Fragmento de silicio policristalino pobre en sustancias dopantes.

Fragmento de silicio policristalino con una concentración de 1-50 ppta de boro y 1-50 ppta de fósforo junto a la superficie.

Fragmento de silicio policristalino pobre en sustancias dopantes

Es objeto del invento un fragmento de silicio policristalino pobre en sustancias dopantes.

A escala industrial el silicio en bruto se obtiene mediante la reducción del dióxido de silicio con carbono en un horno de arco eléctrico a unas temperaturas de aproximadamente 2.000 °C.

En este caso se obtiene el denominado silicio metalúrgico (Simg, en inglés "metallurgical grade" [de calidad metalúrgica]) con una pureza de aproximadamente 98-99 %.

Para usos en las industrias fotovoltaica y microelectrónica el silicio metalúrgico debe de ser purificado. Para esto, él es convertido químicamente con cloruro de hidrógeno gaseoso a 300-350 °C, dentro de un reactor de capa turbulenta, en un compuesto gaseoso que contiene silicio, por ejemplo triclorosilano. A continuación de esto siguen unas etapas de destilación, con el fin de purificar el compuesto gaseoso que contiene silicio.

Este compuesto gaseoso que contiene silicio, muy puro, sirve entonces como sustancia de partida para la producción de un silicio policristalino muy puro.

El silicio policristalino, con frecuencia denominado abreviadamente también polisilicio, es producido usualmente mediante el proceso de Siemens. En este caso, en un reactor en forma de campana ("reactor de Siemens") unas delgadas barras filamentosas constituidas a base de silicio son calentadas mediante el paso directo de la corriente eléctrica y se introduce un gas de reacción que contiene un componente con un contenido de silicio e hidrógeno.

El componente con un contenido de silicio del gas de reacción es por regla general un monosilano o un halógeno- silano con la composición general SiHnX4-n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I). De manera preferida se trata de un clorosilano y de manera especialmente preferida del triclorosilano. Predominantemente el SiH4 o el SiHCI3 (triclorosilano, TCS) se emplean en una 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 situados junto al fondo del reactor, a través de los cuales se efectúa la conexión al sistema de abastecimiento de corriente eléctrica. En cada caso dos barras filamentosas están acopladas a través de un puente horizontal (asimismo constituido a base de silicio) y forman un cuerpo de soporte para la deposición de silicio. Mediante el acoplamiento con el puente se genera la típica forma de U de los cuerpos de soporte, que se denominan también barras delgadas.

Junto a las barras calentadas y junto al puente se deposita un polisilicio muy puro, con lo que el diámetro de la barra va creciendo con el tiempo (lo que se denomina CVD / deposición desde la fase gaseosa).

Después de haberse terminado la deposición, estas barras de polisilicio se transforman de modo usual mediante un tratamiento mecánico en unos fragmentos de diferentes clases de tamaños, se clasifican, eventualmente se someten a una limpieza química en húmedo y finalmente se empaquetan.

Un silicio policristalino sirve como material de partida en el caso de la producción de un silicio monocristalino mediante un estiramiento en crisoles (procedimiento de Czochralski o de CZ) o mediante una fusión por zonas (procedimiento de zona de flotación o de FZ).

En particular, sin embargo un silicio policristalino es necesario para la 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 destinadas a la industria fotovoltaica.

Puesto que las exigencias de calidad establecidas para un polisilicio se están haciendo cada vez más altas, son necesarias unas constantes mejoras de los procesos en lo que se refiere a las contaminaciones con metales o con sustancias dopantes. Flay que diferenciar la contaminación en la masa (en inglés "bulk") y la contaminación junto a la superficie de los fragmentos o trozos de barras de polisilicio.

El documento de solicitud de patente de los EE.UU. US2003/0159647 A1 divulga unos fragmentos de silicio policristalinos con unas impurificaciones presentes en una cantidad menor o igual que 0,06 ppba (partes por mil millones en átomos) de boro y menor o igual que 0,02 ppba de fósforo en la masa. Acerca de la contaminación junto a la superficie con sustancias dopantes, ese documento US2003/0159647 A1 no da ninguna información.

El documento de solicitud de patente europea EP1544167 A1 divulga un granulado de silicio pollcrlstallno, teniendo las partículas un tamaño de partículas que está comprendido entre 100 pm y 3.000 pm, un contenido de sustancias dopantes referidas al fósforo más pequeño que 300 ppta (partes por trillón en átomos), un contenido de sustancias dopantes referidas al boro más pequeño que 300 ppta y un contenido total referido a los metales Fe, Cr, NI, Cu, Ti, Zn, y Na de menos que 50 ppbw (partes por billón en peso). Acerca de la contaminación junto a la superficie del granulado con sustancias dopantes, ese documento EP1544167 A1 no da ninguna información.

En las dos publicaciones mencionadas se citan solamente unas concentraciones de sustancias dopantes en la masa (en el documento US2003/0159647 A1) o unas concentraciones globales (en la masa y junto a la superficie, en el documento EP1544167 A1).

