RU2208068C1 - Method of preparing silicon crystals with cyclic twin structure - Google Patents
Method of preparing silicon crystals with cyclic twin structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2208068C1 RU2208068C1 RU2002118784/12A RU2002118784A RU2208068C1 RU 2208068 C1 RU2208068 C1 RU 2208068C1 RU 2002118784/12 A RU2002118784/12 A RU 2002118784/12A RU 2002118784 A RU2002118784 A RU 2002118784A RU 2208068 C1 RU2208068 C1 RU 2208068C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- order
- crystals
- silicon
- twin
- twinning
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 91
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 58
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 58
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 title claims abstract description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 7
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 7
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 1
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/06—Silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/36—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method characterised by the seed, e.g. its crystallographic orientation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области производства полупроводниковых слитков и пластин, которые могут быть использованы, например, при производстве солнечных элементов. В частности, настоящее изобретение касается циклически сдвойникованных кристаллов полупроводниковых материалов, особенно кремния, кристаллизующихся в алмазную кубическую решетку, и метода их получения. The present invention relates to the field of production of semiconductor ingots and wafers that can be used, for example, in the manufacture of solar cells. In particular, the present invention relates to cyclically twin crystals of semiconductor materials, especially silicon, crystallizing in a diamond cubic lattice, and a method for their preparation.
Основными материалами, используемыми для изготовления солнечных элементов, являются бездислокационные монокристаллы кремния, получаемые методом Чохральского, и мультикристаллический кремний, получаемый методом литья. Сырьем, использующимся в этих методах, является поликристаллический кремний-сырец полупроводниковой чистоты, а также отходы монокристаллических слитков кремния, предназначенных для микро- и силовой электроники и полученных методом Чохральского и бестигельной зонной плавки из поликристаллического кремния-сырца. The main materials used for the manufacture of solar cells are dislocation-free silicon single crystals obtained by the Czochralski method, and multicrystalline silicon obtained by casting. The raw materials used in these methods are polycrystalline raw silicon semiconductor purity, as well as the waste of single-crystal silicon ingots intended for micro- and power electronics and obtained by the Czochralski method and crucible-free zone melting from polycrystalline raw silicon.
Грубая оценка показывает, что для удовлетворения мирового спроса в солнечных элементах, равного ~1400 МВт/год, необходимо приблизительно 84000 тонн исходного поликристаллического кремния-сырца для получения бездислокационных монокристаллов кремния методом Чохральского и мультикристаллических слитков кремния методом литья. Поликристаллический кремний-сырец является, прежде всего, сырьем для получения монокристаллов кремния, предназначенных для микроэлектроники. Стоимость этого сырья слишком высока (~50 USD/кг), чтобы использовать его для получения подложечного материала солнечных элементов. В то же время невозможно использовать кремний низкого качества, типа очищенного металлургического кремния, для получения бездислокационного кремния, из-за чрезвычайной чувствительности процесса бездислокационного роста кристаллов к примесям (загрязнениям) и инородным частицам, даже если они мельчайших размеров. A rough estimate shows that in order to satisfy the global demand for solar cells of ~ 1400 MW / year, approximately 84,000 tons of raw polycrystalline silicon raw material are needed to produce dislocation-free silicon single crystals by the Czochralski method and multicrystalline silicon ingots by casting. Polycrystalline raw silicon is, first of all, a raw material for producing silicon single crystals intended for microelectronics. The cost of this raw material is too high (~ 50 USD / kg) to use it to obtain the substrate material of solar cells. At the same time, it is impossible to use low-quality silicon, such as refined metallurgical silicon, to obtain dislocation-free silicon, due to the extreme sensitivity of the process of dislocation-free crystal growth to impurities (contaminants) and foreign particles, even if they are of the smallest size.
Для использования дешевого исходного сырья низкого качества в производстве материала подложки для кремниевых солнечных элементов с достаточно высоким к.п.д. необходима разработка специального метода получения кристаллов кремния с приемлемой структурой и физическими свойствами. To use cheap low-quality feedstock in the production of a substrate material for silicon solar cells with a sufficiently high efficiency It is necessary to develop a special method for producing silicon crystals with an acceptable structure and physical properties.
