ES2351777T3 - Barra de silicio policristalino para tracción por zonas y un procedimiento para su producción. - Google Patents
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Abstract
Barra de polisilicio que se puede obtener a través de separación de silicio de alta pureza a partir de un gas de reacción que contiene silicio, que se ha descompuesto térmicamente o se ha reducido a través de hidrógeno, en una barra de filamentos, caracterizada porque la barra de polisilicio posee en la sección transversal radial de la barra al menos 4 zonas distintas con diferentes microestructuras, de manera que a) en la zona más interior A, del centro de la barra policristalina, se encuentra la barra fina policristalina, b) alrededor de esta barra fina se encuentra una zona B del silicio policristalino separado, en la que la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 1%, de manera que los cristales de agujas no son más largos de 5 mm y no son más anchos de 1 mm, c) en la zona exterior D de la barra de silicio policristalino, la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 7%, de manera que la longitud de los cristales de agujas es inferior a 15 mm y la anchura de los cristales de agujas es inferior a 2 mm y en esta zona exterior de la barra de Si policristalina, la longitud de los microcristales de la matriz no excede de 0,2 mm, y d) entre las zonas B y D está presente una zona mixta C, en la que la textura de los cristales pasa de forma continua desde la textura en la zona B a la textura en la zona D.
Description
Barra de silicio policristalino para tracción
por zonas y un procedimiento para su producción.
La invención se refiere a una barra de silicio
policristalino para la utilización posterior en la fabricación de
una barra monocristalina por medio de un procedimiento de zonas
flotantes (procedimiento FZ) ya un procedimiento para su
producción.
El silicio policristalino de alta pureza
(polisilicio) sirve como material de partida para la producción de
silicio monocristalino para semiconductores de acuerdo con el
procedimiento de Czochralski (CZ) o el procedimiento de fundición
por zonas (FZ = zona flotante) así como para la producción de
células solares para la fotovoltaica.
Las barras de silicio policristalino se
fabrican, en general, de acuerdo con el proceso Siemens. En este
caso, se desintegra térmicamente un gas de reacción que contiene
silicio o se reduce a través de hidrógeno y se separa como silicio
de alta pureza en barras de filamentos finas de silicio, las
llamadas barras finas o almas. Como componente que contiene silicio
del gas de reacción se utilizan de forma predominante silanos de
halógeno, como por ejemplo triclorosilano.
El procedimiento se realiza en un reactor de
separación bajo exclusión de oxígeno. En general, se conectan allí
dos barras finas adyacentes por sus extremos libres por medio de un
puente para formar un cuerpo de soporte en forma de U. Los cuerpos
de soporte en forma de U se calientan a través de paso directo de
corriente a la temperatura de separación y se alimenta el gas de
reacción (una mezcla de hidrógeno y un componente que contiene
silicio).
Para la producción de las barras de Si
policristalino, que son adecuadas para la producción de barras de Si
monocristalino por medio de procedimientos FZ, se emplean barras
finas (barras de filamentos) (habitualmente de orientación
discrecional del cristal). Estas barras son estiradas en una etapa
separada de forma monocristalina a partir de barras previas
policristalinas. Las barras finas monocristalinas tienen la mayoría
de las veces una sección transversal redonda (diámetro
5-10 mm) o cuadrada (longitud de los cantos
5-10 mm). Durante la separación de silicio se
descomponen los compuestos de silicio que contienen halógeno y se
depositan en la superficie de las barras finas calientes como
silicio. En este caso, crece el diámetro de las barras.
Después de alcanzar un diámetro deseado, se
termina la separación y las dos parejas de barras resultantes en
este caso se refrigeran a temperatura ambiente. El cuerpo moldeado
está configurado habitualmente en forma de U, con dos barras
policristalinas como brazos y un puede, que conecta los brazos, de
Si policristalino. Los brazos están interestratificados en sus
extremos con los electrodos para la alimentación de corriente y se
separan de éstos después de la terminación de la reacción.
Puesto que las patas y los puentes de los
cuerpos en forma de U no se pueden utilizar para la tracción de FZ,
el rendimiento en barras policristalinas acabadas está claramente
por debajo de 100%. La longitud máxima de la barra de Si
policristalino separada está limitada por la longitud de la barra
fina empleada. La longitud de la barra de Si policristalino acabada
con relación a la longitud de la barra fina empleada se designa como
rendimiento de longitud o simplemente como rendimiento.
