Procedimiento y dispositivo para la fabricación de monocristales a partir de material semiconductor.

Procedimiento para la fabricación de monocristales a partir de material semiconductor con las propiedades delmaterial de un monocristal extaído por zonas,

en el que el monocristal es generado en un cristal de vacunación apartir de la colada, que se encuentra como mar de colada sobre un montón que está constituido por materialsemiconductor granulado, que es extraído hacia arriba a través de un inductor plano (llamado inductor de Pancace),atravesado por una corriente HF, que presenta un arrollamiento y una ranura como alimentación de corriente, através del orificio central de este inductor plano, caracterizado por que el material semiconductor granulado (2) seencuentra en un recipiente (1) permeable para campos magnéticos de alta frecuencia, cuya pared no entra encontacto con el mar de colada (7) y en la superficie de este montón (2) se genera a través del acoplamiento depotencia térmica del inductor plano (4) dispuesto por encima del recipiente (1) así como a través de la actuacióntérmica de al menos otro inductor (8, 9), que está dispuesto fuera del recipiente (1), un campo de temperatura, quegarantiza la aparición de un mar de colada (7) abierto y suficientemente profundo en la superficie del montón (2) degrano grueso, que está incrustado en material semiconductor (2) no fundido.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DE2010/001371.

Solicitante: FORSCHUNGSVERBUND BERLIN E.V..

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Rudower Chaussee 17 12483 Berlin ALEMANIA.

Inventor/es: FISCHER, JORG, ABROSIMOV,NIKOLAI V, RIEMANN,HELGE, RENNER,MATTHIAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • C30B15/10 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C30 CRECIMIENTO DE CRISTALES.C30B CRECIMIENTO DE MONOCRISTALES (por sobrepresión, p. ej. para la formación de diamantes B01J 3/06 ); SOLIDIFICACION UNIDIRECCIONAL DE MATERIALES EUTECTICOS O SEPARACION UNIDIRECCIONAL DE MATERIALES EUTECTOIDES; AFINAMIENTO DE MATERIALES POR FUSION DE ZONA (afinamiento por fusión de zona de metales o aleaciones C22B ); PRODUCCION DE MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA (colada de metales, colada de otras sustancias por los mismos procedimientos o aparatos B22D; trabajo de materias plásticas B29; modificación de la estructura física de metales o aleaciones C21D, C22F ); MONOCRISTALES O MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA; TRATAMIENTO POSTERIOR DE MONOCRISTALES O DE MATERIALES POLICRISTALINOS HOMOGENEOS DE ESTRUCTURA DETERMINADA (para la fabricación de dispositivos semiconductores o de sus partes constitutivas H01L ); APARATOS PARA ESTOS EFECTOS. › C30B 15/00 Crecimiento de monocristales por estirado fuera de un baño fundido, p. ej. método de Czochralski (bajo un fluido protector C30B 27/00). › Crisoles o recipientes para sostener el baño fundido.
  • C30B15/14 C30B 15/00 […] › Calentamiento del baño fundido o del material cristalizado.
  • C30B29/06 C30B […] › C30B 29/00 Monocristales o materiales policristalinos homogéneos de estructura determinada caracterizados por los materiales o por su forma. › Silicio.

PDF original: ES-2449699_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Procedimiento y dispositivo para la fabricación de monocristales a partir de material semiconductor

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la fabricación de monocristales a partir de material semiconductor. En este caso, un cristal de vacunación monocristalino es sumergido en la superficie de fundición, es parcialmente fundido y controlado en dirección vertical, con lo que crece un monocristal. Este proceso de fabricación fundamental del silicio monocristalino es casi idéntico, independiente de su utilización, por ejemplo en la electrónica o bien en la industria solar.

Debido a la necesidad fuertemente elevada y cada vez más creciente de silicio monocristalino como material de partida de células solares y para la electrónica han sido desarrollados procedimientos, con los que se pueden fabricar económicamente monocristales con el menos número posible de impurezas y de dimensiones grandes. De esta manera son habituales y se han descrito diferentes procedimientos para la fabricación de tales monocristales.

Un procedimiento estándar habitual y difundido para la fabricación de monocristales es el procedimiento Czochralski, en el que el material de semiconductores que debe extraerse de un monocristal es llevado a un crisol de cuarzo para la fundición y a partir de esta fundición se extrae el cristal hacia arriba. Los inconvenientes esenciales de este procedimiento consisten en que la colada disuelve en cualquier caso el crisol, con lo que la colada y, por lo tanto, el cristal se contaminan, y el crisol de cuarzo debe sustituirse después de un tiempo de actividad relativamente corto. Existen también soluciones, para conseguir con métodos costosos para el crisol que cuarzo un tiempo de actividad más prolongado, como se describe en el documento DE 102 17 946 A1. Sin embargo, en cualquier caso solamente se extrae un cristal con contaminaciones típicas de CZ, que están distribuidas adicionalmente axialmente de forma inhomogénea.

