Procedimiento para la producción de un silicio policristalino.

Procedimiento para la purificación de un silicio policristalino,

en el que, por introducción de unos gases dereacción que contienen un componente, que contiene silicio, e hidrógeno, se deposita silicio en unos reactores, en elque un material condensado purificado, procedente de un primer proceso de deposición en un primer reactor, seaporta a un segundo reactor, y se utiliza en un segundo proceso de deposición en ese segundo reactor,caracterizado porque el primer y el segundo reactores comprenden en cada caso un circuito de hidrógeno separadoy el hidrógeno no consumido en los procesos de deposición se purifica en cada caso y se devuelve de retorno alcorrespondiente circuito de hidrógeno.

Procedimiento para la producción de un silicio policristalino Es objeto del invento un procedimiento para la producción de un silicio policristalino.

Un silicio policristalino (denominado abreviadamente: polisilicio) sirve como material de partida en el caso de la producción de un silicio monocristalino mediante un estiramiento en crisoles (procedimiento de Czochralski o CZ) o mediante una fusión por zonas (procedimiento de zona de flotación o FZ) . Este silicio monocristalino es cortado en la forma de discos (obleas) y, después de un gran número de tratamientos mecánicos, químicos y químicomecánicos, es utilizado en la industria de los semiconductores para la producción de unos elementos constructivos electrónicos (conocidos como chips) .

En particular, sin embargo, un silicio policristalino se necesita en medida reforzada para producción de un silicio mono-o multicristalino mediante un procedimiento de estiramiento o de moldeo por colada, sirviendo este silicio mono- o multicristalino para la producción de celdas solares para la industria fotovoltaica.

El silicio policristalino, con frecuencia también denominado abreviadamente polisilicio, se produce usualmente mediante el proceso de Siemens. En este caso en un reactor en forma de campana (“reactor de Siemens”) unas delgadas barras filamentosas a base de silicio se calientan por paso directo de la corriente eléctrica a su través y se introducen un gas de reacción, que contiene un componente que contiene silicio, e hidrógeno.

Junto a esto, es también conocido someter a unas pequeñas partículas de silicio en un reactor de capa turbulenta directa a la acción de un tal gas de reacción. El silicio policristalino producido en tal caso se presenta en la forma de un granulado (denominado poli granulado) .

El componente que contiene silicio del gas de reacción es por regla general un monosilano o un halógenosilano de la composición general. SiHnX4-n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I) . Se trata de manera preferida de un clorosilano, de manera especialmente preferida de triclorosilano. Predominantemente se emplea SiH4 o SiHCl3 (triclorosilano, TCS) en mezcla con hidrógeno.

En el caso del proceso de Siemens las barras filamentosas se encajan usualmente en posición vertical en unos electrodos que se encuentran junto al fondo del reactor, a través de los cuales se efectúa la conexión con el abastecimiento de corriente eléctrica. En cada caso dos barras filamentosas están acopladas a través de un puente horizontal (asimismo a base de silicio) y forman un cuerpo de soporte para la deposición del silicio. Mediante el acoplamiento con un puente se genera la típica forma de U de los cuerpos de soporte, denominados también barras delgadas.

Junto a las barras calentadas y al puente se deposita un polisilicio muy puro, con lo que el diámetro de las barras crece en el transcurso del tiempo (por CVD = acrónimo de Chemical Vapour Deposition / deposición química desde la fase de vapor / deposición en fase gaseosa) .

Por un lado, se pretende producir un polisilicio al precio más barato que sea posible. No obstante, también los requisitos de calidad por parte de los clientes se van haciendo cada vez más altos. Así, por otro lado, se pretende mantener pequeña la proporción de átomos ajenos tales como por ejemplo los de carbono y sustancias dopantes en el silicio policristalino. La pureza de los materiales de partida, tales como clorosilano e hidrógeno, desempeña en tal caso un cometido decisivo. En tal caso, en el estado de la técnica se intenta por un lado purificar estos materiales de partida antes de la deposición y protegerlos en todos los procesos sucesivos con respecto a nuevas impurificaciones.

La preparación del TCS se efectúa usualmente mediante reacción de un silicio metalúrgico con HCl en un reactor de capa turbulenta. Se ha mostrado que mediante una destilación se puede aumentar la pureza del TCS, compárese la cita de Lee P. Hunt en “Handbook of semiconductor technology” [Manual de la tecnología de los semiconductores], coordinado en edición por O’Mara, Herring y Hunt, ISBN 0-8155-1237-6, página 4, Fig. 2) . Esto se basa en que el punto de ebullición del TCS está situado en aproximadamente 32 ºC (a la presión normal) y de esta manera se diferencia considerablemente con respecto de los puntos de ebullición de la mayor parte de las impurificaciones indeseadas y de los productos secundarios tales como por ejemplo diclorosilano.

