В настоящее время существуют три основных направления в полу­чении кремниевых пластин для СЭ (см. рис. 1.2):

1 — использование отходов микроэлектронного производства, на­чиная с операции резки пластин и кончая получением твердотельных структур [1], в результате чего в производство СЭ может попадать ос­новная масса пластин мк-Si;

2 — специальное литье блоков пк-Si с последующей резкой их на пластины [2-5];

3 — получение лент и пластин (л-Si) непосредственно из расплава [6].

Кремний типа л-Si может быть как поли-, так и монокристал-

лическим, причем различного качества. Это в значительной степени и определяет эффективность изготовляемых из него солнечных элементов.

РЕЗКА СЛИТКОВ МОНОКРИСТАЛПИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

В отечественном производстве солнечных элементов (например, [7]) могут применяться кремниевые пластины диаметром 100 мм, полу­чаемые резкой слитков мк-Si, исходно предназначавшихся для микро­электроники. При этом возможны варианты:

1) утилизируются пластины, не прошедшие контроль микроэлек­троники (не удовлетворившие каким-то специфическим требованиям, см. табл. 1.2-1.7);

2) организованно специальное производство пластин, получаемых из слитков или частей слитков кремния, изначально не удовлетворив­ших требованиям по УЭС (см. табл. 1.9) или др. (это 30-50% монокри — сталлических слитков [8]);

3) в этом же производстве используются слитки, пригодные для микроэлектроники;

4) используются пластины, пригодные для микроэлектроники (но не имеющие, например, сбыта из-за отсутствия заказов на МЭП).

Еще недавно в отечественном производстве монокристаплическо — го кремния разрешался сравнительно широкий допуск (до 30%) по раз­бросу удельного сопротивления [9] (табл. 2.1), что позволяло использо­вать практически всю бездислокационную часть слитка (особенно для p-Si). В настоящее время в связи с ужесточением требований (допуска­ется разброс УЭС в пределах лишь 5%) полезная длина кристалла, на­пример марки КДБ-12 диаметром до 100 и 150 мм, сокращается до 1/3 его общей длины независимо от исходной загрузки [8] Это приводит к тому, что в производстве СЭ может использоваться до 60% массы мо- нокристаплических слитков, выращиваемых для целей микроэлектро­ники.

Таблица 2.1 Требования к качеству исходных кремниевых пластин по годам [9] Параметры пластин из слитков мк-Si 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 Диаметр пластин, мм 12-25 25-31 30-40 40-80 100 150 250 Радиальный разброс УЭС, % 30 20 15 10 5 5 3 Плотность дислока­ций, см-2 1-Ю4 1000 100-500 0-10 0-5 0 Шероховатость поверхности, мкм — 0,3 0,2 — 0,1 0,05 0,005

В технологии производства тонких пластин из слитков мк-Si присутствуют следующие операции (кроме контроля):

1) калибровка с целью придания монокристаллу цилиндрической формы;

2) формирование базового и дополнительного срезов;

3) резка слитка на пластины;

4) шлифовка пластин до требуемых толщин (табл. 1.1-1.3);

5) полировка пластин до требуемого микрорельефа (R2 » 0,1+1 мкм) [Ю,11];

6) травление пластин между операциями 3, 4, 5.

Потери материала при резке кремниевых слитков на пластины очень велики (рис. 2.1 [12]). Пусть средняя толщина пластины после рез­ки составляет 800 мкм. При ширине реза 200 мкм потери составят 20% от полезной (для МЭП) части слитка (рис. 2.1). Последняя, в свою оче­редь, составляет только 33% от длины выращенного монокристалла [8].

Ширина реза, мм Рис. 2.1. Потери материала при разрезании слитков на пластины [12]. 6 — толщина пластины.

После резки пластина поступает на операцию шлифовки. Как правило проводится двусторонняя шлифовка, чтобы избежать искривления пла­стин из-за разницы величин остаточных механических напряжений на фронтальной и тыльной сторонах [13]. Припуск (снимаемый слой) на обработку определяется глубиной нарушенного поверхностного слоя, образовавшегося на предыдущей операции обработки пластины (табл. 2.2). Обычно припуск должен быть на несколько микрометров больше глубины нарушенного слоя, а также учитывать отклонение пластины от заданной формы (см. табл. 1.5). Припуск чаще всего снимают в два или три этапа, что позволяет получать лучшее качество поверхности и фор­мы пластин и меньшую глубину нарушенного поверхностного слоя (Ah).