Habitualmente, la longitud de la barra policristalina acabada no es
mayor del 85% de la longitud de la barra fina empleada.
En la producción de barras de Si policristalino
con diámetro grueso se observa con frecuencia que las barras
presentan grietas o se fracturan durante la extracción desde el
reactor o durante el procesamiento mecánico en barras acabadas. Las
grietas o roturas se producen en barras debido a tensiones térmicas,
que son provocadas por las diferentes de temperatura entre el
interior de la barra y la superficie de la barra. Las diferencias de
temperatura y, por lo tanto, también las tensiones son tanto mayores
cuando mayor es el diámetro de la barra. Especialmente críticas son
las tensiones térmicas cuando el diámetro de la barra es mayor que
120 mm.
Las barras afectadas con grietas o con tensiones
térmicas altas no son útiles para el procesamiento mecánico en
barras policristalinas acabadas así como para la fabricación
siguiente de las barras monocristalinas por medio de procedimientos
FZ. La mayoría de las veces, las barras agrietadas o sometidas a
tensiones se rompen ya durante el procesamiento mecánico. Cuando las
barras superan este tratamiento, pueden conducir a consecuencias
graves en la tracción por zonas. Puesto que en este procedimiento
las barras se calientan hasta la temperatura de fusión, las barras
agrietadas o sometidas a tensiones térmicas estallan debido a
tensiones térmicas adicionales. Esto conduce a pérdidas de material
y de tiempo a través de la interrupción del proceso de tracción.
Además, el dispositivo de tracción se puede dañar también a través
de los trozos de barra estallados. Por lo tanto, las barras de
silicio policristalino agrietadas o sometidas a tensiones térmicas
deben separarse antes de la tracción o deben acortarse en el punto
defectuoso. Las grietas en las barras de Si policristalino se pueden
detectar visualmente o por medio de un procedimiento conocido, como
por ejemplo ensayo de sonido con martillo o por técnica de
ultrasonido. Este desecho de material reduce de nuevo el
rendimiento. Los procedimientos realizados de acuerdo con el estado
de la técnica posibilitan un rendimiento medio de barras de Si
policristalino acabadas libres de grietas para el procedimiento FZ
con respecto a la longitud de las barras finas utilizadas no mayor
del 50%, cuando el diámetro de las barras es mayor de 120 mm.
El rendimiento libre de defectos del silicio
monocristalino estirado según FZ depende de la microestructura de la
barra de silicio policristalino empleada. En la producción de las
barras de silicio policristalino en reactores Siemens se separa
silicio en las barras finas monocristalinas en primer lugar en forma
monocristalina. Después de algún tiempo, de acuerdo con las
condiciones de separación, el régimen cambia a la forma
policristalina. En este caso, se separa silicio tanto en forma de
matriz cristalina fina como también inclusiones (cristales de
agujas) de grano grueso, la mayoría de las veces en forma de aguja,
monocristalinas (pero con frecuencia también como macla de dos o
tres cristales), que están incrustadas en la matriz cristalina fina.
Los cristales de agujas están alineados de forma predominante
radialmente, de manera que su eje longitudinal puede mostrar las
orientaciones <111>, <100> o <110>. La
microestructura inhomogénea conduce a que las cristalitas
individuales, de acuerdo con su tamaño, no se fundan al mismo tiempo
durante el tránsito de la zona de fundición flotante. Las
cristalinas no fundidas debido a su tamaño pueden resbalar como
partículas sólidas a través de la zona de fundición hacia la barra
monocristalina e incorporarse como partículas no fundidas en el
frente de solidificación del cristal final. En este lugar se provoca
entonces la formación de un defecto.
El documento US-5.976.481
describe un procedimiento para la producción de barras de
polisilicio a través de separación de silicio puro en la fase de gas
de triclorosilano e hidrógeno en un material de núcleo de silicio
caliente (barra de filamentos), que se somete, para la prevención de
la formación de grietas y la reducción de tensiones en el producto,
a un tratamiento térmico posterior de las barras de Si
policristalino en el reactor bajo exclusión de aire. El
procedimiento solamente puede prevenir, sin embargo, la formación de
aquellas grietas que se producen ya después de la terminación de la
separación durante le refrigeración de las barras y no previene, sin
embargo la formación de grietas ya durante el proceso de separación
en las barras. Además, el tratamiento térmico adicional va unido con
altos costes de energía.
