Мультикремний

Кристаллический кремний - это основная форма, в которой используется кремний при производстве фотоэлектрических преобразователей и твердотельных электронных приборов методами планарной технологии. Активно развивается использование кремния в виде тонких плёнок (эпитаксиальных слоёв) кристаллической и аморфной структуры на различных подложках.

Получение

Кристаллический кремний производится путём перекристаллизации поликристаллического кремния не смешанного либо смешанного в той или иной пропорции с кристаллическим кремнием. Перекристаллизация производится одним из известных способов. Наиболее распространёнными являются метод Чохральского и метод направленной кристаллизации расплава в тигле. В меньшей мере для получения наиболее чистых кристаллов с максимальным удельным электрическим сопротивлением и временем жизни неосновных носителей заряда используется метод зонной плавки.

Виды кристаллического кремния

В зависимости от содержания основных легирующих примесей, определяющих удельное электрическое сопротивление кремния и время жизни неосновных носителей заряда, различают:

1. кремний электронного качества (т.н. "электронный кремний") - наиболее качественный кремний с более высокими показателями по названным параметрам (свыше 25мкс и свыше 10Ом.см), используемый для производства твердотельных электронных приборов, микросхем и т.п.;

2. кремний солнечного качества (т.н. "солнечный кремний") - кремний со средними значениями названных параметров (до 25мкс и до 10Ом.см), используемый для производства фотоэлектронных преобразователей (солнечных батарей);

3. технический кремний - блоки кремния поликристаллической структуры, полученного методом карботермического восстановления из чистого кварцевого песка; содержит 99% кремния, основная примесь - углерод, отличается высоким содержанием легирующих элементов - бора, фосфора, алюминия; в основном используется для получения поликристаллического кремния; (данный вид кремния включён в этот раздел потому, что в литературе есть сообщения о попытках использования такого материала после доочистки путём дробления по межкристаллитным границам и стравливания примесей, концентрирующихся на границах, для получения кремния солнечного качества путем перекристаллизации одним из вышеупомянутых способов).

В зависимости от способа перекристаллизации различают:

1. кремний монокристаллический - цилиндрические слитки кремния моно- и поликристаллической структуры с диаметром до 400мм, полученные методом Чохральского;

2. кремний монокристаллический бестигельный - цилиндрические слитки кремния монокристалической структуры с диаметром до 150мм, полученные методом бестигельной зонной плавки;

3. мультикремний - прямоугольные блоки кремния поликристаллической структуры с размерами до 1000х1000х600мм (?), полученные методом направленной кристаллизации в контейнере;

4. кремниевые трубы поликристаллической структуры с диаметром до 100мм, кремниевые ленты дендритной (поликристаллической) структуры с шириной до 30мм, полученные методом Чохральского с применением или без применения фильер - давно потеряли актуальность из-за нерационального использования сырья и ресурсов;

5. кремниевые прутки поликристаллической структуры с диаметром до 5 мм, полученные методом непрерывного литья через фильеры на воздухе - ранее использовались как нагреваемые подложки для осаждения кремния при получении кремния поликристаллического методом Сименса, давно потеряли актуальность из-за невысокой чистоты метода;

6. кремниевый скрап - обрезки, обломки и другие чистые отходы производства кремния описанными выше методами без следов окисления, вплавленных частей тигля либо футеровки - в свою очередь может быть разделён на подгруппы в зависимости от происхождения - используется в качестве оборотного сырья при производстве кристаллического кремния;

7. Pot-скрап - осколки, обрезки и другие отходы производства кристаллического кремния описанными выше способами с остатками тиглей либо футеровки, следами окисления, шлака - как правило это также та область, куда при кристаллизации оттеснялись примеси - наиболее грязный кремний - в свою очередь может быть разделён на подгруппы в зависимости от происхождения - после очистки от вкраплений посторонних веществ может использоваться как добавка к оборотному сырью при получении марок кремния с пониженными требованиями к качеству.

Кремний монокристаллический бестигельный, трубы и ленты производятся только электронного качества. Мультикремний производится только солнечного качества. Монокристаллический кремний, получаемый методом Чохральского может быть как электронного, так и солнечного качества.

