Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Иркутский государственный университет»
(ФГБОУ ВО «ИГУ»)
Физический факультет
|
Кафедра общей и экспериментальной физики Допускается к защите Зав. кафедрой, профессор, д.ф. – м.н. _______ Гаврилюк А.А. |
«____» _________ 20__ г.
Выпускная квалификационная работа бакалавра
по направлению 03.03.02 Общая физика
направленность (профиль)
«Физика конденсированного состояния»
Респределение примесей в процессе выращивания мультикристаллического кремния
|
Рецензент: |
Студентка 4 курса очного отделения, |
_____________ |
Группа 01411-ДБ |
Нормоконтролёр: ст. преподаватель _____________ Н.А.Фролова |
________Клушина Надежда Владимировна |
|
Руководитель: д.ф.-м.н., профессор ____________ |
Работа защищена: «_____» ___________ 20__ г. |
С оценкой _____________ |
Протокол № ______ |
Иркутск 2017
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…...............................................................................................................2
1.Мультикристалличексий кремний
1.1 Процесс получения мультикристаллического кремния из металлургического рафинированного кремния методом направленной кристаллизации Бриджмена-Стокбаргера ………………………………..
1.2 Структура мультикристаллического кремния………………………..
1.3 Особенности роста мультикристаллического кремния...……………
2.
2.1 Примеси с ограниченной и неограниченной растворимостью
2.2 Равновесный и эффективный коэффициент распределения примеси
2.3 Уравнение Пфанна
2.4 Влияние диффузии на распределение примеси
3. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС)
3.1Принцип метода ИСП-МС
3.2 Масс-спектрометр высокого разрешения с ионизацией в индуктивно-связанной плазме ELEMENT 2
3.3 Контроль правильности и метрологические характеристики
4.Физико-химическое моделирование
4.1Теоретические основы методов физико-химического моделирования
4.2. Минимизируемые термодинамические потенциалы
4.3 Системы представления термодинамических свойств индивидуальных веществ
4.4 Система JANAF
4.5 Многорезервуарная физико-химическая модель
Обзор литературы (очистка (рафинирование) кремния, процессы выращивания мультикремния, электрофизические свойства мультикремния, требования солнечной энергетики, растворимость примесей, предельно-допустимые концентрации) – вводная часть с постановкой цели и задач.
Методики (масс-спектрометрия, электрофизика, металлография)
Экспериментальная часть (описание ростового процесса)
Теоретический анализ (расчёт эффективных коэффициентов распределения, постановка задачи физико-химического анализа распределения)
Обсуждение результатов
Заключение
ВВЕДЕНИЕ
Солнечная энергетика становится всё более популярным и актуальным предметом обсуждения в современном мире, так как потребление энергии человеком растёт, а традиционные ресурсы (нефть, газ, уголь) на Земле ограничены, помимо этого использование этих ресурсов несёт необратимый урон экологии. Одним из экологически чистых способов производства электроэнергии является преобразование солнечного света в электричество при помощи солнечных батарей На сегодняшний день мультикристаллический кремний (mc-Si) считается базовым материалом для солнечных элементов. Цена полупроводникового кремния является основным фактором, сдерживающим рост солнечной энергетики. Одной из альтернативных возможностей является получение мультикристаллического кремния из металлургического рафинированного кремния высокой частоты, выращенного методом направленной кристаллизации. Одним из ключевых вопросов является знание предельно допустимых для рафинированного кремния концентраций примесей, обеспечивающих заданные свойства получаемого из него материала.
1.Мультикристаллический кремний
1.1 Процесс получения мультикристаллического кремния из металлургического рафинированного кремния методом направленной кристаллизации Бриджмена-Стокбаргера
Для
того чтобы получить материал, который
мог быть пригодным для изготовления
фотоэлектрических преобразователей
тока (ФЭП), получаемого в электродуговых
печах, нужно использовать чистые шихтовые
материалы, такие как кварц, кварцит и
углеродистые восстановители (в частности
по содержанию, по содержанию В, Р; данные
примеси при последующей направленной
кристаллизации из кремния благодаря
низким коэффициентам распределения)
[2]. Общая реакция получения кремния:
Si
+2C=Si+2CO.
Более подходящим рудным сырьём для выплавки кремния в электродуговых печах является кварцит. Кварцит Черемшанского рудника (Бурятия) является основным источником кремнезёмсодержащего сырья на ЗАО “Кремний” (г.Шелехов, Иркутская обл.), поскольку данное сырьё содержит небольшое количество примесей. Используют углеродистые восстановители, такие как уголь и древесная щепа, нефтекокс, Колумбийский уголь; каменные угли Ленинск-Кузнецкого бассейна, Казахстана, Кемеровской области.
