Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...
Архитектура электронного правительства: Единая архитектура – это методологический подход при создании системы управления государства, который строится...
Топ:
Марксистская теория происхождения государства: По мнению Маркса и Энгельса, в основе развития общества, происходящих в нем изменений лежит...
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов...
Теоретическая значимость работы: Описание теоретической значимости (ценности) результатов исследования должно присутствовать во введении...
Интересное:
Как мы говорим и как мы слушаем: общение можно сравнить с огромным зонтиком, под которым скрыто все...
Берегоукрепление оползневых склонов: На прибрежных склонах основной причиной развития оползневых процессов является подмыв водами рек естественных склонов...
Национальное богатство страны и его составляющие: для оценки элементов национального богатства используются...
Дисциплины:
2017-06-04 | 124 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
В массовом производстве mc-Si для выращивания принято использовать тигли, материалом которых является кварц. Но, как уже говорилось, кварц реагирует с расплавом кремния, тем самым, насыщая кристалл кислородом. Поэтому необходимо увеличить скорость процесса кристаллизации до максимально допустимого значения. Для отработки режимов роста проводились эксперименты по выращиванию mc-Si из металлургического рафинированного кремния чистотой 99,76 ат.% (состав №1) с различными скоростями перемещения тигля в тепловом поле. Прочие факторы, такие как осевые температурные градиенты (5 К/см по рис. 20 и 15 К/см по рис. 21), масса 1 кг и тип исходного сырья, скорость вращения тигля 1 об/мин оставались неизменными. На основе анализа фазовых равновесий и исходного состава рафинированного кремния проведена поэлементная оценка ожидаемого снижения температуры кристаллизации Si (табл. 2).
Таблица 2 - Содержание примеси С0 в кремнии состава №1, наклон линии ликвидуса ∂Т/∂С и снижение температуры ликвидуса ΔT
Элемент | С0 | ∂Т/∂С, [10-4×K/ppmw] | ΔT= C0×∂Т/∂С, [K] | |
ppmw | ат./см3 | |||
B | 2,3·1017 | 9,1 | 0,0109 | |
P | 1,7·1018 | 3,1 | 0,0093 | |
Al | 8,4·1018 | 5,1 | 0,0892 | |
Cu | 9,1·1017 | 1,9 | 0,0015 | |
Mg | 4,8·1017 | 7,4 | 0,0081 | |
Ca | 1,9·1018 | 5,4 | 0,0146 | |
Fe | 8,5·1019 | 2,4 | 0,204 | |
V | 5,4·1018 | 2,8 | 0,0128 | |
Co | 7,3·1018 | 2,4 | 0,0168 | |
Ti | 5,9·1018 | 2,0 | 0,0140 | |
Mn | 3,4·1018 | 3,1 | 0,0108 | |
Ni | 3,9·1018 | 2,8 | 0,0104 | |
Сr | 2,8·1017 | 2,1 | 0,0006 | |
Zr | 4,9·1018 | 1,7 | 0,0051 | |
Ge | 1,3·1017 | 4,7 | 0,0004 |
В получаемых слитках mc-Si отбор проб для элементного анализа проводили по схеме, изображённой на рис. 35.
Рис. 35. Схема отбора проб в слитке mc-Si (нумерация в направлении кристаллизации).
В таблице 3 приведены результаты послойного определения концентраций основных примесей в трёх слитках, выращенных при разных скоростях. На рис. 36 построены профили распределения этих элементов в направлении кристаллизации. Для кристалла “a” скорость роста составляла 15 мм/ч, для “б” − 10 мм/ч. Кристалл “в” получен со скоростью роста 5 мм/ч. По данным химического анализа образцов и фотографиям протравленных продольных распилов слитков (рис. 37) можно заключить, что в кристаллах “а” и “б” произошел срыв столбчатого роста и захват примесей фронтом кристаллизации, что свидетельствует о возникновении концентрационного переохлаждения.
|
Анализируя кристалл “в”, отметим, что в процессе роста произошла эффективная очистка сырья от металлических примесей. Верхняя часть слитка толщиной около 10 мм, где концентрации примесей превосходят их концентрации в основной части на порядки, может быть механически от неё отделена.
Экспериментально определена максимальная скорость выращивания mc-Si из сырья металлургического сорта в тиглях из стеклоуглерода, которая составила 5–6 мм/ч при градиенте 5 K/см и 1,4-1,6 см/ч при градиенте 15 K/см. Максимальной является скорость, при которой происходит формирование вертикальной столбчатой структуры с одновременной эффективной очисткой сырья [102,122,123,124].
