RU2186887C2

RU2186887C2 - Method of treatment of grown ingots of silicon single- crystals

Info

Publication number: RU2186887C2
Application number: RU2000102095A
Authority: RU
Inventors: Сергей Борисович Берингов; Юрий Владимирович Ушанкин; Юрий Григорьевич Шульга
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Пиллар"
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2002-08-10
Also published as: UA26952C2

Abstract

FIELD: methods of treatment of grown ingots of silicon single crystals; applicable in manufacture of single-crystal silicon wafers of photovoltaic module solar cells. SUBSTANCE: method includes determination of ingot crystallographic lanes by morphological characteristics of initial ingot and then, pseudosquaring of ingot with its subsequent calibration. EFFECT: improvement of ingot quality and reduction of its rejects and silicon irreversible losses. 1 dwg, 2 tbl

Description

Изобретение относится к способам обработки выращенных слитков монокристалла кремния и может быть использовано при изготовлении монокристаллических кремниевых пластин солнечных элементов фотовольтаических модулей и интегральных схем. The invention relates to methods for processing grown silicon monocrystal ingots and can be used in the manufacture of monocrystalline silicon wafers of solar cells of photovoltaic modules and integrated circuits.

Для получения максимально эффективной упаковки солнечных элементов и уменьшения тем самым площади, занимаемой фотовольтаическим модулем, кремниевым пластинам, предназначенным для изготовления солнечных элементов, придают форму квадрата или, что применяют гораздо чаще, псевдоквадрата - фигуры, у которой все стороны равны, противоположные стороны параллельны, каждые две рядом расположенные стороны взаимно перпендикулярны и соединены дугой сегмента, являющегося частью окружности. Так как кремниевые пластины получают из выращенных слитков монокристалла кремния путем поперечной резки их на пластины, указанные слитки, имеющие цилиндрическую форму, необходимо подвергнуть обработке для придания им формы псевдопараллелепипеда - тела, в основании которого находится псевдоквадрат. Для получения качественных пластин необходимо, чтобы геометрические центры выращенного цилиндрического слитка монокристалла кремния и обработанного псевдоквадратированного слитка совпадали. Несовпадение указанных центров больше чем на 1 мм приводит к ухудшению качества пластин, нарушению симметрии. Например, согласно стандартной спецификации фирмы ВР Solar для псевдоквадратных пластин, получаемых из слитка диаметром 150 мм, требования по симметрии, определенные для проекции длины дуги сегмента, составляют от 19,53 до 22,59 мм. Такие требования к качеству пластин приводят к необходимости усовершенствовать технологический процесс обработки выращенных слитков монокристалла кремния. To obtain the most efficient packaging of solar cells and thereby reduce the area occupied by the photovoltaic module, silicon wafers intended for the manufacture of solar cells are shaped like a square or, more often, a pseudo-square - a figure in which all sides are equal, the opposite sides are parallel, every two adjacent sides are mutually perpendicular and connected by an arc of a segment that is part of a circle. Since silicon wafers are obtained from grown ingots of silicon single crystal by transversely cutting them into wafers, these ingots having a cylindrical shape must be processed to give them the shape of a pseudo-parallelepiped - a body at the base of which is a pseudo-square. To obtain high-quality plates, it is necessary that the geometric centers of the grown cylindrical ingot of a silicon single crystal and the processed pseudo-squared ingot coincide. The mismatch of these centers by more than 1 mm leads to a deterioration in the quality of the plates, violation of symmetry. For example, according to the standard specification of BP Solar for pseudo-square plates obtained from an ingot with a diameter of 150 mm, the symmetry requirements defined for the projection of the arc length of a segment are from 19.53 to 22.59 mm. Such requirements for the quality of the plates lead to the need to improve the technological process for processing grown ingots of silicon single crystal.