Además, es conocido separar las sustancias resultantes en forma de un gas de salida después de la deposición, tales como tetracloruro de silicio (STC) y HCl así como del TCS que no haya reaccionado e hidrógeno, purificarlas y a continuación aportar TCS e hidrógeno conjuntamente con una nueva cantidad de TCS e hidrógeno nuevamente a la deposición, compárese la cita de Leo. C Rogers in “Handbook of Semiconductor technology” [Manual de la

tecnología de los semiconductores], coordinado en edición por O’Mara, Herring y Hunt, ISBN 0-8155-1237-6, página 56, Fig. 6.

No obstante, los procedimientos de destilación no pueden resolver todos los problemas, puesto que algunas sustancias indeseadas, tales como iso-pentano, tienen un punto de ebullición similar al del TCS. Por consiguiente, no es posible una separación suficiente de estas sustancias con respecto del TCS.

En el documento de solicitud de patente europea EP 2 033 937 A2 se describe un procedimiento que fija el isopentano con cloro, con el fin de poderlo separar mejor de esta manera mediante una destilación fraccionada de TCS.

El documento EP 2 036 858 A2 describe la transformación de impurificaciones que contienen boro y fósforo con unas pequeñas cantidades de oxígeno y de aldehídos aromáticos, con el fin de aumentar los puntos de ebullición de las sustancias que contienen boro y fósforo. A continuación, se efectúa una separación mediante una destilación fraccionada.

El documento de solicitud de patente alemana DE 1 667 742 A1 divulga un procedimiento para la purificación de TCS mediante destilación, utilizándose una temperatura de destilación que es solo insignificantemente más alta que el punto de ebullición del TCS.

También en el caso de la deposición de silicio se conocen unas medidas técnicas para evitar impurificaciones indeseadas del silicio.

En el documento de patente alemana DE 1 222 481 B el gas de salida de un primer rector de deposición se conduce a continuación directamente a un segundo reactor de deposición. La segunda deposición tiene un grado de pureza más grande. Con el fin de aumentar el rendimiento, en el caso del segundo proceso de deposición se añade adicionalmente a la mezcla un hidrógeno muy puro.

El procedimiento descrito en ese documento DE 1 222 481 B es sin embargo desventajoso, puesto que se necesitan dos instalaciones de deposición conectadas directamente una tras de otra, que deben de ser sincronizadas cronológicamente. La necesidad adicional de hidrógeno fresco (= de nueva aportación) es asimismo desventajosa.

En el documento de solicitud de patente de los EE.UU. US 2008/0056979 A1, los gases de salida procedentes de un reactor de Siemens se conducen a un reactor de capa turbulenta. Los gases de salida procedentes del reactor de capa turbulenta pueden ser tratados de nuevo. También en el caso de este procedimiento se necesita una sincronización de los dos procesos de deposición conectados posteriormente.

A partir del documento DE 1 147 567 B es conocido un procedimiento que reduce la concentración de boro en el polisilicio, de tal manera que mediante que mediante la ley de acción de masas se reprime la deposición de boro a partir de BCl3.

La reacción En virtud de la ley de acción de masas, una pequeña concentración de HCl desplaza el equilibrio hacia la derecha, lo cual conduce a que se deposite menos cantidad de boro. Una preponderancia de una u otra de las dos reacciones competitivas es influida además mediante la temperatura de deposición.

Es desventajoso el hecho de que la temperatura de ebullición constituye un decisivo parámetro de proceso al realizar la deposición.

Un modo de proceder tal como según el documento DE 1 147 567 B podría restringir la apropiada ventana del proceso y hacer inflexible al proceso global.

La misión del invento consistió en poner a disposición un procedimiento especialmente rentable para la producción de un polisilicio, que cumpla las futuras exigencias de pureza.

El problema planteado por esta misión se resuelve mediante un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1.

Es esencial para el buen resultado del invento prever unos circuitos... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la purificación de un silicio policristalino, en el que, por introducción de unos gases de reacción que contienen un componente, que contiene silicio, e hidrógeno, se deposita silicio en unos reactores, en el que un material condensado purificado, procedente de un primer proceso de deposición en un primer reactor, se aporta a un segundo reactor, y se utiliza en un segundo proceso de deposición en ese segundo reactor, caracterizado porque el primer y el segundo reactores comprenden en cada caso un circuito de hidrógeno separado y el hidrógeno no consumido en los procesos de deposición se purifica en cada caso y se devuelve de retorno al correspondiente circuito de hidrógeno.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que a partir de un gas de salida del primer reactor se extrae hidrógeno, éste se investiga en cuanto a la existencia de impurificaciones y los resultados se utilizan para la regulación de las corrientes gaseosas en el segundo reactor.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en el que se investiga el hidrógeno en cuanto a impurificaciones mediante una espectroscopia de anillo descendente en una cavidad.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, en el que en el caso de ambos reactores se 15 trata de unos reactores de Siemens y el silicio es depositado sobre unas barras filamentosas calentadas.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicaciones 1 hasta 3, en el que en el caso del segundo reactor se trata de un reactor de capa turbulenta y en este caso se deposita un silicio policristalino granular.

6. Silicio policristalino granular, caracterizado por una concentración de carbono que es más pequeña o igual que 30 ppba y por una concentración de cloro que es más grande o igual que 5 ppmw.

7. Silicio policristalino, caracterizado por un contenido de carbono menor que 1 ppba.