ES2585677T3

ES2585677T3 - Aparato y métodos para preparación de varillas de silicio de alta pureza usando medios de núcleo mixtos

Info

Publication number: ES2585677T3
Application number: ES07746494.9T
Authority: ES
Inventors: Hee Young Kim; Kyung Koo Yoon; Yong Ki Park; Won Wook So; Won Choon Choi
Original assignee: Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT
Current assignee: Korea Research Institute of Chemical Technology KRICT
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2016-10-07
Anticipated expiration: 2027-05-11
Also published as: EA200870527A1; US20090130333A1; EP2024536B1; EP2024536A1; KR100768147B1; JP5158608B2; EP2024536A4; JP2009536914A; CA2652493C; EA013675B1; WO2007133025A1; US20100040803A1; US8430959B2; CN101405437B; CN101405437A; CA2652493A1

Abstract

Un metodo para preparar una varilla de silicio policristalino usando un medio de nucleo mixto, que comprende: (a) instalar un primer medio de nucleo formado por un material resistivo junto con un segundo medio de nucleo formado por un material de silicio en un espacio interno de un reactor de deposicion; (b) calentar electricamente el primer medio de nucleo y calentar previamente el segundo medio de nucleo con el primer medio de nucleo que se calienta electricamente; (c) calentar electricamente el segundo medio de nucleo calentado previamente; y (d) suministrar un gas de reaccion en el espacio interno en un estado en el que el primer medio de nucleo y el segundo medio de nucleo se calientan electricamente para deposicion de silicio, mediante lo cual se forma una salida de deposicion hacia el exterior en el primer medio de nucleo o el segundo medio de nucleo o ambos formandose de ese modo una primera salida de deposicion o una segunda salida de deposicion, respectivamente, a una presion de reaccion en el intervalo de 100 - 2000 kPa y una temperatura de reaccion en el intervalo de 650 - 1.300 oC basada en la temperatura superficial de la primera salida de deposicion o de la segunda salida de deposicion o ambas, en el que, en la etapa de calentamiento previo del segundo medio de nucleo, el segundo medio de nucleo se calienta previamente a una temperatura en el intervalo de 350-1.000 oC con el primer medio de nucleo siendo electricamente calentado a una temperatura en el intervalo de 400-3.000 oC; en donde el material resistivo se selecciona entre: (i) un metal o una aleacion que comprende al menos un elemento metalico seleccionado entre el grupo que consiste en tungsteno (W), renio (Re), osmio (Os), tantalo (Ta), molibdeno (Mo), niobio (Nb), iridio (Ir), rutenio (Ru), tecnecio (Tc), hafnio (Hf), rodio (Rh), vanadio (V), cromo (Cr), zirconio (Zr), platino (Pt), torio (Th), lantano (La), titanio (Ti), lutecio (Lu), itrio (Y), hierro (Fe), niquel (Ni), aluminio (Al) y una mezcla de los mismos; (ii) un material de metal ceramico que comprende al menos un componente seleccionado entre el grupo que consiste en siliciuro de molibdeno (Mo-Si), oxido de lantano y cromo (La-Cr-O), circonia y una mezcla de los mismos; o (iii) un material a base de carbono que comprende al menos un componente seleccionado entre el grupo que consiste en carbono amorfo, grafito, carburo de silicio (SiC) y una mezcla de los mismos.

Description

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medio de núcleo C2 con el lapso del proceso de calentamiento previo.

Cuando la temperatura T(C1) del primer medio de núcleo C1 se controla para que sea lo suficientemente elevada como para conseguir que la temperatura T(C2) del segundo medio del núcleo calentado previamente C2 esté en el

5 intervalo de 350 - 1.000 ºC, es deseable seleccionar y ajustar una diferencia de temperatura apropiada [∆T = T(C1) - T(C2)] entre los dos medios de núcleo controlando un calentamiento eléctrico del primer medio de núcleo (C1), teniendo en cuenta que un calentamiento eléctrico del segundo medio de núcleo C2 puede comenzar más fácilmente a una temperatura de calentamiento previo más elevada T(C2).

En la presente invención, los primeros medios de núcleo C1 se calienta eléctricamente en el intervalo de 400

3.000 ºC durante el proceso de calentamiento previo del segundo medio de núcleo C2. Durante el proceso, la diferencia de temperatura ∆T entre el primer medio de núcleo C1 y el segundo medio de núcleo C2 se mantiene de forma deseable en el intervalo de 50 -2.650 ºC.

