«КРЕМНИЙ-2010», Нижний Новгород, 6‑9 июля 2010 г.

1

«КРЕМНИЙ-2010», Нижний Новгород, 6 9 июля 2010 г. ‑VII Международная конференция и VI Школа молодых ученых и специалистов по актуальным проблемам физики,

материаловедения, технологии и диагностики кремния, нанометровых структур и приборов на его основе.

Н.А. Потолоков, Н.М. Решетников, И.С. Кутовой, А.В. Серов, А.В. Журавлев, А.А. Решетников

Промышленное производство мультикристаллического кремния в России:

состояние, проблемы, перспективы

ООО "Гелио-Ресурс" 6-9 июля 2010 г.

ООО "Гелио-Ресурс" 6-9 июля 2010 г. 2

Параметры ФЭП, изготовленных из моно- и мультикристаллического кремния

№п. п.

Наименование параметра Значение параметра

Моно Мульти

1 Эффективность (КПД), %:

Минимальный 16.20-16.39 15.20-15.39

Максимальный 18.40-18.59 17.40-17.59

Средний 17.30-17.49 16.30-16.49

2 Ток нагрузки, А

Минимальный 7.74-7.50 7.52-7.29

Максимальный 8.21-7.96 8.14-7.89

3 Рабочая мощность, W

Минимальная 3.87-3.92 3.70-3.75

Максимальная 4.40-4.44 4.23-4.28

4 Напряжение при мах. мощности, V 0.537-0.507 0.524-0.496


Промышленное производство мультикристаллического кремния для СБ впервые в России начало осваивать ООО «Гелио-Ресурс», приобретя и запустив в мае 2006 году первую технологическую установку DSS-240 фирмы «GT Solar Technologies». В последующий период предприятие ввело в эксплуатацию еще 3 аналогичных машины, а в июне 2010 г. были получены три установки серии DSS-450 с большим объемом загрузки.

УСТАНОВКА DSS-240 И ПЕРВЫЙ В РОССИИ ТОВАРНЫЙ СЛИТОК МУЛЬТИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

(22 апреля 2006 г.)

Установка выращивания слитков мультикристаллического кремния DSS-240

Первый в России товарный слиток мультикристаллического кремния


Комплекс установок DSS-240 и DSS-450


Технические характеристики оборудования для выращивания слитковмультикристаллического кремния

Производитель GT-Solar Centrotherm SiTec PVA TePla Jinggong

Страна США Германия США Китай

Модель GT-DSS240 GT-DSS450 ZG-500D MultiCrystallizer VGF 732 Si Jinggong

Максимальная загрузка, кг 285 450 450 450 500

Размер тигля, (длина х ширина х высота), мм 720х720х425 890х890х425 880х880х420 890х890х425 878х878х480

Размер слитка, (длина х ширина х высота), мм 690x690х257 835х835х277 840х840х275 846х846х270 840х840х304

Время цикла, ч 55 64 64 64 65

Мощность нагревателя, кВт 160 160 300 300 220

Энергопотребление, кВт х ч 70 100 100 90 105

Производительность по блокам для резки пластин, кг/месяц

2300 3350 3350 3300 4000

Производительность, МВт/год 4.8 6.9 6.9 6.8 8.2

Цена, USD 785 000 785 000 863 000 863 000 513 000


555

Схема установки DSS (вид монитора системы управления)


Сортамент сырьевого кремния для производства слитков мультикремния и кремниевых пластин

№п/п Сортамент кремния Внешний вид

Электрофизические характеристики

Виды обработки сырьяУЭС

(Ом·см)Тип

проводимости

1 Поликремний чистый Куски произвольной формы, упакованные в герметичную тару > 100 N -

2 Поликремний с графитомКуски произвольной формы размером > 20 мм с включениями графита

> 50 N

Сортировка сырья. Пескоструйная очистка. Термообработка. Травление в щелочном и буферном растворах

3 Поликремний «чипсы» Чешуйчатые кусочки 2 – 15 мм > 50 N Термообработка. Травление в щелочном и буферном растворах.

4 Скрап тигельные остатки Куски кремния с кварцем или следами кварца* 0,5 – 15 N/P

Сортировка. Разбраковка сырья по типу проводимости и УЭС. Очистка остатков кремния от кварца с помощью HF.

5 Скрап обрезь слитков мультикремния

Куски прямоугольной и квадратной формы, загрязненные карбидами и нитридами кремния*

0,5 - 3 P Сортировка сырья.Пескоструйная очистка.

6Ремелт монокристаллического кремния

Куски слитков, верхняя или нижняя часть слитков, загрязненные окисными пленками

> 0,5> 4,0

PN

Сортировка сырья. Разбраковка сырья по типу проводимости и УЭС. Травление сырья в растворе на основе фтористого аммония.