Другой задачей в производстве солнечных элементов является значительное сокращение толщины используемых подложек (пластин) с целью снижения стоимости солнечных элементов и использования кристаллов кремния с низким временем жизни неосновных носителей заряда для изготовления солнечных элементов с высоким к.п.д. Несмотря на то, что кремний как материал является достаточно твердым, монокристаллы кремния очень хрупки из-за наличия в них четырех плоскостей { 111} , являющихся плоскостями скола, полностью пересекающими монокристалл. Это является основной причиной, из-за которой тонкие пластины кремния очень легко ломаются. Поэтому резка монокристаллов кремния на очень тонкие пластины с высоким процентом выхода практически невозможна. В связи с этим представляется, что крупнозернистые кристаллы кремния с регулярной структурой могли бы быть подходящим материалом для решения этой проблемы. Another objective in the production of solar cells is a significant reduction in the thickness of the used substrates (wafers) in order to reduce the cost of solar cells and use silicon crystals with a low lifetime of minority charge carriers for the manufacture of solar cells with high efficiency Despite the fact that silicon as a material is sufficiently solid, silicon single crystals are very fragile due to the presence of four {111} planes in them, which are cleavage planes that completely intersect the single crystal. This is the main reason why thin silicon wafers break very easily. Therefore, cutting silicon single crystals into very thin wafers with a high yield percentage is practically impossible. In this regard, it seems that coarse-grained silicon crystals with a regular structure could be a suitable material for solving this problem.
Первые попытки разработки метода получения крупнозернистых кремниевых кристаллов с регулярной двойниковой структурой для использования в солнечных элементах были сделаны Дж. Мартинелли и Р. Кибизовым в 1992 г. (см. G. Martinelli, R. Kibizov "Growth of stable dislocation-free 3-grain silicon ingots for thinner slicing." Appl. Phys. Letters, Vol.62, June 21, 1993, pp. 3262-3263). Полученный материал представлял собой полупроводниковый кристаллический кремний с тремя смежными, секториально расположенными монокристаллическими зонами - так называемый трехзеренный кремний. В этой работе продемонстрирована возможность сверхтонкой резки трехзеренных слитков кремния на пластины и показана возможность их использования для изготовления высокоэффективных солнечных элементов. The first attempts to develop a method for producing coarse-grained silicon crystals with a regular twin structure for use in solar cells were made by J. Martinelli and R. Kibizov in 1992 (see G. Martinelli, R. Kibizov "Growth of stable dislocation-free 3-grain silicon ingots for thinner slicing. "Appl. Phys. Letters, Vol. 62, June 21, 1993, pp. 3262-3263). The resulting material was a semiconductor crystalline silicon with three adjacent, sectorially located single crystal zones - the so-called three-grain silicon. In this work, the possibility of ultrafine cutting of three-grain silicon ingots into wafers is demonstrated and the possibility of their use for manufacturing highly efficient solar cells is shown.
Один из способов получения трехзеренных кристаллов кремния описан в патенте ФРГ 4343296 С2 (публ. 12.09.96, Н 01 L 31/036). Процесс включает подготовку затравочных кристаллов путем выпиливания из монокристалла кремния трех правильных октаэдров со всеми поверхностями, выровненными по кристаллографическим плоскостям {111}; далее выращивание из расплава двухзеренного слитка путем использования в качестве затравки двух подготовленных октаэдров, расположенных друг относительно друга в двойниковом положении и связанных друг с другом молибденовой проволокой; далее выпиливание по плоскостям { 111} призматического сектора из выращенного слитка; вставление третьего октаэдра в двойниковом положении в вырезанный призматический сектор выращенного кристалла и связывание их вместе молибденовой проволокой; укорочение двухзеренного кристалла до длины третьего вставленного октаэдра и, наконец, выращивание из расплава кремния трехзеренного кристалла посредством подготовленного таким образом затравочного кристалла. One of the methods for producing triple-grain silicon crystals is described in the patent of Germany 4343296 C2 (publ. 12.09.96, H 01 L 31/036). The process involves the preparation of seed crystals by sawing three regular octahedra from a silicon single crystal with all surfaces aligned along the {111} crystallographic planes; further, the cultivation of a two-grain ingot from a melt by using as a seed two prepared octahedra located relative to each other in a twin position and connected to each other by molybdenum wire; then sawing along the {111} planes of the prismatic sector from the grown ingot; inserting the third octahedron in the double position into the excised prismatic sector of the grown crystal and bonding them together with molybdenum wire; shortening the two-grain crystal to the length of the third inserted octahedron and, finally, growing a three-grain crystal from a silicon melt by means of a seed crystal thus prepared.
Посредством этого патентованного процесса можно получать трехзеренные кристаллы, однако этот процесс имеет ряд недостатков:
1) Очень трудно изготавливать октаэдрические кристаллы и вырезать призматический сектор с поверхностями, имеющими точную кристаллографическую ориентацию { 111} , а также очень трудно осуществлять механическое соединение октаэдрических кристаллов и октаэдрического кристалла с плоскостью выреза двухзеренного кристалла в точном двойниковом положении и с точным совпадением кристаллических решеток. Это обстоятельство подразумевает создание напряжений и структурных дефектов в выращенном слитке по границам двойников.Through this patented process, three-grain crystals can be obtained, however, this process has several disadvantages:
1) It is very difficult to fabricate octahedral crystals and cut out the prismatic sector with surfaces having an exact crystallographic orientation of {111}, and it is also very difficult to mechanically connect the octahedral crystals and the octahedral crystal with the cut plane of the two-grain crystal in the exact twin position and with the exact coincidence of the crystal lattices. This circumstance implies the creation of stresses and structural defects in the grown ingot along the boundaries of twins.