El documento DE-3107260 describe
un procedimiento para la producción de polisilicio de acuerdo con el
procedimiento Siemens en una barra de filamentos, en el que para la
prevención de la formación de grietas en las barras de polisilicio
obtenidas, se calientan todavía posteriormente después de la
terminación del proceso de separación. En este caso, las barras
acabadas no se dejan, como es habitual, todavía durante 4 a 5 horas
en el suministro de corriente calefactora y se regula la energía
eléctrica en este caso lentamente, sino que a tal fin se posicionan
en el reactor reflectores calefactores variables alrededor de la
barra caliente, para utilizar su calor propio y controlar el proceso
de refrigeración sin energía adicional. En este caso se obtiene la
calidad deseada del cristal en función de la duración de la
refrigeración.
El documento EP-0445036 describe
la producción de la zona central de la barra de Si policristalino en
tales condiciones que allí solamente se separa silicio
monocristalino o cristalino grueso. Sin embargo, para este
procedimiento se necesitan barras finas monocristalinas de sección
transversal cuadrada en una orientación especial (el eje
longitudinal apunta en la dirección <100>, cuya producción es
muy costosa y cara. Además, este procedimiento requiere alta
temperatura y baja velocidad de separación. La velocidad de
separación reducida significa una rentabilidad menor de este proceso
de separación. La alta temperatura de separación provoca altas
tensiones térmicas y, por lo tanto, conduce a barras agrietadas.
Los documentos US-3.540.871,
US-4.255.463 y DE-2727305 describen
procedimientos sobre cómo se puede suprimir la separación
monocristalina a través de diferentes factores, de manera que desde
el principio solamente crece silicio policristalino. Los métodos
descritos no impiden, sin embargo, la formación de inclusiones
monocristalinas gruesas perturbadoras. Además, los procedimientos
propuestos en barras de silicio policristalino gruesas con diámetros
superiores a 120 mm conducen a tensiones térmicas altas, de manera
que el rendimiento libre de grietas en las barras acabadas después
del procesamiento mecánico es muy reducido, la mayoría de las veces
inferior al 40%. En el documento DE-2727305 se
propone cómo se puede suprimir el crecimiento de los granos
cristalinos gruesos durante la separación. A tal fin, se reduce
durante aproximadamente 1 hora la temperatura (partiendo de 1100ºC)
en 200ºC y se reduce el flujo de gas en un 25% y se eleva la porción
molar del silano de halógeno del 7-15% al 50%. Esta
etapa se repite varias veces (hasta tres veces). Este modo de
proceder solicita a las barras de Si adicionalmente a través de las
tensiones térmicas constantemente variables y da lugar a los anillos
de separación visibles en la textura. Estos anillos en las barras de
Si policristalino perturban el proceso de tracción FZ y provocan
defectos en la barra monocristalina FZ.
Todos los procedimientos conocidos a partir del
estado de la técnica o bien proporcionan barras policristalinas muy
finas o barras más gruesas con tensiones, que conducen durante la
refrigeración o durante el procesamiento posterior a defectos hasta
la inutilidad total de la barra.
El objetivo de la invención es preparar barras
de silicio policristalino con alto rendimiento en la producción de
barras de silicio policristalino gruesas con diámetros mayores de
120 mm para aplicaciones FZ y contrarrestar la formación frecuente
de grietas durante la tracción de las barras de silicio
policristalino para obtener los monocristales FZ de diámetro grande.
Otro objetivo de la invención es la reducción de los costes de
producción de las barras policristalinas a través del empleo de
barras de filamentos policristalinas de coste más favorable en
oposición a las barras de filamentos monocristalinas costosas de
producir y, por lo tanto, más caras descritas en el estado de la
técnica.
