Минобрнауки России

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Иркутский государственный университет»

(ФГБОУ ВО «ИГУ»)

Физический факультет Кафедра общей и экспериментальной физики И. о. зав. кафедрой профессор, доктор физ.-мат. наук, А.А.Гаврилюк ___________

Выпускная квалификационная работа бакалавра

по направлению 03.03.02 Общая физика

направленность (профиль)

«Физика конденсированного состояния»

РАспределение примесей в процессе выращивания мультикристаллического кремния

	Руководительдоктор физ.-мат. наук, профессор _____________ А.И. Непомнящих Соруководителькандидат физ.-мат. наук, н.с. _____________ Р.В. Пресняков Студентка гр. 01411-ДБ ____________Надежда Владимировна Клушина Работа защищена с оценкой______________ «_____» _____________ 2017 г. Нормоконтролеркандидат физ.-мат., ст. преп. _______________Е.А.Голыгин

Иркутск 2017

Реферат

В данном отчете по производственной практике (преддипломной практике) представлен краткий обзор литературы по следующим вопросам: способы очистки исходного кремния; электрофизические свойства мультикристаллического кремния (mc-Si); растворимости примесей в кремнии. Также приведено описание эксперимента по выращиванию mc-Si и его исследованию методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС).

В экспериментальной части сравнивались результаты и условия собственных экспериментов по получению mc-Si из кремния заданного состава с условиями эксперимента по выращиванию mc-Si из металлургического нерафинированного кремния MG-Siзарубежных авторов работы [16]. Заданный состав для нашего экспериментального mc-Si представляет из себя компоновку в необходимой пропорции как полупроводникового (>99,99999 ат.%), так и металлургического (<99,76 ат.%) кремния. По полученным данным ИСП-МС для экспериментальных загрузок №1-4 с помощью уравнения Пфанна рассчитывались эффективные коэффициенты распределения примесей для Ge, Mn, Co,Fe, Ni, V. Для данных примесей был установлен характер их распределения в слитках мультикристаллического кремния. Доп. по ф.х.м.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...…...4

1 Физико-химические основы прямого получения кремния для солнечной энергетики……………………………………………………………………...….6

1.1Способы очистки кремния ……………………………………...….….6

1.2 Выращивание мультикристаллического кремния……………………9

1.3 Электрофизические свойства кремния для солнечной энергетики..12

1.4 Растворимость примесей в кремнии…………………………………14

1.5 Физико-химическое моделирование………………………………...18

2 Методики исследования……………………………………….………...…….21

2.1 Электрофизические измерения………………………………………21

2.2Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой……………23

3. Экспериментальная часть…………………………………………………….26

3.1 Описание ростового процесса мультикристаллического кремния..26

3.2 Элементный анализ слитков мультикристаллического кремния методом масс-спектроскопии ИСП-МС…………………………………….….28

4 Теоретический анализ…………………………………………………………32

4.1Постановка задачи на нахождение эффективных коэффициентов распределения примесей………………………………………...........................32

4.2 Постановка задачи на нахождение физико-химического анализа распределения примесей в кремнии……………………………………………34

5. Обсуждение результатов

5.1Расчёт эффективных коэффициентов распределения примесей…..37

5.2 Построение физико-химической модели распределения примесей в кремнии………………………………………………………………………......37

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….…40

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………....

ПРИЛОЖЕНИЕ 1Диапазоны измерения концентраций примесей, характеристики погрешности…………………………………………………….

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Распределение примесей в слитке №1…………………….

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Распределение примесей в слитке №2…………………….

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Распределение примесей в слитке №3…………………….

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Распределение примесей в слитке №4…………………….

Введение

На сегодняшний день мультикристаллический кремний (mc-Si) считается базовым материалом для солнечных элементов. Цена полупроводникового кремния является основным фактором, сдерживающим рост солнечной энергетики. С этой точки зрения наиболее перспективным является рафинированный металлургический кремний (UMG-Si) с долей основного вещества примерно от 99,9 ат.% до 99,999 ат.% по мере приближения к областям твёрдых растворов примесей в кремнии [1,2]. Одним из ключевых вопросов является знание предельно допустимых для рафинированного кремния концентраций примесей, обеспечивающих заданные свойства получаемого из него материала. В ходе направленной кристаллизации металлургического кремния происходит сегрегация и формирование макро- и микроструктуры слитка. Особенности тепломассопереноса, заданные параметры ростового процесса, влияют на значение эффективного коэффициента распределения примеси.

В связи с этим целью настоящей работы является:

Теоретическое и экспериментальное исследование эффективности очистки исходного металлургического кремния при выращивании на его основе мультикристаллического кремния с заданными свойствами.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Расчёт компоновки загрузки из полупроводникового и металлургического кремния для выращивания мультикремния с УЭС > 0,5 Ом*см и проводимостью p-типа.

2. Количественный химический анализ слитков мультикремния с помощью ИСП-МС.

3. Анализ экспериментальных профилей распределения примесей в слитках в приближении полного перемешивания расплава.

4. Физико-химический анализ перераспределение примесей при направленной кристаллизации кремния с помощью программного комплекса «Селектор», реализующего метод минимизации свободной энергии Гиббса.

Преддипломнаяпрактика пройдена в институте геохимии им.А.П.Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, в лаборатории «Физики монокристаллов».