PROCEDIMIENTO PARA LA PRODUCCION DE UN DISCO MONOCRISTALINO DE SI CON UNA SECCION TRANSVERSAL APROXIMADAMENTE POLIGONAL.

Procedimiento para la producción de un disco monocristalino de Si,

con una sección transversal aproximadamente poligonal y con la calidad del material de unos cristales de Si estirados por zonas, en el que

en una fase de iniciación, a partir de una gota colgante de masa fundida, con unos medios conocidos, se estira verticalmente hacia abajo por lo menos un cuello delgado, antes de que se reduzca la rotación del cristal hasta llegar a un número de revoluciones comprendido entre 0 y < 1 rpm, y,

a continuación, en una fase de cultivo, un monocristal de Si, con una sección transversal aproximadamente poligonal, se estira verticalmente hacia abajo,

utilizándose un inductor, que tiene unos medios para la distribución poligonal de la corriente, para la generación de un perfil de temperaturas, cuya forma junto al límite entre fases de crecimiento se corresponde con la forma de la sección transversal de la barra cristalina que se ha de estirar,

y luego se finaliza el crecimiento estacionario de la barra cristalina al haberse alcanzado la deseada longitud de estiramiento, y se corta la barra cristalina a la forma de unos discos con una sección transversal poligonal

Procedimiento para la producción de un disco monocristalino de Si con una sección transversal aproximadamente poligonal.

El invento se refiere a un procedimiento para la producción de un disco monocristalino de Si con una sección transversal aproximadamente poligonal y con la calidad del material de cristales de Si estirados por zonas, y a un tal disco monocristalino de Si.

Es conocido que según el procedimiento de Czochralski (CZ) se estiraban en la dirección <100> cristales cuadrados a partir del crisol, cuando el gradiente radial de temperaturas en la masa fundida era suficientemente pequeño. Sin embargo, un tal proceso es inestable, es decir que la sección transversal del cristal se modifica muy fácilmente en el caso de pequeñas variaciones de la temperatura. También, debido a los pequeños gradientes de temperaturas, sólo son posibles unas pequeñas velocidades de estiramiento. Además, es conocido que los niveles de impurificación del Si de CZ son más altos que los de un silicio de zona de flotación (FZ, acrónimo del inglés "Float Zone").

Hoy en día, p. ej. para celdas solares, se producen unas obleas (en inglés "wafer") monocristalinas cuadradas o respectivamente casi cuadradas, separando con una pérdida de material hasta de 36% unos segmentos correspondientes desde la sección transversal circular del cristal.

El eje de rotación de un cristal de FZ en crecimiento, que, condicionado por el procedimiento, está situado en su "cuello delgado", no es el eje principal de inercia cuando su longitud sobrepasa al diámetro. Por consiguiente, su movimiento de rotación es inestable por motivos físicos. En particular, en el caso de unos cristales grandes usuales en la práctica (p. ej. con un diámetro de 150 mm y una longitud de 1,5 m) -de modo provocado por unas pequeñas perturbaciones (sacudimientos, excentricidades) que están siempre presentes- con una velocidad creciente de rotación aumentan las desviaciones del cristal y de la masa fundida, que contribuyen a la formación de dislocaciones o respectivamente a un aumento adicional del diámetro o respectivamente de la longitud de estiramiento del cristal.

Para la producción de barras monocristalinas estiradas por zonas, con una sección transversal circular, según el estado de la técnica se conocen diversas soluciones.

Así, en el documento de solicitud de patente de la República Democrática Alemana DD 263.310 A1 se describe un procedimiento, en el que mediante el mismo sentido de giro de la rotación de un cristal y del campo magnético rotatorio se suprimen las influencias de la convección forzada.

En el documento de solicitud de patente alemana DE 100 51 885 A1 se describe un procedimiento, en el que las direcciones de rotación de un monocristal y del campo magnético son de sentidos opuestos. En este caso, en la masa fundida se establece una fuerza volumétrica en dirección azimutal, con lo cual resulta una circulación especial en la masa fundida, que da lugar a una permanencia más prolongada de las partículas en la masa fundida y, por consiguiente, a una buena mezcladura a fondo y a una fusión completa. Este proceso se puede mejorar mediante el uso de un segundo campo magnético con otra frecuencia distinta y una amplitud modificable cronológicamente.

