5.3.1 Produkcja krzemu monokrystalicznego
Hodowla kryształów jest procesem długotrwałym i energochłonnym. Pierwszym etapem jest produkcja czystego krzemu z ditlenku krzemu metodami chemicznymi. Następnie materiał należy najpierw stopić i poddać krystalizacji przez ochładzanie. Monokryształ nie powinien zawierać obcych atomów, zatem proces musi się odbywać w specjalnych warunkach. Najlepsze efekty osiągnięto w piecu próżniowym, gdzie krystalizacja odbywa się bez dostępu gazów a w szczególności tlenu. Metodę opracował polski uczony Jan Czochralski [1]. Schemat procesu hodowli monokryształu krzemu przedstawiono na Rys. 1.
Pierwszym etapem produkcji jest proces chemiczny otrzymywania czystego krzemu z \( SiO_{2} \). Otrzymane kawałki czystego krzemu umieszczane są w komorze próżniowej w kwarcowym tyglu.
Po załadowaniu krzemu do komory próżniowej krzem jest topiony w tyglu kwarcowym, a następnie z górnej komory próżniowej urządzenia jest opuszczany mały kryształek krzemu, który staję się zarodkiem krystalizacji. Zarodek o określonej orientacji krystalograficznej dotyka powierzchni roztopionego krzemu. Roztopiony krzem (ciecz) przylega do powierzchni zarodka, który minimalnie się podnosi. Oddalając się od powierzchni wchodzi w obszar o obniżonej temperaturze co rozpoczyna proces krystalizacji. W celu ujednorodnienia procesu krystalizacji zarodek dokonuje obrotu wokół własnej osi. Regulując prędkość obrotową zarodka i prędkość wysuwania do góry uzyskujemy kryształy w kształcie walca, początkowo o zmieniającej się średnicy. Po osiągnięciu stabilnych parametrów procesu średnica hodowanego monokryształu utrzymuje swoją wartość, aż do wyczerpania się roztopionego materiału. Orientacja rosnącego monokryształu jest identyczna z orientacją zarodka inicjującego krystalizacje. Wynikiem procesu jest duży monokryształ w kształcie walca przedstawiony na Rys. 2 [2].
.
Etapy tego procesu, zasadę metody Czochralskiego i etapy obróbki wafla przedstawiono w filmie "Silicon Wafer Production by MicroChemicals".
.
Ze względu na wymagania dotyczące czystości produkowanych monokryształów, procesy produkcji odbywają się w halach o wysokiej klasie czystości. Kryształ przedstawiony na Rys. 2 ma ok. 1 metra długości. Przy obecnym zapotrzebowaniu na krzem monokrystaliczny zarówno do produkcji elektronicznej, jak i fotowoltaicznej, w chińskich fabrykach na halach instaluje się dziesiątki pieców Czochralskiego, a długości monokryształów sięgają 4,5 m.
Kolejnym etapem produkcji wafla krzemowego, bo to wafle krzemowe są materiałem do produkcji elektronicznej i fotowoltaicznej, jest obróbka mechaniczna ingota (tak nazywamy monokryształ po wyjęciu z pieca). Pierwszym krokiem obróbki mechanicznej jest obcięcie końców o zmiennej średnicy i przetoczenie powierzchni ingota do walca o stałych parametrach geometrycznych. Walec cięty jest na kawałki odpowiadające wymiarom piły drutowej, która potnie go na wafle o grubości 180 mikrometrów. Kiedyś było to 300 mikrometrów, potem 200 mikrometrów, a obecnie tnie się również na wymiar 160 mikrometrów. Problemem po zmniejszeniu grubości wafla jest odporność mechaniczna monokryształu na pękanie, podczas dalszych procesów technologicznych do montażu w panelu włącznie. Pocięte wafle mają krawędzie ostre jak złamane szkło, także trzeba je stępić przed dalszą obróbką. Każdy wafel jest numerowany laserowo, co pozwala na późniejszą identyfikację procesu produkcji i jego parametrów. Następnym procesem jest polerowanie do wymaganego poziomu. W wielu wypadkach jest to poziom atomowy. W kolejnych krokach odbywa się trawienie chemiczne, polerowanie oraz czyszczenie powierzchni z pozostałości poprzednich procesów. W zależności od zamawiającego pokrywa się wafle warstwa tlenku krzemu o określonej grubości a następnie przeprowadza elektroniczna inspekcję poprawności stanu wafla i jego powierzchni. Końcowy etap to pakowanie wafli do zasobników transportowych.
Produkcja wafli krzemowych zawsze była prowadzona pod potrzeby fabryk elektronicznych, a wafle produkowano początkowo w niewielkich rozmiarach 1 cal, potem 2 cale, itd. Wzrost średnicy wafli był spowodowany dynamicznie rosnącym zapotrzebowaniem przemysłu na krzem monokrystaliczny i ich średnica zmieniała się od 2 cali w 1970 r. do 18 cali w 2014 r. Przykład wafli o różnych średnicach pokazano na rysunku Rys. 3 [3].
.
Każda zmiana wymiaru to były nowe generacje oprzyrządowania w fabrykach procesorów i pamięci. W fotowoltaice, gdzie parametry wafli i ich własności nie są tak rygorystyczne, standardem wymiaru ogniwa fotowoltaicznego stał się wymiar 15,6 x 15,6 cm i wafel z którego taki kwadrat można wyciąć przy minimalnym odpadzie. Skutkiem tego w panelach fotowoltaicznych z krzemu monokrystalicznego widać na styku czterech ogniw pustą przestrzeń, wynikającą z walcowej symetrii materiału wyjściowego. Niezwykle sterylne warunki produkcji krzemu pozwalają również na produkcję krzemu o ściśle określonych domieszkach. Szczególnie jest to istotne w produkcji fotowoltaicznej. Otrzymując wafel o określonym domieszkowaniu mamy gotowy element do produkcji diody, jaką jest każde ogniwo fotowoltaiczne.
Bibliografia
1. W. C. O'Mara, R. B. Herring, L. P. Hunt: Handbook of semiconductor silicon technology, Elveiser 1990.2. : Silicon single crystal (aut. M. Lincetto), Wikimedia Commons, dostęp:10.12.2020
3. : Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll 2, Wikimedia Commons, dostęp:08.12.2020