ES2260330T3 - Un horno de campo magnetico y su metodo de utilizacion para fabricar cristales de estructura dendritica. - Google Patents

Abstract

Un aparato para fabricar un cristal de estructura dendrítica, incluyendo: a) una cámara (100); b) un conjunto de equipo de crecimiento (142) situado en dicha cámara (100), utilizándose dicho conjunto de equipo de crecimiento (142) para cultivar un cristal de estructura dendrítica; y c) un generador de campo magnético rodeando el perímetro de dicha cámara (100), utilizándose dicho generador de campo magnético para obtener un campo magnético en una dirección vertical durante el crecimiento, donde dicho generador de campo magnético incluye un conjunto en espiral (112) rodeando dicho perímetro de dicha cámara (100); caracterizado por: d) una chapa de enfriamiento (116A) en comunicación térmica con dicho conjunto en espiral (112), y por e) una envuelta (120) para contener esencialmente dicho campo magnético dentro de dicha cámara (100) donde dicha envuelta (120) incluye un cuerpo de vaina (122) que tiene una pestaña superior (124) que se extiende desde un extremo del cuerpo de vaina (122) y unapestaña base (126) enfrente de dicha pestaña superior (124) y encerrando el otro extremo de dicho cuerpo de vaina (122) y donde dicha envuelta (120) incluye además un elemento de fijación de campo (130) dispuesto dentro de dicha cámara (100)

Description

Un horno de campo magnético y su método de utilización para fabricar cristales de estructura dendrítica.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a fabricar sustratos semiconductores, más en particular a un sistema y método para fabricar cristales usando un horno de campo magnético.

En GB-A-2135595 se describen un método y aparato para estabilizar las posiciones de borde de una cinta sacada de una masa fundida. Incluye el uso de hilos humectables estirados en paralelo a través de la superficie de la masa fundida, cultivándose la cinta entre los hilos.

En WO 0009784A se describe un proceso para crecimiento de estructuras dendríticas. El proceso incluye disponer una masa fundida, cultivar un cristal de estructura dendrítica a partir de la masa fundida, rellenar la masa fundida durante el paso de cultivar el cristal de estructura dendrítica, y aplicar un campo magnético a la masa fundida durante el paso de cultivar el cristal de estructura dendrítica.

Se usan comúnmente cristales de cinta de estructura dendrítica como sustratos para pilas solares a causa de su alta pureza química, baja densidad de defectos estructurales, forma rectangular, y tamaño de cristal relativamente fino. Además, las pilas solares fabricadas a partir de silicio de estructura dendrítica poseen eficiencias de conversión de energía luminosa a energía eléctrica de hasta 17,3%, que es comparable a las altas eficiencias obtenidas usando procesos caros tal como silicio de zona flotante y otros procesos complejos conocidos.

La figura 1 ilustra una cinta u hoja de un cristal de silicio de estructura dendrítica 10. El cristal de silicio de estructura dendrítica 10 se retira como un monocristal de una primera región de masa fundida de silicio 12A. Segundas regiones de masa fundida de silicio 12B están separadas de la primera región de masa fundida 12A por barreras 14. Las barreras 14 se implementan para proporcionar alguna medida de aislamiento térmico entre regiones de masa fundida de silicio primera y segunda 12A y 12B. Pequeños agujeros (no ilustrados) en las barreras 14 permiten que el silicio fundido fluya de las segundas regiones de masa fundida 12B a la primera región de masa fundida 12A. Manteniendo la primera región de masa fundida 12A justo por debajo del punto de fusión del silicio, se congela continuamente cristal en la primera región de masa fundida 12A. Las segundas regiones de masa fundida 12B se rellenan calentándola por encima del punto de fusión y alimentando mecánicamente pelets de silicio a las segundas regiones de masa fundida 12B. Las regiones de masa fundida de silicio primera y segunda 12A y 12B se contienen en un crisol 16.

El cristal de silicio 10 se cultiva típicamente empujando una semilla 18 en una dirección hacia arriba a una velocidad de aproximadamente 1,8 cm/min. El cristal de silicio de estructura dendrítica resultante 10 incluye una porción de hoja de silicio 20 delimitada por dendritas de silicio 22. La porción de hoja 20 tiene típicamente una anchura de aproximadamente 3 a 8 cm y un grosor de aproximadamente 100 \mum en comparación con las dendritas nominalmente cuadradas, que tienen típicamente un grosor de aproximadamente 550 \mum. Para sostener el crecimiento de cristal antes descrito, la estructura de soporte de dendrita se regenera continuamente en puntas de dendrita puntiagudas 24 debajo de la superficie de la masa fundida contenida en la primera región de masa fundida 12A.

