Siliciu cristalin

Siliciul cristalin  este principala formă în care siliciul este utilizat la fabricarea convertoarelor fotovoltaice și a dispozitivelor electronice cu stare solidă care utilizează tehnologia plană . Utilizarea siliciului sub formă de pelicule subțiri ( straturi epitaxiale ) de structuri cristaline și amorfe pe diferite substraturi se dezvoltă activ .

Tipuri de siliciu cristalin

În funcție de scop, există:

• Siliciu de calitate electronică (așa-numitul „siliciu electronic”) - siliciul de cea mai înaltă calitate, cu un conținut de siliciu de peste 99,999% din greutate, durată de viață mai mare a purtătorilor de neechilibru (peste 25 μs), utilizat pentru producerea de solide- dispozitive electronice de stare, microcircuite etc. Rezistența electrică specifică a siliciului de calitate electronică poate fi în intervalul de la aproximativ 0,001 la 150 Ω cm, dar în acest caz, valoarea rezistenței trebuie să fie asigurată exclusiv de o anumită impuritate. Adică, pătrunderea altor impurități în cristal, chiar dacă acestea oferă o anumită rezistivitate electrică, de regulă, este inacceptabilă. Cea mai mare parte a cristalelor de siliciu de calitate electronică este așa-numita. „cristale fără dislocare”, densitatea de dislocare în ele nu depășește 10 cm – 2 , cu toate acestea, în unele cazuri, lingourile cu structură dublă sau chiar policristalină sunt, de asemenea, folosite pentru fabricarea dispozitivelor electronice. Cerințele de puritate a siliciului pentru anumite tipuri de dispozitive electronice pot fi deosebit de stricte, până la 99,9999999%.
• Siliciu de calitate solară (așa-numitul „siliciu solar”) - siliciu cu un conținut de siliciu de peste 99,99% în greutate, cu valori medii ale duratei de viață a purtătorilor de neechilibru și rezistivitate electrică (până la 25 μs) și până la 10 Ω cm), utilizate pentru producția de convertoare fotoelectrice (baterii solare);
• Siliciu tehnic - blocuri de siliciu cu structura policristalina, obtinute prin reducere carbotermica din nisip cuarcios pur; conține 98% siliciu, principala impuritate este carbonul, are un conținut ridicat de elemente de aliere - bor, fosfor, aluminiu; utilizat în principal pentru a produce siliciu policristalin ; în 2006-2009, din cauza lipsei de materii prime de siliciu de calitate solară, s-au încercat utilizarea acestui material pentru producerea de siliciu cristalin de calitate solară: în acest scop, siliciul tehnic a fost purificat suplimentar prin zdrobire de-a lungul limitelor intercristaline și gravare. impurități concentrate la limite, apoi recristalizarea a fost efectuată printr-una din modalitățile menționate mai sus).

În funcție de metoda de recristalizare, există:

• siliciu monocristal - lingouri cilindrice de siliciu cu structură mono- și policristalină cu un diametru de până la 400 mm, obținute prin metoda Czochralski ;
• siliciu monocristal fără creuzet - lingouri cilindrice de siliciu cu structură monocristalina cu un diametru de până la 150 mm, obținute prin metoda topirii zonei fără creuzet ;
• multisilicon - blocuri rectangulare de siliciu cu structura policristalina cu dimensiuni de pana la 1000 × 1000 × 600 mm obtinut prin cristalizare directionala intr-un recipient;
• cristale profilate de siliciu cu o structură policristalină sub formă de tuburi goale (OJSC Podolsky Chemical and Metallurgical Plant, Federația Rusă) sau prisme goale cu mai multe fațete (Wacker Schott Solar, Germania), benzi de siliciu cu o structură dendritică (policristalină) cu o lățime de până la până la 30 mm, obținut prin metoda Czochralski (fără utilizarea matrițelor) sau metoda Stepanov (cu utilizarea matrițelor de profilare);
• resturi de siliciu - butași, fragmente și alte deșeuri curate din producția de siliciu prin metodele descrise mai sus, fără urme de oxidare, părți topite ale creuzetului sau căptușelii - la rândul lor pot fi împărțite în subgrupe în funcție de origine - se utilizează ca materie primă reciclată material în producția de siliciu cristalin;
• umg-scrap - siliciu tehnic purificat metalurgic - acesta este siliciu tehnic supus unei epurări suplimentare prin interacțiunea topiturii de siliciu cu alte substanțe (pentru extracția impurităților sau transferul acestora într-o fază insolubilă sau gazoasă etc.) și cristalizarea direcțională ulterioară și îndepărtarea ulterioară a zonei de concentrare a contaminanților;
• Resturi de oală - fragmente, tunsoare și alte produse reziduale ale producției de siliciu cristalin folosind metodele descrise mai sus cu resturi de creuzete sau căptușeli, urme de oxidare, zgură - de regulă, aceasta este și zona în care au fost împinse impuritățile în timpul cristalizarea - cel mai murdar siliciu - la randul sau, poate fi separat in subgrupe in functie de provenienta - dupa curatarea de incluziuni de substante straine, poate fi folosit ca aditiv la materiile prime circulante la obtinerea calitatilor de siliciu cu cerinte de calitate reduse.

Siliciul monocristal fără creuzet este produs numai în calitate electronică. Multisiliciul este produs numai în calitate solară. Siliciul monocristalin, tuburile și benzile obținute prin metoda Czochralski pot fi atât de calitate electronică, cât și de calitate solară.

Siliciu monocristalin

Siliciul monocristalin include lingouri cilindrice de siliciu crescute prin metoda Czochralski . Lingourile pot avea o structură cu un singur cristal fără luxații (numărul de dislocații nu este mai mare de 10 bucăți/cm²); structură monocristalină cu linii de alunecare, structură dublă (cristale cu două și trei granule), structură policristalină cu granule fine și grosiere.

În funcție de condițiile de creștere, lingourile care au o structură fără dislocare în regiunea superioară (sămânță) pot opri creșterea fără dislocare, transformându-se mai întâi într-o structură cu linii de alunecare (în timpul creșterii, liniile de alunecare în curs de dezvoltare cresc în partea fără dislocare). a lingoului pe o lungime de ordinul diametrului lingoului) și apoi o structură policristalină formată din cristalite care descrește treptat până la 2-3 mm în secțiune transversală.

Cristalele gemene crescute din semințe gemene au inițial surse de dislocare la limita între gemeni. Prin urmare, în cristalele gemene, incluziunile semnificative ale regiunilor policristaline se dezvoltă treptat (la o distanță de aproximativ 2-3 diametre de lingouri), absorbind treptat cristaliții structurii gemene originale.

Cristalele crescute de siliciu monocristal sunt supuse prelucrării mecanice.

De regulă, prelucrarea mecanică a lingourilor de siliciu se realizează cu unelte diamantate: ferăstrău cu bandă, pânze de ferăstrău, discuri de șlefuit profilate și neprofilate, boluri. La sfarsitul anilor 2000, in echipamentele pentru taierea initiala si ecuadrarea lingourilor, s-a inregistrat o trecere treptata de la fierastraie cu banda la taierea sarmei cu sarma impregnata cu diamant, precum si taierea sarmei cu sarma de otel in suspensie de carbura de siliciu.

În timpul prelucrării mecanice, primele piese sunt tăiate din lingou, potrivite (din punct de vedere al proprietăților lor structurale, geometrice și electrice) pentru fabricarea dispozitivelor. Apoi, siliciul monocristal destinat fabricării dispozitivelor electronice (siliciu electronic) este calibrat la un diametru predeterminat. În unele cazuri, se face o tăietură de bază pe generatoarea cilindrului obţinut, paralel cu unul dintre planurile cristalografice.