En el documento DE 24 16 489 se describe un procedimiento para el cultivo de monocristales escasamente mezclados o bien libres de mezclas de silicio de acuerdo con el procedimiento Czochralski, en el que deben eliminarse los inconvenientes del procedimiento Czochralski por que en lugar de un crisol, de manera similar al procedimiento de pedestal, se utiliza una barra de reserva fundida como fuente de material. En el caso de utilización de un inductor como fuente de calor y selección adecuada de la frecuencia de la corriente alterna que circula a través del inductor, no se funde, como consecuencia del desplazamiento de la corriente en combinación con las pérdidas de calor laterales en la superficie de la barra de reserva, una capa marginal sólida, que representa un recipiente para la colada y de esta manera posibilita una extracción del cristal libre de sustancias extrañas de una manera similar al procedimiento de pedestal. Un inconveniente esencial de esta solución consiste en que solamente se pueden extraer cristales, que presentan un diámetro esencialmente menor que la barra de reserva. Además, en esta solución, el borde no fundido de la barra de reserva debe ceder, debido a la conductividad relativamente buena del material macizo para su estabilización, mucho calor que debe compensarse a través de la alimentación de energía inductiva.

También en el procedimiento descrito en el documento DE 44 47 398 deben eliminarse los inconvenientes del procedimiento Czochralski. A tal fin, está previsto que el material semiconductor que se encuentra en el crisol sea fundido en primer lugar a través de una bobina de inducción. De esta manera aparece en primer lugar una colada, que rellena el crisol. La potencia calefactora se reduce a continuación hasta el punto de que se configura una capa sólida estable en la pared interior del crisol. La capa marginal solidificada es, en su función, una capa de pasivación y proporciona adicionalmente un cuerpo de fondo para la auto-estabilización de la temperatura en la colada. Durante la fase del recalentamiento de la colada, ésta entra en reacción con la pared exterior del crisol, llegando oxígeno y otras contaminaciones a la colada. Como en el ejemplo precedente, también en esta solución debe cederse mucha energía a las zonas marginales en el entorno más frío, para estabilizar aquí la capa marginal sólida. El volumen de los cristales a fabricar con el dispositivo propuesto es limitado, puesto que debido a la ausencia de posibilidades de recalentamiento de la colada no es posible una recarga con Si sólido y una recarga con silicio líquido implicaría una entrada de sustancias extrañas.

Otro procedimiento es el procedimiento de Zona Flotante (FZ) , con el que se pueden extraer monocristales de Si de alta pureza. En el documento DE 30 07 377 A1 se describen los rasgos básicos del procedimiento FZ. Aquí son inconvenientes el diámetro limitado y los altos costes de fabricación de barras brutas policristalinas adecuadas.

Un tercer procedimiento para la fabricación de monocristales es el procedimiento de pedestal igualmente libre de crisol. Una barra policristalina es fundida a través de un inductor en todo su lado frontal superior. La zona fundida es puesta en contacto a través de la abertura del inductor con un cristal de vacunación y el monocristal creciente, a diferencia del procedimiento de fundición por zonas, es extraído hacia arriba. Un inconveniente esencial del procedimiento de pedestal es que el diámetro del cristal extraído es claramente menor que el de la abertura del inductor de la barra bruta.

Las etapas esenciales del procedimiento y las características esenciales del dispositivo, que son características para el procedimiento de pedestal, se describen en el documento DE 21 10 882 A1. Una barra policristalina, que está constituida por el material semiconductor, es fundida en su cima a través de una calefacción, a partir de la cual se

extrae entonces un monocristal.

Otro ejemplo para la extracción del monocristal de acuerdo con el procedimiento de pedestal se representa en detalle en el documento CA 7135245 A.

También en el documento US 2.961.305 A se ha descrito una solución para la extracción de un monocristal de acuerdo con el procedimiento de pedestal.

El inconveniente esencial del procedimiento de pedestal clásico consiste en que el monocristal extraído presenta siempre un diámetro más reducido que la barra bruta utilizada. La barra bruta tiene de nuevo un diámetro limitado, que está predeterminado por el procedimiento Siemens para la fabricación de silicio. Especialmente para un diámetro grande del cristal es cada vez más desfavorable su relación con respecto al diámetro de la barra de reserva por razones técnica de calor. Para evitar estos inconvenientes se conocen otras soluciones, que utilizan el procedimiento de pedestal.

Así, por ejemplo, se describe en el documento DE 35 19 632 A1 un procedimiento y un dispositivo para la extracción de barras de silicio monocristalino, en el que se rellena un granulado de silicio en un recipiente, en el que debe generarse un mar de colada en la superficie, a partir del cual se puede extraer entonces el monocristal. Para la generación del mar de colada está previsto que a través del flujo de corriente se calienten dos electrodos de silicio, de tal manera que a través del flujo de corriente entre dos electrodos de silicio, que penetran en el granulado, se calienta el granulado hasta el punto de que se forma un mar de colada. Pero este procedimiento no se puede realizar en la práctica, puesto que los electrodos, que deben estar fabricados de silicio, para no contaminar la colada resultante y, por lo tanto, el cristal a extraer, a la temperatura de la colada tienen una resistencia eléctrica específica aproximadamente 30 veces más alta que la colada resultante. De esta manera, por cada unidad de volumen se convierten aproximadamente 30 % de la energía eléctrica alimentada en el mar de colada en calor, mientras que el 97 % restante aproximadamente de la energía eléctrica debe liberarse en los electrodos de silicio sólidos, lo que conduciría a que éstos o bien se fundirían ellos mismos o, en cambio, se solidificaría la colada.

