Krystalický křemík

Krystalický křemík  je hlavní formou, ve které se křemík používá při výrobě fotovoltaických měničů a polovodičových elektronických zařízení pomocí planární technologie . Aktivně se rozvíjí využití křemíku ve formě tenkých filmů ( epitaxních vrstev ) krystalických i amorfních struktur na různých substrátech .

Druhy krystalického křemíku

V závislosti na účelu existují:

• Křemík elektronické kvality (tzv. „elektronický křemík“) - nejkvalitnější křemík s obsahem křemíku vyšším než 99,999 % hm., vyšší životností nerovnovážných nosičů (nad 25 μs), používaný pro výrobu pevných- stavová elektronická zařízení, mikroobvody apod. Měrný elektrický odpor křemíku elektronické kvality může být v rozmezí od cca 0,001 do 150 Ω cm, ale v tomto případě musí být hodnota odporu zajištěna výhradně danou nečistotou. To znamená, že vnikání jiných nečistot do krystalu, i když poskytují daný elektrický odpor, je zpravidla nepřijatelné. Převážnou část křemíkových krystalů elektronické kvality tvoří tzv. „dislokačních krystalů“, hustota dislokací v nich nepřesahuje 10 cm – 2 , k výrobě elektronických zařízení se však v některých případech používají i ingoty s dvojčí nebo dokonce polykrystalickou strukturou. Požadavky na čistotu křemíku pro konkrétní typy elektronických zařízení mohou být obzvláště přísné, až 99,9999999 %.
• Solární křemík (tzv. "solární křemík") - křemík s obsahem křemíku vyšším než 99,99 % hm., s průměrnými hodnotami životnosti nerovnovážných nosičů a elektrickým odporem (až 25 μs a do 10 Ω cm), používané pro výrobu fotoelektrických měničů (solární baterie);
• Technický křemík - bloky křemíku s polykrystalickou strukturou, získané karbotermální redukcí z čistého křemenného písku; obsahuje 98 % křemíku, hlavní nečistotou je uhlík, má vysoký obsah legujících prvků - bór, fosfor, hliník; používá se hlavně k výrobě polykrystalického křemíku ; v letech 2006-2009 byly z důvodu nedostatku solárních křemíkových surovin učiněny pokusy využít tento materiál pro výrobu krystalického křemíku solární kvality: za tímto účelem byl technický křemík dodatečně čištěn drcením podél interkrystalických hranic a leptáním nečistoty se koncentrovaly na hranicích, poté byla provedena rekrystalizace jedním z výše uvedených způsobů).

V závislosti na způsobu rekrystalizace existují:

• monokrystalický křemík - válcové křemíkové ingoty mono- a polykrystalické struktury o průměru do 400 mm, získané Czochralského metodou ;
• bezkelímkový monokrystalický křemík - válcové křemíkové ingoty monokrystalické struktury o průměru do 150 mm, získané metodou bezkelímkového zónového tavení ;
• multisilicon - obdélníkové křemíkové bloky polykrystalické struktury o rozměrech do 1000 × 1000 × 600 mm získaný směrovou krystalizací v nádobě;
• profilované krystaly křemíku polykrystalické struktury ve formě dutých trubiček (OJSC Podolsky Chemical and Metallurgical Plant, Ruská federace) nebo dutých mnohostranných hranolů (Wacker Schott Solar, Německo), silikonové pásky dendritické (polykrystalické) struktury o šířce max. do 30 mm, získané metodou Czochralski (bez použití matric) nebo Stepanovovou metodou (s použitím profilovacích matric);
• křemíkový šrot - úlomky, úlomky a další čisté odpadní produkty výroby křemíku výše popsanými způsoby bez stop oxidace, tavené části kelímku nebo výstelky - lze zase rozdělit do podskupin podle původu - používá se jako recyklovaná surovina materiál při výrobě krystalického křemíku;
• umg-šrot - metalurgicky čištěný technický křemík - jedná se o technický křemík podrobený dodatečnému čištění interakcí křemíkové taveniny s jinými látkami (k extrakci nečistot nebo jejich převedení do nerozpustné nebo plynné fáze apod.) a následné směrové krystalizaci a následné odstranění zóny koncentrace kontaminantu;
• Pot-šrot - úlomky, odřezky a další odpadní produkty výroby krystalického křemíku výše popsanými způsoby se zbytky kelímků nebo vyzdívek, stopy oxidace, struska - zpravidla je to také oblast, kam se při krystalizace - nejšpinavější křemík - lze zase dělit na podskupiny podle původu - po očištění od vměstků cizorodých látek lze použít jako přísadu do oběhových surovin při získávání jakostí křemíku se sníženými požadavky na kvalitu.

Křemíkový jednokrystalový bezkelímkový se vyrábí pouze v elektronické kvalitě. Multisilicon se vyrábí pouze v solární kvalitě. Monokrystalický křemík, trubičky a pásky získané Czochralského metodou mohou být elektronické i solární kvality.

Monokrystalický křemík

Monokrystalický křemík zahrnuje válcové ingoty křemíku pěstované Czochralského metodou . Ingoty mohou mít jednokrystalovou strukturu bez dislokací (počet dislokací není větší než 10 kusů/cm²); monokrystalická struktura se skluzovými čarami, dvojitá struktura (dvou a třízrnné krystaly), polykrystalická struktura s jemnými a hrubými zrny.