Siliciul monocristal destinat fabricării convertoarelor fotoelectrice nu este supus calibrării, ci se realizează așa-numita pătrare. La pătrat, segmentele din generatoarea cilindrului sunt tăiate pentru a forma un pătrat complet sau un pătrat incomplet (pseudo-pătrat), care este format din laturile incomplete ale pătratului situate simetric, cu o diagonală mai mare decât diametrul lingoului, conectate de-a lungul arcul generatricei rămase a cilindrului. Datorită pătrarii, se asigură o utilizare mai rațională a zonei în care sunt instalate plachete de siliciu pseudo-pătrate.

Multisilicon

Multisiliconul include blocuri dreptunghiulare de siliciu policristalin obținute în creuzete (recipiente) dreptunghiulare mari prin metoda cristalizării direcționale. În timpul cristalizării, temperatura topiturii de siliciu din creuzet (recipient) scade treptat în înălțime, astfel cristaliții cresc într-o direcție, crescând treptat și deplasând cristaliții mai mici. Dimensiunea granulelor unui policristal crescut în acest mod poate ajunge la 5-10 mm în secțiune transversală perpendiculară pe direcția de creștere.

Blocurile rezultate sunt tăiate pentru a îndepărta secțiunile de margine care conțin particulele creuzetului (căptușeală), iar blocul rezultat este tăiat în prisme pătrate cu dimensiuni de 100 × 100 mm, 125 × 125 mm, 150 × 150 mm, 170 × 170 mm, 200 × 200 mm în funcție de tehnologia utilizată [1] .

Obținerea

Siliciul cristalin este produs prin recristalizarea siliciului policristalin sau a siliciului umg, neamestecat sau amestecat într-o proporție sau alta cu resturi de siliciu. Recristalizarea se realizează prin una dintre metodele cunoscute. Cele mai frecvente sunt metoda Czochralski și metoda de cristalizare direcțională a topiturii într-un creuzet. Într-o măsură mai mică, pentru a obține cele mai pure cristale cu rezistivitate electrică maximă și durata de viață a purtătorilor minori de sarcină, se folosește metoda topirii zonei .

Aplicație

Indiferent de tipul și originea siliciului cristalin, prismele pătrate, pseudo-pătrate și cilindrii de siliciu obținute sunt tăiate în plăci, pe care sunt create diverse dispozitive electronice prin epitaxie și fotolitografie (așa-numita tehnologie plană ). De asemenea, pe baza plachetelor de siliciu, filtrele cu membrană și meșteșugurile de artă pot fi realizate folosind aceleași metode.

Note

1. ↑ Liniile pentru producția de dispozitive sunt realizate inițial pentru o anumită dimensiune standard a piesei de prelucrat (placă). Dimensiunea nominală (diametrul) caracterizează atât tehnologia, cât și nivelul de tehnologie. De exemplu, la momentul prăbușirii URSS, o tehnologie bazată pe utilizarea lingourilor de monosiliciu cu diametrul de 100 mm lucra în țară, în țări străine - 200 mm. În anii 2010, producătorii globali au eliminat treptat liniile de tehnologie de 135 mm, concentrând tehnologiile electronice de siliciu pe diametre de 300 mm, tehnologiile solare pe 200 mm. În 1997–2000, în Japonia a fost implementat un proiect pentru obținerea de lingouri fără dislocare cu un diametru de 400–450 mm, dar tehnologia de producție nu a intrat în serie, deoarece nu a fost posibil să se realizeze un control adecvat asupra distribuției impurităților. peste secțiunea transversală a cristalului. Diametrele nominale ale lingourilor cultivate pentru producerea convertoarelor fotovoltaice (PVC) sunt de obicei mai mici decât nivelul tehnologiei electronice cu siliciu. Acest lucru se datorează faptului că liniile învechite pentru producția de dispozitive care nu și-au folosit resursele au fost inițial transferate în producția de celule solare.