2) Использование в качестве затравок кристаллов в виде связанных друг с другом октаэдров является технически чрезвычайно сложным из-за большой величины отношения диаметра к длине, равной приблизительно 2. В обычной технологии выращивания кремниевых слитков используемые затравочные кристаллы имеют диаметр приблизительно 12 мм и длину 100-150 мм. Также возможно использовать затравки длиной 30-50 мм, но не короче. Но в случае использования в качестве затравок связанных октаэдров при их длине, равной 30-50 мм, их диаметр будет составлять 60-100 мм, что делает процесс роста весьма затруднительным. 2) The use of octahedra as crystals in seed form is technically extremely difficult due to the large diameter to length ratio of approximately 2. In conventional silicon ingot technology, the seed crystals used have a diameter of approximately 12 mm and a length of 100 150 mm. It is also possible to use seeds with a length of 30-50 mm, but not shorter. But in the case of using bound octahedra as seeds with their length equal to 30-50 mm, their diameter will be 60-100 mm, which makes the growth process very difficult.
3) Выращивание трехзеренных слитков при несколько более высоких скоростях вытягивания, чем монокристаллических слитков возможно благодаря формированию на фронте кристаллизации так называемых входящих углов, образованных плоскостями { 111} , в местах выхода двойниковых границ. Как показано R.S. Wagner (Acta Metallurgica. Vol. 8, 1960, pp. 57-60) и D.R. Hamilton и R.G. Seidensticker (Journal of Applied Physics. Vol. 31, 1960, pp. 1165-1168), эти входящие углы образуют области (места) наиболее легкого зародышеобразования. Однако в вышеупомянутых работах также показано, что условием самовоспроизведения входящих углов и быстрого роста кристалла является наличие, по крайней мере, двух или более близко расположенных плоскостей двойникования. В противном случае входящие углы выклиниваются и быстрый рост прекращается. 3) The cultivation of three-grain ingots at somewhat higher drawing speeds than single-crystal ingots is possible due to the formation of so-called incoming angles formed by {111} planes at the exit points of twin boundaries at the crystallization front. As shown by R.S. Wagner (Acta Metallurgica. Vol. 8, 1960, pp. 57-60) and D.R. Hamilton and R.G. Seidensticker (Journal of Applied Physics. Vol. 31, 1960, pp. 1165-1168), these incoming angles form the regions (places) of the easiest nucleation. However, it was also shown in the above papers that the condition for self-reproduction of the incoming angles and rapid crystal growth is the presence of at least two or more closely spaced twin planes. Otherwise, the incoming corners wedge out and rapid growth stops.
Наиболее близким является патент Финляндии 106729 (публ. 30.03.2001 г., С 30 В 15/00), в котором предложены простые в практической реализации методы изготовления затравочных кристаллов, слитков и пластин с циклической двойниковой структурой и кристаллы с циклической двойниковой структурой от базовой - трехзеренной, до полной - двадцатизеренной. Такие двойниковые кристаллы содержат когерентные плоскости двойникования первого порядка, двойниковые границы второго порядка и могут содержать двойниковые границы третьего порядка. Метод выращивания кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой имеет ряд достоинств, к которым можно отнести:
1) Возможность радикального усовершенствования технологии выращивания (например, использование многократного полунепрерывного выращивания), позволяющего снизить стоимость этих кристаллов.The closest is the patent of Finland 106729 (publ. 30.03.2001, C 30 B 15/00), which proposed simple methods of manufacturing seed crystals, ingots and wafers with a cyclic twin structure and crystals with a cyclic twin structure from the base - three-grain, to the full - twenty-grain. Such twin crystals contain first-order coherent twinning planes, second-order twin boundaries and may contain third-order twin boundaries. The method of growing silicon crystals with a cyclic twin structure has a number of advantages, which include:
1) The possibility of radical improvements in growing technology (for example, the use of multiple semi-continuous growing), which reduces the cost of these crystals.
2) Возможность использования исходного сырья низкого качества (низкой стоимости) без ухудшения параметров приборов (солнечных элементов), изготавливаемых на основе кристаллов с циклической двойниковой структурой, и снижения за счет этого стоимости. 2) The ability to use raw materials of low quality (low cost) without degrading the parameters of devices (solar cells) made on the basis of crystals with a cyclic twin structure, and reducing due to this cost.
