Silicio policristalino y procedimiento para su producción.

Barra de silicio policristalina, caracterizada porque ella tiene una sección transversal de barra con una proporciónde superficie de 50 - 99 % de silicio puesta a disposición para la conducción de la electricidad y la barra tiene unaresistencia a la flexión de 0,1 a 80 N/mm2.

Silicio policristalino y procedimiento para su producción

El invento se refiere a un silicio policristalino para usos en semiconductores y materiales fotovoltaicos y a un procedimiento para su producción.

Un silicio policristalino (también denominado polisilicio) sirve como material de partida para la producción de un silicio monocristalino para semiconductores de acuerdo con el procedimiento de Czochralski (CZ) o de fusión por zonas (FZ) , así como para la producción de un silicio mono-o multicristalino de acuerdo con diferentes procedimientos de estiramiento y moldeo por colada para la producción de celdas solares para la industria fotovoltaico. Por regla general, él es producido mediante el procedimiento de Siemens. En el caso de este procedimiento, en un reactor con forma de campana (“reactor de Siemens”) unas delgadas barras de filamentos a base de silicio se calientan por paso continuo de la corriente eléctrica y se introduce un gas de reacción que contiene un componente con un contenido de silicio y de hidrógeno. El componente con un contenido de silicio del gas de reacción es por regla general el monosilano o un halógeno-silano con la composición general SiHnX4-n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I) . Se trata de manera preferida de un clorosilano (X = Cl) , y de manera especialmente preferida del triclorosilano (n = 1) . Predominantemente se emplea SiH4 o SiHCl3 en mezcla con hidrógeno. Las barras de filamentos se introducen perpendicularmente en unos electrodos que se encuentran junto al fondo del reactor, a través de los cuales se efectúa la conexión con el sistema de abastecimiento de corriente eléctrica. Junto a las barras de filamentos calentadas y al puente horizontal se deposita un polisilicio muy puro, con lo cual el diámetro de la barra crece en el transcurso del tiempo.

El procedimiento se controla mediante el preestablecimiento de la temperatura de las barras y el caudal o respectivamente la composición del gas de reacción. La medición de la temperatura de las barras se efectúa con pirómetros de radiación junto a las superficies de las barras verticales. La temperatura de las barras se comprueba o bien por control o regulación de la potencia eléctrica o se preestablece en dependencia del diámetro de las barras. La cantidad del gas de reacción se preestablece en dependencia del diámetro de las barras. Las condiciones de deposición se escogen en tal caso de manera tal que el crecimiento del diámetro de las barras se efectúa en forma de capas uniformes y exentas de agujeros, es decir que las barras de silicio producidas están amplísimamente libres de grietas, poros, juntas, fisuras, etc., y por consiguiente son homogéneas, estancas y sólidas. Un tal material y su elaboración se describen por ejemplo en el documento de patente de los EE.UU. US6350313B2. La densidad aparente de un polisilicio compacto de este tipo corresponde a la densidad pura del polisilicio y está situada en 2, 329 g/cm3.

Las barras de polisilicio obtenidas de esta manera deben de ser elaboradas para formar trozos y pedazos, cuando ellas no deben encontrar utilización para la producción de monocristales de acuerdo con el procedimiento FZ. Para esto, las barras son desmenuzadas con unas herramientas, tales como martillos, machacadoras o molinos y a continuación son clasificadas según su tamaño. En este caso el polisilicio es impurificado por las herramientas tanto más fuertemente cuanto menor sea el tamaño del material de fractura y cuanto más alta sea la resistencia mecánica de las barras de polisilicio.

Para la producción de silicio mono-y multicristalino se llenan unos crisoles con fragmentos de diferentes tamaños. Para el primer proceso de llenado se pretende un grado de llenado lo más alto que sea posible de los crisoles. Para esto se deben de mezclar trozos de silicio con unos tamaños y unos pesos muy diversos, es decir, trozos de barras aserradas, trozos gruesos, pedazos pequeños y material fino. El tamaño de los trozos de silicio se extiende en tal caso desde < 1 mm hasta unos trozos de 150 mm y más, la forma de los trozos no debe de desviarse demasiado grandemente de la forma esférica. Para el proceso de llenado renovado múltiple de los crisoles son apropiados solamente fragmentos de grano fino, capaces de corrimiento, es decir en lo posible con forma esférica, puesto que el material debe de ser transportado hasta los crisoles a través de tubos y grifos y ni debe de dañar al crisol ni la masa fundida debe de perturbar excesivamente. El rendimiento del proceso de estiramiento en crisoles es limitado por la cantidad de las impurezas que se enriquecen en la masa fundida de Si, las cuales a su vez se incorporan predominantemente por medio de los fragmentos de silicio de grano fino.

Puesto que el proceso de estiramiento de cristales reacciona de una manera sensible a la distribución de tamaños y a la forma del polisilicio empleado, se ha establecido una relación de anchura a longitud (B/L) de los fragmentos de silicio de 0, 7 a 1, 0, así como una esfericidad de los fragmentos de silicio de 0, 7 a 1, 0 como un patrón “de facto” para el empleo en procesos de estiramiento de cristales. Un ejemplo de los diferentes intervalos de tamaños de fractura, que son usuales en el mercado mundial para la pretendida disposición de crisoles con un grado de llenado lo más alto que sea posible de los crisoles, se encuentra p.ej. en la siguiente página de Internet de Wacker Chemie AG, en las que se aconsejan unas fracciones de tamaños de material de fractura con una longitud máxima de los fragmentos de silicio de 5 - 45 mm, 20 - 65 mm y 20 - 150 mm:

(http: //www.wacker.com/ internet/ webcache/en_US/PTM/Polysilicon /PolyChunks/Polysilicon_chunks_etched.pdf) .

