BARRA DE SILICIO POLICRISTALINO PARA TRACCIÓN POR ZONAS Y UN PROCEDIMIENTO PARA SU PRODUCCIÓN.

Barra de polisilicio que se puede obtener a través de separación de silicio de alta pureza a partir de un gas de reacción que contiene silicio

, que se ha descompuesto térmicamente o se ha reducido a través de hidrógeno, en una barra de filamentos, caracterizada porque la barra de polisilicio posee en la sección transversal radial de la barra al menos 4 zonas distintas con diferentes microestructuras, de manera que a) en la zona más interior A, del centro de la barra policristalina, se encuentra la barra fina policristalina, b) alrededor de esta barra fina se encuentra una zona B del silicio policristalino separado, en la que la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 1%, de manera que los cristales de agujas no son más largos de 5 mm y no son más anchos de 1 mm, c) en la zona exterior D de la barra de silicio policristalino, la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 7%, de manera que la longitud de los cristales de agujas es inferior a 15 mm y la anchura de los cristales de agujas es inferior a 2 mm y en esta zona exterior de la barra de Si policristalina, la longitud de los microcristales de la matriz no excede de 0,2 mm, y d) entre las zonas B y D está presente una zona mixta C, en la que la textura de los cristales pasa de forma continua desde la textura en la zona B a la textura en la zona D

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08155774.

Solicitante: WACKER CHEMIE AG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: HANNS-SEIDEL-PLATZ 4 81737 MÜNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: KRAUS, HEINZ, SOFIN,MIKHAIL,DR, FREIHEIT,HANS-CHRISTOF,DR.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 7 de Mayo de 2008.

Fecha Concesión Europea: 13 de Octubre de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Silicio; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00 tienen... > C01B33/035 (por descomposición o reducción de compuestos de silicio gaseosos o vaporizados en presencia de filamentos calientes de silicio, de carbono o de un metal refractario, p. ej. tántalo o tungsteno, o en presencia de varillas de silicio calientes sobre las cuales el silicio formado se deposita con obtención de una varilla de silicio, p. ej. proceso Siemens)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > Revestimiento químico por descomposición de compuestos... > C23C16/24 (Deposición solamente de silicio)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CRECIMIENTO DE CRISTALES > CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión,... > Monocristales o materiales policristalinos homogéneos... > C30B29/06 (Silicio)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CRECIMIENTO DE CRISTALES > CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión,... > C30B13/00 (Crecimiento de monocristales por fusión de zona; Afinado por fusión de zona (C30B 17/00 tiene prioridad; por cambio de la sección transversal del sólido tratado C30B 15/00; bajo un fluido protector C30B 27/00; crecimiento de materiales policristalinos homogéneos de estructura determinada C30B 28/00; afinado por fusión de zona de materiales específicos, ver las subclases apropiadas para estos materiales))

Clasificación PCT:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Silicio; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00 tienen... > C01B33/035 (por descomposición o reducción de compuestos de silicio gaseosos o vaporizados en presencia de filamentos calientes de silicio, de carbono o de un metal refractario, p. ej. tántalo o tungsteno, o en presencia de varillas de silicio calientes sobre las cuales el silicio formado se deposita con obtención de una varilla de silicio, p. ej. proceso Siemens)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > REVESTIMIENTO DE MATERIALES METALICOS; REVESTIMIENTO... > Revestimiento químico por descomposición de compuestos... > C23C16/24 (Deposición solamente de silicio)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CRECIMIENTO DE CRISTALES > CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión,... > Monocristales o materiales policristalinos homogéneos... > C30B29/06 (Silicio)

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania, Letonia, Ex República Yugoslava de Macedonia, Albania.

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Fragmento de la descripción:

Barra de silicio policristalino para tracción por zonas y un procedimiento para su producción.

La invención se refiere a una barra de silicio policristalino para la utilización posterior en la fabricación de una barra monocristalina por medio de un procedimiento de zonas flotantes (procedimiento FZ) ya un procedimiento para su producción.

El silicio policristalino de alta pureza (polisilicio) sirve como material de partida para la producción de silicio monocristalino para semiconductores de acuerdo con el procedimiento de Czochralski (CZ) o el procedimiento de fundición por zonas (FZ = zona flotante) así como para la producción de células solares para la fotovoltaica.

Las barras de silicio policristalino se fabrican, en general, de acuerdo con el proceso Siemens. En este caso, se desintegra térmicamente un gas de reacción que contiene silicio o se reduce a través de hidrógeno y se separa como silicio de alta pureza en barras de filamentos finas de silicio, las llamadas barras finas o almas. Como componente que contiene silicio del gas de reacción se utilizan de forma predominante silanos de halógeno, como por ejemplo triclorosilano.

