Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения



Скачать 353.17 Kb.
страница2/4
Дата29.10.2012
Размер353.17 Kb.
ТипКурсовая
1   2   3   4

Дефекты кристаллов (см. Приложение №3)

Дефектами кристалла называют всякое нарушение идеальной периодичности кристаллической решётки и различают несколько разновидностей дефектов по размерности: нульмерные (точечные), одномерные (линейные), двумерные (плоские) и трёхмерные (объемные) дефекты.

К нульмерным дефектам кристалла относятся все дефекты, которые связаны со смещением или заменой небольшой группы атомов (собственные точечные дефекты), а также с примесями. Они возникают при нагреве, легировании, в процессе роста кристалла и в результате радиационного облучения.

К точечным дефектам относятся:

  • вакансия - отсутствие атома в узле кристаллической решетки.

  • Собственный межузельный атом — атом основного элемента, находящийся в междоузельном положении элементарной ячейки.

  • Примесный атом замещения —в узле решетки находится атом примесного элемента, относительно слабо отличающийся по размерам и свойствам от основного элемента.

  • Примесный атом внедрения — атом примеси располагается в междоузлии кристаллической решетки. В металлах примесями внедрения обычно являются водород, углерод, азот и кислород. В полупроводниках — это примеси, создающие глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, например, медь и золото в кремнии.

В кристаллах часто наблюдаются также комплексы, состоящие из нескольких точечных дефектов, например: пара Френкеля - вакансия + собственный междоузельный атом, дивакансия - вакансия + вакансия, А-центр - вакансия + атом кислорода в кремнии и германии, и др.

Одномерные дефекты представляют собой дефекты кристалла, размер которых по одному направлению много больше параметра решетки, а по двум другим — соизмерим с ним. К линейным дефектам относят дислокации - границы областей незавершенных сдвигов в кристалле, и дисклинации — граница области незавершенного поворота в кристалле . Дислокации характеризуются вектором сдвига (вектором Бюргерса) и углом ɸ между ним и линией дислокации. При φ=0 дислокация называется винтовой; при φ=90° — краевой; при других углах — смешанной и тогда может быть разложена на винтовую и краевую компоненты. Дислокации возникают в процессе роста кристалла; при его пластической деформации и во многих других случаях. Их распределение и поведение при внешних воздействиях определяют важнейшие механические свойства, в частности такие как прочность, пластичность и др. Дисклинация характеризуется вектором поворота.

Основной дефект-представитель класса двумерных дефектов— поверхность кристалла. Другие случаи — границы зёрен материала представляют собой ассоциации дислокаций, плоскости двойникования – плоскости сросшейся группы кристаллов, закономерно ориентированные друг относительно друга ( в противном случае – кристаллические агрегаты), поверхности раздела фаз и др.

Избавляться от кристаллических дефектов можно при помощи зонной плавки, что более актуально для кремния.
При использовании данного способа участки кристалла плавят и перекристаллизовывают расплав. Дефекты при повышенных температурах обладают высокими коэффициентами диффузии (количественная характеристика скорости диффузии), поэтому часто используют способ испарения дефектов, которые при повышенных температурах перемещаются на поверхность кристалла.

Однако дефекты кристаллов зачастую бывают полезны и вносятся преднамеренно. Так при ковке металлов в кристаллы вносится множество дислокаций, что увеличивает прочность кристалла и предотвращает его разрушение по сетке дислокаций. При выращивании искусственных рубинов и сапфиров для производства лазеров добавляют примеси Cr, Fe, Ti, которые окрашивают центры, участвующие в генерации когерентного света.

Методы получения кремния в промышленных масштабах.

Получение монокристаллов кремния

Метод Чохральского — метод выращивания кристаллов путём вытягивания их вверх от свободной поверхности большого объёма расплава. Начало кристаллизации происходит с приведения затравочного кристалла (или нескольких кристаллов) с заданной структурой и кристаллографической ориентацией в контакт со свободной поверхностью расплава.

