Silicio cristalino
El silicio cristalino es la principal forma en que se utiliza el silicio en la fabricación de convertidores fotovoltaicos y dispositivos electrónicos de estado sólido que utilizan tecnología planar . El uso de silicio en forma de películas delgadas ( capas epitaxiales ) de estructuras cristalinas y amorfas sobre diversos sustratos se está desarrollando activamente .
Tipos de silicio cristalino
Dependiendo del propósito, hay:
- Silicio de calidad electrónica (el llamado "silicio electrónico"): el silicio de la más alta calidad con un contenido de silicio de más del 99,999 % en peso, mayor vida útil de los portadores que no están en equilibrio (más de 25 μs), utilizado para la producción de sólidos. dispositivos electrónicos de estado, microcircuitos, etc. La resistencia eléctrica específica del silicio de calidad electrónica puede estar en el rango de aproximadamente 0,001 a 150 Ω cm, pero en este caso, el valor de la resistencia debe ser proporcionado exclusivamente por una impureza determinada. Es decir, la entrada de otras impurezas en el cristal, incluso si proporcionan una resistividad eléctrica dada, por regla general, es inaceptable. La mayor parte de los cristales de silicio de calidad electrónica son los llamados. “cristales libres de dislocaciones”, la densidad de dislocaciones en ellos no supera los 10 cm – 2 , sin embargo, en algunos casos, los lingotes con estructura gemela o incluso policristalina también se utilizan para fabricar dispositivos electrónicos. Los requisitos de pureza del silicio para tipos específicos de dispositivos electrónicos pueden ser especialmente estrictos, hasta un 99,9999999 %.
- Silicio de grado solar (el llamado "silicio solar"): silicio con un contenido de silicio de más del 99,99% en peso, con valores promedio de la vida útil de los portadores de no equilibrio y resistividad eléctrica (hasta 25 μs y hasta 10 Ω cm), utilizados para la producción de convertidores fotoeléctricos (baterías solares);
- Silicio técnico: bloques de silicio con estructura policristalina, obtenidos por reducción carbotérmica a partir de arena de cuarzo puro; contiene 98% de silicio, la principal impureza es el carbono, tiene un alto contenido de elementos de aleación: boro, fósforo, aluminio; utilizado principalmente para producir silicio policristalino ; en 2006-2009, debido a la escasez de materias primas de silicio de grado solar, se intentó utilizar este material para la producción de silicio cristalino de calidad solar: para este propósito, el silicio técnico se purificó adicionalmente mediante trituración a lo largo de los límites intercristalinos y grabado impurezas concentradas en los límites, luego se llevó a cabo la recristalización con una de las formas mencionadas anteriormente).
Dependiendo del método de recristalización, hay:
- silicio monocristalino: lingotes cilíndricos de silicio de estructura mono y policristalina con un diámetro de hasta 400 mm, obtenidos por el método Czochralski ;
- silicio monocristalino sin crisol: lingotes cilíndricos de silicio de estructura monocristalina con un diámetro de hasta 150 mm, obtenidos por el método de fusión por zonas sin crisol ;
- multisilicio - bloques rectangulares de silicio de estructura policristalina con dimensiones de hasta 1000 × 1000 × 600 mm obtenido por cristalización direccional en un recipiente;
- cristales de silicio perfilados de estructura policristalina en forma de tubos huecos (OJSC Podolsky Chemical and Metallurgical Plant, Federación Rusa) o prismas multifacéticos huecos (Wacker Schott Solar, Alemania), cintas de silicio de estructura dendrítica (policristalina) con un ancho de hasta hasta 30 mm, obtenidos por el método Czochralski (sin el uso de troqueles) o el método Stepanov (con el uso de troqueles de perfilado);
- chatarra de silicio - recortes, fragmentos y otros productos de desecho limpios de la producción de silicio por los métodos descritos anteriormente sin rastros de oxidación, partes fundidas del crisol o revestimiento - a su vez se pueden dividir en subgrupos dependiendo del origen - se utiliza como materia prima reciclada material en la producción de silicio cristalino;
- umg-scrap - silicio técnico purificado metalúrgicamente - es silicio técnico sometido a una purificación adicional por interacción del fundido de silicio con otras sustancias (para la extracción de impurezas o su transferencia a una fase insoluble o gaseosa, etc.) y posterior cristalización direccional y eliminación posterior de la zona de concentración de contaminantes;
- Chatarra - fragmentos, recortes y otros productos de desecho de la producción de silicio cristalino utilizando los métodos descritos anteriormente con los restos de crisoles o revestimientos, rastros de oxidación, escoria - por lo general, esta es también la zona donde se empujaron las impurezas durante la cristalización, el silicio más sucio, a su vez, se puede separar en subgrupos según el origen: después de limpiar las inclusiones de sustancias extrañas, se puede usar como un aditivo para las materias primas en circulación cuando se obtienen grados de silicio con requisitos de calidad reducidos.
El silicio monocristalino sin crisol se produce solo en calidad electrónica. El multisilicio se produce solo en calidad solar. El silicio monocristalino, los tubos y las cintas obtenidos por el método Czochralski pueden ser tanto de calidad electrónica como solar.
Silicio monocristalino
El silicio monocristalino incluye lingotes cilíndricos de silicio cultivados por el método Czochralski . Los lingotes pueden tener una estructura monocristalina libre de dislocaciones (el número de dislocaciones no es superior a 10 piezas/cm²); estructura monocristalina con líneas de deslizamiento, estructura macla (cristales de dos y tres granos), estructura policristalina con granos finos y gruesos.