Objeto de la invención es una barra de
polisilicio que se puede obtener a través de separación de silicio
de alta pureza a partir de un gas de reacción que contiene silicio,
que se ha descompuesto térmicamente o se ha reducido a través de
hidrógeno, en una barra de filamentos, caracterizada porque la barra
de polisilicio posee en la sección transversal radial de la barra al
menos 4 zonas distintas con diferentes microestructuras, de manera
que
- a)
- en la zona más interior A, del centro de la barra policristalina, se encuentra la barra fina policristalina,
- b)
- alrededor de esta barra fina se encuentra una zona B del silicio policristalino separado, en la que la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 1%, de manera que los cristales de agujas no son más largos de 5 mm y no son más anchos de 1 mm,
- c)
- en la zona exterior D de la barra de silicio policristalino la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 7%, de manera que la longitud de los cristales de agujas es inferior a 15 mm y la anchura de los cristales de agujas es inferior a 2 mm y en esta zona exterior de la barra de Si policristalina, la longitud de los microcristales de la matriz no excede de 0,2 mm, y
- d)
- entre las zonas B y D está presente una zona mixta C, en la que la textura de los cristales pasa de forma continua desde la textura en la zona B a la textura en la zona D.
Otro objeto de la invención es la utilización de
una barra fina policristalina como barra de filamentos para la
producción de barras policristalinas gruesas para aplicaciones
FZ.
Las barras finas policristalinas que se emplean
en la invención se cortan con sierra de manera rentable a partir de
la barra policristalina gruesa. Pueden tener una forma de la sección
transversal discrecional, son preferidas las barras con una sección
transversal cuadrada, puesto que tales barras finas se pueden
producir más fácilmente.
Para la presente invención no tiene importancia
la forma de la barra fina. Con preferencia se emplean las barras
finas con una sección transversal cuadrada con la longitud de los
cantos de 5 a 10 mm. Puesto que la barra fina solamente posee una
porción volumétrica pequeña de la barra de Si policristalino, su
microestructura no tiene mucha importancia. Con preferencia, la
microestructura de la barra fina cumple los requerimientos en la
zona exterior D, de manera especialmente preferida en la zona
interior B.
El diámetro de la zona B que se encuentra
alrededor de la barra fina (figura 1, B) es al menos tan grande como
la zona de fusión en el procedimiento FZ utilizado posteriormente,
con preferencia mayor de 30 mm, de manera especialmente referida
mayor de 80 mm.
La porción de la superficie de los cristales de
agujas en la zona B es menor de 1%, de manera que los cristales de
agujas no son más largos de 5 mm y no son más anchos de 1 mm. En
virtud del tamaño reducido de los pocos cristales de agujas, éstos
se funden totalmente en el procedimiento FZ posterior y, por lo
tanto, se excluye la posibilidad de que sus restos no fundidos
migren a través de la zona de fusión y provoquen un defecto en la
barra monocristalina posterior.
En la zona exterior D de la barra de Si
policristalina (figura 1, D), la porción de la superficie de los
cristales de agujas es inferior al 7%, con preferencia inferior al
5%, de manera que la longitud de los cristales de agujas es inferior
a 15 mm, con preferencia inferior a 7 mm y la anchura de los
cristales de agujas es inferior a 2 mm, con preferencia inferior a
1,5 mm. La zona exterior D comienza lo más tarde en 120 mm de
diámetro de la barra, con preferencia a partir de 100 mm. En esta
zona exterior se forman durante el proceso de separación las
tensiones térmicas máximas en la barra de silicio policristalino. A
través de la matriz cristalina fina se eleva la rigidez, de tal
manera que no se producen roturas ni grietas en la zona de la barra
fuera de la pata de la barra en los electrodos y en la zona del
puente.
La zona mixta C (figura 1, C) que se forma entre
la zona interior B (figura 1, B) y la zona exterior D (figura 1, D)
contiene una textura de cristal, que pasa de forma continua desde la
textura en la zona B a la textura en la zona D. Esta zona mixta se
encuentra en el intervalo del diámetro de 30 mm a 120 mm, con
preferencia en el intervalo del diámetro de 50 mm a 100 mm.
La sección transversal de la barra de acuerdo
con la invención no contiene anillos de separación. Los anillos de
separación son modificaciones rápidas de la textura, que se forman
en el caso de modificaciones rápidas de las condiciones de
crecimiento, como por ejemplo modificaciones bruscas de la
temperatura de separación o modificaciones repentinas de las
cantidades de alimentación para la separación. Habitualmente no se
forman anillos de separación, cuando la temperatura remodifica menor
de 15ºC o más lentamente que 10ºC/h u otros parámetros de separación
(caudal del gas de reacción, concentración del componente que
contiene silicio, velocidad de deposición) se modifican menos del
30% o más lentamente que el 20%/hora.
