Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки
Проведен эксперимент по рафинированию кремния способом электронно-лучевой плавки примесей. Измерено содержание примесей в образцах кремния до и после ЭЛП на установке INA-3 методом масс-спектрометрии вторичных постионизированных нейтральных частиц. Показано, что электронно-лучевой переплав может быт...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Дата: | 2009 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2009
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96007 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки / В.А. Березос, А.Г. Ерохин // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 29-31. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859626687406276608 |
|---|---|
| author | Березос, В.А. Ерохин, А.Г. |
| author_facet | Березос, В.А. Ерохин, А.Г. |
| citation_txt | Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки / В.А. Березос, А.Г. Ерохин // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 29-31. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Проведен эксперимент по рафинированию кремния способом электронно-лучевой плавки примесей. Измерено содержание примесей в образцах кремния до и после ЭЛП на установке INA-3 методом масс-спектрометрии вторичных постионизированных нейтральных частиц. Показано, что электронно-лучевой переплав может быть эффективным способом рафинирования кремния от примесей.
Experiment on silicon refining was made using the method of electron beam melting of impurities. The content of impurities was measured in samples of silicon before and after EBM in unit INA-3 by the method of mass spectrometry of secondary post-ionized neutral particles. It is shown that the electron beam remelting can be a rather effective method of silicon refining from impurities.
|
| first_indexed | 2025-11-29T13:02:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.526:51.001.57
РАФИНИРОВАНИЕ КРЕМНИЯ СПОСОБОМ
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКИ
В. А. Березос, А. Г. Ерохин
Проведен эксперимент по рафинированию кремния способом электронно-лучевой плавки примесей. Измерено со-
держание примесей в образцах кремния до и после ЭЛП на установке INA-3 методом масс-спектрометрии вторичных
постионизированных нейтральных частиц. Показано, что электронно-лучевой переплав может быть эффективным
способом рафинирования кремния от примесей.
Experiment on silicon refining was made using the method of electron beam melting of impurities. The content of
impurities was measured in samples of silicon before and after EBM in unit INA-3 by the method of mass spectrometry
of secondary post-ionized neutral particles. It is shown that the electron beam remelting can be a rather effective method
of silicon refining from impurities.
Ключ е вы е с л о в а : кремний; примеси; рафинирование;
электронно-лучевой переплав
Для развития солнечной энергетики требуется соз-
дание новых технологий производства кремния,
обеспечивающих радикальное снижение его стои-
мости. В настоящее время 80 % солнечных элемен-
тов как наземного, так и космического назначения
изготовляют на основе монокристаллического крем-
ния. Более половины себестоимости монокристалла
составляет стоимость кремниевого сырья – поли-
кристаллического кремния высокой чистоты, про-
изведенного по технологии водородного восстанов-
ления хлоридов кремния [1].
Полный цикл производства кремния, включая
получение поликремния, существует лишь в трех
странах: США, Японии и Германии. Всего семь кор-
пораций из этих стран контролируют мировой ры-
нок, что позволяет им держать цены и прибыль на
довольно высоком уровне [2]. Поэтому другие стра-
ны крайне заинтересованы в собственном производ-
стве кремния.
Возрастающие потребности в фотоэлектричес-
ких преобразователях и модулях для солнечных
электростанций формируют неудовлетворенный
спрос на поликремний для их производства. Прог-
нозируемый дефицит на ближайшую перспективу
колеблется от 5 до 15 тыс. т поликремния в год [2].
В этих условиях расширение мощностей по произ-
водству поликремния имеет хорошую экономичес-
кую перспективу.
В настоящее время в целях снижения стоимости
солнечных элементов при их изготовлении исполь-
зуются отходы полупроводникового кремния, кото-
рые образуются при производстве изделий микро-
электроники. Однако количество таких отходов ог-
раничено и не сможет удовлетворить растущий
спрос в ближайшем будущем. Кроме того, при по-
лучении поликристаллических кремниевых слитков
путем плавления из отходов полупроводникового
кремния возникает проблема загрязнения расплава
примесями из материала тигля.