3) Возможность осуществления сверхтонкой резки на пластины кристаллов с циклической двойниковой структурой за счет упрочнения кристаллов двойниковыми плоскостями и границами и снижения за счет этого стоимости. 3) The possibility of ultra-fine cutting onto wafers of crystals with a cyclic twin structure due to the hardening of crystals by twin planes and boundaries and a reduction in cost due to this.
Однако метод получения кристаллов с циклической двойниковой структурой, описанный в патенте Финляндии 106729, не позволяет осуществлять их выращивание достаточной длины, что ограничивает производительность и сдерживает дальнейшее снижение себестоимости. However, the method for producing crystals with a cyclic twin structure, described in Finnish patent 106729, does not allow them to grow a sufficient length, which limits productivity and inhibits further cost reduction.
Известно, что когерентные плоскости двойникования первого порядка не являются электрически активными, поскольку такое двойникование не приводит к образованию оборванных и искаженных связей. Двойниковые границы же второго и более высоких порядков являются по природе дефектными. Они возникают, как правило, в результате срастания двойниковых индивидов. Такое срастание приводит к образованию искаженных и оборванных связей. При этом чем выше порядок двойниковой границы, тем более дефектной является эта граница. Кроме того, строение двойниковых границ второго и третьего порядков помимо кристаллографических факторов зависит от условий выращивания и может отличаться от равновесного строения. В связи с этим, несмотря на довольно устойчивый и воспроизводимый рост кристаллов с циклической двойниковой структурой, выращивание этих кристаллов большой длины без потери регулярной структуры затруднено. Как правило, по мере роста таких кристаллов происходит генерация дислокаций от некогерентных двойниковых границ (второго и третьего порядков). В результате, начиная с длины ~250÷300 мм в них формируются поликристаллические включения. Этот факт ограничивает производительность процесса получения кристаллов с регулярной циклической двойниковой структурой без поликристаллических включений. It is known that first-order coherent twinning planes are not electrically active, since such twinning does not lead to the formation of dangling and distorted bonds. The twin boundaries of the second and higher orders are defective in nature. They arise, as a rule, as a result of the fusion of twin individuals. Such intergrowth leads to the formation of distorted and dangling bonds. Moreover, the higher the order of the twin boundary, the more defective this boundary is. In addition, the structure of twin boundaries of the second and third orders, in addition to crystallographic factors, depends on the growing conditions and may differ from the equilibrium structure. In this regard, despite the rather stable and reproducible growth of crystals with a cyclic twin structure, it is difficult to grow these crystals of large length without losing the regular structure. As a rule, as these crystals grow, dislocations from incoherent twin boundaries (second and third orders) are generated. As a result, starting from a length of ~ 250–300 mm, polycrystalline inclusions are formed in them. This fact limits the productivity of the process of obtaining crystals with a regular cyclic twin structure without polycrystalline inclusions.
Целью настоящего изобретения является увеличение длины выращиваемых кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой без поликристаллических включений и, следовательно, увеличение производительности процесса получения этих кристаллов. The aim of the present invention is to increase the length of the grown silicon crystals with a cyclic twin structure without polycrystalline inclusions and, therefore, increase the productivity of the process for producing these crystals.
Другой целью настоящего изобретения является разработка метода получения кристаллов кремния с улучшенными свойствами для изготовления на их основе высокоэффективных солнечных элементов. Another objective of the present invention is to develop a method for producing silicon crystals with improved properties for the manufacture of highly efficient solar cells based on them.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой путем выращивания из расплава методом Чохральского на затравку с циклической двойниковой структурой от базовой - трехзеренной, образованной двумя когерентными плоскостями двойникования первого порядка и одной границей двойникования второго порядка, до полной циклической двойниковой структуры, образованной двадцатью когерентными плоскостями двойникования первого порядка, четырьмя границами двойникования второго порядка, шестью границами двойникования третьего порядка и четным числом дополнительных плоскостей двойникования первого порядка, параллельных указанным двадцати, согласно изобретению выращивание производят с введением в расплав кремния добавок, выбранных из ряда германий, олово, свинец, при этом концентрация добавок по отношению к кремнию составляет 1,0•10-7-15 вес.%.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for producing silicon crystals with a cyclic twin structure by growing from a melt by the Czochralski method for seed with a cyclic twin structure from a basic - three-grain, formed by two coherent twinning planes of the first order and one twin boundary of the second order, to the full cyclic twin structure formed by twenty coherent twin planes of the first order, with four twin boundaries second order, with six boundaries of twinning of the third order and an even number of additional twinning planes of the first order parallel to the specified twenty, according to the invention, the growth is carried out with the introduction of additives selected from a number of germanium, tin, lead into the silicon melt, while the concentration of additives in relation to silicon is 1.0 • 10 -7 -15 wt.%.