Наиболее близким является способ обработки выращенных слитков монокристалла кремния, включающий первую операцию - калибровку монокристаллического слитка кремния, затем определение кристаллографических плоскостей слитка с помощью оптических или рентгеновских методов и последующее псевдоквадратирование слитка путем срезания четырех горбуш слитка с помощью алмазных кругов с наружной режущей кромкой. Окончательно псевдоквадратированный слиток подвергают стандартным операциям: торцовки и снятию фаски с острых граней слитка с помощью алмазного инструмента (Нашельский А.Я. "Технология специальных материалов электронной техники", 1993, с.241) [1]. Операция калибровки необходима для придания слиткам заданного диаметра (125, 135 или 150 мм), а также для придания им строго цилиндрической формы, так как основное и вспомогательное оборудование рассчитано на работу со стандартными диаметрами. The closest is a method for processing grown silicon single crystal ingots, including the first operation - calibrating a single crystal silicon ingot, then determining the crystallographic planes of the ingot using optical or X-ray methods and then pseudo-squaring the ingot by cutting four pink salmon ingots using diamond wheels with an outer cutting edge. Finally, the pseudo-squared ingot is subjected to standard operations: trimming and chamfering with sharp edges of the ingot using a diamond tool (A. Nashelsky, "Technology of special materials for electronic equipment", 1993, p.241) [1]. The calibration operation is necessary to give the ingots a given diameter (125, 135 or 150 mm), as well as to give them a strictly cylindrical shape, since the main and auxiliary equipment is designed to work with standard diameters.

Однако, при псевдоквадратировании слитка происходит нарушение симметричности слитка. В результате расхождение между центрами цилиндрического и псевдоквадратированного слитков достигает 2-3 мм, что приводит к получению бракованных слитков. However, when pseudo-squaring the ingot, the symmetry of the ingot is violated. As a result, the discrepancy between the centers of the cylindrical and pseudo-squared ingots reaches 2-3 mm, which leads to the production of defective ingots.

Кроме того, при калибровке исходного слитка монокристалла кремния в безвозвратные потери уходят значительные количества кремния. Так, по известному способу при калибровке слитка со средним диаметром 156 мм и длиной слитка 600 мм с получением до стандартного диаметра 150 мм в безвозвратные потери уходит 2,0 кг кремния. In addition, when calibrating the initial ingot of a silicon single crystal, significant amounts of silicon go into irretrievable losses. Thus, according to the known method, when calibrating an ingot with an average diameter of 156 mm and an ingot length of 600 mm to obtain a standard diameter of 150 mm, 2.0 kg of silicon is lost in irretrievable losses.

Задачей изобретения является усовершенствование способа обработки выращенных слитков монокристаллов кремния, в котором путем изменения порядка проведения операций обеспечивается улучшение качества и снижение брака слитков за счет повышения его симметричности, и, кроме того, уменьшаются безвозвратные потери кремния. The objective of the invention is to improve the method of processing grown ingots of single crystals of silicon, in which by changing the order of operations, quality is improved and the marriage of ingots is reduced by increasing its symmetry, and, in addition, irreversible losses of silicon are reduced.

Поставленная задача решается предложенным способом обработки выращенных слитков монокристалла кремния, включающим калибровку слитка, определение кристаллографических плоскостей слитка с последующим псевдоквадратированием слитка, в котором калибровку слитка осуществляют после его псевдоквадратирования, а определение кристаллографических плоскостей осуществляют по морфологическим признакам исходного слитка. The problem is solved by the proposed method for processing grown silicon monocrystal ingots, including calibrating the ingot, determining the crystallographic planes of the ingot, followed by pseudo-squaring the ingot, in which the ingot is calibrated after pseudo-squaring, and the crystallographic planes are determined by the morphological characteristics of the original ingot.