Таблица - Распределение примесей вдоль оси роста кристалла [ppmw] c оценкой концентрационного переохлаждения по набору элементов Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Zr в промежуточных слоях. ПО - предел обнаружения
Слиток “а” | Элемент | Al | Cr | Mn | Fe | Ni | Zr |
ПО | 2,0 | 0,2 | 0,03 | 0,2 | 0,04 | ||
проба №1 | < 16 | < 1 | < 0,2 | < 5 | 0,2 | <0,07 | |
проба №2 | < 16 | < 1 | < 0,2 | < 5 | 0,2 | 0,07 | |
проба №3 (ΔTC~0,054 K) | 7,3 | 19,3 | |||||
проба №4 (ΔTC~0,042 K) | 7,9 | 5,9 | 14,0 | ||||
проба №5 | < 16 | < 1 | 1,1 | 0,8 | 1,5 | ||
проба №6 | < 16 | < 1 | 0,1 | 0,3 | 0,05 | ||
проба №7 (ΔTC~0,042 K) | 8,6 | 7,1 | 11,2 | ||||
проба №8 (ΔTC~2,15 K) | |||||||
проба №9 | < 18 | < 1 | < 0,2 | < 23 | 0,3 | < 0,1 | |
проба №10 | < 18 | < 1 | < 0,2 | < 23 | 0,2 | 0,1 | |
Слиток “б” | проба №1 | 0,006 | 0,004 | 0,1 | 0,3 | 0,006 | |
проба №2 | 0,02 | 0,02 | 0,9 | 0,8 | 0,02 | ||
проба №3 | 0,07 | 0,02 | 1,2 | 0,9 | 0,01 | ||
проба №4 | 0,03 | 0,02 | 1,1 | 0,15 | 0,02 | ||
проба №5 | 0,02 | 0,1 | 3,3 | 0,24 | 0,14 | ||
проба №6 (ΔTC~0,42 К) | 5,9 | ||||||
проба №7 (ΔTC~0,73 К) | 9,7 | ||||||
проба №8 | 0,3 | 4,5 | 3,3 | 4,6 | |||
проба №9 | 0,05 | 0,2 | 5,4 | 1,1 | 0,3 | ||
проба №10 | 0,02 | 0,23 | 5,0 | 0,45 | 0,3 | ||
проба №11 | |||||||
Слиток “в” | проба №1 | 0,2 | 0,03 | 0,2 | 0,05 | ||
проба №2 | <ПО | <ПО | 0,2 | 0,05 | |||
проба №3 | 0,3 | 0,03 | 0,2 | 0,04 | |||
проба №4 | <ПО | <ПО | <ПО | 0,3 | < ПО | ||
проба №5 | <ПО | 0,6 | 0,03 | 0,6 | < ПО | ||
проба №6 | <ПО | <ПО | <ПО | 0,4 | < ПО | ||
проба №7 | <ПО | <ПО | 0,4 | < ПО | |||
проба №8 | 0,9 | 0,04 | 0,8 | < ПО | |||
проба №9 | 0,2 | 0,03 | 0,5 | < ПО | |||
проба №10 | 6,9 |
|
Рис. 36. Изменение концентрации примеси [ppmw] в слитках «а», «б» и «с» при увеличении доли закристаллизовавшегося кремния f.
Рис. 37. Влияние скорости перемещения тигля на макроструктуру слитков кремния. Между параллельными линиями расположена граница между столбчатым ростом слитка и областью хаотичной быстрой кристаллизации. Овалами отмечены области завышенных на порядок и более концентраций примесей: «а» – 1,5 см/ч; «б» – 1,0 см/ч; «в» – 0,5 см/ч.
На сколах и протравленых поверхностях распилов кристаллов mc-Si обнаружены различные включения примесей, состоящие из нескольких элементов (например:(Al, Mn, Fe), (Cr, Ni, Fe), (C, O, Ni, Cr, Fe), (Fe, Cr, O)). Включения размером до одного микрона попадались в области столбчатой структуры слитков mc-Si. Включения в структуре слитков mc-Si размером до 100 микрон (рис. 38) и более (рис. 39, а) встречались в области ячеисто-дендритных структур [125].
Рис. 38. Изображение в обратно-рассеянных электронах 6 включений на полированной поверхности (а) и 5 включений на поверхности скола образца mc-Si.
Рис. 39. Изображение поверхности распила слитка в обратно-рассеянных электронах в области концентрационного переохлаждения до (а) и после (б) кислотного травления.
Даже при умеренных скоростях кристаллизации рост кристалла происходит в неравновесных условиях. За исключением кислорода (k0=1,25), примеси оттесняются фронтом в расплав (k0<1) и их концентрация непосредственно у растущей поверхности превышает концентрацию в объеме расплава. Следовательно, keff>k0, причем по мере ускорения роста кристалла концентрация примеси у поверхности возрастает (рис. 40), а keff приближается к единице и сегрегации быть не должно.
|
Рис. 40. Понижение температуры кристаллизации в диффузионном слое, обогащённом примесью [25].
