PROCEDIMIENTO PARA LA PRODUCCIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS SEMICONDUCTORAS SOBRE SUSTRATOS EXTERNOS.

Procedimiento para la producción de películas delgadas semiconductoras sobre sustratos externos.



La invención propone un procedimiento con el que puede aumentarse el tamaño promedio de los monocristales, en particular el diámetro de los monocristales, en una película delgada semiconductora aplicada sobre un sustrato externo, en un orden de magnitud con respecto a los procedimientos hasta el momento. El procedimiento se caracteriza porque en una primera etapa se aplica una película semiconductora delgada sobre el sustrato externo. Entonces se calienta el sustrato externo tan intensamente que la película delgada semiconductora se funde. A continuación se baja la temperatura lentamente hasta por debajo del punto de fusión del material semiconductor, calentándose durante el proceso de enfriamiento el sustrato externo, de tal manera que la temperatura, partiendo de la superficie del sustrato externo, disminuye de manera constante en dirección vertical transversalmente a través de la película delgada semiconductora hasta la superficie de la película delgada. De esta manera se garantiza que cristalice o solidifique la película delgada al bajarse lentamente la temperatura hasta por debajo de la temperatura de fusión de la película delgada semiconductora en sentido opuesto. Es decir, en primer lugar cristalizan las capas atómicas directamente junto a la superficie expuesta de la película delgada, después las capas atómicas situadas más profundas siguientes, etc., hasta que, en último lugar, cristalizan las capas atómicas en proximidad directa con la superficie del sustrato externo. A este respecto, las capas atómicas pueden orientarse libremente de manera inalterada, con la cristalización, directamente junto a la superficie expuesta de la película delgada, mediante lo cual se promueve la formación monocristales de gran superficie y algunas capas atómicas de monocristales gruesos. Estos sirven entonces como núcleos de crecimiento para las capas atómicas situadas más profundas siguientes, de tal manera que estos monocristales de gran superficie crecen en su grosor en la dirección a la superficie del sustrato externo. Únicamente las capas atómicas en proximidad directa con la superficie del sustrato externo se alteran durante la cristalización y degeneran dando una interfaz amorfa o policristalina. Para garantizar la evolución de la temperatura mencionada anteriormente transversalmente a través de la película delgada, debe seleccionarse como tipo de caldeo obligatoriamente o bien una fuente de caldeo aplicada de manera plana en el lado inferior del sustrato externo o bien un calentamiento del sustrato externo mediante paso de corriente eléctrica. El procedimiento es adecuado en particular para la producción de células solares de película delgada de alta eficiencia. El procedimiento es así mismo adecuado para un templado de alta calidad de películas delgadas semiconductoras de alta temperatura.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2013/062481.

Solicitante: THEIS, Jean-paul.

Nacionalidad solicitante: Luxemburgo.

Dirección: Porte des Ardennes, 1 9145 Erpeldange LUXEMBURGO.

Inventor/es: THEIS,Jean-paul.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H01L21/20 SECCION H — ELECTRICIDAD.H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS.H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctrica en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 21/00 Procedimientos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o el tratamiento de dispositivos semiconductores o de dispositivos de estado sólido, o bien de sus partes constitutivas. › Depósito de materiales semiconductores sobre un sustrato, p. ej. crecimiento epitaxial.
PROCEDIMIENTO PARA LA PRODUCCIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS SEMICONDUCTORAS SOBRE SUSTRATOS EXTERNOS.

Fragmento de la descripción:

El objetivo principal en la producción de películas delgadas semiconductoras sobre sustratos externos tales como por ejemplo metal, vidrio, cerámica o grafito, consiste en producir una película delgada con monocristales semiconductores del mayor tamaFio posible. El tamaiío, es decir el diámetro y el grosor, de los monocristales semiconductores determina de manera decisiva la calidad de la película delgada, en particular en el caso de células solares de película delgada, en las que el tamaiío de los monocristales tiene una influencia directa sobre el rendimiento de las células solares.

La diferente estructura cristalina de sustrato externo y semiconductor tiene la tendencia de allerar la formación o el crecimiento de monocristales semiconductores del mayor tamaiío posible en la película delgada. Un procedimiento de producción adecuado debe por lo tanto mantener lo más baja posible esta influencia negativa.

Los procedimientos hasta el momento consisten en la mayoría de los casos en aplicar, mediante un procedimiento de PVD (Physical Vapor Deposition) , CVD (Chemical Vapor Deposition) o PECVD (Physically Enhanced eVD) , material semiconductor policristalino sobre el sustrato extemo, y a continuación, mediante un procedimiento de fusión por zonas o mediante un curado (templado) de la película delgada a temperatura elevada, mejorar el tamaiío promedio de los monocristales de la pelicula delgada. A pesar de la intensiva investigación, ninguno de estos procedimientos pudo conseguir hasta el momento un tamaño promedio de los monocristales que sobrepase algunos mm de diámetro y aproximadamente 50 tJm de grosor.