Otro ejemplo se representa en el documento DE 35 25 177 A1. Aquí se insertan los electrodos de silicio en taladros, que están realizados en un bloque de silicio macizo. A través de la fundición de los electrodos de silicio y la refrigeración del bloque de silicio debe conseguirse que entre dos electrodos de silicio se genere un arco voltaico, que se enciende a través de un tercer electrodo de silicio. El inconveniente de esta solución consiste especialmente en que los electrodos deben calentarse adicionalmente y debe refrigerarse el bloque de... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para la fabricación de monocristales a partir de material semiconductor con las propiedades del material de un monocristal extaído por zonas, en el que el monocristal es generado en un cristal de vacunación a partir de la colada, que se encuentra como mar de colada sobre un montón que está constituido por material semiconductor granulado, que es extraído hacia arriba a través de un inductor plano (llamado inductor de Pancace) , atravesado por una corriente HF, que presenta un arrollamiento y una ranura como alimentación de corriente, a través del orificio central de este inductor plano, caracterizado por que el material semiconductor granulado (2) se encuentra en un recipiente (1) permeable para campos magnéticos de alta frecuencia, cuya pared no entra en contacto con el mar de colada (7) y en la superficie de este montón (2) se genera a través del acoplamiento de potencia térmica del inductor plano (4) dispuesto por encima del recipiente (1) así como a través de la actuación térmica de al menos otro inductor (8, 9) , que está dispuesto fuera del recipiente (1) , un campo de temperatura, que garantiza la aparición de un mar de colada (7) abierto y suficientemente profundo en la superficie del montón (2) de grano grueso, que está incrustado en material semiconductor (2) no fundido.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el material semiconductor granulado (2) presenta un tamaño de grano de 0, 01 mm a 20 mm.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el orificio central (5) del inductor (4) en forma de disco de una espiral presenta para la extracción de un cristal (6) con sección transversal redonda de la misma manera una sección transversal redonda.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que para la extracción de un cristal redondo (6) , el husillo de extracción (3) gira alrededor de su eje con el cristal (6) en crecimiento.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que para la extracción de un cristal (6) con sección transversal rectangular, el orificio central (5) del inductor (4) en forma de disco de una espiral presenta de la misma manera una sección transversal rectangular.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que para la extracción de un cristal (6) con sección transversal poligonal, el orificio central (5) de inductor (4) en forma de disco de una espiral presenta una sección transversal analógica.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la corriente de alta frecuencia, que fluye a través del inducir plano (4) , presenta una frecuencia entre 1 y 4 MHz.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la corriente de alta frecuencia, que fluye a través de los otros inductores (8, 9) , presenta una frecuencia entre 5 y 500 kHz.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que se recarga material semiconductor granulado (2) de acuerdo con la velocidad de extracción de monocristal (6) en el mar de colada y se funde, de manera que su nivel (H2) se mantiene constante en el recipiente (1) .

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el recipiente (1) gira alrededor de su eje con el material semiconductor granulado (2) .

11. Dispositivo para la fabricación de monocristales a partir de material semiconductor con las propiedades del material de un monocristal extraído por zonas, con el procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que por encima del recipiente (1) en forma de disco, que está lleno con material semiconductor granulado (2) , está dispuesto un inductor (4) plano configurado en forma de disco, que presenta una ranura principal como alimentación de corriente y un orificio central (5) , que corresponde a la sección transversal deseada del cristal, a través del cual se puede extraer hacia arriba el monocristal (6) por medio de un dispositivo de extracción (3) y este inductor (4) en forma de disco dispone de un orificio o escotadura adicional, a través del cual se rellena material semiconductor a través de un dispositivo de recarga (10) , así como al menos otro inductor (8, 9) rodea el recipiente (1) desde el exterior.

12. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la dilatación lateral del inductor (4) plano de una espiral configurado en forma de disco excede la sección transversal del cristal en todos los cantos exteriores en más de 20 a 30 mm y es al menos 1, 5 a 2 veces mayor que la sección transversal del cristal.

13. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que el orificio central (5) del inductor (4) plano de una espiral configurado en forma de disco presenta una forma que corresponde a la sección transversal deseada del cristal, que permite extraer el cristal a través de este orificio, de tal manera que se evita un contacto entre el inductor y el cristal o el menisco de colada.

14. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por al menos otro inductor (8) , que está realizado

como bobina y está dispuesto alrededor del recipiente.

15. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que un inductor plano (9) adicional está dispuesto debajo del recipiente.

16. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por que el recipiente (1) está constituido de un material aislante eléctrico resistente a la temperatura y a la abrasión.

17. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 17, caracterizado por que el recipiente (1) está constituido de vidrio de cuarzo.


 

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