Kristályos szilícium

A kristályos szilícium a szilícium  fő formája a fotovoltaikus átalakítók és szilárdtest-elektronikai eszközök síktechnológiával történő gyártásához . Aktívan fejlődik a szilícium alkalmazása vékony filmek ( epitaxiális rétegek ) formájában, kristályos és amorf struktúrák formájában különböző hordozókon .

A kristályos szilícium típusai

A céltól függően vannak:

• Elektronikus minőségű szilícium (ún. "elektronikus szilícium") - a legjobb minőségű szilícium, több mint 99,999 tömegszázalék szilíciumtartalommal, a nem egyensúlyi hordozók hosszabb élettartamával (25 μs felett), szilárd anyagok előállítására használják állapotelektronikai eszközök, mikroáramkörök stb. Az elektronikus minőségű szilícium fajlagos elektromos ellenállása kb. 0,001-150 Ω cm tartományban lehet, de ebben az esetben az ellenállásértéket kizárólag egy adott szennyeződésnek kell biztosítania. Vagyis más szennyeződések bejutása a kristályba, még akkor is, ha adott elektromos ellenállást biztosítanak, általában elfogadhatatlan. Az elektronikus minőségű szilícium kristályok zöme az ún. „diszlokációmentes kristályok”, bennük a diszlokációsűrűség nem haladja meg a 10 cm – 2 -t, azonban esetenként iker- vagy akár polikristályos szerkezetű tuskákat is felhasználnak elektronikai eszközök gyártására. A szilícium tisztasági követelményei bizonyos típusú elektronikus eszközök esetében különösen szigorúak lehetnek, akár 99,9999999%-ig.
• Napelemes szilícium (ún. "szoláris szilícium") - több mint 99,99 tömegszázalék szilíciumtartalommal, a nem egyensúlyi hordozók élettartamának átlagos értékeivel és az elektromos ellenállással (25 μs-ig) és 10 Ω cm-ig), fotoelektromos átalakítók (napelemek) gyártására használják;
• Műszaki szilícium - tiszta kvarchomokból karbotermikus redukcióval nyert polikristályos szerkezetű szilíciumtömbök; 98% szilíciumot tartalmaz, a fő szennyeződés a szén, magas ötvözőelem-tartalommal rendelkezik - bór, foszfor, alumínium; főleg polikristályos szilícium előállítására használják ; 2006-2009-ben a napkollektoros szilícium alapanyag hiánya miatt ezt az anyagot próbálták napelemes minőségű kristályos szilícium előállítására felhasználni: ennek érdekében a műszaki szilíciumot a kristályközi határvonalak mentén történő zúzással és maratással kiegészítve tisztították. a szennyeződések a határokon koncentrálódtak, majd az átkristályosítást a fent említett módszerek valamelyikével végeztük).

Az átkristályosítás módjától függően a következők vannak:

• mono- és polikristályos szerkezetű, legfeljebb 400 mm átmérőjű egykristályos szilícium - hengeres szilícium tömbök, amelyeket Czochralski-módszerrel állítanak elő ;
• tégely nélküli egykristályos szilícium - hengeres, egykristály szerkezetű szilícium tömbök, amelyek átmérője legfeljebb 150 mm, amelyet tégely nélküli zónaolvasztás módszerével állítanak elő ;
• multiszilícium - téglalap alakú, polikristályos szerkezetű szilícium blokkok, amelyek mérete legfeljebb 1000 × 1000 × 600 mm edényben irányított kristályosítással nyerték;
• polikristályos szerkezetű profilozott szilíciumkristályok üreges csövek (OJSC Podolsky Chemical and Metallurgical Plant, Orosz Föderáció) vagy üreges, sokoldalú prizmák (Wacker Schott Solar, Németország), dendrites (polikristályos) szerkezetű szilícium szalagok legfeljebb szélességgel 30 mm-ig, a Czochralski módszerrel (matricák használata nélkül) vagy a Stepanov-módszerrel (profilozó szerszámok használatával) nyert;
• szilícium törmelék - a szilíciumgyártás fent leírt módszerekkel történő levágása, törmeléke és egyéb tiszta hulladéktermékei, oxidáció nyoma nélkül, az olvasztótégely vagy a bélés olvasztott részei, illetve a bélés - eredettől függően alcsoportokra oszthatók - újrahasznosított nyersanyagként kerül felhasználásra. anyagok a kristályos szilícium előállításához;
• umg-hulladék - kohászatilag tisztított műszaki szilícium - ez a műszaki szilícium, amelyet további tisztításnak vetnek alá a szilícium olvadék más anyagokkal való kölcsönhatása révén (a szennyeződések extrakciója vagy azok oldhatatlan vagy gázfázisba történő átvitele stb.), majd ezt követően irányított kristályosítással, ill. a szennyezőanyag-koncentrációs zóna ezt követő eltávolítása;
• Fazék törmelék - a kristályos szilícium fent leírt módszerekkel történő előállításának töredékei, nyesedékei és egyéb hulladéktermékei tégely vagy bélés maradványaival, oxidáció nyomaival, salakkal - általában ez az a terület is, ahol a szennyeződések a folyamat során szennyeződtek. kristályosodás - a legszennyezettebb szilícium - viszont származástól függően alcsoportokra bontható - idegen anyagok zárványaitól való megtisztítás után, csökkentett minőségi igényű szilícium minőségek beszerzésekor keringő alapanyagok adalékaként használható.

A szilícium egykristályos tégelyt csak elektronikus minőségben gyártják. A multiszilíciumot csak napelemes minőségben állítják elő. A Czochralski-módszerrel előállított monokristályos szilícium, csövek és szalagok egyaránt lehetnek elektronikus és szoláris minőségűek.

Monokristályos szilícium

A monokristályos szilícium magában foglalja a Czochralski-módszerrel termesztett szilícium hengeres öntvényeit . A tuskók egykristályos diszlokációmentes szerkezetűek lehetnek (a diszlokációk száma legfeljebb 10 db/cm²); egykristályos szerkezet csúszóvonalakkal, ikerszerkezet (két- és háromszemcsés kristályok), polikristályos szerkezet finom és durva szemcsékkel.

A felső (mag) régióban diszlokációmentes szerkezetű tuskó a növekedési körülményektől függően megállíthatja a diszlokációmentes növekedést, először csúszásvonalas szerkezetté alakul át (a növekedés során a fejlődő csúszási vonalak a diszlokációmentes részbe nőnek) a tuskó átmérőjének nagyságrendjére), majd fokozatosan 2-3 mm keresztmetszetűre csökkenő krisztallitokból kialakított polikristályos szerkezet.

Az ikermagokból kinőtt ikerkristályok kezdetben diszlokációs forrásokkal rendelkeznek az ikerszemek határán. Ezért az ikerkristályokban fokozatosan (kb. 2-3 tuskóátmérő távolságra) jelentős polikristályos régiók zárványai alakulnak ki, amelyek fokozatosan elnyelik az eredeti ikerszerkezet kristályait.

Az egykristályos szilícium kinőtt kristályait mechanikai feldolgozásnak vetik alá.

A szilícium öntvények mechanikai feldolgozását általában gyémántszerszámokkal végzik : szalagfűrészek, fűrészlapok, profilozott és nem profilozott tárcsák, tálak csiszolása. A 2000-es évek végén a bugák kezdeti vágására és négyszögesítésére szolgáló berendezésekben fokozatosan áttértek a szalagfűrészről a gyémánttal impregnált huzalos huzalvágásra, valamint a szilícium-karbid felfüggesztésű acélhuzalos huzalvágásra.

A mechanikai feldolgozás során az öntvényből kivágják az első részeket, amelyek alkalmasak (szerkezeti, geometriai és elektromos tulajdonságaikat tekintve) eszközök gyártására. Ezután az elektronikus eszközök gyártására szánt egykristályos szilíciumot (elektronikus szilíciumot) egy előre meghatározott átmérőre kalibrálják. Egyes esetekben a kapott henger generatrixán az egyik krisztallográfiai síkkal párhuzamosan alapvágást végeznek.