La porción de los cristales de agujas así como
su tamaño de las cristalitas se pueden determinar por medio de
métodos metalográficos habituales. A partir de la barra se recorta
un disco perpendicularmente a la dirección axial de la barra y se
rectifica y se pule al menos por un lado. Para el contraste
mejorado, la superficie pulida del disco de Si debe decaparse
químicamente. Los agentes decapantes habituales para Si así como la
duración del decapado se pueden encontrar, por ejemplo, en
Metallografie de H. Schumann y H. Oettel (Wiley-VCH,
Weinheim, 2005). Después de la actuación del agente decapante, las
microcristalitas de la textura son bien visibles al microscopio
óptico y se pueden medir fácilmente. En este caso, los cristales de
agujas (inclusiones monocristalinas gruesas) aparecen más claras que
la matriz. El tamaño de los cristales de agujas que aparecen claros
así como su porción de la superficie se pueden determinar, asistido
por ordenador, a partir de tomas electrónicas. Como longitud de un
cristal de agujas se supone, como es habitual en metalografía, su
diámetro máximo de Feret y como anchura su diámetro mínimo de
Feret.
\newpage
La figura 1 muestra una vista esquemática de la
sección transversal de la barra de Si policristalino de acuerdo con
una forma de realización de esta invención. En el centro de la barra
se encuentra la barra fina (A) policristalina rodeada por la zona
interior (B). A continuación sigue la zona mixta (C), que está
adyacente a la zona exterior (D).
Para una mejor distinción se han delimitado las
diferentes zonas de forma esquemática por medio de los anillos
imaginarios de trazos. Los cristales de agujas se representan de
forma esquemática como zonas grises en forma de agujas.
La figura 2 muestra como comparación una vista
esquemática de la sección transversal de la barra de Si
policristalino de acuerdo con el estado de la técnica. En el centro
se encuentra la barra fina (A) monocristalina rodeada por silicio
(B) monocristalino separado y silicio (C) policristalino separado.
Los cristales de agujas se representan de forma esquemática como
zonas grises en forma de agujas.
La figura 3 muestra una toma microfotográfica
(ampliación de 5) de la zona interior de la barra de Si
policristalina de acuerdo con la presente invención. En el centro
del borde izquierdo de la imagen es visible en forma de cuña una
parte de la barra fina policristalina (zona A). El resto de la
imagen muestra la zona interior B rodeada por la barra fina, en la
que no son visibles cristales de agujas. La textura no contiene
anillos de separación.
La figura 4 muestra una toma microfotográfica
(ampliación de 5) de la zona exterior (zona D) de la barra de Si
policristalino de acuerdo con la presente invención. Los cristales
de agujas son visibles aquí claramente como agujas claras. La
textura no contiene anillos de separación.
En procesos de tracción por zonas posteriores
(proceso FZ), el silicio fundido fluye desde la zona exterior (zona
D) a la zona de fundición. Durante el fluyo, se mezcla a fondo el
silicio, de manera que los cristales de agujas se funden totalmente
y no influyen negativamente en el proceso de cristalización en la
barra monocristalina. Además, existe tiempo suficiente para la
fundición de los cristales de agujas, puesto que tienen el máximo
recorrido desde la zona exterior de la barra de silicio
policristalino hasta el cuello de la bobina. Las barras de
polisilicio de acuerdo con la invención se pueden estirar en una
única transición de la zona de fundición flotante en el
procedimiento FZ de forma monocristalina y sin defectos.
Otro objeto de la invención es un procedimiento
para la producción de una barra de silicio policristalino, que
contiene las etapas:
- a)
- empleo de un cuerpo de soporte en forma de una barra de filamentos de silicio,
- b)
- ajuste de la temperatura de la barra a 950-1090ºC al comienzo de la separación,
- c)
- separación de silicio a partir de gas que contiene Si diluido con hidrógeno con una porción molar de compuestos de clorosilano de máximo 30%, en la que el flujo de gas se selecciona para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h,
- d)
- mantenimiento de estas condiciones hasta que la barra alcanza el diámetro de al menos 30 mm, de manera que se forma la zona interior,
- e)
- lo más tarde después de alcanzar un diámetro de la barra de 120 mm, cambio de la temperatura de la barra a 930-1030ºC y reducción de la cantidad de hidrógeno inyectada, para que la porción molar de los clorosilanos en el gas de alimentación se eleve al menos al 35%, pero como máximo al 60%, y se selecciona el flujo de gas en este caso para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h, de manera que se forma la zona exterior,
- f)
- cambio continuo de las condiciones del proceso en la producción de la zona interior a las condiciones del proceso en la zona exterior, de manera que el flujo de gas se selecciona en este caso para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h, y
- g)
- ninguna modificación brusca de las condiciones de crecimiento durante todo el tiempo de separación.