За время промышленного использования (с 1950-х годов) были разработаны различные модификации метода Чохральского.

Метод был разработан польским химиком Яном Чохральским и первоначально использовался им для измерения степени кристаллизации металлов (олово, цинк, свинец).

По некоторым сведениям, Чохральский открыл свой знаменитый метод в 1916 году, когда случайно уронил свою ручку в тигель с расплавленым оловом. Вытягивая ручку из тигля, он обнаружил, что вслед за металлическим пером тянется тонкая нить застывшего олова. Заменив перо ручки микроскопическим кусочком металла, Чохральский убедился, что образующаяся таким образом металлическая нить имеет монокристаллическую структуру. В экспериментах, проведенных Чохральским, были получены монокристаллы размером около одного миллиметра в диаметре и до 150 см длиной. В 1950 американцы использовали метод Чохральского для выращивания монокристаллов германия высокой чистоты, положив тем самым начало использованию метода Чохральского для промышленного производства полупроводниковых кристаллов, который в то время использовался главным образом для производства транзисторов.

Метод относят к тигельным, поскольку при выращивании используются контейнеры из материалов, устойчивых к высоким температурам. При выращивании кристаллов из тигля происходит загрязнение расплава кислородом, бором, фосфором, алюминием, железом.

Метод характеризуется наличием большой открытой площади расплава, поэтому летучие компоненты и примеси активно испаряются с его поверхности. А так же содержанием летучих легирующих компонентов управляют, изменяя давление и/или состав атмосферы в ростовой установке.

Для обеспечения более равномерного распределения температуры и примесей по объёму расплава затравочный кристалл и тигель с расплавом вращают, причём обычно в противоположных направлениях. Несмотря на это, вращения в заведомо неоднородном тепловом поле всегда приводят к появлению на поверхности слитка мелкой винтовой нарезки. Более того, в случае неблагоприятных условий роста помимо винтовой нарезки на поверхности сам слиток может расти в форме штопора. Также метод отличается большим объёмом расплава, который по мере роста слитка постепенно уменьшается за счёт формирования тела кристалла. По мере роста концентрации компонента в расплаве его концентрация повышается и в кристалле, поэтому распределение компонентов по длине слитка неравномерно (для кристаллов кремния характерно повышение концентраций углерода и легирующих примесей к концу слитка). Кроме того, при уменьшении объёма расплава уменьшается площадь контакта расплава с материалом тигля, что уменьшает поступление загрязнений из тигля в расплав (в случае кремния кислород из тигля непрерывно поступает в расплав и затем испаряется с поверхности в виде монооксида кремния; в результате из-за уменьшения площади контакта расплава и тигля концентрация кислорода в слитке уменьшается от начала слитка к его концу).

Выращивание кристалла идёт со свободной поверхности расплава, не ограничивается стенками контейнера, поэтому кристаллы, полученные методом Чохральского, менее напряжены, чем кристаллы, полученные другими тигельными методами. Форма кристалла близка к цилиндрической, но при этом проявляются искажения, определяемые тепловыми условиями выращивания, скоростью вытягивания и кристаллической структурой.

Инициация процесса выращивания производится путём введения в расплав затравочного кристалла необходимой структуры и кристаллографической ориентации. При смачивании затравки расплавом из-за поверхностного натяжения в жидкости на поверхности затравочного кристалла сначала образуется тонкий слой неподвижного расплава. Атомы в этом слое выстраиваются в упорядоченную квазикристаллическую решётку, продолжающую кристаллическую решётку затравочного кристалла. Таким образом, выращиваемый слиток получает ту же кристаллическую структуру, что и исходный затравочный кристалл.