La longitud L designa a la extensión máxima de una partícula, la anchura B es la dimensión perpendicular a la extensión máxima. La esfericidad es definida como el diámetro del círculo con igual superficie de proyección de una partícula dividido por el diámetro de un círculo, que rodea a la proyección de la partícula (definición según Wadell para espacios de medición bidimensionales) .

A partir del documento de solicitud de patente de los EE.UU. US 2003/0150378 A2 se conoce una denominada “Teardrop-Poly” [lágrima de poli] y un procedimiento para su producción. En el caso de este procedimiento, a partir del monosilano SiH4 mediante el procedimiento de Siemens se deposita, hasta llegar a un diámetro de la barra de silicio de 45 mm a 850ºC y con una concentración de silanos de 1, 14 % en moles, una barra de polisilicio (“tronco”) más compacta, exenta de agujeros y muy pura. A continuación, la temperatura de la superficie de la barra se aumenta bruscamente desde 850 a 988ºC y la concentración de silanos se reduce bruscamente desde 1, 14 hasta 0, 15 % en moles. Mediante este salto de parámetros, el crecimiento de los cristales de silicio sobre la barra de silicio se modifica bruscamente y crecen unas agujas, las denominadas dendritas, hacia fuera de la superficie de la barra. A continuación, la temperatura de la superficie de la barra se hace descender de un modo continuo, de manera tal que hasta el final de la deposición se prosigue el crecimiento adicional de las agujas para formar unas grandes “lágrimas” en forma de gotas. Las “lágrimas” son unas estructuras en forma de gotas que están con unidas con el tronco solamente con su extremo puntiagudo y no están entremezcladas por crecimiento. Esto hace posible en el caso de la producción de un material de fractura de silicio un ligero desgaje de las lágrimas desde el “tronco”. Este polisilicio y el procedimiento para su producción tienen una serie de desventajas: La barra de polisilicio es muy heterogénea. Ella se compone de un “tronco”, compacto exento de fisuras y fisuras y por consiguiente sólido y de las “lágrimas” separadas unas de otras por espacios huecos y no entremezcladas entre sí por crecimiento. Después de que las “lágrimas” hubieron sido separadas, el tronco debe de ser elaborado ulteriormente por separado. Esto significa un gasto adicional en forma de un proceso de dos etapas, eventualmente incluso con un almacenamiento intermedio del material. Las proporciones másicas relativas del tronco y de las lágrimas se establecen mediante el proceso de deposición. Al contrario que un material uniforme, por lo tanto, la distribución de tamaños del material desmenuzado ya no se puede escoger libremente. A causa de la falta de unión entre las lágrimas, el flujo de corriente eléctrica se efectúa... [Seguir leyendo]

1. Barra de silicio policristalina, caracterizada porque ella tiene una sección transversal de barra con una proporción de superficie d.

50. 99 % de silicio puesta a disposición para la conducción de la electricidad y la barra tiene una resistencia a la flexión de 0, 1 a 80 N/mm2.

2. Barra de silicio de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque ella tiene una resistencia a la compresión de 1 a 100 N/mm2 y una densidad aparente en el intervalo de 2, 0 a 2, 3 g/cm3 y una porosidad total de 0, 01 a 0, 2.

3. Barra de silicio de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizada porque ella contiene una capa de silicio que ha crecido según el proceso de Siemens con una estructura uniforme, conteniendo esta estructura poros, juntas rendijas, fisuras y grietas.

4. Material de fractura de polisilicio, producido a partir de una barra de silicio de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 3, con una distribución de tamaños de tamaños de fractura de 1 a 150 mm y una esfericidad de 0, 7 a 1, 0 y una relación de anchura a longitud situada en el intervalo de 0, 7 a 1, 0, caracterizado porque tiene una superficie con una suma de impurezas metálicas situada entre 1 y 12 ppbw y la superficie tiene menos que 62 ppb de nitrato y menos que 1 ppb de fluoruro.

5. Procedimiento para la producción de una barra de polisilicio de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, en el que un caudal cuantitativo de un gas de reacción que contiene una mezcla de clorosilanos y de hidrógeno se introduce en un reactor, y un polisilicio muy puro se deposita junto a una barra de filamentos de silicio calentada por paso directo de la corriente eléctrica, estando formada la barra de filamentos a base de dos barras verticales y una barra horizontal y formando la barra horizontal un puente de unión entre las barras verticales, caracterizado porque como mezcla de clorosilanos se emplea una mezcla de di- y triclorosilanos y el paso de la corriente eléctrica a través de la barra de filamentos se regula de tal manera que la barra de filamentos tiene una temperatura en el lado inferior del puente comprendida entre 1.300 y 1.413ºC y la temperatura de los gases de reacción en el reactor se mide y de esta manera se ajusta de tal manera que ella sea a lo sumo de 650ºC, y el caudal cuantitativo de la mezcla de clorosilanos se ajusta a su valor máximo en menos de 30 horas, de manera preferida en menos de 5 horas a partir del comienzo de la aportación de la mezcla de clorosilanos.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la temperatura en el lado inferior del puente se mantiene constante en 1.400ºC durante todo el período de tiempo de tratamiento de la carga.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque la cantidad de clorosilanos se aumenta en 15 horas hasta la cantidad máxima.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, 6 ó 7, caracterizado porque el caudal cuantitativo específico de clorosilanos está situado en el intervalo de 400 a 1.000, de manera preferida de 500 kg de clorosilanos por h por m2 de superficie de la barra de filamentos de silicio.