Es conocido que las etapas del proceso para la producción de un polisilicio, tales como el desmenuzamiento de las barras, tienen una cierta influencia sobre las impurificaciones superficiales con metales y sustancias dopantes.

El documento de solicitud de patente alemana DE 41 37 521 A1 describe un procedimiento para el análisis de la concentración de impurificaciones en unas partículas de silicio, que está caracterizado porque un silicio en forma de partículas se suministra a un recipiente hecho de silicio, el silicio en forma de partículas y el recipiente hecho de silicio se tratan para formar un silicio monocristalino en una zona de flotación y se determina la concentración de las impurificaciones que están presentes en el silicio monocristalino. Las concentraciones de boro, fósforo, aluminio y carbono en el recipiente hecho de silicio que se había utilizado se determinaron y proporcionan un valor de base reproducible.

Los valores de las concentraciones de boro, fósforo y carbono que se determinaron mediante el procedimiento de zona de flotación por medio de una FTIR (acrónimo de Fourier-Transform IR-Spektroskopie = espectroscopia de infrarrojos con transformada de Fourier) fueron corregidos en la proporción que procedía del recipiente hecho de silicio.

En esta solicitud se muestra también que la fragmentación de una barra de silicio policristalina conduce a una contaminación del silicio. Esto es hecho posible por el recurso de que unos fragmentos de silicio se añaden al recipiente hecho de silicio, se someten al procedimiento de zona de flotación y a continuación se investigan en lo que se refiere a impurificaciones. Puesto que es conocida la contaminación del material de base antes de la fragmentación, se puede sacar una conclusión acerca de la contaminación adicional que se genera mediante la fragmentación.

El documento DE 43 30 598 A1 divulga asimismo un procedimiento que hace posible sacar unas conclusiones acerca de la impurificación del silicio como consecuencia de los procesos de desmenuzamiento. Un bloque de silicio fue desmenuzado en pedazos. El pedazo de silicio fue sometido a continuación a un procedimiento de fusión por zonas y fue transformado en un monocristal. Desde el monocristal se separó por aserrado una oblea y se investigó mediante la fotoluminiscencia en lo que se refiere a la presencia de boro y fósforo. En comparación con el contenido promedio de boro y fósforo del bloque de silicio utilizado, se pone de manifiesto una elevación de la concentración de boro y fósforo, que entre otras cosas ha de ser atribuida al proceso de desmenuzamiento.

Las sustancias dopantes se analizan de acuerdo con la norma SEMI MF 1398 en un monocristal de FZ producido a partir del material policristalino (SEMI MF 1723). Alternativamente pasa a emplearse una FTIR a baja temperatura (SEMI MF 1630).

Los fundamentos del procedimiento de FZ se han descrito por ejemplo en el documento DE-3007377 A.

En el caso del procedimiento de FZ, una barra de reserva policristalina se funde gradualmente con ayuda de una bobina de alta frecuencia y el material líquido fundido se transforma en un monocristal inoculando con un cristal de inoculación monocristalino y subsiguientemente recristalizando. Al realizar la recristalización, el diámetro de los monocristales resultantes aumenta primeramente... [Seguir leyendo]

1. Fragmento de silicio policristalino con una concentración de 1-50 ppta de boro y 1-50 ppta de fósforo junto a la superficie

2. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo con la reivindicación 1, con una concentración de boro junto a la 5 superficie de 1-30 ppta.

3. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo con la reivindicación 1 o de acuerdo con la reivindicación 2, con una concentración de fósforo junto a la superficie de 1-25 ppta.

4. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, con una concentración de arsénico de 0,01-10 ppta junto a la superficie.

5. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 4, con una concentración de

aluminio de 0,01-10 ppta junto a la superficie.

6. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 5, siendo de 10-200 pptw una concentración de ciertos metales junto a la superficie.

7. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 6, siendo junto a la 15 superficie la concentración de Fe de 1-40 pptw, la de Cr de 0,1-5 pptw, la de Cu de 0,1-5 pptw, la de Na de

1-30 pptw, la de NI de 0,1-5 pptw, la de Ca de 0,1-10 pptw, la de Ti de 0,1-10 pptw, la de W de 0,1-10 pptw y la de Zn de 0,1-10 pptw.

8. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo la reivindicación 7, siendo la concentración de Fe junto a la superficie de 1-20 pptw.

9. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 8, presentándose las

sustancias dopantes en la masa en las siguientes concentraciones: la de fósforo de 1-20 ppta, la de boro de 1-10 ppta y la de arsénico de 1-10 ppta.

10. Fragmento de silicio policristalino de acuerdo la reivindicación 9, presentándose las sustancias dopantes en la masa en las siguientes concentraciones: la de fósforo de 1-10 ppta, la de boro de 1-5 ppta y la de arsénico de 25 1-5 ppta.