Монокристаллический кремний

К монокристаллическому кремнию относятся цилиндрические слитки кремния выращенные методом Чохральского. Слитки могут иметь монокристаллическую бездислокационную структуру (число дислокаций не более 10шт/кв.см); монокристаллическую структуру с линиями скольжения, двойниковую структуру (двух и трёхзеренные кристаллы), поликристаллическую структуру с мелким и крупным зерном.

В зависимости от условий выращивания слитки, имеющие в верхней (призатравочной) области бездислокационную структуру, могут прекращать бездислокационный рост образуя сначала в структуру с линиями скольжения (в ходе роста развивающиеся линии скольжения прорастают в бездислокационную часть слитка на длину порядка диаметра слитка) а затем поликристаллическую структуру образуемую постепенно уменьшающимся до 2-3мм в поперечном сечении кристаллитами.

Двойниковые кристаллы, выращиваемые от двойниковых затравок, изначально имеют на междвойниковой границе источники дислокаций. Поэтому в двойниковых кристаллах постепенно (на расстоянии порядка 2-3 диаметров слитка) развиваются существенные включения поликристаллических областей, постепенно поглощающих кристаллиты изначальной двойниковой структуры.

Выращенные кристаллы монокристаллического кремния подвергаются механической обработке.

Как правило, механическая обработка слитков кремния ведётся с использованием алмазного инструмента: ленточных пил, пильных дисков, шлифовальных профилированных и непрофилированных дисков, чаш. На текущий момент (2009 год) в оборудовании для первоначального раскроя и квадратирования слитков наблюдается постепенный переход с ленточных пил на проволочную резку алмазно-импрегнированной проволокой, а также проволочную резку стальной проволокой в карбид-кремниевой суспензии.

При механической обработке сначала из слитка вырезают части пригодные (по своим структурным, геометрическим и электрофизическим свойствам) для изготовления приборов. Затем монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления электронных приборов (электронный кремний), подвергается калибровке под заданный диаметр(1). В некоторых случаях на образующей полученного цилиндра выполняется базовый срез, параллельный одной из кристаллографических плоскостей. Монокристаллический кремний, предназначенный для изготовления фотоэлектрических преобразователей калибровке не подвергают, но выполняют так называемое квадратирование. При квадратировании обрезаются сегменты с образующей цилиндра до образования полного квадрата или неполного квадрата (псевдоквадрата), который образован симметрично расположенными неполными сторонами квадрата с диагональю большей чем диаметр слитка, соединёнными по дуге оставшейся образующей цилиндра. За счет квадратирования обеспечивается более рациональное использование площади куда устанавливаются псевдоквадратные кремниевые пластины.

Мультикремний

К мультикремнию относят прямоугольные блоки поликристаллического кремния, получаемые в больших тиглях (контейнерах) прямоугольной формы методом направленной кристаллизации. При кристаллизации температура расплава кремния в тигле (контейнере) по высоте постепенно понижается тем самым кристаллиты растут в одном направлении постепенно разрастаясь и вытесняя более мелкие кристаллиты. Размер зерна поликристалла выращенного таким образом может достигать в сечении перпендикулярном направлению роста 5-10мм. Получившиеся блоки обрезают для удаления краевых участков, содержащих частицы тигля-футеровки, а полученный блок разрезают на призмы квадратного сечения с размерами 100х100мм, или 150х150мм, или 200х200мм в зависимости от используемой технологии (1)

Применение

Независимо от типа и происходения кристаллического кремния полученные квадратные, псевдоквадратные призмы и цилиндры из кремния разрезаются на пластины на которых методами эпитаксии и фотолитографии (т.н. планарная технология) создают те или иные электронные приборы

Примечание

(1) - Линии по выпуску приборов изначально изготавливаются под некоторый стандартный диаметр, номинал диаметра характеризует как технологию, так и уровень технологии. Например, на момент развала в СССР была освоена технология 100мм, на западе - 200мм; на 2009год мир постепенно сворачивает линии технологий 150 мм, текущая технология 300мм, идут интенсивные работы по освоению технологии 400мм.