El procedimiento se realiza en un reactor de separación bajo exclusión de oxígeno. En general, se conectan allí dos barras finas adyacentes por sus extremos libres por medio de un puente para formar un cuerpo de soporte en forma de U. Los cuerpos de soporte en forma de U se calientan a través de paso directo de corriente a la temperatura de separación y se alimenta el gas de reacción (una mezcla de hidrógeno y un componente que contiene silicio).

Para la producción de las barras de Si policristalino, que son adecuadas para la producción de barras de Si monocristalino por medio de procedimientos FZ, se emplean barras finas (barras de filamentos) (habitualmente de orientación discrecional del cristal). Estas barras son estiradas en una etapa separada de forma monocristalina a partir de barras previas policristalinas. Las barras finas monocristalinas tienen la mayoría de las veces una sección transversal redonda (diámetro 5-10 mm) o cuadrada (longitud de los cantos 5-10 mm). Durante la separación de silicio se descomponen los compuestos de silicio que contienen halógeno y se depositan en la superficie de las barras finas calientes como silicio. En este caso, crece el diámetro de las barras.

Después de alcanzar un diámetro deseado, se termina la separación y las dos parejas de barras resultantes en este caso se refrigeran a temperatura ambiente. El cuerpo moldeado está configurado habitualmente en forma de U, con dos barras policristalinas como brazos y un puede, que conecta los brazos, de Si policristalino. Los brazos están interestratificados en sus extremos con los electrodos para la alimentación de corriente y se separan de éstos después de la terminación de la reacción.

Puesto que las patas y los puentes de los cuerpos en forma de U no se pueden utilizar para la tracción de FZ, el rendimiento en barras policristalinas acabadas está claramente por debajo de 100%. La longitud máxima de la barra de Si policristalino separada está limitada por la longitud de la barra fina empleada. La longitud de la barra de Si policristalino acabada con relación a la longitud de la barra fina empleada se designa como rendimiento de longitud o simplemente como rendimiento. Habitualmente, la longitud de la barra policristalina acabada no es mayor del 85% de la longitud de la barra fina empleada.

En la producción de barras de Si policristalino con diámetro grueso se observa con frecuencia que las barras presentan grietas o se fracturan durante la extracción desde el reactor o durante el procesamiento mecánico en barras acabadas. Las grietas o roturas se producen en barras debido a tensiones térmicas, que son provocadas por las diferentes de temperatura entre el interior de la barra y la superficie de la barra. Las diferencias de temperatura y, por lo tanto, también las tensiones son tanto mayores cuando mayor es el diámetro de la barra. Especialmente críticas son las tensiones térmicas cuando el diámetro de la barra es mayor que 120 mm.

Las barras afectadas con grietas o con tensiones térmicas altas no son útiles para el procesamiento mecánico en barras policristalinas acabadas así como para la fabricación siguiente de las barras monocristalinas por medio de procedimientos FZ. La mayoría de las veces, las barras agrietadas o sometidas a tensiones se rompen ya durante el procesamiento mecánico. Cuando las barras superan este tratamiento, pueden conducir a consecuencias graves en la tracción por zonas. Puesto que en este procedimiento las barras se calientan hasta la temperatura de fusión, las barras agrietadas o sometidas a tensiones térmicas estallan debido a tensiones térmicas adicionales. Esto conduce a pérdidas de material y de tiempo a través de la interrupción del proceso de tracción. Además, el dispositivo de tracción se puede dañar también a través de los trozos de barra estallados. Por lo tanto, las barras de silicio policristalino agrietadas o sometidas a tensiones térmicas deben separarse antes de la tracción o deben acortarse en el punto defectuoso. Las grietas en las barras de Si policristalino se pueden detectar visualmente o por medio de un procedimiento conocido, como por ejemplo ensayo de sonido con martillo o por técnica de ultrasonido. Este desecho de material reduce de nuevo el rendimiento. Los procedimientos realizados de acuerdo con el estado de la técnica posibilitan un rendimiento medio de barras de Si policristalino acabadas libres de grietas para el procedimiento FZ con respecto a la longitud de las barras finas utilizadas no mayor del 50%, cuando el diámetro de las barras es mayor de 120 mm.

El rendimiento libre de defectos del silicio monocristalino estirado según FZ depende de la microestructura de la barra de silicio policristalino empleada. En la producción de las barras de silicio policristalino en reactores Siemens se separa silicio en las barras finas monocristalinas en primer lugar en forma monocristalina. Después de algún tiempo, de acuerdo con las condiciones de separación, el régimen cambia a la forma policristalina. En este caso, se separa silicio tanto en forma de matriz cristalina fina como también inclusiones (cristales de agujas) de grano grueso, la mayoría de las veces en forma de aguja, monocristalinas (pero con frecuencia también como macla de dos o tres cristales), que están incrustadas en la matriz cristalina fina. Los cristales de agujas están alineados de forma predominante radialmente, de manera que su eje longitudinal puede mostrar las orientaciones <111>, <100> o <110>. La microestructura inhomogénea conduce a que las cristalitas individuales, de acuerdo con su tamaño, no se fundan al mismo tiempo durante el tránsito de la zona de fundición flotante. Las cristalinas no fundidas debido a su tamaño pueden resbalar como partículas sólidas a través de la zona de fundición hacia la barra monocristalina e incorporarse como partículas no fundidas en el frente de solidificación del cristal final. En este lugar se provoca entonces la formación de un defecto.

