Увеличение мировых цен на нефть, наблюдаемое в течение последних нескольких лет, повлекло за собой резкое повышение спроса на альтернативные источники энергии, в частности, на кремниевые солнечные модули. Основным материалом для их производства является монокристаллический кремний, в свою очередь получаемый из поликремния. Так, в США и Европе были приняты программы «миллион крыш» по строительству домов с установленными на них солнечными модулями. Это, в свою очередь, привело к возникновению дефицита и значительному росту цен на рынке сырья для их изготовления, а именно: поликристаллического кремния и скрапа монокремния.

Водородное восстановление SiHCl3, наиболее широко применяемое в настоящее время для получения поликремния, является очень энергоемким и малоэффективным процессом, а использование в качестве сырья SiCl4 еще сильнее снижает технико-экономические показатели. Процесс осуществляют в агрессивной среде (проток газообразного хлорсилана в смеси с водородом) и при высокой газовой температуре (около 1100 ^оС). Это служит причиной загрязнения поликристаллического кремния примесями, переходящими из стенок оборудования. В то же время, химическая чистота является одним из главных требований, предъявляемых к этому полупроводниковому материалу.

В связи с вышеизложенным , весьма актуальной представляется задача разработки нового, высокоэффективного, энергосберегающего и улучшающего экологию метода производства поликристаллического кремния высокой чистоты. Для этого предлагается получение поликристаллического кремния из газовой фазы кремнийсодержащих веществ вместо традиционного высокотемпературного водородного восстановления проводить в плазме СВЧ разряда.

Рисунок 1. Подложка с напыленным кремнием

1. ПРЕДЫСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ

В 90-е годы прошлого века нами был проведен цикл поисковых предварительных исследований. Была доказана принципиальная возможность прохождения указанной плазмохимической реакции. Получены образцы как аморфного, так и поликристаллического кремния.

В связи с тем, что работавшие в то время предприятия, производившие в РФ монокремний в условиях устойчивого и бездефицитного снабжения сырьем, не сочли для себя возможным выделить необходимые средства для развития данной технологии, источник финансирования создания опытно-промышленной установки найден не был, и, соответственно работы были прекращены. В настоящее время, в связи с ажиотажным спросом на поликремний, мы надеемся привлечь инвестиции в наш проект, создать опытно-промышленную установку и после этого, путем тиражирования небольших установок производительностью 30–60 кг поликремния в месяц и объединения их в единую систему, создать опытно-промышленное производство мощностью от 3000 кг поликремния в месяц.

Мы предлагаем вместо одной большой реакционной камеры использовать группу из небольших реакторов, объединенных общими системами газоснабжения, эвакуации и утилизации газов, а также системами общего компьютеризированного управления и электропитания. При этом, в одном реакторе с магнетроном мощностью около 1 кВт будет выращиваться один поликристалл кремния или небольшая порция кремниевых гранул (в варианте проведения процесса в «кипящем» слое). Это позволит более рационально расходовать энергию. Следует иметь в виду, что в связи с наличием в реакторе водорода и хлорсиланов, такой подход дает преимущества также и с точки зрения техники безопасности.

2. ЭКОНОМИКА

Себестоимость поликремния, изготовленного по традиционной технологии, высока, прежде всего, по причине потребления очень большого количества электроэнергии. В нашей технологии электроэнергии требуется в десятки раз меньше (порядка 20 – 40 кВт.час/кг), соответственно и себестоимость полученного поликремния будет, как минимум, на порядок ниже. В силу специфики свойств термонеравновесного микроволнового разряда, газовая температура в нем очень мала (около 300 ^оС), а электронная – очень велика, около 50000 ^оС. В тоже время, область СВЧ разряда локализована в объеме реактора и не касается стенок установки. Эти обстоятельства позволяют существенно повысить чистоту получаемого продукта, которая будет определяться только чистотой исходных реагентов. В связи с этим, полученный материал можно будет использовать не только в производстве солнечных элементов, но и для выращивания электронных марок монокристаллического кремния.

Себестоимость 1 кг поликремния, при объемах производства от 3000 кг в месяц, составит (по предварительным расчетам) примерно $10 за кг. Цена реализации, при нынешней конъюнктуре, – минимум $100 за 1 кг. Таким образом, даже опытно-промышленное производство сможет принести доход на уровне $270 000 долларов США в месяц или $3 240 000 в год.

Увеличение производства до 10 000 кг поликремния в месяц приведет к снижению себестоимости продукции и в перспективе ее можно будет довести до $6–7 за 1 кг.

3. ИДЕИ ТЕХНОЛОГИИ. KNOW-HOW

Ключевую роль в предлагаемом процессе играет микроволновый плазматрон, разработанный и изготовленный нами вместе с Институтом Общей Физики РАН (ИОФ РАН) в ходе предшествующих совместных работ. Этот плазматрон работает на базе магнетрона и системы электропитания от бытовой кухонной СВЧ печи. Это обстоятельство позволяет сделать его чрезвычайно дешевым. Основное достижение экспериментов 90-х годов – получение в реакторе с указанным плазматроном устойчивого факела СВЧ разряда при давлении газовой смеси около атмосферного, что позволяет достичь очень большой производительности процесса. Разряд реализуется в протоке практически любых газов. Нами были опробованы: кислород, аргон, воздух, азот, водород, фреон, метан , а также их различные комбинации. Путем подбора технологических режимов мы добились размера факела порядка 1–1,5 куб. дециметра (при давлении газа 1 атм, мощности магнетрона 1 кВт и длине волны 12 см.). Все это выгодно отличает такой плазматрон от устройств для получения плазмы с близкой мощностью, например, в ВЧ разрядах, которые работают при давлении, не превышающем нескольких мм.рт.ст.. Аналогичные СВЧ плазматроны, работающие на более короткой длине волны излучения, стоят в 100 – 1000 раз дороже. Основные идеи и конструкция предлагаемого плазматрона запатентованы.

4. ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ

-снижение энергоемкости процесса восстановления (более, чем на порядок);

-повышение чистоты получаемого кремния – из-за возможности проведения реакции в объеме камеры, без контакта с ее стенками, при низкой газовой температуре;

-высокая скорость протекания реакции, т.е. высокая производительность;

-расширение сырьевой базы за счет появления возможности – в перспективе – эффективного использования (со степенью превращения близкой к 100%) тетрахлорида кремния или других кремнийсодержащих газообразных соединений (например, фторидов) в качестве сырья для получения поликристаллического кремния;

-более полная переработка исходного сырья в первичной реакции может послужить улучшению экологической обстановки на предприятии;

-значительное, например, в несколько раз, снижение расхода водорода;

-низкая газовая температура проведения процесса и осуществление реакции в объеме, без контакта со стенками камеры, позволят существенно расширить круг используемых при изготовлении реактора конструкционных материалов и применять неохлаждаемые водой ректоры из, например, кварца или даже частично из фторопласта;

-разработанное оборудование можно будет в дальнейшем использовать в производстве других материалов, получаемых из газовой фазы, например, нанесении алмазоподобных пленок для отвода тепла от СБИС, нанесения их на режущий и буровой инструмент; получения алмазоподобных гранул; получения мелкодисперсного порошка и пленок SiC, Ti, тугоплавких металлов и др.

Здесь Вы можете скачать видео, снятое в Институте Общей Физики АН и увидеть сам процесс.

Евгений Биргер по материалам авторов технологии