Las barras de silicio policristalino de acuerdo
con la invención se pueden producir con el diámetro a partir de 120
mm, con preferencia a partir de 130, de manera especialmente
preferida entre 150 y 250 mm y con el rendimiento medio de más del
70% (con respecto a la longitud de las barras finas empleadas).
Como cuerpo de soporte para la separación del
silicio policristalino se emplean barras finas de silicio
policristalino.
Al comienzo de la separación se ajusta la
temperatura de la barra a 950-1090ºC, con
preferencia a 1000-1075ºC, de manera especialmente
preferida a 1010-1050ºC. El gas que contiene Si
disuelto con hidrógeno se inyecta en el reactor. La porción molar de
compuestos de clorosilano, con preferencia triclorosilano, es
entonces como máximo 30%, con preferencia entre 20 y 25%. El gas que
contiene Si se descompone en la superficie caliente de la barra, de
manera que se deposita el silicio. El flujo de gas se selecciona en
este caso de tal forma que la velocidad de deposición de Si está
entre 0,2 y 0,6 mm/h, con preferencia entre 0,25 y 0,4 mm/h. estas
condiciones se mantienen hasta que la barra alcanza el diámetro de
la zona de fundición en el proceso FZ, habitualmente al menos de 30
a 50 mm, con preferencia al menos de 80 a 100 mm, de manera que se
forma la zona interior. A través de estas condiciones se garantiza
que en esta zona no se forman cristales de agujas o solamente muy
pocos y pequeños cristales de agujas.
Lo más tarde cuando la barra alcanza el diámetro
de 120 mm, la temperatura de la barra debe cambiarse a
930-1030ºC, con preferencia a
950-1020ºC, de manera especialmente preferida a más
de 960ºC y menos de 990ºC y debe reducirse la cantidad de hidrógeno
inyectada para que la porción molar de los clorosilanos en el gas de
alimentación se eleve al menos al 35%, pero como máximo al 60%. El
flujo de gas debe seleccionarse para que la velocidad de deposición
de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h. con preferencia entre 0,25 y 0,4
mm/h. En este caso, se forma la zona exterior con la matriz
cristalina fina, de manera que la porción de la superficie de los
cristales de agujas no excede el 7% y no es más larga de 15 mm y no
es más ancha de 2 mm. Estas condiciones deben mantenerse hasta que
la barra alcance el diámetro objetivo. La velocidad de deposición
reducida a través de la reducción de la temperatura se compensa a
través de la porción molar elevada en clorosilano, de manera que no
se necesita una elevación sobreproporcional del caudal de gas. La
ausencia de grietas en las barras y, por lo tanto, el rendimiento
superior al 70%, con respecto a la longitud de las barras finas se
consiguen porque las barras están expuestas a las tensiones térmicas
más reducidas.
Las tensiones más reducidas se generan en este
lugar a través de estas condiciones del proceso, porque las barras
tienen una temperatura más baja, la mezcla de gases con la porción
reducido de hidrógeno posee una conductividad térmica más reducida,
de manera que las barras están mejor aisladas térmicamente, y las
barras se exponen a un caudal de gas más reducido. Además, las
barras de acuerdo con la invención tienen en la zona exterior la
matriz cristalina fina, que resiste mejor las tensiones
térmicas.
Con preferencia, las condiciones del proceso de
las presentes en la zona interior B a las presentes en la zona
exterior D se cambian de forma continua. El caudal de gas debe
seleccionarse en este caso para que la velocidad de deposición de Si
esté entre 0,2 y 0,6 mm/h, con preferencia entre 0,25 y 0,4 mm/h.
Cómo deben modificarse las condiciones de separación, se puede
calcular a partir del tiempo que es necesario para la separación de
la zona C, y a partir de la diferencia entre los parámetros al final
de la zona B y al comienzo de la zona D. El tiempo se puede calcular
a partir del espesor de la zona C y de la velocidad de separación
seleccionada.