На деле мы видим результат того, что при достижении концентрации примеси критического значения происходит её захват фронтом кристаллизации и столбчатый тип поликристаллической структуры переходит в ячеисто-дендритный. В работе [126] авторы имели дело с похожим случаем при кристаллизации металлургического кремния исходной чистоты ≈99,15 ат.% в условиях с высоким градиентом температур (20 К/см). Наличие включений примесей учитывалось при этом как свидетельство неустойчивости межфазной поверхности во время роста. Например, при содержании углерода выше предела растворимости в кремнии (~1018 см3) срыв столбчатого роста кремния происходит за счёт гетерогенного зарождения в расплаве равноосных зёрен на выделениях SiC. Сделана оценка переохлаждения ΔТ ≤ 1К, соответствующего зарождению на SiC [127].
Анализ исходного состава (табл. 2) показывает, что суммарное содержание основных переходных примесей должно приводить к снижению температуры кристаллизации рафинированного кремния более чем на 0,4К по мере увеличения закристаллизовавшейся доли. Большинство примесей при кристаллизации эффективно оттесняется в расплав, поэтому концентрационное переохлаждение можно оценить по относительному уменьшению объёма расплава. Переохлаждённая зона возникает тогда, когда градиент температуры на межфазной поверхности меньше температурного градиента по касательной к линии ликвидуса [25]:
(29)
или:
, где наклон линии ликвидуса (30)
Градиент концентраций связан с точками СSL и CLS на фазовой микродиаграмме (рис. 40) соотношением:
(31)
Для установившегося роста СSL=С0 и k=CSL/CLS можно допустить постоянной величиной. Следовательно, соотношение температурного градиента и скорости роста кристалла, необходимое для создания стабильной межфазной поверхности, определяется условием:
(32)
Если допустить, что влияние каждой примеси на TL линейно и независимо от другой примеси и их взаимным влиянием на диффузию в жидкости и твёрдом теле можно пренебречь, то для многокомпонентного состава правая часть уравнения (32) представляет сумму слагаемых от каждой отдельно взятой примеси [128]. Справедливость этого допущения не противоречит результатам выращивания слитка из исходного кремния 99,76 ат.% на установке с градиентом температуры 15 0С/см при поддержании соотношения G/V≈3,6∙108К∙с/м2. Изображения протравленных продольных распилов слитков mc-Si из HP1-Si (рис. 41, а) и poly-Si (рис. 41, б) и демонстрируют результаты искусственного прерывания процесса кристаллизации. Мы видим, что опускание тигля со скоростью 1,5 см/ч обеспечивает плоский фронт и предотвращает захват примесей при данном градиенте, а при таком же внезапном отключении нагрева в беспримесной среде рост кристалла продолжается также от боковой стенки тигля.
|
Рис. 41. Границы областей столбчатого роста и быстрого затвердевания в слитках из кремния исходной чистоты 99,76 ат.% и кремния исходной чистоты 99,99999 ат.% (б), выращенных: со скоростью опускания тигля 1,5 см/ч и вращением – 6 об/мин; со скоростью опускания тигля 0,5 см/ч без вращения (а).
Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют, что величина скорости кристаллизации, при которой происходит переход от столбчатой структуры к ячеисто-дендритной, может превышать величину, определяемую из формулы (32). В этой связи достаточно привести пример стабилизирующего влияния поверхностной энергии на устойчивость плоской границы раздела фаз к примеси [129]. Тем не менее, различие в значениях скорости кристаллизации, при которой появляется зона концентрационного переохлаждения, и скорости, при которой гладкая межфазная поверхность теряет устойчивость, может быть настолько существенным, что отнести это различие на счет только эффекта поверхностного натяжения весьма проблематично [130]. В работе [131] приводится пример эксперимента по наблюдению концентрационного переохлаждения при затвердевании олова, содержащего 1 ат.% In или Bi. Авторы, используя микроскоп, следили за перемещением границы раздела фаз после отключения печи, с помощью которой до этого образец частично расплавляли. Через несколько десятков секунд после начала роста отмечено сначала плавное снижение скорости кристаллизации, а затем ее резкий скачок, сопровождающийся быстрым переходом от гладкой поверхности раздела к иглообразной. Подстановка в формулу (32) характерных значений параметров затвердевания, показала, что концентрационное переохлаждение расплава Sn в этих экспериментах наступало уже в первые секунды после начала кристаллизации.
Подводя итог сказанному, есть все основания полагать, что:
|
a) при наличии значительного концентрационного переохлаждения фронт кристаллизации достаточно длительное время может оставаться гладким (в примере с оловом не имелось ввиду «атомно-гладким», поскольку его энтропия плавления в безразмерном виде составляет L/kT≈1,7, из-за чего α-фактор поверхности затвердевания всегда меньше 2);
б) концентрационное переохлаждение является основной проблемой, не позволяющей нам выращивать mc-Si из сырья металлургического сорта на высокой скорости.
|
|
Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
История развития хранилищ для нефти: Первые склады нефти появились в XVII веке. Они представляли собой землянные ямы-амбара глубиной 4…5 м...
Таксономические единицы (категории) растений: Каждая система классификации состоит из определённых соподчиненных друг другу...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!