15 Si ∆T < 50 ºC y T(C1) < 400 ºC, es prácticamente imposible calentar previamente el segundo medio de núcleo C2 a una temperatura de T(C2) = 350 ºC. Por otro lado, una vez que una temperatura T(C1) del primer medio de núcleo se mantiene por encima de 3.000 ºC para aumentar la tasa de calentamiento por radiación en un estadio inicial del proceso de calentamiento previo con ∆T siendo superior a 2.700 ºC, el primer medio de núcleo C1 por sí mismo puede estar cerca de su punto de fusión y el segundo medio de núcleo basado en materia de silicio C2, colocado adyacente y alrededor de los primeros medios de núcleo, se podría fundir de forma altamente posible.

No importa si el segundo medio de núcleo C2 se calienta previamente en el intervalo de aproximadamente 400 900 ºC para que la resistividad del silicio entre en un intervalo de aproximadamente 0,03 -2 ohm-cm. El segundo medio de núcleo C2 se puede calentar previamente de forma más preferente a una temperatura en el intervalo de

25 750 -850 ºC, si fuera accesible, a la que la resistividad del silicio se hace inferior a aproximadamente 0,1 ohm-cm con su característica de conducción siendo más evidente. Las condiciones de calentamiento previo como se ha descrito anteriormente previenen un riesgo de fusión del elemento de núcleo de silicio, reducen el tiempo requerido para el proceso de calentamiento previo, la continuación permite un comienzo del calentamiento eléctrico del segundo medio de núcleo C2 a un voltaje moderado. Tales condiciones de calentamiento previo se pueden obtener mediante un calentamiento eléctrico predio del primer medio de núcleo C1 a una temperatura preferentemente en el intervalo de 500 – 2.500 ºC, y más preferentemente en el intervalo de 800 - 2.000 ºC.

En el proceso de calentamiento previo de acuerdo con la presente invención, las temperaturas superficiales del primer medio de núcleo calentado eléctricamente C1 y/o el segundo medio de núcleo calentado previamente C2 se

35 pueden mantener en cierto modo un poco más elevadas que las temperaturas de reacción para deposición de silicio sin causar un problema grave. Por ejemplo, un caso en el que el gas de reacción Gf formado por monosilano (SiH4) como un componente que contiene silicio se use como un material de partida para la reacción de deposición a una temperatura que está en el intervalo de aproximadamente 650 -800 ºC, el segundo medio de núcleo C2 se debe calentar previamente a una temperatura en cierto modo superior a una temperatura de reacción determinada previamente y su calentamiento eléctrico puede comenzar a partir de ese momento sin ningún problema. Además, no es difícil controlar la energía eléctrica suministrada tanto a los dos medios de núcleo C1, C2 en paralelo con el suministro del gas de reacción con la temperatura de reacción siendo mantenida si fuera necesario.

Después del calentamiento previo del segundo medio de núcleo C2 a una temperatura T(C2) en el intervalo de 350

45 1.000 ºC para reducir de forma suficiente la resistividad del silicio como se ha descrito anteriormente, a continuación se puede suministrar electricidad para ellos a una diferencia de potencial moderada desde la segunda fuente de suministro de energía eléctrica V2 a través del segundo medio de electrodo E2. El segundo medio de núcleo C2 de ese modo se lleva a calentar eléctricamente de modo que su temperatura se podría regular a una temperatura de reacción Tr que representa un intervalo de temperatura permisible en determinado previamente para el mantenimiento de la reacción de deposición de silicio si fuera necesario.

En el presente documento, varios factores pueden influir en el calentamiento eléctrico del segundo medio de núcleo C2 que consiste eléctricamente en interconexiones de las segundas unidades de núcleo en un circuito en serie y/o en paralelo. Además de una característica eléctrica tal como la resistividad del silicio, la configuración del circuito

55 eléctrico y los detalles del ensamblaje del reactor de deposición, tales como el número de las segundas unidades de núcleo que constituyen el segundo medio de núcleo C2, la resistencia de contacto entre una unidad de núcleo individual y su unidad de electrodo correspondiente, etc., determinan cómo se debería realizar el calentamiento eléctrico para mantener y controlar la temperatura del segundo medio de núcleo C2 al nivel de Tr.