Этапы метода

  1. Приготавливается навеска шихты и помещается в контейнер (тигель). В случае больших навесок (десятки и сотни килограмм) навеску стараются формировать из небольших кусочков (от 10 до 50мм), чтобы исключить разрушение контейнера и выплёскивание части расплава: при плавлении твёрдые куски, остающиеся в верхней части навески в какой-то момент начинают проседать и падать в расплав. Формирование навески из более мелких фракций навески нецелесообразно, поскольку не достигая температуры плавления частицы могут спекаться, образуя массивное тело. Особенно небезопасным может быть плавление мелкоизмельченных многокомпонентных навесок, поскольку в зонах контакта частиц могут образовываться спайки.

  2. При необходимости в установке создаётся атмосфера с необходимыми параметрами, например для монокристаллического кремния — это нейтральная аргоновая атмосфера с давлением не более 30 Торр (1 торр – то же, что миллиметр ртутного столба или 133,322 368 4 Па).

  3. Навеска шихты расплавляется, при этом подвод энергии ведётся преимущественно снизу и с боков контейнера. Это связано с тем, что при оплавлении навески сверху вниз расплавленный материал будет стекать вниз и кристаллизоваться на более холодной шихте с риском разрушения стенок контейнера.

  4. Выставляется такое положение уровня расплава относительно нагревателя при котором создаются необходимые условия для начала кристаллизации исключительно в центре расплава вблизи от его поверхности. Строго говоря, классический метод Чохральского, применяющийся к выращиванию слитков кремния диаметром свыше 50 мм, имеет ещё одну зону локального переохлаждения вблизи зоны контакта трёх фаз (расплав-тигель-атмосфера), однако, в отсутствие затравочных центров, кристаллизация в этой области не начинается.

  5. Жёсткая или гибкая подвеска с закреплённым на ней затравочным кристаллом необходимой структуры и ориентации опускается вниз, затравочный кристалл приводится в контакт с поверхностью расплава и выдерживается там для прогрева и оплавления зоны контакта. Если зона контакта не была полностью оплавлена до начала роста, то, во-первых, возможно получение кристалла ненадлежащей структуры или ориентации, а также в дальнейшем может произойти разлом по недоплавленному месту и падение слитка в расплав.

  6. Начинается вытягивание затравочного кристалла вверх в холодную зону. В ходе вытягивания сначала формируется цилиндр диаметром в несколько миллиметров — продолжение затравочного кристалла, особенно важное при выращивании бездислокационных кристаллов. Диаметр оттяжки может быть неизменен по длине, хотя некоторые производители делают его ступенчатым. Диаметр финальной части призатравочного цилиндра стараются сделать минимальным (с учётом её прочности на разрыв и имеющихся возможностей по коррекции малого диаметра). Длина цилиндра для кристаллов из различных материалов, при различных требованиях по структуре и ориентации смогут колебаться от нескольких миллиметров до нескольких сотен миллиметров.

  7. Затем за счёт снижения температуры и скорости вытягивания диаметр призатравочного цилиндра увеличивают до необходимой величины, после чего вытягивают цилиндр максимально возможной длины. При этом предусматривается оставление некоторого запаса расплава для финишных операций процесса роста. В случае вытягивания кристаллов большого веса некоторые производители формируют утолщения в верхней части кристалла, предназначенные для работы поддерживающих устройств. Такие устройства обычно устанавливаются на ростовые установки с жёсткой подвеской затравочного кристалла.

  8. Перед завершением процесса за счёт увеличения температуры расплава и за счёт некоторого увеличения скорости вытягивания диаметр кристалла постепенно уменьшают (длина формируемого конуса для слитков кремния диаметром более 300 мм и более может достигать 2-х диаметров).

  9. После завершения конуса и исчерпания остатков расплава производится отрыв слитка от расплава и постепенное охлаждение слитка до заданной температуры при некоторых условиях.

Разработано несколько модификаций метода.

