Fragmento de silicio policristalino y procedimiento para la limpieza de fragmentos de silicio policristalino.

Fragmento de silicio policristalino con una concentración de carbono en la superficie de 0,5-35 ppbw.

Fragmento de silicio policristalino y procedimiento para la limpieza de fragmentos de silicio policristalino

Objeto de la invención es un fragmento de silicio policristalino, así como un procedimiento para la limpieza de fragmentos de silicio policristalino.

El silicio policristalino sirve como material de partida en la producción de silicio monocristalino mediante estirado en crisol (procedimiento de Czochralski o CZ) o mediante fusión por zonas (Floatzone o procedimiento FZ).

Sin embargo, en particular, el silicio policristalino se requiere para la producción de silicio monocristalino o multicristalino por medio de procedimientos de estirado o colada, sirviendo este silicio monocristalino o multicristalino para la producción de células solares para la industria fotovoltaica.

A escala industrial, el silicio bruto se obtiene mediante la reducción de dióxido de silicio con carbono en el horno de arco eléctrico a temperaturas de aproximadamente 2000°C.

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

Para aplicaciones en la industria fotovoltaica y en la industria microelectrónica, el silicio metalúrgico debe ser limpiado. Para ello, éste se hace reaccionar, por ejemplo, con cloruro de hidrógeno gaseoso a 300-350°C en un reactor de lecho fluido para formar un gas con contenido en silicio, por ejemplo triclorosilano. A ello le siguen etapas de destilación con el fin de limpiar el gas con contenido en silicio.

Este gas con contenido en silicio muy puro sirve entonces como material de partida para la producción de silicio policristalino muy puro.

El silicio policristalino, denominado a menudo también brevemente polisilicio, se produce habitualmente mediante el proceso Siemens. En este caso, en un reactor en forma de campana ("reactor Siemens") se calientan delgadas varillas filamentosas a base de silicio mediante el paso directo de corriente y se introduce un gas de reacción que contiene un componente con contenido en silicio e hidrógeno.

En el proceso Siemens, las varillas filamentosas se encuentran habitualmente en posición vertical en electrodos que se hallan en el fondo del reactor, a través de los cuales tiene lugar la conexión al suministro de energía. En cada caso, dos varillas filamentosas están acopladas a través de un puente horizontal (asimismo a base de silicio) y forman un cuerpo de soporte para la separación de silicio. Mediante el acoplamiento por puente se crea la típica forma en U de los cuerpos de soporte, mencionados también varillas delgadas.

En las varillas calentadas y en el puente se separa polisilicio muy puro, con lo cual el diámetro de la varilla aumenta con el tiempo (CVD / separación en fase gaseosa).

Después de finalizada la separación, estas varillas de polisilicio se continúan elaborando habitualmente mediante tratamiento mecánico para formar fragmentos de diferentes clases de tamaños, se clasifican, eventualmente se someten a una limpieza química en húmedo y, finalmente, se empaquetan.

El componente con contenido en silicio del gas de reacción utilizado en la separación de silicio policristalino es, por norma general, monosilano o un halógeno-silano de la composición general S¡HnX4-n (n = 0, 1,2, 3; X = Cl, Br, I). En el caso del halógeno-silano puede tratarse de un clorosilano, por ejemplo triclorosilano. Predominantemente, se emplea SihU o SÍHCI3 (triclorosilano, TCS) en mezcla con hidrógeno.

Las impurezas con contenido en carbono, contenidas en el componente con contenido en silicio del gas de reacción, conducen a una ligera, pero crítica contaminación con carbono que reduce la calidad del silicio separado a partir del mismo.

Esta contaminación con carbono en la masa de silicio es habitualmente de hasta 50 ppba.

Los procesos del tratamiento mecánico hasta el empaquetado del polisilicio discurren en su mayor parte de manera totalmente automática. En este caso se producen contaminaciones de la superficie de las partículas de silicio con

diferentes metales procedentes de las herramientas de molienda y trituración, pero también con moléculas orgánicas y macromoléculas orgánicas (materiales orgánicos).

La causa de la contaminación del silicio policristalino con materiales orgánicos es el contacto, no evitable en su totalidad, del silicio con piezas componentes a base de un polímero orgánico o bien material sintético durante los procesos mecánicos.

Esta contaminación de la superficie con compuestos carbonados es un múltiplo superior que la contaminación con carbono previamente descrita durante la separación de la fase gaseosa.

Esta contaminación superficial del polisilicio con materiales orgánicos conduce en el cliente y en sus procesos, por ejemplo en la producción de células solares policristalinas, a repercusiones negativas:

En la producción de células solares policristalinas, por ejemplo en el procedimiento de colada en bloque, durante el proceso de fusión y de enfriamiento del silicio se incorpora una parte del carbono orgánico en forma de precipitados de carburo de silicio en el bloque de silicio policristalino. Estas inclusiones conducen a repercusiones negativas durante el serrado de las placas mediante una rotura frecuente del alambre en la sierra de hilo, pero también a propiedades eléctricas desventajosas del material tales como, p. ej., "derivaciones" que en última instancia se expresan en un peor grado de acción de una célula solar.

