Monikiteinen pii (" polypii ") on materiaali, joka koostuu pienistä piikristalliteista . Se on väliasemassa amorfisen piin, josta puuttuu pitkän kantaman järjestys , ja yksikiteisen piin välillä.
Teknologisesta näkökulmasta monikiteinen pii on kemiallisesti puhtain teollisesti tuotetun puolivalmiiden piin muoto, joka on saatu puhdistamalla teknistä piitä kloridi- ja fluorimenetelmillä ja jota käytetään mono- ja monikiteisen piin valmistukseen .
Tällä hetkellä erotetaan "elektronisen" ( puolijohde )laatuisen polypiin (kalliimpi ja puhtaampi) ja "aurinkosähkölaadun" polypii aurinkosähkön tarpeisiin (halvempi ja sisältää enemmän epäpuhtauksia).
Elektroniikkalaatuista monikiteistä piitä käytetään pääasiassa sylinterimäisten kiteiden valmistukseen elektroniikkaa varten Czochralski- ja upokkattomalla vyöhykesulatusmenetelmillä . Aurinkolaatuista monikiteistä piitä käytetään suorakaiteen muotoisten monikiteisten lohkojen, lieriömäisten kiteiden, aurinkoenergian kiekkojen saamiseksi suunnatulla kiteytyksellä , Stepanov , Czochralski . Sitä käytetään pääasiassa piipohjaisten kiteisten ja ohutkalvoisten valomuuntimien valmistuksessa, LCD-näytöissä, substraateissa ja integroitujen piirien teknologisissa kerroksissa. Suurin osa ultrapuhdasta polypiistä saadaan monosilaanista menetelmän taloudellisuuden vuoksi.
1950-luvulla elektroniikkalaatuisen polypiin tuotanto hallittiin maailmassa. Halvemman ja likaisemman "aurinko"laatuisen polypiin tuotanto hallittiin paljon myöhemmin. Neuvostoliitossa oli omia elektronisen laadun polypiin tuotantoja sotilas-teollisen kompleksin tarpeisiin:
Aurinkosähkön tuotannon laajeneminen 1990-luvun lopulla johti piiromuvarastojen ehtymiseen , jotka vedettiin pois liikkeestä elektroniikkalaitteiden tuotannon riittämättömän puhtauden vuoksi. Tämän seurauksena polypiin kulutus teollisuudessa lisääntyi, mikä johti 2000-luvulla primääristen polypiin raaka-aineiden pulaan sekä aurinkosähkö- että elektroniikkateollisuudessa.
Pulaa ajatellen ympäri maailmaa käynnistettiin monia suuria hankkeita polypiin tuotantolaitosten rakentamiseksi sekä elektroniikka- että aurinkolaatuisena.
Osana IVY -maiden puutteen poistamista on kehitetty useita toimialoja:
Vuoteen 2012 mennessä polypiin ylituotantokriisin puhkeaminen johti hintojen romahtamiseen takaisinmaksurajalle, mikä johti kaiken polypiin tuotannon sulkemiseen IVY-maissa. Mukaan lukien:
Vuodelle 2014 polypiin alan analyytikon mukaan Bibishev D.O. , 100 % tuotantokapasiteetista on yhdeksän suurimman yrityksen hallussa Yhdysvalloista, Japanista, Saksasta, Italiasta, Singaporesta ja Kiinasta. Tärkeimmät tuotantolaitokset sijaitsevat Kiinassa ( Xinjiang tarjoaa lähes puolet maailman polypiistä [2] ), Singaporessa ja Yhdysvalloissa.
Suurin osa maailman monikiteisestä piistä tuotetaan sylinterimäisinä tankoina (vuodelle 2009: Venäjä - halkaisijaltaan enintään 140 mm, IVY:n ulkopuolella - halkaisijaltaan enintään 300 mm), joiden väri on harmaa ja jossa on karkea dendriittipinta. Varsinaiset vavat eivät aina mene myyntiin. Tyypillisesti tangot jaetaan palasiksi ("palaksi"), jotka pakataan mitattuihin (5-10 kg) puhtaisiin pusseihin paksusta polyeteenistä. Halkeilevissa tangoissa on kartiomaista murtumaa, joka on samanlainen kuin amorfisten materiaalien murtumat. Polypiitauvan leikkausta (hiontaa) tutkitaan yleensä saadun piin laadunvalvonnassa ja teknologisen prosessin kulkua analysoitaessa.
Tangon keskellä on mono- tai polypiin "siemen". Aikaisemmin siemenet saatiin vetämällä elektronisesti laadukasta polypiitä (ns. happisauvoja) ilmakehässä. Lanka- ja nauhaleikkaustekniikoiden kehityksen myötä siemenkiteitä alettiin saada leikkaamalla mono- ja polypiitankojen harkot neliömäisiksi tankoiksi (5 × 5, 7 × 7, 10 × 10 mm jne.). Siemenen puhtaudella ja vastaavasti sähköisellä resistiivisyydellä on ratkaiseva vaikutus lopullisen monikiteisen sauvan puhtauteen. Tämä johtuu siitä, että silaanien vetypelkistysprosessi suoritetaan 900–1100 °C:n lämpötiloissa pitkään, mikä johtaa epäpuhtauksien aktiiviseen diffuusioon siemenkiteestä siemenelle kerrostettuun materiaaliin. Toisaalta epäpuhtauspitoisuuden väheneminen ja vastaavasti siemenen sähköisen resistiivisyyden kasvu estää siemenkiteiden sekä resistiivisen että suurtaajuisen kuumennuksen prosessin aloitusvaiheessa, mikä vaatii kalliimpia laitteita, jotka tarjoavat huomattavasti korkeampia jännitteitä sauvojen päissä prosessin alussa (tai korkeamman sähkömagneettisen kentän voimakkuuden kammiossa, kun käytetään suurtaajuista lämmitystä).