Los procesos convencionales de crecimiento de estructuras dendríticas de cristal tienen varios inconvenientes tales como la "metastablilidad", que produce la terminación prematura del crecimiento de cristal. Se puede lograr longitudes de cristal de solamente uno o dos metros cuya producción comercial no es viable. Para proporcionar un producto comercialmente mejorado, se descubrió que la aplicación de un campo magnético a la masa fundida, de la que se saca cristal, produce mejoras, incluyendo la estabilización de crecimiento de estructuras dendríticas de cristal. Una solicitud de patente titulada "Método y sistema para estabilizar el crecimiento de cristal de estructura dendrítica", WO-A-0009784, (Número de serie 09/294.529, presentada el 19/4/99) cedida al cesionario de la presente invención, describe la aplicación de un campo magnético al crecimiento de estructuras dendríticas de cristal. Un ejemplo de dicho campo magnético se ilustra en la figura 2. La figura 2 ilustra una cámara de horno 30 que tiene un imán de dipolo que incluye un par de polos opuestos físicamente identificables 32A y 32B. Un intervalo operativo G, situado entre los polos 32A y 32B, es la posición en la que está colocado un equipo de crecimiento 34 para contener un crisol. Bobinas 36A y 36B están enrolladas alrededor de los polos 32A y 32B, respectivamente, para crear un campo magnético horizontal, es decir, en general a lo largo del eje X o Y. El yugo externo 38 conecta magnéticamente los polos 32A y 32B.

Lo que se ha descubierto ahora es que se puede obtener una multitud de ventajas si se aplica un campo magnético vertical, es decir, en general a lo largo del eje Z, a equipo de crecimiento 34, en contraposición a un campo horizontal, es decir, en general a lo largo del eje X o Y. Para producir un campo magnético vertical, los polos 32A y 32B se deben colocar en la parte superior e inferior de la cámara 30. Esta configuración, sin embargo, interfiere con la producción de cristales de estructura dendrítica. Más específicamente, el polo superior sirve como una barrera física que evita la extracción de la hoja mediante la parte superior de la cámara 30. Por consiguiente, se necesita un generador magnético que produce un campo magnético generalmente vertical sin interferir con la producción de cristales de hoja.

Resumen

Según un aspecto de las realizaciones de la presente invención, se facilita un aparato para fabricar un sustrato semiconductor tal como cristales de hoja, como se expone en la reivindicación 1. El aparato incluye una cámara y un conjunto de equipo de crecimiento situado en la cámara. El conjunto de equipo de crecimiento se utiliza para cultivar el sustrato. Un generador de campo magnético rodea el perímetro de la cámara. El generador de campo magnético se utiliza para obtener un campo magnético durante el proceso de crecimiento. La cámara incluye un eje vertical (ilustrado como eje Z) que puede ser definido en general por la dirección longitudinal de crecimiento de cristal. El generador de campo magnético produce un campo magnético que está generalmente en dicha dirección vertical.

El generador de campo magnético incluye un conjunto en espiral que rodea el perímetro de la cámara. El conjunto en espiral incluye al menos un elemento de devanado para recibir una corriente eléctrica. Una chapa de enfriamiento está en comunicación térmica con el conjunto en espiral. La chapa de enfriamiento se utiliza para transferir calor generado a partir de la corriente eléctrica que pasa por el elemento de devanado. El calor se puede extraer haciendo circular agua a través de tubos de enfriamiento dispuestos en la chapa de enfriamiento. Los tubos de enfriamiento pueden estar aislados eléctricamente de los elementos de devanado para reducir considerablemente o eliminar la electrólisis.

Una envuelta encierra al menos parcialmente el generador de campo magnético. La envuelta se utiliza para contener el campo magnético dentro de la envuelta, para controlar la dirección del campo magnético dentro de la cámara, y mejorar la intensidad del campo magnético en la posición del conjunto de equipo de crecimiento.

La envuelta incluye un cuerpo de vaina que tiene una pestaña superior que se extiende desde un extremo el cuerpo de vaina y una pestaña base enfrente de la pestaña superior y encierra el otro extremo del cuerpo de vaina. La envuelta se puede hacer de un material ferromagnético e incluye un elemento de fijación de campo dispuesto dentro de la cámara y colocado encima del conjunto de equipo de crecimiento. El elemento de fijación de campo tiene un agujero por el que se puede extraer una hoja de cristal del conjunto de equipo de crecimiento. El elemento de fijación de campo está en comunicación magnética con la pestaña superior, estando colocada la pestaña superior fuera de la cámara. Se puede usar un aro de transición para acoplar magnéticamente la pestaña superior al elemento de fijación de campo.