Избежать этого можно за счет существенного
улучшения качества кристаллического кремния, по-
лучаемого способом карботермического восстанов-
ления в электродуговых печах, который после пос-
ледующей относительно простой и недорогой очист-
ки станет пригодным для изготовления солнечных
элементов. Исключение из цикла производства
кристаллического кремния хлорсиланового переде-
ла и водородного восстановления позволит сущес-
твенно уменьшить его стоимость.
Среди всех современных способов специальной
электрометаллургии электронно-лучевая плавка
(ЭЛП) является наиболее эффективным способом
рафинирования металлов, широко применяемых в
исследовательской практике и промышленности
[3]. Традиционное использование технологии ЭЛП
с промежуточной емкостью при выплавке слитков
обеспечивает удаление из металлов неметалличес-
ких включений, газов и примесей с высокой упру-
гостью пара.
В литературе отсутствуют данные о попытках
рафинирования кремния способом ЭЛП.
В данной работе использовали ЭЛП для рафини-
рования кристаллического кремния от примесей.
Исследования проводили на электронно-луче-
вой установке УЭ-208 [3]. В качестве исходного
материала использовали кристаллический кремний
марки Кр0 ГОСТ 2169-69, поставленный ООО
«Солнечная энергетика» (г. Омск, Россия). С
целью предотвращения загрязнения расплава крем-
ния в ходе экспериментальных плавок изготовили
двухсекционную промежуточную емкость, сливной
© В. А. БЕРЕЗОС, А. Г. ЕРОХИН, 2009
29
лоток и изложницу из кварцевого стекла, в которых
происходил процесс плавления, рафинирования и
кристаллизации (рис. 1, а). Кварцевую двухсек-
ционную промежуточную емкость, сливной лоток и
изложницу помещали в графитовую форму (рис. 1, б).
Во время экспериментов кремний сплавлялся в
кварцевую двухсекционную промежуточную ем-
кость электронными лучами, а расплав поддержи-
вался в жидком состоянии (рис. 2).
Рафинирование кремния в процессе плавки про-
исходило в трех зонах: в первой секции промежу-
точной емкости – путем осаждения включений вы-
сокой плотности (таких как карбид кремния), во
второй секции – за счет испарения примесных эле-
ментов с высокой упругостью пара и в кварцевой
изложнице – путем зонной очистки от примесей с
различной растворимостью в твердой и жидкой фазах.
После выдержки расплава при температуре при-
мерно 1500 °С в течение 10 мин в кварцевой двух-
секционной промежуточной емкости производили
слив через сливной кварцевый лоток в изложницу
из кварцевого стекла, где происходила кристалли-
зация расплава кремния. Во время формирования
слитка по поверхности кристаллизующегося рас-
плава производили медленное сканирование элект-
ронным лучом в одном направлении вдоль большей
стороны кварцевой изложницы со скоростью
движения жидкого расплава v = 5 мм/мин. Скани-
рование осуществляли от левого борта кварцевой
изложницы к правому, причем при достижении пос-
леднего луч резко возвращался к противоположно-
му краю, в результате чего в каждый момент времени
расплавленной являлась некоторая небольшая
часть образца. Такая расплавленная зона передвига-
лась по образцу с помощью электронно-лучевого
нагрева, что приводило к перераспределению
примесей между твердой и жидкой фазами.
Суммарная мощность электронно-лучевого на-
грева составляла 50 кВт. Поскольку у большинства
примесей растворимость в жидкой фазе выше, чем
в твердой [4], то в зоне кристаллизации примеси в
жидком состоянии перемещались в торец слитка,
где затем находились в твердом состоянии до окон-
чания формирования слитка в изложнице. Осты-
вание слитка производилось в вакууме, после чего
он извлекался из кварцевой изложницы. Загрязнен-
ный примесями торец слитка отрезали. Из цент-
ральной части полученного слитка отобрали образ-
цы для количественного элементного анализа.