V závislosti na podmínkách růstu mohou ingoty, které mají v horní (semenné) oblasti strukturu bez dislokací, zastavit růst bez dislokací a přeměnit se nejprve na strukturu se skluzovými liniemi (během růstu vyvíjející se skluzové linie přerostou do části bez dislokací ingotu na délku řádově průměru ingotu) a poté polykrystalickou strukturu tvořenou krystality postupně se zmenšujícími na 2-3 mm v průřezu.

Dvojité krystaly vyrostlé z dvojčat mají zpočátku zdroje dislokací na hranici propletence. V krystalech dvojčat se proto postupně vyvíjejí významné inkluze polykrystalických oblastí (ve vzdálenosti asi 2–3 průměry ingotů), které postupně pohlcují krystality původní struktury dvojčat.

Vyrostlé krystaly monokrystalického křemíku jsou podrobeny mechanickému zpracování.

Mechanické zpracování křemíkových ingotů se zpravidla provádí pomocí diamantových nástrojů: pásové pily, pilové kotouče, brousící profilové a neprofilové kotouče, misky. Koncem roku 2000 došlo v zařízeních pro počáteční řezání a pravoúhlost ingotů k postupnému přechodu od pásových pil k řezání drátem diamantem impregnovaným drátem a také drátovým řezáním ocelovým drátem v suspenzi karbidu křemíku.

Při mechanickém zpracování se z ingotu vyřezávají první díly vhodné (z hlediska svých strukturních, geometrických a elektrických vlastností) pro výrobu zařízení. Poté je monokrystalický křemík určený pro výrobu elektronických zařízení (elektronický křemík) kalibrován na předem stanovený průměr. V některých případech se na tvořící přímce získaného válce provede základní řez, rovnoběžný s jednou z krystalografických rovin.

Monokrystalický křemík určený pro výrobu fotoelektrických měničů se nekalibruje, ale provádí se tzv. kvadratizace. Při kvadratuře se úsečky z tvořící čáry válce vyříznou tak, aby vytvořily plný čtverec nebo neúplný čtverec (pseudočtverec), který je tvořen symetricky umístěnými neúplnými stranami čtverce s úhlopříčkou větší než je průměr ingotu, spojenými podél oblouk zbývající tvořící přímky válce. Díky kvadratuře je zajištěno racionálnější využití plochy, kde jsou instalovány pseudočtvercové křemíkové destičky.

Multisilicon

Multisilicon zahrnuje obdélníkové bloky polykrystalického křemíku získané ve velkých obdélníkových kelímcích (nádobách) metodou směrové krystalizace. Při krystalizaci teplota křemíkové taveniny v kelímku (nádobě) postupně klesá do výšky, čímž krystality rostou jedním směrem, postupně rostou a vytlačují menší krystality. Zrnitost takto vypěstovaného polykrystalu může v příčném řezu kolmém ke směru růstu dosáhnout 5–10 mm.

Výsledné bloky se nařežou, aby se odstranily okrajové části obsahující částice kelímku (obložení), a výsledný blok se nařeže na čtvercové hranoly o rozměrech 100 × 100 mm, 125 × 125 mm, 150 × 150 mm, 170 × 170 mm, 200 × 200 mm v závislosti na použité technologii [1] .

Získání

Krystalický křemík se vyrábí rekrystalizací polykrystalického křemíku nebo umg-křemíku, nemíchaný nebo smíšený v jednom nebo jiném poměru s křemíkovým odpadem. Rekrystalizace se provádí jedním ze známých způsobů. Nejběžnější jsou Czochralského metoda a metoda směrové krystalizace taveniny v kelímku. V menší míře se pro získání nejčistších krystalů s maximálním elektrickým odporem a životností malých nosičů náboje používá metoda zónového tavení .

Aplikace

Bez ohledu na druh a původ krystalického křemíku se získané čtvercové, pseudočtvercové hranoly a křemíkové válečky řežou na desky, na kterých se epitaxí a fotolitografií vytvářejí různá elektronická zařízení (tzv. planární technologie ). Na základě křemíkových plátků lze stejnými metodami vyrobit membránové filtry a umělecká řemesla.

Poznámky

1. ↑ Linky na výrobu zařízení jsou zpočátku vyráběny pro určitou standardní velikost obrobku (desky). Jmenovitá velikost (průměr) charakterizuje jak technologii, tak úroveň technologie. Například v době rozpadu SSSR fungovala technologie založená na použití monosilikonových ingotů o průměru 100 mm v zemi, v cizích zemích - 200 mm. V roce 2010 světoví výrobci postupně vyřazovali technologické řady 135 mm se zaměřením na elektronické křemíkové technologie na průměry 300 mm, solární technologie na 200 mm. V letech 1997–2000 byl v Japonsku realizován projekt na získání bezdislokačních ingotů o průměru 400–450 mm, ale technologie výroby se nedostala do série, protože nebylo možné dosáhnout dostatečné kontroly nad distribucí nečistot. přes krystalový průřez. Jmenovité průměry ingotů pěstovaných pro výrobu fotovoltaických konvertorů (PVC) jsou obvykle nižší než úroveň technologie elektronického křemíku. Důvodem je skutečnost, že zastaralé linky na výrobu zařízení, které nevyčerpaly svůj zdroj, byly původně převedeny na výrobu solárních článků.