سیلیکون پلی‌کریستالی

سیلیکون پلی‌کریستالی ، که به آن پلی‌سیلیکون یا poly-Si نیز می‌گویند ، یک نمونه پلی‌کریستالی با خلوص بالا از سیلیکون است که به عنوان ماده اولیه در صنعت فتوولتائیک خورشیدی و الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

پلیسیلیکون از سیلیکون درجه متالورژی توسط یک فرایند تصفیه شیمیایی به نام فرایند زیمنس تولید می‌شود. این فرایند شامل تقطیر ترکیبات فرار سیلیکون و تجزیه آن‌ها به سیلیکون در دماهای بالا است. یک فرایند نو ظهور که از یک راکتور بستر سیال استفاده می‌کند به عنوان فرایند جایگزین پالایش این ماده شناخته می‌شود. همچنین صنعت فتوولتائیک ، طی یک فرایند که در آن از فرایند متالورژی به جای فرایندهای تصفیه شیمیایی استفاده می‌شود ، سیلیکونی با درجه متالورژی ارتقا یافته (UMG-Si) تولید می‌کند. هنگامی که پلی سیلیکون برای صنعت الکترونیک تولید می‌شود ، حاوی میزان ناخالصی کمتر از یک جزء در هر میلیارد (ppb) است، در حالی که سیلیکون پلی‌کریستالی درجه خورشیدی (SoG-Si) به طور کلی خلوص کمتری دارد. چند شرکت در چین، آلمان، ژاپن، کره و ایالات متحده، مانندGCL-Poly ، Wacker Chemie ، OCI و Hemlock Semiconductor و همچنین مقر نروژی REC ، که بیشترین تولید را در سال ۲۰۱۳ در سراسر جهان با تولید حدود ۲۳۰٬۰۰۰ تن به خود اختصاص داده‌است.  

مواد اولیه پلی‌سیلیکون - میله‌های بزرگی که معمولاً قبل از حمل و نقل به تکه‌هایی با اندازه‌های مشخص خرد شده و در اتاق‌هایی تمیز بسته بندی می‌شوند - مستقیماً در شمش‌های چند کریستالی ریخته می‌شوند یا برای تولید بول‌های تک کریستالی به فرایند تبلور مجدد ارسال می‌شوند. این محصولات سپس در ویفرهای نازک سیلیکونی خرد شده و برای تولید سلول‌های خورشیدی ، مدارهای مجتمع و سایر وسایل نیمه هادی استفاده می‌شوند . 

پلی‌سیلیکون از کریستالهای کوچک ، که کریستالیت نامیده می‌شوند، تشکیل می‌شود که به مواد خاصیت مرزدانه ای فلز معمول خود را می‌دهد. در حالی که پلی‌سیلیکون و مولتی‌سیلیکون اغلب به عنوان مترادف استفاده می‌شوند، معمولاً چند کریستالی به بلورهای بزرگتر از ۱ میلی متر اشاره دارد. سلول‌های خورشیدی چند کریستالی رایج‌ترین نوع سلول‌های خورشیدی در بازار گسترش فتو ولتاییک است و بیشتر پلی‌سیلیکون‌های تولید شده در سراسر جهان را مصرف می‌کند. برای تولید ۱ مگاوات ماژول‌های خورشیدی معمولی حدود ۵ تن پلی‌سیلیکون مورد نیاز است.    پلی‌سیلیکون از سیلیکون مونوکریستالی و سیلیکون آمورف متمایز است.

سیلیکون پلی‌کریستالی و مونوکریستالی 

در سیلیکون با کریستال واحد، که سیلیکون تک کریستالی نامیده می‌شود، چارچوب کریستالی یکدست است ، که می‌توان با یک رنگ آمیزی بیرونی همسان آن را تشخیص داد.  کل نمونه، یک کریستال منفرد، متوالی و ناگسستنی است زیرا ساختار آن حاوی مرزدانه نیست. تک کریستال‌های بزرگ در طبیعت کمیاب هستند و تولید آن در آزمایشگاه نیز دشوار است (به تبلور مجدد مراجعه کنید). در مقابل، در یک ساختار آمورف محدوده موقعیت‌های اتمی بازه‌ی کوچکی است. 