  1. Метод Чохральского с использованием плавающего тигля. Целью метода является получение более равномерного распределения примесей по длине и сечению кристалла за счёт контролируемого поступления примесей из внешней части расплава. Конструктивно метод реализуется путём введения в основной тигель с расплавом тигля меньшего размера, выделяющего малый объём расплава, из которого и производится выращивание целевого кристалла. Малый объём расплава сообщается с основным объёмом расплава таким образом, чтобы обеспечить приток дополнительных порций расплава извне взамен пошедших на формирование целевого кристалла, При этом смешивание обоих объёмов и, соответственно, изменение стабилизировавшихся концентраций примесей в малом объёме должно быть исключено.

  2. Метод Чохральского с подпиткой. Цель метода заключается в увеличении производительности установок выращивания за счёт непрерывного пополнения объёма расплава, расходуемого на формирование тела целевого кристалла. Возможны 2 основных аппаратных реализации метода: подпитка постепенным расплавлением в периферической области тигля (или вне плавающего тигля) поликристаллического стержня; подпитка подачей вне плавающего тигля гранулированного или дроблёного поликристаллического кремния. Попутно метод позволяет достичь более равномерного распределения примесей по длине кристалла.

  3. Метод Чохральского с промежуточными дозагрузками. Цель метода заключается в увеличении производительности установок выращивания и снижении издержек за счёт повторного использования контейнеров (тиглей) и за счёт сокращения времени на обслуживание между процессами, герметизацию и создание защитной атмосферы. Сущность метода — готовые кристаллы выводятся из установки с использованием шлюзовых устройств, а вместо них в тигель досыпается следующая порция шихты для расплавления и выращивания следующего слитка.

  4. Метод Чохральского с использованием пьедестала. Сущность метода: в расплав в соответствующей футеровке вводится плоский нагревательный элемент, снабжённый температурными датчиками, распределёнными по площади элемента. Элемент вводится в расплав на глубину 15-30 мм в зону, где будет выращиваться слиток. В ходе роста контролируется распределение температуры по площади элемента и подаётся питание на соответствующие зоны нагревательного элемента для обеспечения «правильного» распределения температур вблизи фронта кристаллизации. Метод позволяет снизить вероятность возникновения нарушений роста кристалла, но дополнительно загрязняет кристалл материалом футеровки, выравнивает распределение примесей сечению кристалла.

В случае кремния, слиток, полученный методом зонной плавки, по чистоте обычно существенно превосходит полученный методом Чохральского, но кристаллы, получаемые зонной плавкой, имеют меньшие диаметры, более высокую себестоимость в изготовлении, другое распределение и содержание легирующих и иных примесей, существенных для последующих технологических циклов.

Получение солнечного кремния

  Одной из наиболее перспективных технологий солнечной энергетики является создание фотоэлектрических станций с солнечными элементами на основе кремния, которые преобразуют в электрическую энергию прямую и рассеянную составляющие солнечной радиации с КПД 12-15%. Одна из фаз массового производства и использования СЭС в энергосистеме связана с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности примерно в 5 раз, до 1-2 долл/Вт, а стоимость электроэнергии до 0,10-0,12 долл/кВт*ч. Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая стоимость кремния солнечного качества - 40-100 долл/кг. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих снижение его стоимости, является очень важной задачей. 

Хлорсилановая технология производства солнечного кремния, разработанная около 35 лет назад, до настоящего времени практически не изменилась, сохранив все отрицательные черты химических технологий 50-х годов: высокая энергоемкость, низкий выход кремния, экологическая опасность. 
     Основной материал для производства кремния - кремнезем в виде кварцита или кварцевого песка, составляет 12% от массы литосферы. Большая энергия связи Si-0 - 464 кДж/моль обуславливает большие затраты энергии на реакцию восстановления кремния и последующую его очистку химическими методами - 250 кВт*ч/кг, а выход кремния составляет 6-10%. 