La invención propone un procedimiento con el que puede aumentarse en un orden de magnitud de manera económica el tamaFio promedio de los monocristales, en particular el diámetro de los monocristales, en la película delgada.

El procedimiento de acuerdo con la invención se caracteriza por la combinación de las siguientes medidas: a) se aplica sobre un sustrato externo una pelicula delgada de material semiconductor policrislalino; b) se calienta el sustrato externo tan intensamente que la película delgada semiconductora funde a

una temperatura que se encuentra por encima de la temperatura de fusión de la película delgada semiconductora, después de lo cual se baja la temperatura lentamente hasta por debajo de la temperatura de fusión de la película delgada semiconductora y hasta la solidificación de la película delgada semiconductora, y a continuación se baja adicionalmente hasta temperatura normal; c) durante la bajada de la temperatura hasta por debajo de la temperatura de fusión de la película delgada semiconductora se calienta el sustrato externo de tal manera que la temperatura, partiendo de la superficie de contacto del sustrato externo con la pelicula delgada, disminuye de manera constante en dirección vertical transversalmente a través de la película delgada semiconductora hasta la superficie de la película delgada.

La medida c) es decisiva para la fo rmación de monocristales del mayor tamaiío posible. Debido a que la temperatura, partiendo de la superficie de contacto del sustrato externo con la película delgada, disminuye de manera constante en dirección vertical transversalmente a través de la película delgada semiconductora hasta la superficie de la pelicula delgada, se garantiza que la pelicula delgada cristalice o solidifique al bajar lentamente la temperatura hasta por debajo de la temperatura de fusión de la película delgada semiconductora en dirección opuesta. Es decir, en primer lugar cristalizan las capas atómicas directamente junto a la superficie expuesta de la película delgada, entonces las capas atómicas situadas más profundas siguientes, etc., hasta que, en último lugar, cristalizan las capas atómicas en proximidad directa con la superficie de contacto con el sustrato externo. A este respecto, las capas atómicas pueden orientarse libremente de manera inalterada, con la cristalización, directamente junto a la superficie expuesta de la película delgada, mediante lo cual se promueve la formación monocristales de gran superficie y algunas capas atómicas de monocristales gruesos. Estos sirven entonces como núcleos de crecimiento para las capas atómicas situadas más profundas siguientes, de tal manera que estos monocristales de gran superfiCie crecen en su grosor en la dirección a la superficie de contacto con el sustrato externo. Únicamente las capas atóm icas en proximidad directa con la superficie de contacto con el sustrato externo se alteran durante la cristalización y degeneran dando una pelicula delimitadora amoría o policristalina. Una bajada lenta de la temperatura hasta por debajo de la temperatura de fusión del material semiconductor se consigue y se garantiza mediante una reducción correspondiente de la potencia de caldeo.

La Figura 1 muestra la evolución de la temperatura descrita en la medida c) de la invención a lo largo de la coordenada x transversalmente a través de la película delgada semiconductora 20 en un instante t1, en el que toda la película delgada semiconductora está fundida, así como en un instante t2 posterior durante la bajada lenta de la temperatura T hasta ligeramente por debajo de la temperatura de fusión Tc, a la que la superficie de la pelicula delgada comienza a solidificar. Se muestra asi mismo la dirección de crecimiento 12 de los monocristales, a partir de la superficie en la dirección del sustrato extemo 30. El frente de cristalización 10 divide la pelicula delgada semiconductora 20, al bajarse la temperatura, en dos zonas: en una zona 25 monocristalina rigida y en la zona aún líquida restante de la película delgada semiconductora.

La medida el de la invención requiere obligatoriamente que la temperatura del sustrato extemo al enfriarse sea siempre más alta que la temperatura de la película delgada. Existen en principio dos posibilidades de conseguir esto:

1. en caso de que el sustrato externo se componga de una placa o lámina delgada y se recubra por un lado con una pelicula delgada, entonces esto puede conseguirse por que se aplica una fuente de calor de manera directamente plana sobre la superficie del sustrato extemo no recubierta, o por que el sustrato externo se calienta mediante paso de corriente eléctrica directo.

2. en caso de que el sustrato externo se componga de una placa o lámina delgada y se recubra por ambos lados o el sustrato extemo se componga de un cuerpo macizo o hueco con sólo una superficie exterior, por ejemplo una esfera, entonces, esto puede conseguirse imprimiendo mediante una fuente de calor, el calor desde el exterior sobre el sustrato externo y la pelicula delgada. Tan pronto como se haya alcanzado la temperatura deseada, puede reducirse la potencia de caldeo. Al enfriar se ajusta entonces una evolución de la temperatura transversalmente a través de la película delgada, que realiza la medida cl de la invención.