Para minimizar contaminaciones con carbono en superficies de silicio, se conocen en el estado de la técnica diferentes métodos.

En el documento US5445679A se describe un procedimiento para la limpieza de la superficie de silicio policristalino. En este procedimiento, impurezas orgánicas (hidrocarburos no halogenados y halogenados) se han de transferir mediante la puesta en contacto con una atmósfera oxidativa a especies de carbono volátiles o gaseosas y se han de separar de la superficie. Como atmósfera oxidativa, se emplea un plasma oxidativo que se genera mediante un generador de alta frecuencia usual en el comercio en gas de plasma. Como gas de plasma se utiliza, de manera correspondiente al potencial de oxidación requerido, un gas inerte (por ejemplo He, Ne, Ar, Kr, Rn o Xe) con una porción de oxígeno de < 20%, oxígeno puro, gas inerte puro, oxígeno y halógeno, gas inerte y halógeno o halógeno puro.

No obstante, la complejidad de aparatos de este procedimiento es elevada, dado que se requiere un reactor de oxidación estanco al vacío con generación de vacío y plasma. Además, este procedimiento consume mucha energía con tiempos de proceso relativamente prolongados. Además, el polisilicio purificado mediante plasmas oxidativos muestra una reactividad mayor y, con ello, una adsorción adicional, de modo que el material purificado por plasma muestra en el tratamiento ulterior (estirado de monocristales) en parte una contaminación mayor que el material no purificado por plasma.

El documento US4555303A describe un proceso para la eliminación de material con contenido en carbono de, por ejemplo, superficies de silicio. En este caso, el material a purificarse expone en un reactor a un plasma de oxígeno a alta presión (en los Ejemplos una mezcla de helio y oxígeno con en cada caso un contenido en oxígeno de 32%). Las especies de oxígeno reactivas e iónicas generadas en el plasma a alta presión - alta frecuencia conducen a una reacción de la capa con contenido en carbono y, por consiguiente, a una oxidación de estas impurezas. Los productos de reacción dióxido de carbono y, posiblemente, un residuo no oxidado (material de cenizas) pueden ser eliminados fácilmente de la superficie de silicio con una disolución acuosa de hidróxido de sodio.

No obstante, la complejidad de aparatos de este procedimiento es elevada, dado que se requiere un reactor de oxidación estanco al vacío con generación de plasma. Además, el procedimiento consume mucha energía con tiempos de proceso relativamente prolongados, La limpieza en húmedo al final del proceso conduce a una complejidad incrementada y, por consiguiente, a costes elevados debido a la provisión, tratamiento y destrucción de productos químicos. Además, el polisilicio purificado mediante plasmas oxidativos - tal como se conoce del documento US5445679A - muestra una reactividad mayor y, con ello, una adsorción adicional, de modo que el material purificado por plasma en el tratamiento ulterior (estirado de monocristales) muestra una contaminación mayor que el material no purificado por plasma.

A partir del documento US2010154357A se conoce un procedimiento en el cual se minimiza la contaminación de fragmentos de... [Seguir leyendo]

1. Fragmento de silicio policristalino con una concentración de carbono en la superficie de 0,5-35 ppbw.

2. Fragmento de silicio policristalino según la reivindicación 1, en donde la concentración de carbono en la superficie es de 0,5-20 ppbw.

3. Fragmento de silicio policristalino según la reivindicación 2, en donde la concentración de carbono en la superficie

es de 0,5-10 ppbw.

4. Procedimiento para la limpieza de fragmentos de silicio policristalino con contaminaciones de carbono en la superficie, que comprende un tratamiento térmico de los fragmentos de silicio policristalino en un reactor a una temperatura de 350 a 600°C, encontrándose los fragmentos de silicio policristalino durante el tratamiento térmico en

una atmósfera de gas inerte, presentando los fragmentos de silicio policristalino, después del tratamiento térmico, una concentración de carbono en la superficie de 0,5-35 ppbw.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el tratamiento térmico tiene lugar a un caudal de gas inerte constante entre 0-250 L/min.

6. Procedimiento según la reivindicación 4 o según la reivindicación 5, en el que el gas inerte se elige del grupo que 15 se compone de gases nobles y nitrógeno.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, en el que como gas inerte se utiliza argón.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 7, en el que el tratamiento térmico tiene lugar bajo la exclusión de oxígeno.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 8, en el que el tratamiento térmico tiene lugar durante un 20 tiempo de hasta 180 segundos.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 4 a 9, en el que después del tratamiento térmico, los fragmentos de silicio policristalino se retiran del reactor y se enfrían hasta la temperatura ambiente bajo purgado con gas inerte.