Teniendo en cuenta esto, para calentar eléctricamente el segundo medio de núcleo C2 en un intervalo permisible de voltaje y corriente, es deseable determinar previamente y optimizar las condiciones detalladas para el calentamiento del medio de núcleo mixto después de los ensayos experimentales preliminares requeridos: la temperatura de calentamiento previo final del segundo medio de núcleo C2 se puede optimizar en el intervalo de 350 - 1.000 ºC; la temperatura del primer medio de núcleo C1 calentado eléctricamente con anterioridad se puede seleccionar o 65 cambiar con el tiempo en el intervalo de 400 -1.000 ºC; y la diferencia de temperatura ∆T entre los dos medios de núcleo se puede mantener constante o cambiar con el tiempo de una manera óptima en al menos aproximadamente

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Un par de unidades de electrodo conectadas a cada unidad de núcleo sirven como las terminales de entrada y salida de la unidad de núcleo individual. La construcción de interconexiones entre las unidades de electrodo o la estructura de circuito eléctrico de todas las unidades de electrodo se puede determinar de acuerdo con la disposición de la instalación, es decir, disposición espacial de los medios de núcleo C1, C2 as así como las especificaciones

5 determinadas previamente para construir sus correspondientes sistemas de suministro de energía eléctrica.

En la presente invención se pueden usar diversas formas del medio de electrodo usado en el reactor de tipo campana de vidrio convencional como tal. Cada una de las unidades de electrodo, representadas por medio de electrodo, puede consistir en todos o parte de los siguientes elementos: (i) un electrodo formado por un material conductor metálico con una resistencia eléctrica baja por lo que el autocalentamiento eléctrico es débil; (ii) una unidad de acoplamiento eléctrico o una unidad de conexión eléctrica que pueden interconectar mutuamente el electrodo y los correspondientes medios de transmisión de energía eléctrica T1, T2 tal como un cable, una barra, un tubo, una vara, un conducto, un artículo conformado y similares para suministrar una corriente eléctrica: (iii) un soporte de acoplamiento o un mandril formado por un material a base de carbono, que conecta eléctricamente la

15 unidad de núcleo al electrodo o los medios de transmisión de energía eléctrica T1, T2, con un soporte físico de cada una de las unidades de núcleo o fijación del electrodo; (iv) un medio de refrigeración para refrigerar el electrodo o el soporte de acoplamiento con un medio de refrigeración tal como gas, agua, o aceite y similares; (v) un medio de aislamiento para aislar eléctricamente el material metálico que constituye la cubierta Rs o la base Rb del reactor de deposición; y (vi) una parte, un equipo y similares para acoplar, cerrar herméticamente, aislar y ensamblar los elementos como se ha descrito anteriormente en el presente documento para construir una unidad de electrodo individual.

La forma y dimensión de las correspondientes unidades de electrodo of los medios de electrodo E1, E2 se pueden determinar teniendo en cuenta un diámetro de la varilla de silicio a fabricar finalmente, el número y disposición de la 25 instalación de las unidades de núcleo, un espacio disponible para instalar todas las unidades de electrodo E1, E2 requeridas, y sus correspondientes medios de transmisión de energía eléctrica T1, T2, y 1 a transversal de un electrodo de la unidad de electrodo por lo que el autocalentamiento eléctrico es débil. Las unidades de electrodo que constituyen cualquiera de los medios de electrodo E1, E2 y los correspondientes medios de transmisión de energía eléctrica T1, T2 se pueden instalar individualmente y a continuación finalmente se pueden conectar de forma mecánica y eléctrica entre sí. Sin embargo, también se puede permitir el diseño, fabricación y ensamblaje previo de una pluralidad de unidades de electrodo y los correspondientes medios de transmisión de energía eléctrica como un cuerpo más simplificado e integrado. Esto se puede conseguir cuando una pluralidad de los medios de transmisión de energía eléctrica se integran en un solo cuerpo de transmisión de energía eléctrica individual, eléctricamente conductor como un ejemplo de los medios de conexión eléctrica. A continuación, el cuerpo de conexión de corriente

35 eléctrica integrado y las correspondientes unidades de electrodo se pueden fabricar o ensamblar previamente de una manera más integrada y compacta para una instalación conveniente.

