Silicio policristalino.

Silicio policristalino que ha sido depositado a partir del triclorosilano sobre una barra filamentosa constituida a base de silicio,

con unas concentraciones de sustancias dopantes de

1-10 ppta de boro,

1-20 ppta de fósforo,

1-10 ppta de arsénico,

y 0,01-1 ppta de aluminio,

así como con una duración de vida útil de los portadores de cargas eléctricas de por lo menos 2.000 y de a lo sumo 4.500 μs.

Silicio policristalino

Es objeto del invento un fragmento de silicio policristalino.

A la 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 el monosilano o un halógeno-silano tal como p.ej. el 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, que ha sido purificado, 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, siendo introducido 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 el 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 SiFU o el SÍHCI3 (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, con lo que el diámetro de la barra va creciendo con el tiempo (lo que se denomina CVD, acrónimo de Chemical Vapour Deposition = deposición química desde la fase de vapor / 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, eventualmente se someten a una limpieza química en húmedo y finalmente se empaquetan.

El polisilicio puede sin embargo ser transformado también a la forma de barras o de trozos de barras. Esto es válido en particular para la utilización del polisilicio en el caso de un procedimiento de FZ, en el que a partir de una barra policristalina se produce un monocristal.

Un silicio policristalino (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 de CZ) o mediante una fusión por zonas (procedimiento de zona de flotación o de FZ).

Este silicio monocristalino es separado en discos (obleas) y después de un gran número de tratamientos mecánicos, químicos y quimio-mecánicos es utilizado en la industria de los semiconductores para la producción de unos elementos constructivos electrónicos (conocidos por la palabra inglesa "chips")

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 unas 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 indispensables unos controles de calidad durante toda la cadena de procesos. El material se investiga en lo que se refiere a las contaminaciones con metales o con sustancias dopantes. Hay que diferenciar entre la contaminación en la masa (en inglés "bulk") y la contaminación junto a la superficie de los fragmentos o trozos de barras de polisilicio.

También es usual transformar el polisilicio producido en un material monocristalino con la finalidad de efectuar el control de la calidad. En este caso, el material monocristalino es investigado. También en este caso desempeñan un cometido especial las contaminaciones con metales, que han de ser estimadas como especialmente críticas en los procesos de los clientes en la industria de los semiconductores. Es investigado el silicio, sin embargo, también en lo que se refiere al carbono así como así como a unas sustancias dopantes tales como aluminio, boro, fósforo y arsénico.

El documento de solicitud de patente alemana DE 10 2011 077455 A1 divulga un procedimiento para la determinación de impurezas en un silicio, que comprende las etapas de depositar un silicio policristalino sobre por lo menos una barra filamentosa que es abastecida con corriente eléctrica mediante un electrodo y es calentada mediante el paso directo de la corriente eléctrica, por medio de la introducción de un gas de reacción que contiene un componente con un contenido de silicio en un reactor de CVD, estando cubierta con un recubrimiento a base de silicio una placa de fondo del reactor de CVD, sobre la cual está dispuesto el por lo menos un electrodo para el abastecimiento con corriente eléctrica de la por lo menos una barra filamentosa; producir una barra a base de un silicio monocristalino a partir de la barra de silicio policristalina que se ha depositado mediante un estiramiento por zonas; e investigar a la barra de silicio monocristalina para detectar la existencia de impurificaciones por medio de unas mediciones de la fotoluminiscencia.

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

La FTIR (normas SEMI MF 1188, SEMI MF 1391) hace posible la determinación de las concentraciones de carbono y de oxígeno.

Los fundamentos del procedimiento de FZ han sido descritos 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 por inoculación con un cristal de inoculación monocristalino y por subsiguiente recristalización. Al realizar la recristalización, el diámetro de los monocristales resultantes aumenta primeramente en forma cónica (formación de un cono) hasta que se alcance un diámetro final deseado (formación de una barra). En la fase de la formación de un cono, el monocristal debe de ser también sustentado mecánicamente, con el fin de descargar al delgado cristal de inoculación.

Además de esto, el silicio que ha sido estirado para formar el monocristal con finalidades analíticas es investigado en lo que se refiere a la duración de vida útil de sus portadores de cargas eléctricas. Pasan a emplearse en este caso diferentes técnicas de medición, p.ej. según la norma SEMI PV9.

La duración de vida útil de los portadores de cargas eléctricas desempeña un cometido decisivo en el caso del uso del silicio policristalino en el sector de los semiconductores así como también en el sector fotovoltaico, con el fin de garantizar un grado de rendimiento lo más alto que sea posible de las piezas constructivas y componentes.

El documento DE 10 2005 044 328 A1 divulga un material de silicio policristalino con una duración de vida útil de 2 a 500 ps (microsegundos). Para la producción del material de silicio policristalino pasa a emplearse el proceso de Siemens, utilizándose como silano gaseoso un triclorosilano o un monosilano que tiene por lo menos 10 y a lo sumo 1.000 ppb (partes por mil millones) de boro. El material de silicio policristalino es utilizado para la obtención de energía... [Seguir leyendo]

1. Silicio policristalino que ha sido depositado a partir del triclorosilano sobre una barra filamentosa constituida a base de silicio, con unas concentraciones de sustancias dopantes de

1-10 ppta de boro,

1-20 ppta de fósforo,

1-10 ppta de arsénico, y 0,01-1 ppta de aluminio,

así como con una duración de vida útil de los portadores de cargas eléctricas de por lo menos 2.000 y de a lo sumo 4.500 ps.

2. Silicio policristalino de acuerdo con la reivindicación 1, con una concentración de fósforo de 1-10 ppta.

3. Silicio policristalino de acuerdo con la reivindicación 1 o de acuerdo con la reivindicación 2, con una concentración de boro de 1-5 ppta.

4. Silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 3, con una concentración de arsénico de 1-5 ppta.

5. Silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 4, con una concentración en la masa de Fe, Cu, Ni, Cr, Zn y Na que en la suma es más pequeña que 1.400 pptw, de manera preferida es de 35-850 pptw y de manera especialmente preferida es de 35-550 pptw.

6. Silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 5, con una concentración en la masa de Fe de 10-100 pptw.

7. Silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 6, con una concentración en la masa de Cu de 10-250 pptw.

8. Silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 7, con una concentración en la masa de Ni de 1-20 pptw.

9. Silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 8, con una concentración en la masa de Crde 0,1-10 pptw.

10. Silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 9, con una concentración en la masa de Zn de 1-20 pptw.

11. Silicio policristalino de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 hasta 10, con una concentración en la masa de Na de 10-1.000 pptw.