfatter rektangulære blokke af polykrystallinsk silicium opnået i store rektangulære digler (beholdere) ved metoden med retningsbestemt krystallisation. Under krystallisationen falder temperaturen af ​​siliciumsmelten i diglen (beholderen) gradvist i højden, hvorved krystallitterne vokser i én retning, vokser gradvist og fortrænger mindre krystallitter. Kornstørrelsen af ​​en polykrystal dyrket på denne måde kan nå 5-10 mm i tværsnittet vinkelret på vækstretningen.

De resulterende blokke skæres for at fjerne kantsektionerne, der indeholder partiklerne fra digelen (foringen), og den resulterende blok skæres i firkantede prismer med dimensionerne 100 × 100 mm, 125 × 125 mm, 150 × 150 mm, 170 × 170 mm, 200 × 200 mm afhængigt af den anvendte teknologi [1] .

Henter

Krystallinsk silicium fremstilles ved omkrystallisation af polykrystallinsk silicium eller umg-silicium, ikke blandet eller blandet i et eller andet forhold med siliciumskrot. Omkrystallisation udføres ved en af ​​de kendte metoder. De mest almindelige er Czochralski-metoden og metoden til retningsbestemt krystallisation af smelten i en digel. I mindre grad, for at opnå de reneste krystaller med maksimal elektrisk resistivitet og levetid for mindre ladningsbærere, anvendes zonesmeltemetoden .

Ansøgning

Uanset typen og oprindelsen af ​​krystallinsk silicium skæres de opnåede firkantede, pseudo-kvadratiske prismer og siliciumcylindre i plader, hvorpå forskellige elektroniske enheder skabes ved epitaksi og fotolitografi (den såkaldte plane teknologi ). Også på basis af siliciumwafers kan membranfiltre og kunsthåndværk fremstilles ved hjælp af de samme metoder.

Noter

1. ↑ Linjer til fremstilling af enheder laves i første omgang til en bestemt standardstørrelse af emnet (pladen). Den nominelle størrelse (diameter) kendetegner både teknologien og teknologiniveauet. For eksempel, på tidspunktet for Sovjetunionens sammenbrud, arbejdede en teknologi baseret på brugen af ​​monosiliciumbarrer med en diameter på 100 mm i landet, i udlandet - 200 mm. I 2010'erne udfasede globale producenter gradvist 135 mm teknologilinjerne med fokus på elektroniske siliciumteknologier på diametre på 300 mm, solenergiteknologier på 200 mm. I 1997-2000 blev der i Japan gennemført et projekt for at opnå dislokationsfrie barrer med en diameter på 400-450 mm, men produktionsteknologien gik ikke i serie, da det ikke var muligt at opnå tilstrækkelig kontrol over fordelingen af ​​urenheder over krystaltværsnittet. De nominelle diametre af ingots dyrket til produktion af fotovoltaiske omformere (PVC'er) er normalt lavere end niveauet for elektronisk siliciumteknologi. Dette skyldes det faktum, at forældede linjer til produktion af enheder, der ikke har udarbejdet deres ressource, oprindeligt blev overført til produktion af solceller.