Кроме подбора исходных материалов есть необходимость проводить рафинирование, поскольку получаемый кремний загрязнён металлами, бором, углеродом. На ЗАО “Кремний” проводят рафинирование в ковше продувкой воздухом, благодаря чему снижается ряд металлических примесей. В конечном итоге этого не достаточного для достижения требований к кремнию “солнечного качества”. [1].Дальнейшего снижения примесей можно достичь при получении мультикремния направленной кристаллизацией по методу Бриджмена-Стокбаргера.
На рис.1 изображена схема установки для выращивания кристаллов по методу Стокбаргера — Бриджмена. В данном методе единый спиралеобразный нагреватель электросопротивления разделён на две отдельные секции, питаемые автономно и позволяющие обеспечить заданный температурный профиль в печи. Между этими секциями помещается специальная кольцеобразная диафрагма, предназначенная для резкого перепада температур в зоне кристаллизации. В начальный период процесса ВНК контейнер располагается в верхней (горячей) камере и после расплавления кремния, он постепенно опускается с заданной скоростью через диафрагму в нижнюю (теплую) камеру, то есть происходит медленное опускание из зоны с постоянной температурой стенок в зону со снижающейся по линейному закону температурой стенок печи. При этом начинается охлаждение дна тигля, и при достижении уровня температуры на дне тигля чуть ниже температуры кристаллизации кремния (переохлаждении) начинается зарождение кристалла. В подвижном трубчатом контейнере в процессе выращивания кристалла используется выращивание контейнера вокруг вертикальной оси, что способствует перемещению расплава и улучшению гидродинамических условий процесса [2].
Рис.1. Изображение схемы для выращивания кристаллов по методу Стокбаргера — Бриджмена, где 1 — тигель с расплавом, 2 — кристалл, 3 — печь, 4 — холодильник, 5 — термопара, 6 — диафрагма — тепловой экран.
1.2 Структура мультикристаллического кремния
Структура мультикристаллического кремния зависит от состава исходного сырья, степени отчистки сырья от примесей (так как повышенное количество примесей приводит к увеличению плотности дислокаций и расположению дефектов в зерне и на межзёренных границах), зависит от метода и условий его выращивания.
Структура различных участков слитка мультикремния содержит различия, которые характеризуется различием значений электрофизических параметров. Наиболее благоприятная структура материала из слитка, которую можно использовать для ФЭП, имеет более равномерные значения удельного электрического сопротивления в объёме кристалла и большую продолжительность времени жизни носителей заряда. Такая структура характеризуется размерами зёрен не мене 2-3 мм, непрерывным монокристаллическим ростом по вертикальной оси роста кристаллитов, прямолинейными межзёреными границами и отсутствием или низкой плотностью дефектов кристаллического строения. 80 % слитка занимают ровные колонны с непрерывными границами крупных кристаллитов [4].
Рис.2.Фото продольного распила слитка мультикристаллического кремния из металлургического сырья (вверху) и его фрагмента (внизу).
При росте кристаллов мультикремния в вертикальном методе Бриджмена–Стокбаргера из расплава происходит образование нескольких типов межзеренных границ. В зависимости от взаимной ориентации образующих границу зерен, а также степени разориентации этих зерен по отношению к плоскости, перпендикулярной направлению роста, формируются границы зерен различных типов. Установлены основные типы границ зерен — общие и специальные. Границы общего типа можно наблюдать непосредственно на поверхности среза слитков мультикремния, поскольку они разделяют разориентированные зерна, различающиеся по цвету (рис.2). Основные виды границ общего типа: линеаризованные границы, разделяющие направленные вдоль оси роста зерна, и границы обрыва, образующиеся между отклоненными от направления роста зернами. Соответственно нарушения направленности кристаллитов вдоль оси роста слитка в процессе кристаллизации приводят к образованию и увеличению кристаллитов, разделенных между собой границами обрыва общего типа. Установлено также, что границы обрыва проявляют высокую рекомбинационную активность по сравнению с линеаризованными границами. Более того, они представляют собой области с высокими концентрациями таких дефектов, как границы двойников, дислокационные сетки, границы специального типа и микровключения. Специальные границы и другие микродефекты наблюдаются в местах изломов границ обрыва и являются эффективными стоками для примесей, что сильно влияет на распределение электрофизических свойств в объеме слитка.