Según otra realización, se puede disponer una chapa de conformación de campo en la cámara para soportar el conjunto de equipo de crecimiento. La chapa de conformación de campo puede mejorar el campo magnético sobre el conjunto de equipo de crecimiento. La chapa de conformación de campo pueden tener un grosor variable para definir una configuración geométrica seleccionada, dependiendo la intensidad del campo magnético de la configuración geométrica.

Según otro aspecto de la invención, se facilita un sistema de campo magnético para una cámara de horno, como se expone en la reivindicación 13.

Según otro aspecto de las realizaciones de la invención, se facilita un proceso para fabricar cristales de estructura dendrítica, como se expone en la reivindicación 15. El proceso incluye los pasos de proporcionar una cámara que tiene un conjunto de equipo de crecimiento, conteniendo el conjunto de equipo de crecimiento una masa fundida; cultivar un sustrato de la masa fundida; y aplicar un campo magnético a la masa fundida durante el dicho paso de cultivo, donde dicho campo magnético se aplica en la dirección longitudinal del crecimiento dentro de la cámara. El generador de campo magnético circunscribe el perímetro de la cámara para aplicar el campo magnético a la masa fundida.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de un crisol convencional para cultivar un cristal de estructura dendrítica.

La figura 2 es una vista esquemática en sección de una cámara de horno convencional usada para producir un sustrato, la cámara incluye un imán dipolo para aplicar un campo magnético horizontal a un crisol.

La figura 3 es una vista lateral en sección de una realización de una cámara de horno que tiene un generador de campo magnético con una envuelta magnética.

La figura 4 es una vista lateral en sección de una realización de una cámara de horno que tiene un generador de campo magnético con una envuelta magnética.

La figura 5 es una vista ampliada de una sección de un elemento de devanado del generador de campo magnético coronado por una chapa de enfriamiento.

La figura 6 es una vista en planta desde arriba de una realización de un aro de transición usado con la cámara de horno.

La figura 7 es una vista en planta desde arriba de una realización de un elemento de fijación de campo que tiene un agujero para poder extraer la hoja de la cámara de horno.

La figura 8 es una vista en planta desde arriba de la cámara de horno con una sección parcial cortada.

Las figuras 9A-C ilustran varias realizaciones alternativas para una chapa de conformación de campo soportada por un separador para la envuelta magnética.

La figura 10 es una vista en perspectiva cortada de un conjunto convencional de equipo de crecimiento, usado para fabricar cristales de estructura dendrítica.

La figura 11 es una vista esquemática en planta desde arriba de un crisol para el conjunto de equipo de crecimiento de la figura 10.

La figura 12 es un gráfico de los tubos de flujo magnético obtenido de cálculos del sistema magnético para la cámara de horno de las figuras 3 y 4.

La figura 13 es un gráfico de la variación del factor mmf geométrico con la anchura de la dimensión estrecha del agujero en el elemento de fijación de campo con relación al intervalo operativo, según una realización de la presente invención.

La figura 14 es un gráfico de la variación del factor mmf geométrico con el radio de polo con relación al intervalo operativo para el sistema de dipolo ilustrado en la figura 2.

Y las figuras 15A y 15B son gráficos que comparan el campo magnético de dispersión del sistema y horno según una realización de la invención, con el del sistema magnético de dipolo de la figura 2.

Descripción detallada de las realizaciones de la invención Aparato

Con referencia ahora a los dibujos, donde partes idénticas se identifican con números de referencia idénticos, las figuras 3 y 4 ilustran una cámara de horno 100 usada para fabricar sustratos semiconductores, tal como sustratos tipo monocristal o policristal. Las personas con conocimientos ordinarios en la técnica entienden que las realizaciones de la presente invención se pueden usar para la fabricación de hoja de silicio y crecimiento de cinta, incluyendo cinta de hilo producida por Evergreen Solar y hoja de alimentación de película definida por borde (EFG) producida por ASE Americas. A los efectos de la explicación, sin embargo, las realizaciones de la presente invención se describirán con referencia a la producción de cristales de estructura dendrítica.