El soporte de acoplamiento y/o la unidad de acoplamiento eléctrico que constituye una unidad de electrodo por lo general están formadas por un material de grafito de alta pureza que se puede fabricar fácilmente. Para prevenir o reducir una contaminación con carbono de la salida de deposición de silicio, a menudo se forma una capa de un material cerámico funcional, tal como carburo de silicio, en la superficie de tales elementos a base de grafito. En el ensamblaje y la instalación de las unidades de electrodo, un aislamiento eléctrico se debería asegurar entre tales elementos conductores y la cubierta a base de metal Rs y/o unidad de base Rb del reactor de deposición.

45 Durante la parte del funcionamiento del reactor, cada unidad de electrodo se puede exponer a una temperatura elevada del espacio interno Ri, por lo que es necesario proteger el material de aislamiento eléctrico o el material de sellado instalado de una degradación térmica. Por consiguiente, es preferente enfriar algunas zonas hubo toda la zona de la unidad de base Rb, el electrodo formado por un material metálico, las partes de aislamiento y similares usando un medio de refrigeración en circulación.

En la presente invención, el primer y segundo medios de electrodo E1, E2 que corresponden al primero y segundo medios de núcleo C1, C2, se pueden dividir en uno o una pluralidad de los primeros y segundos grupos de electrodo, respectivamente. Entonces, puede ser posible suministrar electricidad independientemente de cada uno del primero y/o segundo grupos de electrodo. Como resultado, una pluralidad de unidades de núcleo su representadas por un

55 medio de núcleo individual se puede dividir en una pluralidad de grupos de núcleo de acuerdo con la clasificación de los grupos de electrodo. A continuación, según sea el caso para un medio de núcleo individual, una pluralidad de grupos de núcleo que constituyen cada medio de núcleo se puede conectar eléctricamente entre sí en circuitos en serie y/o paralelo. De acuerdo con un esquema de conexión de este tipo, los medios de transmisión de energía eléctrica para conexiones eléctricas de la correspondiente fuente de suministro de energía eléctrica a las unidades de electrodo así como de las unidades de electrodo entre sí se pueden instalar o ensamblar en el reactor de deposición y el correspondiente sistema de suministro de energía eléctrica.

El medio de transmisión de energía eléctrica que conecta la fuente de suministro de energía eléctrica y las unidades de electrodo se puede instalar en, a o fuera de la cubierta Rs y la unidad de base Rb del reactor de deposición. 65 Además, los medios de transmisión de energía eléctrica o el medio de conexión eléctrica usados para interconexión de las unidades de electrodo E1, E2 se puede instalar en cualquier posición, es decir, dentro o fuera del reactor

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Aunque está compuesto solamente por el componente que contiene silicio para preparar el silicio policristalino con forma de varilla, el gas de reacción Gf puede contener adicionalmente al menos un componente gaseoso seleccionado entre el grupo que consiste en hidrógeno (H2), nitrógeno (N2), argón (Ar), helio (He), cloruro de hidrógeno (HCl), y una mezcla de los mismos para controlar la característica de la reacción de deposición y la

5 composición de un gas de salida Go.

Para que la deposición de silicio se produzca en las superficies de la primera y segunda salidas de deposición D1, D2, la deposición de silicio se produce en el espacio interno Ri del reactor de deposición a una presión de reacción en el intervalo de 100 - 2000 kPa y una temperatura de reacción en el intervalo de 650 – 1.300 ºC basándose en la temperatura superficial de la primera salida de deposición D1 y/o de la segunda salida de deposición D2.

Si la presión de la reacción es inferior a 100 kPa, la tasa de deposición de silicio en las salidas de deposición D1, D2 y la productividad del reactor llega a ser desfavorablemente baja. De otro modo, cuanto más elevada sea presión de la reacción, más ventajoso es el reactor de deposición en el aspecto de la productividad. Esta característica es más

15 importante especialmente cuando el triclorosilano se selecciona como el componente que contiene silicio en lugar del caso de monosilano. Sin embargo, si la presión de reacción se mantiene a un nivel que supera 2000 kPa para aumentar notablemente la productividad del reactor, se encuentran problemas graves tales como los que siguen a continuación: el coste de fabricación del reactor de deposición en sí mismo así como las unidades secundarias en conexión con el reactor se hace excesivo; se hace más difícil asegurar la seguridad del proceso; y la tasa de alimentación (moles/h) del material de partida se hace demasiado elevada para que las temperaturas superficiales de las salidas de deposición D1, D2 se mantengan dentro de un intervalo de temperatura de reacción permisible mediante el calentamiento eléctrico de los medios de núcleo C1, C2.