Siemenestä kasvaa tiiviisti pakatut kristalliitit lyhyiden neulojen muodossa, joiden poikkileikkaus on alle 1 mm kohtisuorassa generatrixiin nähden. Korkealla laskeutumisnopeudella polypiin rakeet alkavat usein kasvaa dendriittisesti (kuten "popcorn"); prosessin hätätilanteessa dendriitit voivat muodostaa jopa kuoriutuvia kuoria. Tällaisen polypiin laatu ja puhtaus ovat yleensä alhaisempia.
Pieni osa monikiteisestä piistä valmistetaan monosilaanista leijukerroksessa (leijupedissä) tummanharmaina rakeina, joiden halkaisija on 0,1-8 mm ( MEMS ). Tuotanto leijukerroksessa on edullisempaa johtuen suuruusluokkaa suuremmasta saostuspinnasta ja vastaavasti reaktioseoksen täydellisemmästä kulumisesta; tietyn rajoittavan koon saavuttaneiden hiukkasten jatkuvan poistumisen mahdollisuudesta reaktioalueelta. Toisaalta tällainen pii sisältää tietyn määrän amorfista materiaalia ja reaktorin vuorauksen hienoja hiukkasia (mukaan lukien ne, jotka on päällystetty saostetulla piillä). Kehittyneen pinnan ansiosta rakeinen pii on helposti saastunut, absorboi paljon vettä ja ilmakaasuja. Yleensä rakeisen piin puhtaus on huomattavasti alhaisempi kuin kiinteäsauvaisella piillä, ja sitä käytetään yleisemmin aurinkolaatuisten kiteiden vähemmän vaativaan tuotantoon.
Perinteisesti monikiteistä piitä saadaan teknisestä piistä muuntamalla se haihtuviksi silaaneiksi (monosilaani, kloorisilaanit, fluorosilaanit), minkä jälkeen silaanit erotetaan, tislauskaasu puhdistetaan ja se pelkistetään kiteiseksi piiksi.
Aluksi kloorisilaaneja käytettiin polypiin teollisessa tuotannossa. Vuonna 2011 trikloorisilaanipohjaiset tekniikat ovat edelleen hallitsevia. Kloorisilaanin korvaavia fluorosilaanitekniikoita pidetään halvempana, mutta vähemmän ympäristöystävällisenä.
Piin vähentämiseksi trikloorisilaania käyttävissä teknologioissa käytetään pääasiassa Siemens-prosessia: silaanien ja vedyn reaktiohöyry-kaasuseoksen virtauksessa piisauvojen (tai leijukerrosmurun) pinnalla, joka on kuumennettu 650–1300 °C:seen. , silaani pelkistyy ja vapaata piitä kerrostuu. Reaktion lämpötila riippuu merkittävästi reaktorin suunnittelun ja tekniikan ominaisuuksista [3] . Sauvojen korkeasta lämpötilasta johtuen vapautuneet piiatomit uppoavat välittömästi kidehilaan muodostaen dendriittirakenteen omaavia kiteitä. Reaktion aikana muodostuneet kaasumaiset tuotteet kulkeutuvat pois reagoimattoman kaasu-höyry-seoksen virtauksen vaikutuksesta ja voidaan puhdistuksen ja erotuksen jälkeen käyttää uudelleen.
Polypiin tuotanto Siemensin prosessissa [4] perustuu piitetrakloridin muuttamiseen trikloorisilaaniksi käyttämällä sivutuotteena olevia piipitoisia aineita, mikä alentaa kustannuksia ja eliminoi ympäristöongelmia.
1. Trikloorisilaanin synteesi piitetrakloridin katalyyttisellä hydrauksella matalassa lämpötilassa3SiCl4 + 2 H2 + Si met. ↔ 4 SiHCl 3
2. Substraatilla olevan piin peräkkäinen pelkistys2SiHCl 3 ↔ SiH 2 Cl 2 + SiCl 4
2SiH 2 Cl 2 ↔ SiH 3 Cl + SiHCl 3
2SiH 3 Cl ↔ SiH 4 + SiH 2 Cl 2
SiH 4 ↔ Si + 2H 2
Vapautunut vety ja johdannaiset voidaan käyttää uudelleen.
EPC Company Group ehdotti EPC-SCHMID-teknologiaa, joka perustuu kloorisilaanien disproportointiin, puhdistukseen ja sitä seuraavaan monosilaanin pyrolyysiin. Kehittäjien vakuutusten [5] [6] mukaan energian ja materiaalin kulutuksen osalta teknologia antaa jopa 30 %:n voiton perinteiseen Siemensin prosessiin verrattuna ja tarjoaa 80 %:n tuoton sopivalle tuotteelle ylimääräisinä. polypiin puhdistus boorista.
Tunnettuja, mutta ei vielä laajalti käytettyjä menetelmiä monikiteisen piin saamiseksi amorfisen faasin läpi silaanien hydrolyysimenetelmillä sekä silaanien vähentämisellä RF- ja mikroaaltopurkausten plasmassa helpon kontaminaation ja amorfisen aineen siirtämisen vaikeuden vuoksi piitä kiteiseen faasiin. Siemensin teknologiat kehittyvät esimerkiksi käyttämällä proteiineja , polymeerejä jne.