Эти и другие цели вместе с преимуществами настоящего изобретения по сравнению с известными процессами и материалами должны стать понятными из нижеследующего описания и формулы изобретения. These and other objectives, together with the advantages of the present invention compared to known processes and materials, should become apparent from the following description and claims.
Существующее изобретение основано на идее выращивания длинных (>300 мм) кремниевых кристаллов из расплава в направлении <110> с разнообразной циклической двойниковой структурой: от базовой циклической двойниковой структуры, образованной двумя когерентными плоскостями двойникования первого порядка и одной границей двойникования второго порядка, до полной циклической двойниковой структуры, образованной двадцатью когерентными плоскостями двойникования первого порядка, четырьмя границами двойникования второго порядка и шестью границами двойникования третьего порядка в зависимости от степени переохлаждения расплава. При этом для пассивации некогерентных двойниковых границ, т. е. снижения вероятности генерации этими границами дислокаций и образования поликристаллических включений, в расплав кремния (в исходную кремниевую загрузку) вводят пассивирующие примеси с большими атомными радиусами, чем у кремния, которыми являются изовалентные примеси, такие как германий, олово и свинец. The present invention is based on the idea of growing long (> 300 mm) silicon crystals from a melt in the <110> direction with a diverse cyclic twin structure: from a basic cyclic twin structure formed by two coherent twin planes of the first order and one twin boundary of the second order, to the full cyclic twin structure formed by twenty coherent twin planes of the first order, four boundaries of twinning of the second order and six boundaries twinning of the third order depending on the degree of supercooling of the melt. Moreover, to passivate incoherent twin boundaries, i.e., to reduce the likelihood of generation of dislocations by these boundaries and the formation of polycrystalline inclusions, passivating impurities with larger atomic radii than silicon, which are isovalent impurities, are introduced into the silicon melt (in the initial silicon charge) like germanium, tin and lead.
Строение двойниковых границ в кристаллах со структурой алмаза изучено Дж. Коном и Дж. Хорнстрой (Kohn J.A., Amer. Mineralogist, 41, 9/10, 778-784 (1956); Kohn J.A., Amer. Mineralogist, 43, 3/4, 263-284 (1958); Hornstra J., Physica, 25 (6), 409-422 (1959); Hornstra J., Physica, 26 (3), 198-208 (I960)). The structure of twin boundaries in crystals with a diamond structure was studied by J. Kohn and J. Hornstroy (Kohn JA, Amer. Mineralogist, 41, 9/10, 778-784 (1956); Kohn JA, Amer. Mineralogist, 43, 3/4, 263-284 (1958); Hornstra J., Physica, 25 (6), 409-422 (1959); Hornstra J., Physica, 26 (3), 198-208 (I960)).
В этих работах показано, что кристаллы в области двойниковых границ имеют искажения, увеличенные межатомные расстояния и оборванные связи и что двойниковые границы при их формировании "ищут" положения с минимальной энергией и могут принимать зигзагообразную форму. It was shown in these works that crystals in the region of twin boundaries have distortions, increased interatomic distances, and dangling bonds, and that twin boundaries “look for” positions with minimal energy and can take a zigzag shape.
В реальных процессах выращивания условия кристаллизации отличаются от равновесных условий, поэтому двойниковые границы не всегда могут находить наиболее благоприятные в энергетическом смысле положения, что должно приводить к повышению энергии образованных ими полей механических напряжений. Релаксация этих напряжений в процессе роста как раз и является причиной генерации дефектов кристаллической структуры и формирования поликристаллических включений. In real growing processes, crystallization conditions differ from equilibrium conditions; therefore, twin boundaries cannot always find the most favorable positions in the energy sense, which should lead to an increase in the energy of the fields of mechanical stress formed by them. The relaxation of these stresses during growth is precisely the reason for the generation of defects in the crystal structure and the formation of polycrystalline inclusions.
Введение в расплав добавок веществ с атомами других размеров позволяет растущему кристаллу расширить возможности выбора для формирования двойниковых границ с минимальной энергией и дать возможность "залечивания" уже сформированных границ. Подтверждением стремления кристалла использовать атомы примеси для формирования границ с минимальной энергией является факт сегрегации примесей в области межзеренных границ. The introduction of additives with substances of atoms of other sizes into the melt allows the growing crystal to expand the possibilities of choice for the formation of twin boundaries with minimal energy and to enable the “healing” of already formed boundaries. Confirmation of the desire of the crystal to use impurity atoms to form boundaries with minimum energy is the fact of segregation of impurities in the region of grain boundaries.
Для случая выращивания кристаллов кремния в качестве таких добавок выбраны изовалентные примеси: германий, олово и свинец, поскольку их введение в кристалл не приводит к неконтролируемому изменению концентрации носителей заряда. Эти добавки могут вводиться в кристалл (расплав) как раздельно, так и совместно. For the case of growing silicon crystals, isovalent impurities were chosen as such additives: germanium, tin, and lead, since their introduction into the crystal does not lead to an uncontrolled change in the concentration of charge carriers. These additives can be introduced into the crystal (melt) both separately and together.
