Procedimiento para controlar la resistividad en lingotes hechos de silicio de carga de alimentación compensado.

Un procedimiento para controlar la resistividad en la formación de un lingote de silicio,

que comprende las etapas de:

preparar una carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado para ser fundida con el fin de formar una fundición de silicio, comprendiendo dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado un semiconductor predominantemente de tipo p;

evaluar las concentraciones de boro y fósforo en dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado; añadir a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado, antes de la fundición, una cantidad predeterminada de un elemento o elementos del grupo que consiste en aluminio, galio, mezclas de aluminio y galio, u otros elementos del Grupo III, en la que dichas concentraciones relativas de boro y fósforo determinan dicha cantidad predeterminada; fundir dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorada y dicha cantidad predeterminada de dicho elemento para formar una solución de silicio fundida que incluye dicha cantidad predeterminada de dicho elemento;

y realizar una solidificación direccional de dicha solución de silicio fundida para formar un lingote de silicio y, en virtud de dicha adición de dicha cantidad predeterminada de dicho elemento, reducir la pérdida de rendimiento a nivel de un lingote, en virtud de la reducción del efecto de los diferentes coeficientes de segregación de boro y fósforo.

Procedimiento para controlar la resistividad en lingotes hechos de silicio de carga de alimentación compensado CAMPO

La presente descripción se refiere a procedimientos y sistemas para su uso en la fabricación de materiales semiconductores, tales como silicio. Más particularmente, la presente descripción se refiere a un procedimiento para controlar la resistividad en la formación de los lingotes de silicio de tipo p que permite el uso de carga de alimentación de silicio de baja pureza, para fabricar silicio que pueda usarse finalmente en la fabricación de celdas solares y productores similares.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA

La industria fotovoltaica (FV) está creciendo rápidamente y es responsable del aumento del consumo industrial de silicio consumido más allá de las aplicaciones más tradicionales de circuitos integrados (CI) . Actualmente, las necesidades de silicio de la industria de celdas solares están empezando a competir con las necesidades de silicio de la industria de los CI. Con las tecnologías de fabricación actuales, tanto las industrias de CI como de celdas solares requieren una carga de alimentación de silicio refinado y purificado como material de partida.

Los materiales alternativos para las celdas solares varían de silicio de cristal sencillo, de categoría electrónica (CE) a relativamente sucio, silicio de categoría metalúrgica (CM) . El silicio de CE produce celdas solares que tienen eficacias cercanas al límite teórico, pero a un precio prohibitivo. Por otra parte, el silicio CM típicamente fracasa al producir celdas solares de trabajo. Las celdas solares anteriores que usan silicio policristalino consiguieron eficacias muy bajas de aproximadamente el 6%. En este contexto, la eficiencia es una medida de la fracción de la energía incidente sobre la celda con respecto a la recogida y la convertida en corriente eléctrica. Sin embargo, puede haber otros materiales semiconductores que pueden usarse para la fabricación de celdas solares. Sin embargo, en la práctica, casi el 90% de las celdas solares comerciales están hechas de silicio cristalino.

Debido al alto coste y los complejos requisitos de procesamiento para la obtención y el uso de una carga de alimentación de silicio altamente pura y la demanda en conflicto de la industria de CI, las necesidades de silicio útiles para celdas solares no pueden cumplirse por CE, CM u otros productores de silicio usando técnicas de procesamiento conocidas. Mientras persista esta situación insatisfactoria, no pueden conseguirse celdas solares económicas para la producción de energía eléctrica a gran escala.

La resistividad es una de las propiedades más importantes del silicio (Si) usado para fabricar celdas solares. Esto se debe a que la eficacia de las celdas solares depende sensiblemente de la resistividad. Las tecnologías de las celdas solares del estado de la técnica requieren valores de resistividad que varían entre 0, 5 Ωcm y 5, 0 Ωcm, típicamente.

Además del intervalo de resistividad, el tipo de conductividad es de suma importancia al fabricar celdas solares. Conductividad debe ser de tipo p o de tipo n, es decir, los electrones u orificios son los vehículos de corriente principales. En la tecnología de celdas actual el material de silicio de tipo p se dopa típicamente con boro (B) , que presenta orificios o, se expresa de manera diferente, actúa como un aceptor en el silicio respectivo. Actualmente se usan menos o no se usan tecnologías de celdas que apliquen silicio de tipo n. Dicho material se dopa típicamente con fósforo (P) que presenta electrones. Expresado de forma diferente, el fósforo actúa como un donante.