A continuación se muestra en detalle la
invención en los ejemplos siguientes.
Ejemplo comparativo
1
La separación del silicio policristalino
descrito en este ejemplo se realizó de acuerdo con el estado de la
técnica. Las barras de filamentos monocristalinas redondas (diámetro
8 mm) se expusieron a la mezcla de triclorosilano (TCS) e hidrógeno
(porción molar de TCS 20%). La temperatura de la barra se ajustó
durante todo el tiempo de separación a 1100ºC. El caudal de gas se
reguló para que la velocidad de deposición de Si fuese 0,4 mm/h.
Después de alcanzar el diámetro de 150 mm, se terminó la separación,
se refrigeraron las barras, se extrajeron del reactor y se realizó
la tracción por zonas. Las barras procesadas se controlaron con
respecto a la ausencia de grietas por medio de técnica de
ultrasonido, como se describe en el documento DE102006040486. Cuando
la barra estaba afectada con grietas, se rectificó la zona
defectuosa. Cuando la pieza restante remanente no era más corta de
50 cm, se transfirió a la tracción FZ. El rendimiento medio libre de
grietas era en este caso solamente del 30%, con respecto a la
longitud de la barra fina empleada. A continuación se estiraron las
barras por medio de procedimientos FZ para obtener las barras
monocristalinas. A partir de las barras de Si policristalino libres
de grietas procesadas solamente se pudieron estirar un 10% para
formar las barras monocristalinas sin defectos a través de una
transición de zonas flotantes.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo comparativo
2
En este ejemplo se realizó el proceso de
producción de las barras de Si policristalino tal como se ha
descrito en el Ejemplo 1, con la diferencia de que la porción molar
de TCS era 50%, la temperatura de la barra se reguló a 1000ºC y el
caudal de gas se seleccionó de tal manera que la velocidad de
deposición era 0,25 mm/h. Se controló la ausencia de grietas como se
ha descrito en el Ejemplo 1. El rendimiento medio libre de grietas
era en este caso 75%. El 30% de las barras policristalinas empleadas
se pudieron estirar de forma monocristalina sin defectos en una
transición de la zona flotante.
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo comparativo
3
En este ejemplo se realizó el proceso de
producción de las barras de Si policristalino tal como se ha
descrito en el Ejemplo 1, con la diferencia de que la porción molar
de TCS era 25%, la temperatura de la barra se reguló a 1050ºC y el
caudal de gas se seleccionó de tal manera que la velocidad de
deposición era 0,35 mm/h. Se controló la ausencia de grietas como se
ha descrito en el Ejemplo 1. El rendimiento medio libre de grietas
era en este caso 45%. Todas las barras policristalinas se pudieron
estirar de forma monocristalina sin defectos en una transición de la
zona flotante.
\vskip1.000000\baselineskip
La separación de las barras de silicio
policristalino descritas en este ejemplo se realizó de acuerdo con
la presente invención. Como componente que contiene silicio del gas
de reacción se utilizó triclorosilano. Como cuerpos de soporte se
emplearon las barras finas de Si policristalino (sección transversal
cuadrada, longitud de los cantos 8 mm). En primer lugar, se realizó
la separación a 1050ºC con una mezcla de gases con una porción de
TCS del 20%. La velocidad de deposición era en esta etapa, como
también durante todo el tiempo de la separación, 0,35 mm/h. Después
de que las barras alcanzaron el diámetro de 60 mm se redujo la
temperatura de la barra lentamente a 990ºC y al mismo se elevó la
porción de TCS a 40%. La modificación se realizó lentamente, de
manera que solamente se efectuó cuando la barra alcanzó el diámetro
de 102 mm (después de 60 horas). Entonces se prosiguió la separación
en estas condiciones, hasta que las barras alcanzaron el diámetro de
150 mm. Después de la extracción del reactor, se pudieron procesar
las barras con el rendimiento medio sin grietas del 75% para la
tracción por zonas. La verificación de las grietas se realizó como
en el Ejemplo 1. Por medio de procedimientos FZ se pudieron estirar
de forma monocristalina sin defectos el 100% de las barras
policristalinas empleadas en una transición de la zona flotante.