Величины концентраций этих добавок, необходимые для формирования устойчивых при росте двойниковых границ, зависят от конкретных условий выращивания: параметров процесса роста (скоростей перемещения и вращения тигля и кристалла; конструкции теплового узла; расхода и остаточного давления инертного газа и т.д.), концентрации основной легирующей примеси и степени чистоты исходного сырья. При этом суммарная концентрация германия, и/или олова, и/или свинца для добавления их в расплав (загрузку) кремния выбирается из диапазона величин концентраций по отношению к кремнию (1,0•10-7-15 вес.%):
Сдобавок=Сгермания+Cолова+Ссвинца=(1,0•10-7-15 вес.%).The concentration values of these additives necessary for the formation of twin boundaries that are stable during growth depend on the specific growing conditions: growth process parameters (speeds of movement and rotation of the crucible and crystal; design of the heat assembly; flow rate and residual pressure of an inert gas, etc.), concentration main dopant and purity of the feedstock. In this case, the total concentration of germanium and / or tin and / or lead to add them to the silicon melt (charge) is selected from the range of concentrations with respect to silicon (1.0 • 10 -7 -15 wt.%):
With additives = C germanium + C tin + C lead = (1.0 • 10 -7 -15 wt.%).
Введение указанных изовалентных добавок по предлагаемой методике позволяет повысить устойчивость двойниковых границ и осуществлять выращивание кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой длиной более 300 мм без поликристаллических включений. The introduction of these isovalent additives according to the proposed method allows to increase the stability of twin boundaries and to grow silicon crystals with a cyclic twin structure with a length of more than 300 mm without polycrystalline inclusions.
Кроме того, введение германия, олова и свинца в кристаллы кремния приводит к изменению зонной структуры кремния и в определенной степени к расширению спектра оптического поглощения и уменьшению энергии генерации электронно-дырочных пар при облучении таких кристаллов светом. In addition, the introduction of germanium, tin, and lead into silicon crystals leads to a change in the band structure of silicon and, to a certain extent, to an expansion of the optical absorption spectrum and a decrease in the generation energy of electron – hole pairs upon irradiation of such crystals with light.
Это обуславливает повышение к.п.д. солнечных элементов, изготовленных на основе кремния с изовалентными добавками. This leads to an increase in efficiency. solar cells made on the basis of silicon with isovalent additives.
Примеры конкретного выполнения
Выращивание кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой с добавками изовалентных примесей и без добавок проводили методом Чохральского в установке выращивания кристаллов "Редмет-30" из тигля диаметром 330 мм при загрузке в тигель 22 кг. Параметры всех проведенных опытных процессов выращивания были примерно одинаковы. В качестве исходного сырья использовали оборотный кремний дырочного типа проводимости со средним удельным электрическим сопротивлением в диапазоне 0,9-1,1 Ом•см. Выращивание проводили в протоке аргона 1600 л/час и остаточном давлении аргона 10 мм рт.ст. Кристаллы выращивали со скоростями вытягивания от 1,2 мм/мин в начале цилиндрической части до 0,6 мм/мин к концу процесса выращивания. Скорости вращения кристалла и тигля составляли 12 и 5 об/мин соответственно. Выращенные кристаллы имели диаметр в диапазоне 135-138 мм, а длина их цилиндрической части составляла 540-570 мм.Case Studies
Silicon crystals with a cyclic twin structure with additives of isovalent impurities and without additives were grown by the Czochralski method in a setup for growing Redmet-30 crystals from a crucible with a diameter of 330 mm and loading 22 kg into the crucible. The parameters of all conducted experimental cultivation processes were approximately the same. As the feedstock used was a hole-type conductive silicon with an average specific electrical resistance in the range of 0.9-1.1 Ohm • cm. Cultivation was carried out in an argon flow of 1600 l / h and a residual argon pressure of 10 mm Hg. The crystals were grown with drawing speeds from 1.2 mm / min at the beginning of the cylindrical part to 0.6 mm / min at the end of the growing process. The crystal and crucible rotational speeds were 12 and 5 rpm, respectively. The grown crystals had a diameter in the range of 135-138 mm, and the length of their cylindrical part was 540-570 mm.
В качестве затравочных кристаллов использовали специально подготовленные кристаллы с заданной циклической двойниковой структурой, ориентированные в направлении <110>. Используемые затравочные кристаллы имели прямоугольную форму с поперечным сечением 10•10 мм и длиной 120 мм. Затравочные кристаллы имели циклическую двойниковую структуру трех различных типов. As seed crystals, specially prepared crystals with a given cyclic twin structure oriented in the <110> direction were used. The seed crystals used were rectangular with a cross section of 10 x 10 mm and a length of 120 mm. The seed crystals had a cyclic twin structure of three different types.