С этой целью изготовляли образцы с плоской
областью исследования диаметром 15 мм и шерохо-
ватостью поверхности не более 0,2 мм. Попытки
изготовить сколы с необходимыми параметрами для
измерений были неудачными. Поскольку материал
представляет собой поликристалл, его скол отлича-
ется развитой поверхностью с неоднородностями на
уровне 0,5…1,0 мм. В неоднородностях скапливаются
примеси, которые при измерениях вносят значительные
погрешности. Поэтому для получения ровной поверх-
ности перед проведением анализа образцы подвергались
сухой механической шлифовке с последующим трав-
лением анализируемой поверхности.
Измерения образцов кремния до и после ЭЛП
проводили на установке INA-3 (Leybold-Hearues,
Германия) методом масс-спектрометрии вторичных
постионизированных нейтральных частиц (МСВНЧ)
при следующих параметрах измерения:
уровень вакуума – 5 10—3 Па;
область распыления плазмы – диаметр 8 мм;
область сканирования ионного пучка – 2 2 мм;
энергия первичных ионов – 1,5 кэВ;
первичный ионный ток – 1 мA;
рабочий газ – аргон 99,998, %;
глубина области анализа – 0,8…1,5 мкм;
диапазон исследованных масс – 1,66⋅10—24…
…3,32⋅10—22 г;
масс- разрешение – 4,98⋅10—22 (лучше 9,9⋅10—25 г);
чувствительность – не более 2⋅10—6 %.
Типичный вид спектра образца после ЭЛП при-
веден на рис. 3.
Рис. 1. Двухсекционная промежуточная емкость (1), сливной
лоток (2) и изложница (3) из кварцевого стекла (а) и кварцевого
стекла в графитовой форме (б)
Рис. 2. Процесс плавления кремния в электронно-лучевой уста-
новке УЭ-208
30
При расчетах концентраций использовались коэф-
фициенты элементной чувствительности стандартной
программы обработки данных установки INA-3.
Результаты элементного анализа примесей при-
ведены в таблице. Эффективность рафинирования
определяли по следующей формуле:
Cэф = (Cисх — CЭЛП) ⋅ 100 ⁄ Cисх,
где Сэф – эффективность рафинирования, %; Сисх –
массовая доля примесей в исходном материале, %;
Сэлп – массовая доля примесей в материале после
ЭЛП, %.
Анализ химического состава выплавленных
слитков показал, что в процессе ЭЛП происходит
рафинирование кремния от газов и металлических
примесей. Для большинства примесей в кремнии
характерны очень низкие значения эффективного
коэффициента распределения (Al – 2,8⋅10—3, Ti –
2⋅10—6, Fe – 6,4⋅10—6) [5], поэтому при кристалли-
зации они переходили из твердой фазы кристалли-
зующегося слитка в жидкую зону расплава, пере-
мещаемую электронно-лучевым нагревом на торец
слитка. Из этого следует, что кристаллизацию мож-
но использовать в качестве эффективного способа
очистки кремния при ЭЛП. Бор, у которого давле-
ние паров меньше, чем у кремния, и коэффициент
распределения составляет 0,8, практически не уда-
лялся. Благодаря высокой температуре процесса ра-
финирования и наличию вакуума содержание фосфо-
ра и алюминия уменьшилось в ходе ЭЛП в два, мышь-
яка – в четыре, кальция – в семь, магния – в
девять раз.
Таким образом, процесс ЭЛП может быть эф-
фективным способом рафинирования кремния от
примесей.
Выводы
1. Предложено использовать электронно-лучевую
плавку для улучшения качества кристаллического
кремния.
2. Разработана конструкция двухсекционной
промежуточной емкости из кварцевого стекла для
плавки и рафинирования кремния способом ЭЛП.
3. Установлено, что для рафинирования крем-
ния при ЭЛП дополнительно использовали меха-
низм зонной очистки.
4. Определено, что при переплаве кремния спо-
собом ЭЛП происходит эффективное удаление та-
ких примесей, как магний, алюминий, фосфор,
кальций, мышьяк и др.