En el caso del procedimiento que se describe en el documento DE 36 13 949 A1 para la producción de barras semiconductoras monocristalinas circulares, de manera adicional al campo alterno de alta frecuencia, que es generado por la bobina de calentamiento de alta frecuencia, se aplica un campo continuo magnético que discurre paralelamente con respecto al eje de estiramiento, por medio de una bobina cilíndrica, que rodea a la zona de fusión y a la bobina de calentamiento de alta frecuencia, con lo que se debe de conseguir una amortiguación por corrientes parásitas de la convección de la masa fundida.

También en la solución que se describe en el documento de patente de los EE.UU. US 5.556.461 para la producción de barras monocristalinas circulares de Si mediante el método de FZ, teniendo las barras policristalinas de Si unos tamaños medios de granos de 10 a 1.000 µm, se disponen adicionalmente unos medios para la generación de un campo magnético estático, con lo cual se deben de reprimir los torbellinos en la masa fundida. Al realizar el proceso de cultivo, se hacen girar la barra cristalina de partida y la barra monocristalina en crecimiento.

Para realizar el dopaje de un material semiconductor estirado por zonas, con una sección transversal circular, a la masa fundida se le añade una sustancia dopante, tal como se describe, por ejemplo, en el documento DE 102 16 609 A1. La masa fundida que contiene la sustancia dopante, es sometida a por lo menos un campo magnético rotatorio. Al solidificarse la masa fundida, el monocristal resultante, con una velocidad de por lo menos 1 rpm (revoluciones por minuto), y el campo magnético se hacen girar en sentidos opuestos.

Para la industria es importante producir unas obleas de Si, que sean ahorrativas de material. La pérdida actual de material mediante el corte de discos circulares de Si a la forma de obleas que tienen una determinada sección transversal, ya no es justificable.

En el documento DE 36 08 889 A1 se describe un procedimiento para la producción de barras semiconductoras monocristalinas con una sección transversal poligonal mediante un proceso de cultivo de Czochralski, en el que a la superficie de la masa fundida se le impone un campo definido de temperaturas, que se corresponde con la simetría del cristal en crecimiento. Para esto, está previsto un sistema refrigerador, que gira en el mismo sentido que el cristal inoculador y con la misma velocidad. Como consecuencia de la distribución influida de las temperaturas se realiza un crecimiento cristalino, que se desvía de la usual forma cilíndrica.

En el documento DE 102 20 964 A1 se describe una solución para la producción de barras cristalinas policristalinas con una sección transversal definida mediante una cristalización continua libre en el crisol, siendo fundido el material de los cristales en el crisol a lo largo de las distancias ajustables de un modo modificable, entre una bobina de inducción y un crisol así como entre una bobina de inducción y un frente de cristalización, con solamente un medio común de calentamiento, a saber la bobina de inducción, y siendo ajustado el frente de cristalización sobre la barra cristalina policristalina en crecimiento. Las partículas de Si que no se han fundido, no deben de llegar de este modo tampoco al límite entre fases. Un bastidor dispuesto apretadamente por encima de la barra cristalina en crecimiento, y que está en contacto con la masa fundida, preestablece la forma de la barra cristalina en crecimiento, y su sección transversal.

Una misión del presente invento es ahora indicar un procedimiento para la producción de un disco monocristalino de Si con una sección transversal aproximadamente poligonal, y con la propiedad del material de cristales de Si estirados por zonas, que garantice unos ahorros esenciales de material, que haga posible cultivar unos cristales con un gran diámetro y con una gran longitud de estiramiento, y que sea menos complicado que los procedimientos conocidos hasta ahora.