Затравочный кристалл 1 имел базовую циклическую двойниковую структуру, образованную радиально расположенными двумя когерентными плоскостями двойникования первого порядка {111}-{111} и одной границей двойникования второго порядка {221}-{221}, параллельными направлению выращивания <110> и пересекающимися в центре затравочного кристалла. Кроме того, затравочный кристалл 1 содержал четное число дополнительных когерентных плоскостей двойникования первого порядка, параллельных основным когерентным плоскостям двойникования базовой двойниковой структуры. The
Затравочный кристалл 2 имел базовую циклическую двойниковую структуру (описанную выше) с дополнительными радиально расположенными параллельными и непараллельными когерентными плоскостями двойникования первого порядка и тремя границами двойникования второго порядка. The
Затравочный кристалл 3 имел полную циклическую двойниковую структуру, включающую базовую циклическую двойниковую структуру с дополнительными радиально расположенными параллельными и непараллельными когерентными плоскостями двойникования первого порядка, четырьмя границами двойникования второго порядка и шестью границами двойникования третьего порядка. The
Всего было выращено 12 кристаллов. Три кристалла были выращены без добавок, а девять кристаллов были выращены с добавками. Устойчивость процесса роста кристаллов кремния с заданной циклической двойниковой структурой оценивали по критической величине длины кристаллов (Lкp), с которой начинала формироваться поликристаллическая структура. При этом чем больше критическая длина, тем выше устойчивость процесса роста. Результаты процессов выращивания приведены в таблице.A total of 12 crystals were grown. Three crystals were grown without additives, and nine crystals were grown with additives. The stability of the process of growth of silicon crystals with a given cyclic twin structure was evaluated by the critical value of the crystal length (L kp ), with which the polycrystalline structure began to form. Moreover, the greater the critical length, the higher the stability of the growth process. The results of the growing processes are shown in the table.
Из результатов, приведенных в таблице, видно, что устойчивость процесса роста при выращивании кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой в условиях легирования добавками германия, олова и свинца существенно выше, чем в случае их выращивания без добавок. From the results given in the table, it is seen that the stability of the growth process during the growth of silicon crystals with a cyclic twin structure under conditions of doping with germanium, tin and lead additives is significantly higher than in the case of their growth without additives.
Использование предлагаемого способа получения кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой по сравнению с известными способами обеспечивает следующие преимущества:
1. Возможность существенного увеличения длины выращиваемых кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой без поликристаллических включений и, следовательно, существенного увеличения производительности технологии получения этих кристаллов.Using the proposed method for producing silicon crystals with a cyclic twin structure in comparison with known methods provides the following advantages:
1. The possibility of a significant increase in the length of the grown silicon crystals with a cyclic twin structure without polycrystalline inclusions and, therefore, a significant increase in the productivity of the technology for producing these crystals.
2. Расширение спектра оптического поглощения для кремния при введении изовалентных добавок с большими атомными радиусами, уменьшение энергии генерации электронно-дырочных пар при облучении светом и повышения за счет этого к.п.д. солнечных элементов, изготавливаемых на основе такого материала. 2. Expansion of the optical absorption spectrum for silicon upon the introduction of isovalent additives with large atomic radii, a decrease in the generation energy of electron-hole pairs upon irradiation with light, and an increase in the efficiency due to this solar cells made on the basis of such a material.
3. Снижение стоимости кристаллов кремния с циклической двойниковой структурой и солнечных элементов, изготавливаемых на основе этих кристаллов. 3. Reducing the cost of silicon crystals with a cyclic twin structure and solar cells made on the basis of these crystals.
