Особенности формирования микроструктуры мультикремния, выращенного из рафинированного металлургического кремния

• Автор: Пещерова, Светлана Михайловна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Иркутск
• Количество страниц: 124 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Основные сокращения и определения
Введение
Глава 1. Современные представления о физико-химических свойствах и структуре кристаллов мультикремния, выращенных методом направленной кристаллизации.
1.1. Технологии производства мультикремния «солнечного» качества
1.2. Исследования эффективности направленной кристаллизации мультикремния
1.3. Исследования электрофизических свойств мультикремния различными методами
1.4. Исследования особенностей характера взаимодействия примесей и дефектов структуры мультикремния, выращенного из металлургического кремния направленной кристаллизацией
1.5. Выводы
Глава 2. Объекты и методы исследования
Глава 3. Особенности распределения примесей в структуре мультикремния при направленной кристаллизации из металлургического рафинированного кремния
3.1. Исследования примесей в металлургическом рафинированном кремнии, полученном карботермическим восстановлением кварцитов
3.2. Распределение примесей в микроструктуре мультикремния в зависимости от условий кристаллизации металлургического рафинированного кремния
3.3. Распределение микродефектов и микровключений в структуре мультикремния
3.4. Выводы
Глава 4. Исследования свойств макро- и микроструктуры мультикремния
4.1. Исследование влияния параметров макроструктуры мультикремния на распределение времени жизни неравновесных носителей заряда
4.2. Определение параметров ориентации зёрен с границами общего типа в мультикремнии с помощью РЭМ
4.3. Исследование морфологических характеристик общих и специальных границ зёрен в мультикремнии
4.4. Определение структурных характеристик зёрен в мультикремнии
4.5. Выводы
Заключение
Библиографический список
Приложение
Приложение 2
Приложение
Приложение

Основные сокращения и определения
МК - мультикристаллический кремний;
ННЗ — неравновесные носители заряда;
ФЭП, фотоэлемент - фотоэлектронный преобразователь;
РСМА - электронно-зондовый рентгеноспектральный микроанализ;
ИСП-МС - масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой;
СВЧ - сверхвысокочастотный;
Мультикристаллический кремний - поликристаллический кремний с колонной структурой моноблоков, ориентированных в направлении оси роста и с поперечным сечением не менее 2 мм и предназначенный для изготовления ФЭП.
Скрап - это вторичный металл, годный для изготовления мультикристаллического и монокристаллического кремния, используемого для фотоэлектрических преобразователей.
Межзёренная гранииа - поверхность раздела различно ориентированных зёрен в поликристаллическом твердом теле.
Геттерирование - процесс связывания в нейтральные ассоциации подвижных, нежелательных примесей и дефектов на границах раздела, образованных внешней поверхностью кристаллов или поверхностью границ преципитатов.
Рекомбинаиия - взаимодействие электрона и дырки, в результате которого электрон возвращается в валентную зону, а энергия, затраченная на перенос электрона из валентной зоны в зону проводимости, выделяется в виде излучения или тепла.
Сегрегация - явление изменения состава, структуры и свойств поверхностных слоев атомов вещества в конденсированном, то есть в твёрдом или жидком состояниях.
Ячеистая структура - образуется в кристалле, когда расплав перед фронтом роста переохлажден. Выступ, случайно возникший на поверхности, попадает в область большего переохлаждения, скорость роста его вершины увеличивается ещё больше и т. д. В результате плоский фронт роста разбивается на округлые купола, имеющие в плоскости фронта форму полос или шестиугольников, и возникает ячеистая структура.

Введение
Основным материалом для изготовления солнечных элементов является кремний. В основном солнечная энергетика использует кремний так называемого электронного качества с содержанием Si свыше 99,999%, а основной областью применения данного материала является производство твердотельных электронных приборов, микросхем и т.п. При получении кремния электронного качества используют водородное восстановление SiHCl3 [1]. В отличие от кремния электронного качества, к кремнию «солнечного» качества предъявляют менее высокие требования по чистоте. Содержание в нём углерода и кислорода не должно превышать 13 ррш, бора - 0,3 ppm, легирующих примесей (фосфор, мышьяк) - 0,1 ррш, металлов — 0,1 ррш [2, 3]. Наиболее дешевым способом получения мультикремния требуемого качества является очистка (рафинирование) металлургического кремния до «солнечного» качества [4]. Одним из основных этапов очистки является направленная кристаллизация, при этом основными критериями оценки пригодности получаемых кристаллов мультикремния для изготовления ФЭП являются: химический состав, структура и
электрофизические параметры. Электрофизические параметры в значительной степени зависят от химической чистоты кремния, от строения кристаллитов, их расположения, размеров, а также наличия межзёренных границ. Поэтому кроме очистки кремния от примесей необходимо особое внимание уделять структуре выращиваемого мультикремния, формируя ее при направленной кристаллизации с образованием столбчатого крупноблочного слитка с минимальным количеством МЗГ и наиболее однородным распределением электрофизических характеристик, удовлетворяющих требованиям солнечной энергетики [5].

геттерирования примеси хрома посредством введения жидкого фосфора (РОСЬ). По данным работы [115] для многокомпонентных растворов (примесей больше, чем одна) растворимость каждого из компонентов изменяется под влиянием взаимодействия компонент. Авторы утверждают, что для выделения на межзеренной границе необходимо выполнение одного (или двух одновременно) условий: достаточно большой выигрыш в энергии либо такой коэффициент диффузии, при котором примесные атомы успевают достичь границы за время кристаллизации. В мультикремнии исследовали процесс выделение железа и близких по свойству железу металлических примесей. Для проверки экспериментальных результатов авторы применяли термодинамическую модель. Предполагалось, что выделение может возникать на дефектах (в данном случае подразумеваются дислокации) или случайным образом в объеме при низких температурах (при большом выигрыше в энергии и малой длине диффузии) и на межзеренных границах при высоких температурах (большая длина диффузии, а выигрыш в энергии меньше). Как показали результаты моделирования, в многокомпонентных системах с сильным взаимодействием между компонентами этот эффект выражен сильнее. Также установлено, что процессы взаимодействия обуславливаются не только температурными параметрами системы, а во многом зависят от концентраций присутствующих в ней компонентов взаимодействия.
Процесс декорирования дислокаций атомами примесей в данное время активно исследуется, однако единого механизма взаимодействия формирующихся дислокаций с атомами примесей пока не выявлено. Из результатов работы [116] следует, что кристаллы, получаемые выращиванием из расплава, содержат различного рода несовершенства, которые существенно сказываются на ряде электрофизических свойств мультикремния. В процессах формирования протяженных дефектов (в частности, дислокаций), по мнению авторов, немаловажную роль играют