Наиболее плотноупакованными плоскостями в решетке кремния являются плоскости (111). При благоприятных условиях роста монокристалла кремния, когда теплоотвод производится только через расплав, монокристалл вырастает в форме октаэдра, имеющего кристаллическую гранецентрированную кубическую решетку, ограниченную плоскостями (111). Пересечения растущих граней (111) образуют на цилиндрической поверхности выращенного слитка монокристалла хорошо заметные дорожки, так называемые псевдоребра, которых при выращивании монокристалла ориентации [100] с плоскостями квадратов (001) и (010) четыре. Поэтому не сложно без использования оптических или рентгеновских методов определить кристаллографические плоскости монокристалла по морфологическим признакам исходного слитка. При последующем псевдоквадратировании слитка происходит нарушение симметричности слитка, обусловленное рядом факторов: состоянием режущей кромки дисков, их биением, условиями охлаждения и вывода шлама из зоны резания, скоростных режимов резания, длиной квадратируемого слитка и так далее. В результате расхождение между центрами цилиндрического и псевдоквадратированного слитков достигает 2-3 мм. Однако, диаметр цилиндрических участков псевдоквадратного слитка больше заданного размера, так как слиток не подвергался еще калибровке, а изначально слитки выращиваются с диаметром, больше необходимого диаметра. В силу этого, а также того, что геометрические центры вращения псевдоквадратированного и цилиндрического слитков совпадают, при последующей калибровке цилиндрических участков будет уменьшаться расстояние между центрами цилиндрического и псевдоквадратированного слитка и увеличиваться симметричность слитка. Кроме того, так как шлифовке подвергается меньшая поверхность слитка, в безвозвратные потери уходит меньшее количество кремния. The most closely packed planes in the silicon lattice are (111) planes. Under favorable conditions for the growth of a silicon single crystal, when heat is removed only through the melt, the single crystal grows in the form of an octahedron having a crystal face-centered cubic lattice bounded by (111) planes. The intersections of the growing (111) faces form on the cylindrical surface of the grown single crystal ingot clearly visible paths, the so-called pseudo-edges, which, when growing a single crystal of [100] orientation with four (001) and (010) square planes, are four. Therefore, it is not difficult without the use of optical or x-ray methods to determine the crystallographic planes of a single crystal by the morphological features of the initial ingot. Subsequent pseudo-squaring of the ingot results in a violation of the symmetry of the ingot, due to a number of factors: the condition of the cutting edge of the disks, their runout, cooling and removal of sludge from the cutting zone, high-speed cutting conditions, the length of the squared ingot, and so on. As a result, the difference between the centers of the cylindrical and pseudo-squared ingots reaches 2-3 mm. However, the diameter of the cylindrical sections of the pseudo-square ingot is larger than the specified size, since the ingot has not yet been calibrated, and initially the ingots are grown with a diameter larger than the required diameter. Due to this, as well as the fact that the geometric centers of rotation of the pseudo-squared and cylindrical ingots coincide, during subsequent calibration of the cylindrical sections, the distance between the centers of the cylindrical and pseudo-squared ingot will decrease and the symmetry of the ingot will increase. In addition, since a smaller surface of the ingot is subjected to grinding, a smaller amount of silicon is lost.

На чертеже представлено поперечное сечение псевдоквадратированного слитка. The drawing shows a cross section of a pseudo-squared ingot.