El documento US-5.976.481 describe un procedimiento para la producción de barras de polisilicio a través de separación de silicio puro en la fase de gas de triclorosilano e hidrógeno en un material de núcleo de silicio caliente (barra de filamentos), que se somete, para la prevención de la formación de grietas y la reducción de tensiones en el producto, a un tratamiento térmico posterior de las barras de Si policristalino en el reactor bajo exclusión de aire. El procedimiento solamente...

 


Reivindicaciones:

1. Barra de polisilicio que se puede obtener a través de separación de silicio de alta pureza a partir de un gas de reacción que contiene silicio, que se ha descompuesto térmicamente o se ha reducido a través de hidrógeno, en una barra de filamentos, caracterizada porque la barra de polisilicio posee en la sección transversal radial de la barra al menos 4 zonas distintas con diferentes microestructuras, de manera que

a) en la zona más interior A, del centro de la barra policristalina, se encuentra la barra fina policristalina,

b) alrededor de esta barra fina se encuentra una zona B del silicio policristalino separado, en la que la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 1%, de manera que los cristales de agujas no son más largos de 5 mm y no son más anchos de 1 mm,

c) en la zona exterior D de la barra de silicio policristalino, la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 7%, de manera que la longitud de los cristales de agujas es inferior a 15 mm y la anchura de los cristales de agujas es inferior a 2 mm y en esta zona exterior de la barra de Si policristalina, la longitud de los microcristales de la matriz no excede de 0,2 mm, y

d) entre las zonas B y D está presente una zona mixta C, en la que la textura de los cristales pasa de forma continua desde la textura en la zona B a la textura en la zona D.

2. Barra de polisilicio para aplicaciones FZ, que se puede obtener a través de separación de silicio de alta pureza a partir de un gas de reacción que contiene silicio, que ha sido descompuesto térmicamente o ha sido reducido a través de hidrógeno, caracterizada porque la barra de filamentos está constituida por silicio policristalino.

3. Barra de polisilicio de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque el diámetro de la barra obtenida es mayor de 120 mm.

4. Barra de polisilicio de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la barra de filamentos posee una sección transversal cuadrada con una longitud de los cantos de 5 a 10 mm.

5. Barra de polisilicio de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la microestructura de la barra de filamentos corresponde a la microestructura de las zonas B o D.

6. Barra de polisilicio de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el diámetro de la zona B dispuesta alrededor del filamento es al menos tan grande como la zona de fusión en el procedimiento FZ utilizado posteriormente.

7. Barra de polisilicio de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque el diámetro de la zona B dispuesta alrededor de la barra de filamento es mayor de 30 mm.

8. Barra de polisilicio de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la zona exterior D comienza lo más tarde en un diámetro de 120 mm de la barra.

9. Barra de polisilicio de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la zona mixta C resultante está constituida por una textura de cristal, que pasa de forma continua desde la textura en la zona B a la textura en la zona D.

10. Barra de polisilicio de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la sección transversal de la barra no contiene anillos de separación.

11. Procedimiento para la producción de una barra de silicio policristalino de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 10, que contiene las etapas:

a) empleo de un cuerpo de soporte en forma de una barra de filamentos de silicio,

b) ajuste de la temperatura de la barra a 950-1090ºC al comienzo de la separación,

c) separación de silicio a partir de gas que contiene Si diluido con hidrógeno con una porción molar de compuestos de clorosilano de máximo 30%, en la que el flujo de gas se selecciona para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h,

d) mantenimiento de estas condiciones hasta que la barra alcanza el diámetro de al menos 30 mm, de manera que se forma la zona interior,

e) lo más tarde después de alcanzar un diámetro de la barra de 120 mm, cambio de la temperatura de la barra a 930-1030ºC y reducción de la cantidad de hidrógeno inyectada, para que la porción molar de los clorosilanos en el gas de alimentación se eleve al menos al 35%, pero como máximo al 60%, y se selecciona el flujo de gas en este caso para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h, de manera que se forma la zona exterior,

f) cambio continuo de las condiciones del proceso en la producción de la zona interior a las condiciones del proceso en la zona exterior, de manera que el flujo de gas se selecciona en este caso para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h, y

g) ninguna modificación brusca de las condiciones de crecimiento durante todo el tiempo de separación.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la barra de filamentos empleada está constituida de silicio policristalino.

13. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 11 a 12, caracterizado porque el rendimiento medio es superior al 70% con respecto a la longitud de la barra de filamentos empleada.