5. Показана необходимость продолжения иссле-
дований по интенсификации процессов удаления
бора, углерода, никеля, меди из кремния при ЭЛП.
1. Полупроводниковый кремний: Теория, технология произ-
водства / Ю. Н. Таран, В. З. Куцова, И. Ф. Червоный и
др. – Запорожье: ЗГИА, 2004. – 344 с.
2. Наумов А. В. Производство фотоэлектрических преобра-
зователей и рынок кремниевого сырья в 2006—2010 гг. //
Технология и конструирование в электронной аппарату-
ре. – 2006. – № 4. – С. 3—8.
3. Электронно-лучевая плавка / Б. Е. Патон, Н. П. Тригуб,
Д. А. Козлитин и др. – Киев: Наук. думка, 1997. – 265 с.
4. Зонная плавка / Под ред. В. Н. Вигдоровича: Сб. науч.
тр. – М.: Мир, 1970. – 366 с.
5. Способы получения особо чистых неорганических веществ /
Б. Д. Степин, И. Г. Горштейн, Г. З. Блюм и др. – Л.:
Химия, 1969. – 480 с.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАНУ, Киев
Поступила 06.04 2009
Рис. 3. МСВНЧ спектра образца после ЭЛП; I – интенсивность;
m – атомная масса элементов
Содержание примесей в кристаллическом кремнии Кр0
до и после ЭЛП
Элемент
Массовая доля примесей, % Сэф, %
Сисх Сэлп
B 4,5⋅10—3 4,2⋅10—3 7
Mg 9⋅10—4 1⋅10—4 88
Al 0,30 0,16 47
P 18⋅10—4 9⋅10—4 50
Ca 0,11 0,015 86
Ti 3,1⋅10—2 2,5⋅10—2 19
Cr 8,4⋅10—3 7,4⋅10—3 12
Mn 1,1⋅10—2 0,9⋅10—2 18
Fe 0,62 0,49 20
Ni 8,2⋅10—3 7,6⋅10—3 7
Cu 9,7⋅10—3 9,6⋅10—3 1
As 3,4⋅10—5 0,8⋅10—5 76
31
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96007 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T13:02:13Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Березос, В.А. Ерохин, А.Г. 2016-03-08T20:54:57Z 2016-03-08T20:54:57Z 2009 Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки / В.А. Березос, А.Г. Ерохин // Современная электрометаллургия. — 2009. — № 3 (96). — С. 29-31. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96007 669.187.526:51.001.57 Проведен эксперимент по рафинированию кремния способом электронно-лучевой плавки примесей. Измерено содержание примесей в образцах кремния до и после ЭЛП на установке INA-3 методом масс-спектрометрии вторичных постионизированных нейтральных частиц. Показано, что электронно-лучевой переплав может быть эффективным способом рафинирования кремния от примесей. Experiment on silicon refining was made using the method of electron beam melting of impurities. The content of impurities was measured in samples of silicon before and after EBM in unit INA-3 by the method of mass spectrometry of secondary post-ionized neutral particles. It is shown that the electron beam remelting can be a rather effective method of silicon refining from impurities. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки Refining of silicon using the method of electron beam melting Article published earlier |
| spellingShingle | Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки Березос, В.А. Ерохин, А.Г. Электронно-лучевые процессы |
| title | Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки |
| title_alt | Refining of silicon using the method of electron beam melting |
| title_full | Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки |
| title_fullStr | Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки |
| title_full_unstemmed | Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки |
| title_short | Рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки |
| title_sort | рафинирование кремния способом электронно-лучевой плавки |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96007 |
| work_keys_str_mv | AT berezosva rafinirovaniekremniâsposobomélektronnolučevoiplavki AT erohinag rafinirovaniekremniâsposobomélektronnolučevoiplavki AT berezosva refiningofsiliconusingthemethodofelectronbeammelting AT erohinag refiningofsiliconusingthemethodofelectronbeammelting |