Los materiales de silicio de carga de alimentación basados en silicio metalúrgico mejorado (UM) con mucha frecuencia contienen similares cantidades de B y P. En consecuencia, los orificios inducidos por boro y los electrones inducidos por fósforo pueden cancelarse entre sí, un efecto denominado compensación. La compensación de los vehículos de corriente principal a menudo conduce a una transición de silicio de tipo p (al comienzo del procedimiento de cristalización) a silicio de tipo n (al final de un procedimiento de cristalización) . Esto es una consecuencia de un comportamiento de segregación diferente de estos elementos de dopaje: el fósforo tiene un coeficiente de segregación más pequeño que el boro. De este modo, en el caso de los lingotes de fundición para producir Si multicristalino (mc) , el procedimiento puede finalizar con un material de tipo p sólo en la parte inferior y la mitad de dichos lingotes, mientras que la parte superior se convierte en conductora de n y tiene que descartarse.

Los materiales de carga de alimentación producidos actualmente basados en silicio UM a menudo tienen una resistividad base por debajo de la resistividad mínima de 0, 5 Ωcm que se especifica típicamente por los fabricantes de celdas solares. Existe un simple motivo para esto: Los caros procedimientos para mejorar el Si UM se preocupan principalmente de sacar los no metálicos que incluyen los átomos dopantes B y P. Con el fin de reducir costes, hay una clara tendencia de minimizar dicho procedimiento, es decir, el Si UM típicamente aún contiene altas concentraciones de átomos dopantes. Siempre y cuando el boro sea el dopante dominante se obtendrá un material

de tipo p con una resistividad relativamente baja.

La compensación de boro por fósforo - el aumento con la cristalización en curso debido a una incorporación diferente de B y P en la solidificación - da como resultado el aumento de la resistividad con la cristalización en curso. Por tanto, la resistividad típicamente muy baja al comienzo de la cristalización va en aumento con la cristalización en curso. Sin embargo, como ya se ha mencionado, existe el problema general de un aumento de resistividad demasiado alta debido a una sobrecompensación de B por P, dando como resultado una transición de la conductividad del tipo p al tipo n. La adición de boro para suprimir una transición de este tipo no es práctica, ya que incluso reduce adicionalmente la resistividad en la parte inferior y la parte media de, por ejemplo, un lingote de Si mc.

Por consiguiente, existe la necesidad de controlar el efecto de compensación del material, con el fin de aumentar la porción del material de silicio de tipo p en lingotes, aumentando de este modo el rendimiento de dicho material.

La publicación de la solicitud de patente internacional WO 2007/001184 A1 describe un procedimiento para producir lingotes de silicio direccionalmente solidificados. Se describe un procedimiento de producción de lingotes o láminas delgadas de silicio de Cyochralski direccionalmente solidificado, de zona fundida o multicristalinos. El contenido de boro en el silicio fundido se mantiene superior al contenido de fósforo para producir el material de tipo p. El contenido de fósforo se mantiene superior al contenido de boro para producir el material de tipo n.

La solicitud de patente de Estados Unidos US 2005/0207960 A1 describe un procedimiento para producir un polisilicio y una celda solar. El silicio sin procesar y un dopante de galio se cargan y se mezclan en un crisol. El silicio se calienta en una atmósfera de gas inactivo. Después, el silicio fundido se enfría y se cristaliza en silicio policristalino que incorpora el dopante de galio.

La publicación de solicitud de patente internacional WO 2004/036657 A1 describe un sustrato de polisilicio para una celda solar formada por el crecimiento de una capa policristalina de alta pureza sobre una superficie de una base obtenida dividiendo un lingote de silicio policristalino obtenido fundiendo silicio de categoría metalúrgica y realizando una solidificación unidireccional. La solidificación unidireccional se realiza sobre una fundición añadiendo boro o aluminio a silicio fundido de categoría metalúrgica.