فازهای پلی‌کریستالی و پاراکریستالی از تعدادی کریستال کوچکتر یا کریستالیت تشکیل شده‌است. سیلیکون پلی‌کریستالی (یا سیلیکون نیمه کریستالی ، پلی‌سیلیکون ، poly-Si یا به طور ساده شده "poly") ماده‌ای است که از چندین کریستال سیلیکون کوچک تشکیل شده‌است. سلول‌های پلی‌کریستالی را می‌توان با یک دانه قابل مشاهده، یک "مرزدانه فلزی" تشخیص داد. سیلیکون پلی‌کریستالی درجه نیمه هادی (همچنین درجه خورشیدی) به سیلیکون "تک بلور" تبدیل می‌شود - بدین معنی که بلورهای تصادفی مرتبط با سیلیکون در "سیلیکون پلی‌کریستالی" به یک بلور بزرگ "منفرد" تبدیل می‌شوند. سیلیکون تک بلوری برای ساخت اکثر دستگاه‌های میکروالکترونیکی مبتنی بر Si استفاده می‌شود. سیلیکون پلی‌کریستالی می‌تواند تا ۹۹٫۹۹۹۹٪ خالص باشد.  پلی فوق العاده خالص در صنعت نیمه هادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، که در ابتدا به شکل میله‌های پلی با طول دو الی سه متر است. در صنعت میکروالکترونیک (صنعت نیمه هادی)، پلی هم در سطح مقیاس بزرگ و هم در مقیاس خرد (جزء) استفاده می‌شود. بلورهای منفرد با استفاده از فرایند چکرالسکی، سیلیکون‌های منطقه شناور و تکنیک‌های Bridgman رشد می‌کنند.

اجزای سیلیکون پلی‌کریستالی 

در سطح اجزاء، پلی‌سیلیکون مدت‌هاست که به عنوان ماده هدایت کننده دروازه در فناوری‌های پردازش MOSFET و CMOS مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای این فناوری‌ها استفاده از رآکتورهای رسوب شیمیایی فاز بخار کم فشار ( LPCVD ) در دماهای بالا به کار گرفته می‌شود و معمولاً به شدت از نوع n یا نوع p آلایش شده‌است. 

اخیراً ، پلی‌سیلیکون ذاتی و بهسازی شده در الکترونیک ناحیه بزرگ به عنوان لایه‌های فعال و یا دوپه شده در ترانزیستورهای فیلم نازک مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگرچه می‌توان آن را توسط LPCVD ، رسوب بخار شیمیایی با افزایش پلاسما ( PECVD ) یا تبلور فاز جامد سیلیکون آمورف در روش‌های خاص پردازش رسوب نشانی کرد، اما این فرایندها هنوز هم به دمای نسبتاً زیاد حداقل ۳۰۰ درجه سلسیوس نیاز دارند. این دما رسوب پلی‌سیلیکون را برای بسترهای شیشه‌ای ممکن می‌کند اما برای بسترهای پلاستیکی امکان پذیر نیست. 

رسوب سیلیکون پلی‌کریستالی بر روی بسترهای پلاستیکی با انگیزه‌ی تمایل به توانایی تولید نمایشگرهای دیجیتالی روی صفحه‌های قابل انعطاف انجام می‌شود. بنابراین ، یک تکنیک نسبتاً جدید به نام تبلور لیزری برای تبلور یک ماده سیلیکون آمورف (a-Si) پیش ساز (ماده اولیه)، روی یک بستر پلاستیکی بدون ذوب شدن یا آسیب رساندن به پلاستیک ابداع شده‌است. ارتعاشات لیزر ماوراء بنفش با شدت زیاد با حرارت بالا برای گرم کردن مواد رسوبی a-Si تا بالای نقطه ذوب سیلیکون ، بدون ذوب کل بستر استفاده می‌شود. 
سیلیکون مذاب پس از سرد شدن ، به صورت بلوری درمی‌آید. با کنترل دقیق افت دما ، محققان توانسته‌اند دانه‌های بسیار بزرگ ، تا اندازه صدها میکرومتر  در حالت حداکثری، رشد دهند، اگرچه اندازه دانه‌ها از ۱۰ نانومتر تا ۱ میکرومتر نیز متداول است. به هر حال به منظور ایجاد دستگاه‌هایی روی پلی‌سیلیکون در وسعت بزرگ، اندازه یک دانه کریستال از اندازه خاص دستگاه، که برای یکدست بودن دستگاه‌ها مورد نیاز است، کوچکتر است. روش دیگر برای تولید poly-Si در دماهای پایین تبلور ناشی از فلز است که در آن می‌توان یک فیلم نازک آمورف-سیلیکونی را در دمای پایینی به میزان ۱۵۰ درجه سلسیوس متبلور کرد اگر در حین تماس با فیلم فلزی دیگری مانند آلومینیوم ، طلا یا نقره تابکاری شود.

منابع

پیوند به بیرون 

شکل‌های سیلسیم
بلورها