Величина Ah при шлифовке связанным абразивом зависит от зер­нистости шлифовального круга, скорости его вращения и скорости съема кремния, что подтверждается данными табл. 2.3 [13]. Толщина слоя, снимаемого на каждой стадии, должна быть не менее утроенного размера зерен абразивного порошка [14]. По расчетам [9, 10, 14] при двусторонней шлифовке в соответствии с табл. 2.2-2.3 толщина пла­стины уменьшается на 120-350 мкм.

Таблица 2.2 Глубина нарушенного слоя пластины кремния на плоскости (111) после различных видов механической обработки [12] Вид обработки Условие обработки ДА, мкм Резка алмазным Зернистость режущей кромки кругом с внутренней ACM 60/53; и = 4000 об/мин; режущей кромкой подача 1 мм/мин 20-30 Шлифовка Свободный абразив, суспен­зии порошка: ЭБМ-10 11-15 ЭБМ-5 7-9 Шлифовка, полировка Связанный абразив — круг АСМ-28 Алмазная паста: 14-16 АСМ-3 6-9 АСМ-1 5-6 АСМ-0,5 1-2 Химико-механическая Суспензия аэросила, Si02 полировка (зерно 0,04-0,3 мкм) 1-1*5 Суспензия цеолита 1-2

Двустороннее травление на глубину 25 мкм за 2 раза снижает тол­щину пластины на 100 мкм [10]. Полировка уничтожает нарушенный слой еще до глубины ~30 мкм [10]. В конце концов получается готовая пластина толщиной 6 = 300+500 мкм (при первоначальной толщине 800 мкм). Таким образом, потери при обработке составляют от 40 до 60% материала пластины, полученной после резки.

Таблица 2.3 Глубина нарушенного слоя кремниевых пластин после плоской (торцевой) шлифовки по различным режимам [13] Зернистость ACM Скорость вращения круга, м/с Скорость съема, мкм/мин ДА, мкм 63/50 72 50 28 40/28 72 50 25 28/20 72 50 21 14/10 72 30 18 14/10 72 10 10 14/10 28 20 15 14/10 24 20 20 10/7 72 10 8-10

В результате всех операций получается, что только 11-16% выра­щенного монокристаллического слитка кремния доживает до стадии полированной пластины, пригодной для изготовления МЭП. Весь ос­тальной кремний составляет отходы электронной промышленности. Однако надо учесть, что в дальнейшем, как и в процессе выполнения вышеприведенных операций, отбраковывается еще некоторая часть пластин по дефектам табл. 1.5, 1.7. Большинство их может пойти на производство СЭ, как и 60% от оставшейся части кремниевого слитка, поскольку требования к пластинам для СЭ много ниже (сравним табл. 1.6 с табл. 1.2-1.4).

В работе [15] приводится структура себестоимости монокристалла кремния по данным на 1975 г. (табл. 2.4). С достаточным основанием можно предполагать, что соотношения затрат до настоящего времени мало изменились (за исключением, возможно, возрастания доли затрат на энергию и топливо).

Таблица 2.4 Структура себестоимости монокристаллов кремния, выращенных способом Чохральского [15] Статьи затрат Доля затрат, % Сырье, основные и вспомогательные материалы 57,0* В том числе вспомогательные материалы 14,3 Топливо и энергия на технологические цели Заработная плата производственных рабочих с начисле­ 4,1 ниями 4ДЛ Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования 13,3 Цеховые расходы 10,5 Прочие накладные расходы 10,4 Итого 100

‘n-Si

Больше половины себестоимости, как видно, составляет собствен­но исходный материал — n-Si (см. табл. 1.8).

При выполнении дальнейших операций (резка, шлифовка, поли­ровка и им сопутствующих) доля исходного для каждой последующей операции материала в структуре себестоимости пластин уменьшается, но все равно будет составлять значительную часть (не менее 30%, см. [16]). Брак на уровне полированной пластины уже совершенно разори­телен (см. табл. 2.5) [10].

Тип	Диаметр	Толщина	Цена при допуске (%) на УЭС, $
проводимости	мм	±10	±30	±50
	100	0,525	11,7	10,4	—
р	100	0,625	12,1	10,7	—
	125	0,625	21,8	19,0	—
	100	0,625	15,5	11,45	10,65
	125	0,625	27,45	20,70	19,40

Таблица 2.5

Цены на полированные пластины фирмы Monsato на 1982 г.

Таким образом, использование отходов Si-пластин в производстве СЭ существенным образом "исправляет" экономичность микроэлек­тронного производства. В то же время потери кремния при резке, шли­фовке и полировке пластин для СЭ сказываются на цене последних самым пагубным образом (табл. 2.5) из-за высокой стоимости исходно­го монокристаллического материала (см. рис. 1.3).