7Пластины кремния полупроводникового качества

Битые или бракованные пластины > 0,5> 0,40

PN

Сортировка сырья. Разбраковка сырья по типу проводимости и УЭС. Термообработка. Травление сырья в растворе на основе фтористого аммония.


Автоматизированное оборудование для сортировкикремниевого сырья


Тигельная сборка к установке DSS-450

Сборки загруженных тиглей

Тигельная сборка к установке DSS-240

Кварцевый тигель с кремнием

Графитовые панели

Кварцевый тигель с кремнием

Графитовые панели

Крышка


Параметры процесса выращивания мультикристаллического кремния

79

81

89

28

03

71

46

25

53

64

47

35

82

69

17

10

08

10

99

11

90

12

81

13

72

14

63

15

54

16

45

17

36

18

27

19

18

20

09

21

00

21

91

22

82

23

73

24

64

25

55

26

46

27

37

28

28

29

19

30

10

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0

20

40

60

80

100

120

Температера Мощность Позиция изоляции

Время, мин

Те

мп

ер

ату

ра

, С

Мо

щн

ос

ти, к

Вт/

По

зиц

ия

изо

ля

ци

и, с

м


Внешний вид выращенных слитков кремния

M = 285 кг M = 450 кг


Разрушение слитка за счет спонтанной кристаллизации расплава при аварийном

отключении нагрева печи

Макродефекты структуры слитка

Дефекты слитка, возникающие при нарушении режима кристаллизации верхней части слитка

(трещины в углах)


Схема кроя слитков

Вертикальные разрезы – формируются при проволочном квадратировании исходного слитка

Горизонтальные разрезы – выполняются на станке с алмазной пилой на каждом блоке квадратного сечения

Мультикристаллические блоки (годная

продукция)

Используется для изготовления мультикристаллических

пластин кремния

Оборотный материал 1 Возврат в процесс выращивания слитков после промывки

Оборотный материал 2

Возврат в процесс выращивания слитков после механического удаления поверхностных загрязнений, травления и промывки

Оборотный материал 3

Возврат в процесс выращивания слитков после механического удаления поверхностных загрязнений, травления, промывки и последующей

кристаллизационной очистки

14ООО "Гелио-Ресурс" 6-9 июля 2010 г.

Контроль качества блоков кремния и кремниевых пластин

Измерение удельного электрического сопротивления блоков мультикремния прибором RESISTIVITY TESTER (SEMILAB)

Контроль времени жизни неосновных носителей заряда блоков мультикремния

прибором WT-1000 (SEMILAB)

Контроль электрофизических параметров блоков мультикремния проводится с использованием приборов фирмы SEMILAB в результате которого определяется годный участок для резки пластин.


Источник:H. Dalaker, M. Tangstad. The Solubility of Carbon In Liquid Silicon Equilibrated With Silicon Carbide and Its Dependence on Boron Levels. 18thWorkshop оon Crystalline Silicon Solar Cells and Modules: Materials and Processes. Vail, Colorado. Workshop Proceedings, NREL/BK-520-45745, 2008, p. 117-120.

Растворимость углерода в кремнии при различных концентрациях бора в интервале температур 1414 – 1559 ⁰ С

Содержание бора Уравнениетемпературной

зависимостирастворимости,

ppm

Растворимость С в точке плавления Si

ppm Ат/см3 ppm Ат/см3

0 0 65 7,94*1018

15000 1,75*1021 109 1,33*1019

20000 2,34*1021 112 1,37*1019Расчетная концентрация кремния в равновесной твердой фазе при температуре плавления – 6*1017 Ат/см3


Изменение содержаний углерода и кислорода по длине блока

0 0.2 0.4

0.600000000000001 0.80.99

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Зависимость С/С0 для углерода и кислорода

от величины доли закристаллизовавшегося слитка мультикремния, L/L0

C/C0 углерод C/C0 кислород

L/L0

C/C0

Данные для расчета концентрации углерода и кислорода и коэффициентов их распределения в

расплаве при выращивании слитков мультикремния

1. Анализ - ИК Фурье-спектрометр ФСМ-1201.2. Значения К литературные: для кислорода – 1,3; для углерода -0,07.