С 1970 года в СССР, Германии, Норвегии и США проводились исследования по созданию технологий получения кремния, исключающих хлорсилановый цикл. После двухлетнего цикла исследований в СССР эти работы были исключены из национальной программы. 
     В 1974 году фирма "Симменс" (Германия) и в 1985 году фирма "Элкем" (Норвегия), совместно с компаниями США "Дау Корнинг" и "Эксон" сообщили о завершении разработки технологии получения солнечного кремния карботермическим восстановлением особо чистых кварцитов с КПД солнечных элементов 10,8-11,8%. 
     В 1988 году о разработке солнечной технологии сообщили японские фирмы Nippon sheet glass, Kawasaki Steel Corp. . 
     В 1990 году КПД элементов из солнечного кремния составил 14,2% по сравнению с 14,7% из хлорсиланового кремния. Качество российских кварцитов одно из самых высоких в мире, а имеющиеся запасы достаточны для изготовления солнечных фотоэлектрических станций мощностью более 1000 ГВт. 
В новой технологии химические методы заменены на экологически приемлемые электрофизические методы. 

  1. Метод восстановления трихлорсилана.

Восстановление очищенного трихлорсилана и в результате этого получение поликристаллического кремния проводят в атмосфере водорода

на поверхности разогретых кремниевых стержней — основах диаметром 4—8 мм (иногда до 30 мм), получаемых методом выращива­ния с пьедестала. SiHCl3(Г) + H2(Г) →Si(T) + 3HCl(Г)

В некоторых технологиях вместо цилиндрических стержней используются пластинчатые (толщиной 1—5 мм и шириной 30—100 мм) с большей площадью осаждения. Материалом для выращивания стержней служит высококачественный поликристаллический кремний. Поверхность стержней – основ подвергают ультра­звуковой очистке, травлению в смеси кислот (например, HF+ + HNO3), отмывке и сушке. К стержням – основам для получения вы­сококачественного поликристаллического кремния предъявляются высокие требования по чистоте: они должны иметь удельное сопро­тивление по донорам >700 Ом·см и по бору >5000 Ом·см.

Извлечение кремния из SiCl4 и SiJ4 осуществляют восстановле­нием тетрахлорида кремния цинком и водородом.

  1. Карботермический метод

Этот способ реализуется с помощью дуговой печи с погруженным в нее электродом. Печь загружается кварцитом SiO2 и углеродом в виде угля, щепок и кокса. Температура реакции Т = 1800 0С, энергоемкость W = 13 кВт/час. В печи происходит ряд промежуточных реакций. Результирующая реакция может быть представлена в виде:

SiC(тв) + SiO2(тв) → Si(тв) + SiO2(газ) + CO(газ)

Получаемый таким образом технический кремний содержит 98 —99 % Si, 1 —2 % Fe, Аu, В, Р, Са, Cr, Cu, Mg, Mn, Ni, Ti, V, Zn и др.
1   2   3   4

Похожие:

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа «Проектирование вычислительной системы»
Данная контрольно-курсовая работа выполняется с целью закрепления знаний по курсу «Организация ЭВМ и систем» и получения практических...
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему: singapoure

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по дисциплине: «Сети ЭВМ и телекоммуникации» на тему:

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему: " факторинг во внутренней и международной деятельности. "
Охватывает всего платежного оборота поставщика
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по дисциплине «экономическая география»
На тему «Экономический и природно-ресурсный потенциал Франции и его использование»
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа Определение эйлерова пути на Прологе Халипский Сергей Николаевич Специальность: 230105
Ваша курсовая работа обладает недостатком, что не позволяет считать ее выполненной
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconТеория транспортных сетей
В своей курсовой работе я рассматриваю тему «Транспортные сети». Моя курсовая работа состоит из следующих разделов
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по теме учение нового завета об отношении к власти
«…кто возвышает себя, тот унижен будет…» (Мф. 23: 11-12; Мк. 9: 35, 10: 42-44; Лк. 22: 25-27,14: 11,18: 14,9: 48) 11
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему
Целью данной работы является анализ товарной и географической структуры международной торговли, а также изучение современных тенденций...
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа студентки II курса отиПЛа Востриковой Наталии на тему
Охватывает объект целиком’ (при единичном референте объекта) и объектного дистрибутива ‘действие p последовательно затрагивает много...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org