La disposición en el punto 2 no se ha descrito hasta el momento en la bibliografia ni se ha realizado mediante un aparato correspondiente. Todos los proced imientos descritos hasta el momento en la bibliografia se refieren por lo tanto a sustratos externos recubiertos por un lado y se caracterizan por que las medidas bl y cl de la invención nunca se realizan en el mismo instante. La medida cl de la invención no puede realizarse cuando la fuente de calor o de caldeo imprime o transfiere el calor desde el exterior sobre la película delgada, por ejemplo en el caso de calentamiento de alta frecuencia, calentamiento por inducción, calentamiento por resistencia y procedimientos de fusión por zonas, asi mismo, en reactores de CVD cilíndricos, mediante un calentamiento de la pared de reactor (Hot Wall Reaktor) . En estos tipos de caldeo, al calenta rse, el entamo que contiene gas en la mayoria de los casos está a una temperatura más alta que la película delgada semiconductora y el sustrato externo. Si entonces, para el enfriamiento se reduce la potencia de caldeo, entonces se invierte la caida de temperatura, es decir la temperatura disminuye de manera constante desde el interior de la peHcula delgada en la dirección de la superficie expuesta de la pelicula delgada y en la dirección del sustrato extemo. La consecuencia es que al bajarse la temperatura hasta por debajo de la temperatura de fusión de la película delgada semiconductora cristalizan o solidifican en primer lugar las capas atómicas junto a la superficie expuesta de la pelicula delgada y, al mismo tiempo, en las proximidades del sustrato extemo. Es decir, la dirección de crecimiento de los cristales va al mismo tiempo a partir de la superficie expuesta de la película delgada y desde la superficie de contacto del sustrato extemo con la película delgada en la dirección al...

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para la producción de películas delgadas semiconductoras, caracterizado por la combinación de las siguientes medidas:

a) se aplica sobre un sustrato externo una película delgada de malerial semiconductor policrislalino;

b) se calienta el sustrato externo tan intensamente que la película delgada semiconductora funde a una temperatura que se encuentra por encima de la temperatura de fusión de la película delgada semiconductora, después de lo cual se baja la temperatura lentamente hasta por debajo de la temperatura de fusión de la peHcula delgada semiconductora y hasta la solidificación de la película delgada semiconductora, y por último se baja adicionalmente hasta temperatura normal;

c) durante la bajada de la temperatura hasta por debajo de la temperatura de fusión de la película delgada semiconductora se calienta el sustrato externo de tal manera que la temperatura, partiendo de la superficie de contacto del sustrato externo con la película delgada, disminuye de manera constante en dirección vertical transversalmente a través de la película delgada semiconductora hasta la superficie de la pelicula delgada.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicació n 1, caracterizado por que el sustrato externo se compone de una placa o lámina de pared delgada con una superficie plana o abovedada.

3. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que el sustrato externo antes de la aplicación de la peHcula delgada de material semiconductor policristalino está provisto ya de una pelicula delgada semiconductora.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que las peHculas delgadas semiconductoras superpuestas se componen de diferente material semiconductor y pueden estar provistas de un dopado diferente.

5. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la aplicación de una peHcula delgada de material semiconductor policristalino sobre el sustrato externo se lleva a cabo en un recipiente de reacción a presión mediante precipitación a partir de la fase gaseosa y mediante combinación de las siguientes medidas:

d) antes de la precipitación se introducen en el recipiente de reacción a presión los gases de reacción en una cantidad determinada y hasta alcanzar una presión determinada;

e) a continuación se lleva a cado la precipitación a partir de la fase gaseosa, estando cerradas durante la precipitación las entradas y salidas del recipiente de reacción a presión;

f) tras finalizar la precipitación se evacuan los gases restantes a partir del recipiente de reacción a presión .

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que una o varias láminas separadas que sirven como sustrato externo discurren una sobre otra sobre varios planos con ayuda de una estructura de soporte adecuada.

7. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el calentamiento del sustrato externo tiene lugar mediante paso de corriente directo a través del sustrato externo.

8. Procedimiento para la producción de películas delgadas semiconductoras, caracterizado por la combinación de las siguientes medidas:

g) sobre un sustrato externo se aplica una película de SiC policristalino delgada homogénea; h) se lleva a cabo un templado de la película a una temperatura por encima de 1000 'C; a continuación se baja lentamente la temperatura;

i) durante el templado y durante el proceso de enfriamiento posterior se calienta el sustrato externo de tal manera que la temperatura, partiendo de la superficie de contacto del sustrato externo con la película delgada, disminuye de manera constante en dirección vertical transversalmente a través de la película delgada semiconductora hasta la superficie de la película delgada.

9. Procedimiento de acuerdo con la rei vindicación S, caracterizado por que el sustrato externo antes de la aplicación de la pelicula de SiC policristalino delgada está provisto ya de una película delgada semiconductora.


 

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