Basándose en la conveniencia y la fiabilidad de la medición de la temperatura y teniendo en cuenta los hechos de

25 que el silicio se debería depositar continuamente en las superficies de las salidas de deposición en una dirección hacia el exterior de los medios de núcleo C1, C2, y las temperaturas superficiales son diferentes de acuerdo con las posiciones instaladas de las salidas de deposición D1, D2 en el espacio interno Ri, es preferente que una temperatura de la superficie de las salidas de deposición D1, D2 se contemple como un patrón de la temperatura de reacción.

Aunque una temperatura de reacción varíe de acuerdo con la composición del gas de reacción Gf a usar, la tasa de deposición de silicio es significativamente baja o insignificante a una temperatura inferior a 650 ºC con la productividad del reactor siendo desfavorablemente baja. De otro modo, la tasa de deposición aumenta con la temperatura de reacción. Sin embargo, a temperaturas que superan 1.300 ºC, el contenido de un componente que

35 no se puede reciclar a aumentar excesivamente en el gas de salida Go. Además, la temperatura de las partes centrales de los medios de núcleo C1, C2, es decir, la temperatura de los elementos de núcleo se superan 1.400 ºC puede causar un colapso de la varilla de silicio durante el proceso de deposición, y una enorme pérdida de calor a través de la cubierta del reactor Rs. Por lo tanto, se recomienda ajustar la temperatura de reacción que representa un intervalo de temperatura permisible para la deposición de silicio dentro del intervalo de 650 -1.300 ºC, teniendo en cuenta condiciones tales como las composiciones del gas de reacción Gf y del gas de salida Go, presión, tasa de deposición de silicio, eficiencia energética y similares.

En un proceso discontinuo para la preparación de silicio policristalino con forma de varilla de acuerdo con la presente invención, los diámetros y las áreas superficiales de las salidas de deposición D1, D2, una carga de calor de los

45 medios de núcleo C1, C2, una pérdida de calor a través de la cubierta Rs del reactor de deposición aumentan con el tiempo de funcionamiento. Entonces es deseable determinar previamente las condiciones de funcionamiento tales como tasa de alimentación y composición del gas de reacción Gf, la temperatura de reacción, la presión de reacción, suministro de energía eléctrica y similares. También es importante optimizar las condiciones mencionadas anteriormente cambiándolas con el tiempo de funcionamiento.

En el proceso de calentamiento previo del segundo medio de núcleo C2 por el primer medio de núcleo C1 calentado eléctricamente con anterioridad de acuerdo con la presente invención, puede ser posible que se produzca una contaminación del segundo medio de núcleo basado en silicio C2 de vida al material resistivo que constituye el primer medio de núcleo C1 separado del segundo medio de núcleo C2. En el presente documento es necesario

55 resaltar lo que sigue a continuación: el proceso de calentamiento previo de acuerdo con la presente invención se realiza a una presión normal o elevada, es decir, en una condición que no sea de vacío; la temperatura del primer medio de núcleo C1 es inferior a aproximadamente 3.000 ºC, es decir, la temperatura es inferior a la temperatura del punto de fusión del material resistivo; un ión con una energía elevada apenas puede existir en el espacio interno. A continuación, una evaporación de los componentes de impurezas o un bombardeo se puede producir apenas en la superficie de primer elemento de núcleo sometido a tratamiento térmico de forma apropiada, que se cree que no deteriora la pureza del segundo elemento de núcleo y finalmente la segunda salida de deposición.

En comparación con la segunda salida de deposición D2, por otro lado, la primera salida de deposición D1 formada hacia el exterior en el primer elemento de núcleo formada por un material resistivo tiene un riesgo relativamente 65 elevado de contaminación causada por los componentes de las impurezas contenidas en el material resistivo. Por lo tanto, de acuerdo con la presente invención basándose en un medio de núcleo mixto, un silicio policristalino de

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