Dependiendo de las condiciones de crecimiento, los lingotes que tienen una estructura libre de dislocaciones en la región superior (semilla) pueden detener el crecimiento libre de dislocaciones, transformándose primero en una estructura con líneas de deslizamiento (durante el crecimiento, las líneas de deslizamiento en desarrollo crecen hacia la parte libre de dislocaciones). del lingote por una longitud del orden del diámetro del lingote), y luego una estructura policristalina formada por cristalitos que disminuyen gradualmente hasta 2-3 mm de sección transversal.
Los cristales gemelos que crecen a partir de semillas gemelas inicialmente tienen fuentes de dislocaciones en el límite entre gemelos. Por lo tanto, en los cristales gemelos, se desarrollan gradualmente inclusiones significativas de regiones policristalinas (a una distancia de aproximadamente 2 o 3 diámetros de lingote), que absorben gradualmente los cristalitos de la estructura gemela original.
Los cristales crecidos de silicio monocristalino se someten a procesamiento mecánico.
Como regla general, el procesamiento mecánico de lingotes de silicio se lleva a cabo utilizando herramientas de diamante: sierras de cinta, hojas de sierra, discos de pulido perfilados y no perfilados, cuencos. A finales de la década del 2000, en los equipos para el corte inicial y escuadrado de lingotes, se pasó paulatinamente de las sierras de cinta al corte con hilo diamantado, así como al corte con hilo de acero en suspensión de carburo de silicio.
Durante el procesamiento mecánico, se cortan del lingote las primeras piezas, adecuadas (en términos de sus propiedades estructurales, geométricas y eléctricas) para la fabricación de dispositivos. Luego, el silicio monocristalino destinado a la fabricación de dispositivos electrónicos (silicio electrónico) se calibra a un diámetro predeterminado. En algunos casos, se realiza un corte de base sobre la generatriz del cilindro obtenido, paralelo a uno de los planos cristalográficos.
El silicio monocristalino destinado a la fabricación de convertidores fotoeléctricos no se somete a calibración, sino que se realiza el llamado cuadrado. Al cuadrar, los segmentos de la generatriz del cilindro se cortan para formar un cuadrado completo o un cuadrado incompleto (pseudocuadrado), que está formado por lados incompletos del cuadrado ubicados simétricamente con una diagonal mayor que el diámetro del lingote, conectados a lo largo el arco de la generatriz restante del cilindro. Debido al escuadrado, se proporciona un uso más racional del área donde se instalan las obleas de silicio pseudocuadradas.
Multisilicio
El multisilicio incluye bloques rectangulares de silicio policristalino obtenidos en grandes crisoles rectangulares (recipientes) mediante el método de cristalización direccional. Durante la cristalización, la temperatura del silicio fundido en el crisol (recipiente) disminuye gradualmente en altura, por lo que los cristalitos crecen en una dirección, creciendo gradualmente y desplazando a los cristalitos más pequeños. El tamaño de grano de un policristal crecido de esta manera puede alcanzar 5-10 mm en la sección transversal perpendicular a la dirección de crecimiento.
Los bloques resultantes se cortan para eliminar las secciones de borde que contienen las partículas del crisol (revestimiento), y el bloque resultante se corta en prismas cuadrados con dimensiones de 100 × 100 mm, 125 × 125 mm, 150 × 150 mm, 170 × 170 mm, 200 × 200 mm en función de la tecnología utilizada [1] .
Conseguir
El silicio cristalino se produce por recristalización de silicio policristalino o ug-silicio, sin mezclar o mezclado en una u otra proporción con chatarra de silicio. La recristalización se lleva a cabo por uno de los métodos conocidos. Los más comunes son el método Czochralski y el método de cristalización direccional de la masa fundida en un crisol. En menor medida, para obtener los cristales más puros con la máxima resistividad eléctrica y vida útil de los portadores de carga menores, se utiliza el método de fusión por zonas .
Aplicación
Independientemente del tipo y origen del silicio cristalino, los prismas cuadrados, pseudocuadrados y cilindros de silicio obtenidos se cortan en placas, en las que se crean varios dispositivos electrónicos mediante epitaxia y fotolitografía (la llamada tecnología planar ). Además, sobre la base de obleas de silicio, se pueden fabricar filtros de membrana y artesanías utilizando los mismos métodos.
Notas
- ↑ Las líneas para la producción de dispositivos se fabrican inicialmente para un determinado tamaño estándar de la pieza de trabajo (placa). El tamaño nominal (diámetro) caracteriza tanto la tecnología como el nivel de tecnología. Por ejemplo, en el momento del colapso de la URSS, una tecnología basada en el uso de lingotes de monosilicio con un diámetro de 100 mm trabajaba en el país, en países extranjeros: 200 mm. En la década de 2010, los fabricantes globales eliminaron gradualmente las líneas de tecnología de 135 mm, enfocando las tecnologías de silicio electrónico en diámetros de 300 mm y las tecnologías solares en 200 mm. En 1997-2000, se implementó un proyecto en Japón para obtener lingotes libres de dislocaciones con un diámetro de 400-450 mm, pero la tecnología de producción no entró en serie, ya que no fue posible lograr un control adecuado sobre la distribución de impurezas. sobre la sección transversal del cristal. Los diámetros nominales de los lingotes cultivados para la producción de convertidores fotovoltaicos (PVC) suelen ser inferiores al nivel de la tecnología de silicio electrónico. Esto se debe al hecho de que las líneas obsoletas para la producción de dispositivos que no han trabajado en su recurso se transfirieron inicialmente a la producción de células solares.