Claims (13)
1. Barra de polisilicio que se puede obtener a
través de separación de silicio de alta pureza a partir de un gas de
reacción que contiene silicio, que se ha descompuesto térmicamente o
se ha reducido a través de hidrógeno, en una barra de filamentos,
caracterizada porque la barra de polisilicio posee en la
sección transversal radial de la barra al menos 4 zonas distintas
con diferentes microestructuras, de manera que
- a)
- en la zona más interior A, del centro de la barra policristalina, se encuentra la barra fina policristalina,
- b)
- alrededor de esta barra fina se encuentra una zona B del silicio policristalino separado, en la que la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 1%, de manera que los cristales de agujas no son más largos de 5 mm y no son más anchos de 1 mm,
- c)
- en la zona exterior D de la barra de silicio policristalino, la porción de la superficie de los cristales de agujas es inferior a 7%, de manera que la longitud de los cristales de agujas es inferior a 15 mm y la anchura de los cristales de agujas es inferior a 2 mm y en esta zona exterior de la barra de Si policristalina, la longitud de los microcristales de la matriz no excede de 0,2 mm, y
- d)
- entre las zonas B y D está presente una zona mixta C, en la que la textura de los cristales pasa de forma continua desde la textura en la zona B a la textura en la zona D.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Barra de polisilicio para aplicaciones FZ,
que se puede obtener a través de separación de silicio de alta
pureza a partir de un gas de reacción que contiene silicio, que ha
sido descompuesto térmicamente o ha sido reducido a través de
hidrógeno, caracterizada porque la barra de filamentos está
constituida por silicio policristalino.
3. Barra de polisilicio de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque el diámetro de
la barra obtenida es mayor de 120 mm.
4. Barra de polisilicio de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la barra de
filamentos posee una sección transversal cuadrada con una longitud
de los cantos de 5 a 10 mm.
5. Barra de polisilicio de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la
microestructura de la barra de filamentos corresponde a la
microestructura de las zonas B o D.
6. Barra de polisilicio de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el diámetro de
la zona B dispuesta alrededor del filamento es al menos tan grande
como la zona de fusión en el procedimiento FZ utilizado
posteriormente.
7. Barra de polisilicio de acuerdo con la
reivindicación 6, caracterizada porque el diámetro de la zona
B dispuesta alrededor de la barra de filamento es mayor de 30
mm.
8. Barra de polisilicio de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque la zona exterior
D comienza lo más tarde en un diámetro de 120 mm de la barra.
9. Barra de polisilicio de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la zona mixta C
resultante está constituida por una textura de cristal, que pasa de
forma continua desde la textura en la zona B a la textura en la zona
D.
10. Barra de polisilicio de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque la sección
transversal de la barra no contiene anillos de separación.
11. Procedimiento para la producción de una
barra de silicio policristalino de acuerdo con las reivindicaciones
1 a 10, que contiene las etapas:
- a)
- empleo de un cuerpo de soporte en forma de una barra de filamentos de silicio,
- b)
- ajuste de la temperatura de la barra a 950-1090ºC al comienzo de la separación,
- c)
- separación de silicio a partir de gas que contiene Si diluido con hidrógeno con una porción molar de compuestos de clorosilano de máximo 30%, en la que el flujo de gas se selecciona para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h,
- d)
- mantenimiento de estas condiciones hasta que la barra alcanza el diámetro de al menos 30 mm, de manera que se forma la zona interior,
\newpage
- e)
- lo más tarde después de alcanzar un diámetro de la barra de 120 mm, cambio de la temperatura de la barra a 930-1030ºC y reducción de la cantidad de hidrógeno inyectada, para que la porción molar de los clorosilanos en el gas de alimentación se eleve al menos al 35%, pero como máximo al 60%, y se selecciona el flujo de gas en este caso para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h, de manera que se forma la zona exterior,
- f)
- cambio continuo de las condiciones del proceso en la producción de la zona interior a las condiciones del proceso en la zona exterior, de manera que el flujo de gas se selecciona en este caso para que la velocidad de deposición de Si esté entre 0,2 y 0,6 mm/h, y
- g)
- ninguna modificación brusca de las condiciones de crecimiento durante todo el tiempo de separación.
\vskip1.000000\baselineskip
12. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11, caracterizado porque la barra de
filamentos empleada está constituida de silicio policristalino.
13. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 11 a 12, caracterizado porque el rendimiento
medio es superior al 70% con respecto a la longitud de la barra de
filamentos empleada.
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