Положение блока в слитке

Рассчитанная начальная

концентрация в расплаве, С0

Рассчитанный коэффициент

распределения, К

Углерод Кислород Углерод Кислород

Центральный блок 2,49*1017 1,412*1017 0,712 1,892

Боковой блок 2,36*1017 1,414*1017 0,672 1,91

Усреднение по данным

центрального и бокового

блоков

2,43*1017 1,413*1017 0,693 1,901


Проявление включений второй фазы в блоках мультикремния: квадратирование слитков

Многочисленные мелкие включения вызывают появление серии ступенек на

боковой поверхности слитка

Крупные включения вызывают нарушение направления хода проволоки

и в конечном итоге – ее обрыв


Проявление включений второй фазы в блоках мультикремния: резка пластин

Образование ступеньки в сечении контакта режущей

проволоки с единичным

включением (как правило – SiC).

Возможный исход – обрыв проволоки


Вид углового блока после операции квадратирования


Наружные грани углового блока


Внутренние грани углового блока


Продольный рост зерен центрального блока


Технические параметры пластин мультикристаллического кремния(Deutsche Cell)

Электрофизические параметры

1 Тип проводимости Р-тип, легирующий компонент – бор

2 Удельное сопротивление, Ом·см Min 1,0; max 2,5

3 Время жизни ННЗ, µс 2,0 (измерения на пластинах толщиной 200 ± 20 µm)

Содержание примесей

4 Кислород, Ат/см3 Не более 7×1017

5 Углерод, Ат/см3 Не более 5×1017

Геометрические размеры и требования к поверхности

7 Формат, мм (156 × 156) ± 0,5

8 Толщина, µm 200 ± 25

9 Размер фаски, мм 0,5 – 2,0 (450 ± 100)

10 TTV, µm Не более 40

11 Поверхность As cut and cleaned

12 Трещины, включения Отсутствие

13 Следы реза, µm Не более 16

14 Сколы Не более 1,5 мм (длина) × 0,5 мм (ширина)


Объемы производства предприятия с прогнозом до 2011 г.

2005 2006 2007 2008 2009 2010 20110.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

8.2

17.119.6

24.4 25.2

36.0

45.0Объемы производства кремниевых пластин

Период производства работ, год

Элек

трич

еска

я м

ощно

сть

плас

тин,

МВт

Использование передового технологического оборудования, соблюдение требуемых параметров производственных процессов и совершенствование организации труда позволило в сложных общехозяйственных экономических условиях обеспечить планомерный рост объемов выпускаемой продукции. В настоящее время предприятие ориентируется на увеличении выпуска продукции за счет введения в эксплуатацию дополнительно трех печей DSS-450 и увеличением объемов резки пластин на двух промышленных площадках в городах Мытищи и Лангенау.


П Р О Б Л Е М Ы 1. В силу известных причин рынок ФЭП на основе кристаллического кремния в России отсутствует. В связи с этим развитие их производства должно быть экспортно ориентированным. Основная трудность будет заключаться в освоении, отвоевывании соответствующего сектора сложившегося мирового рынка. 2. Мировой рынок кремниевых ФЭП опирается на государственную поддержку, декларированную соответствующими программами развития альтернативной энергетики и стимулирующую спрос на продукцию. В России такой госпрограммы нет, и возможность ее появления маловероятна. 3. Существенным препятствием развития производства ФЭП на основе кремния в России является отсутствие собственного сырья – ПКК. Возобновление его производства является наиболее технически сложной и затратной задачей во всей технологической цепочке, дополнительные трудности здесь вносятся ограниченностью временных рамок, отводимых на освоение такого производства. На примере пока малоуспешных попыток ряда наших предприятий (ЗАО «Кремний» - бывш. ГХК, «Русские инвесторы», ….) следует предполагать, что западные монстры-производители ПКК и Китай могут не оставить шансов Российским производителям на возвращение ранее существовавшей доли на мировом рынке. Снижение активности наших инвесторов может произойти и по причине резкого уменьшения цен на ПКК, что существенно снижает экономическую привлекательность инвестиционных проектов этого направления. 4. Немаловажным элементом существования индустрии ФЭП на основе кремния является наличие производства высококачественных вспомогательных материалов, сопутствующих услуг и изделий. Среди них можно назвать следующие:- карбид кремния тонкого рассева;- калиброванная проволока (в том числе структурированная) для резки пластин и квадратирования слитков;- тигли для выращивания слитков;- нитрид кремния;- клеящие композиции;- специализированные средства для отмывки пластин;- услуги по регенерации режущих суспензий.На сегодняшний день объемы производства и поставки этих материалов имеет существенные ограничения, которые в случае реализации Российских проектов могут стать препятствием в развитии производства ФЭП.


Благодарю за внимание

г. Мытищи, ООО «Гелио-Ресурс»

«КРЕМНИЙ-2010», Нижний Новгород, 6‑9 июля 2010 г.

Documents

Transcript of «КРЕМНИЙ-2010», Нижний Новгород, 6‑9 июля 2010 г.