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

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 puede prevenir, sin embargo, la formación de aquellas grietas que se producen ya después de la terminación de la separación durante le refrigeración de las barras y no previene, sin embargo la formación de grietas ya durante el proceso de separación en las barras. Además, el tratamiento térmico adicional va unido con altos costes de energía.

El documento DE-3107260 describe un procedimiento para la producción de polisilicio de acuerdo con el procedimiento Siemens en una barra de filamentos, en el que para la prevención de la formación de grietas en las barras de polisilicio obtenidas, se calientan todavía posteriormente después de la terminación del proceso de separación. En este caso, las barras acabadas no se dejan, como es habitual, todavía durante 4 a 5 horas en el suministro de corriente calefactora y se regula la energía eléctrica en este caso lentamente, sino que a tal fin se posicionan en el reactor reflectores calefactores variables...

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