На чертеже обозначено: слиток псевдоквадратной формы 1, имеющий соответственно дуги сегментов 2, 3, 4, 5; исходный цилиндрический слиток 6: горбуши соответственно 7, 8, 9, 10, которые срезаются при псевдоквадратировании. The drawing indicates: an ingot of pseudo-square shape 1 having respectively arcs of segments 2, 3, 4, 5; initial cylindrical ingot 6: pink salmon 7, 8, 9, 10, respectively, which are cut during pseudo-squaring.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Определяют кристаллографические плоскости по морфологическим признакам исходного слитка. Так как исходный слиток представляет собой цилиндр, на боковой цилиндрической поверхности которого хорошо заметны псевдоребра, определение кристаллографических плоскостей заключается в разметке оснований цилиндра путем соединения точек псевдоребер, лежащих в плоскости основания. Операцию псевдоквадратирования осуществляют путем срезания горбуш слитка, при этом плоскость реза лежит параллельно и на заданную величину выше линии, соединяющей две ближние точки псевдоребер. Для этого слиток с размеченными основаниями устанавливается таким образом, чтобы плоскость дисков с наружной режущей кромкой была параллельна проведенной разметке, а расстояние между дисками соответствовало заданной стандартной стороне квадрата: 100•100 или 103•103, или 125•125 мм и так далее. Продольная резка может производиться одним, двумя или четырьмя алмазными дисками одновременно, в зависимости от типа оборудования, применяемого для псевдоквадратирования слитка. Полученный таким образом псевдоквадратированный слиток подвергают калибровке. Указанная калибровка осуществляется на круглошлифовальных или торцевых станках при вращении псевдоквадратированного слитка таким образом, чтобы диагональ псевдоквадрата соответствовала с заданным допуском заданному стандартному значению диаметра слитка. При этом ошлифовывается до заданного диаметра только скругленная поверхность псевдоквадратированного слитка. На чертеже это участки вдоль дуг 2, 3, 4 и 5. Затем производятся обычным образом стандартные операции торцовки, снятия фаски с острых граней слитка. Crystallographic planes are determined by the morphological features of the original ingot. Since the initial ingot is a cylinder, on the lateral cylindrical surface of which pseudo-edges are clearly visible, the definition of crystallographic planes consists in marking the base of the cylinder by connecting the points of the pseudo-edges lying in the plane of the base. The operation of pseudo-squaring is carried out by cutting the pink salmon of the ingot, while the cut plane lies parallel and at a predetermined value above the line connecting the two nearest points of the pseudo-rib. To do this, an ingot with marked out bases is set so that the plane of the disks with the outer cutting edge is parallel to the marking, and the distance between the disks corresponds to the specified standard side of the square: 100 • 100 or 103 • 103, or 125 • 125 mm and so on. Slitting can be performed with one, two or four diamond blades at the same time, depending on the type of equipment used for pseudo-squaring the ingot. The pseudo-squared ingot thus obtained is calibrated. The specified calibration is carried out on circular grinding or face machines when the pseudo-squared ingot is rotated in such a way that the diagonal of the pseudo-square corresponds with the specified tolerance to the specified standard value of the ingot diameter. In this case, only the rounded surface of the pseudo-squared ingot is polished to a given diameter. In the drawing, these are sections along arcs 2, 3, 4 and 5. Then, the standard operations of trimming, chamfering from sharp edges of the ingot are performed in the usual way.

В табл. 1 показаны параметры выращенных слитков монокристалла кремния, которые подвергались обработке. In the table. 1 shows the parameters of the grown silicon single crystal ingots that were processed.

Указанные в табл. 1 слитки подвергались обработке. В табл. 2 приведены данные, полученные при обработке этих слитков: слитки 1, 3, 5 и 7 обрабатывались по предложенному способу; слитки 2, 4, 6 и 8 - по известному. При этом, были получены слитки со стороной псевдоквадрата 125•125 мм и диагональю 150 мм. В табл. 2 проекция длины дуги сегментов 2, 3, 4 и 5, указанных на чертеже, обозначены соответственно А, В, С и D, расхождение между центром цилиндрического и псевдоквадратированного слитков обозначено знаком Δ.
Как видно из табл.2, предложенный способ позволяет получить слитки, расхождение между цилиндрическим и псевдоквадратированным центром слитка не превышает 0,2 мм, расхождение в размерах скругленных участков в каждом слитке не превышает 0,5 мм. Это обеспечило получение качественных симметричных слитков, отсутствие брака продукции.Indicated in the table. 1 ingot was processed. In the table. 2 shows the data obtained during the processing of these ingots: ingots 1, 3, 5 and 7 were processed according to the proposed method; ingots 2, 4, 6 and 8 - according to the known. In this case, ingots with a pseudo-square side of 125 • 125 mm and a diagonal of 150 mm were obtained. In the table. 2, the projection of the length of the arc of segments 2, 3, 4, and 5 indicated in the drawing is indicated by A, B, C, and D, respectively, the difference between the center of the cylindrical and pseudo-squared ingots is indicated by Δ.
As can be seen from table 2, the proposed method allows to obtain ingots, the difference between the cylindrical and pseudo-squared center of the ingot does not exceed 0.2 mm, the difference in the sizes of the rounded sections in each ingot does not exceed 0.5 mm. This ensured the receipt of high-quality symmetrical ingots, the absence of defective products.

Claims

A method of processing grown silicon monocrystal ingots, including calibrating the ingot, determining the crystallographic planes of the ingot, followed by pseudo-squaring the ingot, characterized in that the ingot is calibrated after pseudo-squaring, and the crystallographic planes are determined by the morphological characteristics of the original ingot.