Claims (1)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002118784/12A RU2208068C1 (en) | 2002-07-16 | 2002-07-16 | Method of preparing silicon crystals with cyclic twin structure |
AU2003249994A AU2003249994A1 (en) | 2002-07-16 | 2003-07-08 | A method of producing silicon crystals with a cyclical twin structure |
PCT/EP2003/007352 WO2004007813A1 (en) | 2002-07-16 | 2003-07-08 | A method of producing silicon crystals with a cyclical twin structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002118784/12A RU2208068C1 (en) | 2002-07-16 | 2002-07-16 | Method of preparing silicon crystals with cyclic twin structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2208068C1 true RU2208068C1 (en) | 2003-07-10 |
Family
ID=29212160
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002118784/12A RU2208068C1 (en) | 2002-07-16 | 2002-07-16 | Method of preparing silicon crystals with cyclic twin structure |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU2003249994A1 (en) |
RU (1) | RU2208068C1 (en) |
WO (1) | WO2004007813A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263250C2 (en) * | 2003-10-03 | 2005-10-27 | Обухов Игорь Валентинович | Boiler furnace |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1777753B1 (en) | 2005-10-21 | 2011-07-13 | Sumco Solar Corporation | SiGe Solar-cell single-crystal silicon substrate, SiGe solar cell element, and method for producing the same |
JP2007142370A (en) * | 2005-10-21 | 2007-06-07 | Sumco Solar Corp | Silicon monocrystalline substrate for solar cell, solar cell element, and manufacturing method therefor |
CN103255476A (en) * | 2013-04-24 | 2013-08-21 | 宁夏东方钽业股份有限公司 | Tri-twined crystal silicon and preparation method thereof |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB894241A (en) * | 1959-07-01 | 1962-04-18 | Westinghouse Electric Corp | Improvements in or relating to the production of crystals |
US4075055A (en) * | 1976-04-16 | 1978-02-21 | International Business Machines Corporation | Method and apparatus for forming an elongated silicon crystalline body using a <110>{211}orientated seed crystal |
RU2141702C1 (en) * | 1993-12-17 | 1999-11-20 | Сименс Солар Гмбх | Silicon semiconductor plate of new type and process of its manufacture |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4631234A (en) * | 1985-09-13 | 1986-12-23 | Texas Instruments Incorporated | Germanium hardened silicon substrate |
FI106729B (en) * | 1999-02-12 | 2001-03-30 | Fortum Power & Heat Oy | Process for producing semiconductor crystals with cyclic twin structure and products thereof |
-
2002
- 2002-07-16 RU RU2002118784/12A patent/RU2208068C1/en not_active IP Right Cessation
-
2003
- 2003-07-08 AU AU2003249994A patent/AU2003249994A1/en not_active Abandoned
- 2003-07-08 WO PCT/EP2003/007352 patent/WO2004007813A1/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB894241A (en) * | 1959-07-01 | 1962-04-18 | Westinghouse Electric Corp | Improvements in or relating to the production of crystals |
US4075055A (en) * | 1976-04-16 | 1978-02-21 | International Business Machines Corporation | Method and apparatus for forming an elongated silicon crystalline body using a <110>{211}orientated seed crystal |
RU2141702C1 (en) * | 1993-12-17 | 1999-11-20 | Сименс Солар Гмбх | Silicon semiconductor plate of new type and process of its manufacture |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2263250C2 (en) * | 2003-10-03 | 2005-10-27 | Обухов Игорь Валентинович | Boiler furnace |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
AU2003249994A1 (en) | 2004-02-02 |
WO2004007813A1 (en) | 2004-01-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1326270B1 (en) | Method of manufacturing asilicon wafer and a silicon epitaxial wafer | |
EP1699737B1 (en) | Method for making silicon feedstock for solar cells | |
KR101815620B1 (en) | Poly-crystalline silicon ingot, silicon wafer therefrom and method of fabricating poly-crystalline silicon ingot | |
JP4528995B2 (en) | Method for producing Si bulk polycrystalline ingot | |
KR20030031192A (en) | Method of producing sisicon wafer and silicon wafer | |
TWI541394B (en) | Method for manufacturing polycrystalline twin crystal ingot and polycrystalline twin rod | |
EP0445036B1 (en) | Polycrystalline silicon rod for floating zone method and process for making the same | |
US4256681A (en) | Method of producing semicrystalline silicon | |
RU2208068C1 (en) | Method of preparing silicon crystals with cyclic twin structure | |
Deitch et al. | Bulk single crystal growth of silicon-germanium | |
EP1485956B1 (en) | Process of producing multicrystalline silicon substrate and solar cell | |
US4330582A (en) | Semicrystalline silicon products | |
WO1994016125A1 (en) | Process for vapor-phase diamond synthesis | |
US5667585A (en) | Method for the preparation of wire-formed silicon crystal | |
JP2002198375A (en) | Method of heat treatment of semiconductor wafer and semiconducor wafer fabricated therby | |
Gaspar et al. | Silicon growth technologies for PV applications | |
EP0055318B1 (en) | Method of producing semicrystalline silicon and products formed thereby | |
US20170051433A1 (en) | Method for producing silicon-ingots | |
JPH03177400A (en) | Manufacture of semiconductor material wafer | |
JP4638012B2 (en) | Semiconductor substrate, solar cell using the same, and manufacturing method thereof | |
JPH04362084A (en) | Wafer preparation of semiconductor material | |
KR200285675Y1 (en) | Semiconductor silicon ingot | |
Bagai et al. | Growth of dislocation-free bulk silicon crystals | |
Fedorov et al. | Crystallization front structure during growth of single crystals from a melt in various crystallographic directions | |
Azarenkov et al. | Monocrystalline structure formation of doped perfect silicon crystals |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20061108 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080717 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20091220 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110717 |