RESUMEN

Aquí se describen técnicas para proporcionar una combinación de etapas interrelacionadas a nivel de formación del lingote para finalmente hacer económicamente viable la fabricación de celdas solares a nivel de producción en masa. La presente descripción incluye un procedimiento y un sistema para formar lingotes de silicio microcristalinos, cuyos lingotes poseen uniformemente un material semiconductor de tipo p a lo largo de básicamente toda la longitud axial del lingote. Con el procedimiento y el sistema descritos los lingotes de silicio pueden formarse directamente en un crisol de fusión de silicio. Por ejemplo,... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para controlar la resistividad en la formación de un lingote de silicio, que comprende las etapas de:

preparar una carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado para ser fundida con el fin de formar una fundición de silicio, comprendiendo dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado un semiconductor predominantemente de tipo p; evaluar las concentraciones de boro y fósforo en dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado; añadir a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado, antes de la fundición, una cantidad predeterminada de un elemento o elementos del grupo que consiste en aluminio, galio, mezclas de aluminio y galio, u otros elementos del Grupo III, en la que dichas concentraciones relativas de boro y fósforo determinan dicha cantidad predeterminada; fundir dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorada y dicha cantidad predeterminada de dicho elemento para formar una solución de silicio fundida que incluye dicha cantidad predeterminada de dicho elemento; y realizar una solidificación direccional de dicha solución de silicio fundida para formar un lingote de silicio y, en virtud de dicha adición de dicha cantidad predeterminada de dicho elemento, reducir la pérdida de rendimiento a nivel de un lingote, en virtud de la reducción del efecto de los diferentes coeficientes de segregación de boro y fósforo.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de preparación comprende adicionalmente la etapa de preparar una carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene una resistividad inicial que varía entre aproximadamente 0, 15 Ωcm y 5, 0 Ωcm.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de evaluación se obtiene adicionalmente a partir de una determinación de la resistividad axial de una muestra de referencia de silicio metalúrgico mejorado y compensado.

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de preparación comprende adicionalmente la etapa de preparar una carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene una resistividad por encima de aproximadamente 0, 5 Ωcm.

5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de preparación comprende adicionalmente la etapa de preparar una carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene una resistividad que varía entre aproximadamente 0, 15 Ωcm y 0, 5 Ωcm.

6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de adición comprende adicionalmente la etapa de añadir a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado una cantidad predeterminada de aluminio, en el que la carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene la resistividad inicial varía entre aproximadamente 0, 15 Ωcm y 0, 5 Ωcm.

7. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha adición comprende adicionalmente la etapa de añadir a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado una cantidad predeterminada de aluminio y una cantidad predeterminada de fósforo, en el que la carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene la resistividad inicial es menos de aproximadamente 0, 4 Ωcm.

8. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de adición comprende adicionalmente la etapa de añadir opcionalmente a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado una combinación de aluminio y fósforo, en el que la carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene la resistividad inicial varía entre aproximadamente 0, 15 Ωcm y 0, 5 Ωcm.

9. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha adición comprende adicionalmente la etapa de añadir a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado una cantidad predeterminada de galio.

10. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de adición comprende adicionalmente la etapa de añadir a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado una cantidad predeterminada de galio, en el que la carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene la resistividad inicial varía entre aproximadamente 0, 15 Ωcm y 0, 5 Ωcm.

11. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha adición comprende adicionalmente la etapa de añadir a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado una cantidad predeterminada de galio y

una cantidad predeterminada de fósforo, en el que la carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene la resistividad inicial es menos de aproximadamente 0, 4 Ωcm.

12. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la etapa de adición comprende adicionalmente la etapa de

añadir opcionalmente a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado una combinación de galio y fósforo, en el que la carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado que tiene la resistividad inicial varía entre aproximadamente 0, 15 Ωcm y 0, 5 Ωcm.

13. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha adición comprende adicionalmente la etapa de añadir a dicha carga de alimentación de silicio metalúrgico mejorado y compensado una mezcla de una cantidad predeterminada de aluminio y una cantidad predeterminada de galio.

14. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de realización comprende adicionalmente la etapa de producir un lingote de silicio que comprende una distribución de dopaje de tipo p básicamente uniforme en la 15 totalidad de dicho lingote de silicio.

15. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de realización comprende adicionalmente la etapa de producir un lingote de silicio que comprende un material de tipo p básicamente al 100% teniendo aproximadamente el 95% de dicho lingote de silicio una resistividad que varía entre 0, 53 Ωcm y 0, 76 Ωcm.

16. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de realización comprende adicionalmente la etapa de producir un lingote de silicio que comprende un material de tipo p básicamente al 100% teniendo aproximadamente el 95% de dicho lingote de silicio una resistividad que varía entre 0, 43 Ωcm y 0, 98 Ωcm.

17. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de reducción de la pérdida de rendimiento comprende adicionalmente reducir la pérdida de rendimiento a nivel de un lingote a aproximadamente el 5%.