Conforme al invento, el problema planteado por esta misión se resuelve mediante un procedimiento para la producción de un disco monocristalino de Si con una sección transversal aproximadamente poligonal, en el que en una fase inicial, a partir de una gota colgante de masa fundida, con unos medios conocidos, se estira verticalmente hacia abajo por lo menos un cuello delgado, antes de que la rotación del cristal sea reducida a un número de revoluciones comprendido entre 0 y < 1 rpm, y, a continuación, en una fase de cultivo, se estira verticalmente hacia abajo un monocristal de Si con una sección transversal aproximadamente poligonal, utilizándose un inductor, que tiene unos medios para la distribución poligonal de la corriente, para la producción de un perfil de temperaturas, cuya forma junto al límite entre fases de crecimiento se corresponde con la forma de la sección transversal de la barra cristalina que se debe de estirar, luego se finaliza el crecimiento estacionario de la barra cristalina al haberse alcanzado la deseada longitud de estiramiento, y la barra cristalina se corta para la forma de discos con una sección transversal poligonal.

Hasta ahora, en el mundo especializado existía un consenso general acerca de que unos cristales con diámetros situados por encima de aproximadamente 40 mm, producidos...

1. Procedimiento para la producción de un disco monocristalino de Si, con una sección transversal aproximadamente poligonal y con la calidad del material de unos cristales de Si estirados por zonas, en el que

en una fase de iniciación, a partir de una gota colgante de masa fundida, con unos medios conocidos, se estira verticalmente hacia abajo por lo menos un cuello delgado, antes de que se reduzca la rotación del cristal hasta llegar a un número de revoluciones comprendido entre 0 y < 1 rpm, y,

a continuación, en una fase de cultivo, un monocristal de Si, con una sección transversal aproximadamente poligonal, se estira verticalmente hacia abajo,

utilizándose un inductor, que tiene unos medios para la distribución poligonal de la corriente, para la generación de un perfil de temperaturas, cuya forma junto al límite entre fases de crecimiento se corresponde con la forma de la sección transversal de la barra cristalina que se ha de estirar,

y luego se finaliza el crecimiento estacionario de la barra cristalina al haberse alcanzado la deseada longitud de estiramiento, y se corta la barra cristalina a la forma de unos discos con una sección transversal poligonal.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que,

antes de la reducción del número de revoluciones, se reduce provisionalmente la potencia del inductor en como máximo un 10%.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que,

al haberse alcanzado un diámetro que es necesario para las dimensiones superficiales del cristal que se ha de estirar, se detiene la rotación, es decir que ésta se reduce a 0 rpm.

4. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 3, en el que

la rotación del cristal es detenida tan sólo después de haberse formado un segmento en forma de cono que sigue al cuello delgado, y después de haberse alcanzado un diámetro que es necesario para las dimensiones superficiales del cristal que se ha de estirar.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que

la rotación del cristal es detenida en una tal orientación cristalográfica azimutal de la barra de cristales en crecimiento, con relación a las rendijas del inductor, en la que que la simetría del cristal está adaptada a la simetría del inductor.

6. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 5, en el que

para la producción de una barra monocristalina de Si, con una sección transversal aproximadamente cuadrada, se utiliza un inductor con una rendija principal y tres rendijas secundarias, estando adaptadas las dimensiones del intersticio a la deseada sección transversal, y siguiendo las rendijas del inductor, después de su detención, a las diagonales de la sección transversal cuadrada resultante.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que

en el caso de un cristal <100> que se ha de estirar, las cuatro costuras de crecimiento son dispuestas en alineación con las cuatro rendijas del inductor.

8. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 6, en el que

en la fase de cultivo de la barra monocristalina de Si, con una sección transversal aproximadamente cuadrada, ésta se hace girar periódicamente, por intervalos, en cada caso exactamente en 90º.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, en el que

el período de tiempo de permanencia de la barra monocristalina de Si con una sección transversal aproximadamente cuadrada, en una posición azimutal definida, es esencialmente más largo que el período de tiempo de la rotación de la barra de Si.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que

para la producción de una barra monocristalina de Si estirada por zonas, con una sección transversal poligonal redondeada, la barra de Si es sometida adicionalmente a un campo magnético rotatorio con una frecuencia situada por debajo de 1.000 Hz.

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el que

el cristal en crecimiento se hace girar muy lentamente con un número de revoluciones < 1 rpm.