A fotoelektromos átalakítók gyártására szánt egykristályos szilíciumot nem kalibrálják, hanem elvégzik az ún. Négyzetesítéskor a henger generatrixából származó szegmenseket úgy vágják le, hogy egy teljes négyzetet vagy egy nem teljes négyzetet (pszeudo-négyzetet) alkossanak, amelyet a négyzet szimmetrikusan elhelyezkedő, a tuskó átmérőjénél nagyobb átlójú, nem teljes oldalai alkotnak, amelyek mentén össze vannak kötve. a henger fennmaradó generatrixának íve. A négyzetesítésnek köszönhetően a pszeudo-négyzet szilíciumlapkák elhelyezésére szolgáló terület ésszerűbb kihasználása biztosított.

Multisilicon

A multiszilícium téglalap alakú polikristályos szilícium blokkokat tartalmaz, amelyeket nagy négyszögletes tégelyekben (tartályokban) állítanak elő irányított kristályosítással. A kristályosodás során a tégelyben (tartályban) lévő szilíciumolvadék hőmérséklete fokozatosan csökken, ezáltal a krisztallitok egy irányba nőnek, fokozatosan nőnek és kiszorítják a kisebb kristályokat. Az így nevelt polikristály szemcsemérete a növekedési irányra merőleges keresztmetszetben elérheti az 5-10 mm-t.

A kapott tömböket levágjuk, hogy eltávolítsuk a tégely részecskéit tartalmazó élszakaszokat (bélés), és a kapott blokkot négyzet alakú prizmákra vágjuk, amelyek mérete 100 × 100 mm, 125 × 125 mm, 150 × 150 mm, 170 × 170 mm, 200 × 200 mm in az alkalmazott technológiától függően [1] .

Getting

A kristályos szilíciumot polikristályos szilícium vagy umg-szilícium átkristályosításával állítják elő, amelyet nem kevernek össze vagy kevernek össze szilíciumhulladékkal. Az átkristályosítást az ismert eljárások egyikével végezzük. A legelterjedtebb a Czochralski-módszer és az olvadék tégelyben történő irányított kristályosításának módszere. Kisebb mértékben a legtisztább kristályok előállításához, amelyek maximális elektromos ellenállása és a kisebb töltéshordozók élettartama, a zóna olvasztási módszert alkalmazzák .

Alkalmazás

A kristályos szilícium típusától és eredetétől függetlenül a kapott négyzetes, pszeudo-négyzet prizmákat és szilíciumhengereket lemezekre vágják, amelyeken epitaxiával és fotolitográfiával (ún. planáris technológia ) különféle elektronikus eszközöket készítenek . A szilíciumlapkákból membránszűrők és kézműves termékek is készíthetők ugyanezekkel a módszerekkel.

Jegyzetek

1. ↑ Az eszközök gyártására szolgáló sorokat kezdetben a munkadarab (lemez) egy bizonyos szabványos méretéhez készítik. A névleges méret (átmérő) egyaránt jellemzi a technológiát és a technológiai szintet. Például a Szovjetunió összeomlása idején az országban 100 mm átmérőjű monoszilícium tuskó használatán alapuló technológia működött, külföldön 200 mm. A 2010-es években a globális gyártók fokozatosan megszüntették a 135 mm-es technológiai vonalakat, az elektronikus szilícium technológiákat 300 mm-es átmérőkre, a szoláris technológiákat pedig 200 mm-es átmérőkre helyezték előtérbe. 1997–2000-ben Japánban projektet hajtottak végre 400–450 mm átmérőjű, diszlokációmentes tuskók beszerzésére, de a gyártási technológia nem ment sorozatba, mivel nem lehetett megfelelő ellenőrzést elérni a szennyeződések eloszlását illetően. a kristály keresztmetszet felett. A fotovoltaikus konverterek (PVC) gyártásához termesztett tuskók névleges átmérője általában alacsonyabb, mint az elektronikus szilícium technológia szintje. Ennek oka az a tény, hogy az eszközök gyártására szolgáló elavult sorokat, amelyek nem használták ki az erőforrásaikat, kezdetben a napelemek gyártására helyezték át.