La estructura de la cámara 100 puede ser definida en general por un capuchón de cámara superior 102 que encierra un cuerpo cilíndrico inferior 104. La cámara 100 puede tener forma de campana en general y puede incluir una estructura de pared doble 106 encerrando un intervalo 108, por ejemplo, de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 12 mm. A modo de ejemplo, y no de limitación, el cuerpo cilíndrico inferior 104 puede tener un diámetro de aproximadamente 600 mm. La cámara 100 pueden tener varias formas geométricas, incluyendo elíptica, cuadrada, etc, y la forma geométrica no se deberá interpretar como limitación de lo que se ha descrito e ilustran las figuras. El intervalo 108 proporciona unos medios para sacar calor y controlar la temperatura de la cámara 100 haciendo circular un fluido refrigerante, por ejemplo, agua, dentro del intervalo 108. Se puede usar materiales no ferromagnéticos, tal como acero inoxidable austenítico, para fabricar la cámara 100. Orificios de visión 110, dispuestos encima de la cámara 100, penetran a través de una pared doble 106 para que el operador pueda supervisar los cristales de estructura dendrítica durante el proceso de fabricación. Los orificios de visión 110 se ilustran orientados a aproximadamente 45° al eje Z para dar al operador una línea de visión directa.

Un conjunto en espiral de forma cilíndrica 112, colocado fuera de la pared doble 106, rodea el cuerpo cilíndrico inferior 104, es decir, encaja como un aro alrededor del cuerpo cilíndrico 104. El conjunto en espiral 112 se utiliza para generar un campo magnético en una dirección generalmente vertical dentro de la cámara 100. "Vertical" se define como la dirección generalmente paralela al eje Z ilustrado. Alternativamente, "vertical" se define como la dirección generalmente paralela al crecimiento longitudinal de los cristales de hoja. El conjunto en espiral 112 se ilustra aproximadamente centrado alrededor del eje Z, que se ha trazado a través del centro de la cámara 100; sin embargo, el conjunto en espiral 112 puede estar alineado asimétricamente con el eje Z. Las personas con conocimientos ordinarios en la técnica pueden apreciar que se puede emplear otras configuraciones geométricas, tal como elípticas o cuadradas, en el conjunto en espiral 112.

En una realización comercial útil, el conjunto en espiral 112 puede incluir cuatro elementos de devanado separados 114A, 114B, 114C, y 114D, conectados eléctricamente en serie. Los elementos de devanado 114A-D pueden estar formados, por ejemplo, por 65 vueltas de tira de cobre, de 1,245 mm x 50,8 mm, y enrolladas continuamente con un aislamiento eléctrico entre vueltas de 0,08 mm de grosor. Son adecuados los aislamientos como mylar.

En una realización, se puede disponer tres chapas de enfriamiento anulares 116A, 116B, y 116C entre cada par de elementos de devanado adyacentes 114A-D. Las chapas de enfriamiento 116A-C se pueden hacer de cualquier material adecuado, tal como aluminio, y pueden tener cualquier grosor adecuado, por ejemplo, 10 mm. Se puede emplear chapas de enfriamiento más gruesas, más resistentes y más robustas 116D y 116E hechas, por ejemplo, de aluminio de 20 mm de grosor, para tapar los elementos de devanado superior e inferior 114A y 114D. Las chapas de enfriamiento 116A-E proporcionan unos medios para sacar o disipar el calor óhmico generado por la corriente eléctrica que pasa a través de los elementos de devanado 114A-D. Se puede hacer circular un fluido refrigerante tal como agua a través de las chapas de enfriamiento 116A-E mediante tubos de enfriamiento 118, por ejemplo, tubos de cobre introducidos en las chapas de enfriamiento 116A-E. Un aspecto importante de la realización estructural descrita es el aislamiento eléctrico de tubos de enfriamiento 118 de elementos de devanado 114A-D. En el caso de enfriamiento por agua, aislamiento eléctrico de tubos de enfriamiento 118 de elementos de devanado 114A-D elimina considerablemente la electrólisis y la necesidad de usar agua de refrigeración desionizada, lo que, en efecto, minimiza el costo operativo y el mantenimiento.

Con referencia a la figura 5, se ilustra una vista ampliada de una sección de elemento de devanado 114A coronado por la chapa de enfriamiento 116D. El tubo de enfriamiento 118 está situado en la chapa de enfriamiento 116D. Tiras de cobre 113 pueden formar el elemento de devanado 114A y pueden incluir aislamiento eléctrico 115 tal como mylar. En una realización, se puede usar tela de fibra de vidrio entrelazada 117 como unos medios para aislar eléctricamente los elementos de devanado 114A-D de las chapas de enfriamiento 116A-E. Todo el conjunto en espiral 112 también se puede envolver con cinta de fibra de vidrio, seguido de impregnación al vacío con resina epoxi, para efectuar un solo conjunto en espiral rígido impermeable 112. El conjunto en espiral 112 deberá poseer alta integridad contra el esfuerzo generado por expansión y contracción térmica durante el funcionamiento. La fibra de vidrio impregnada con resina entre los bordes de los elementos de devanado 114A-D y las superficies adyacentes de las chapas de enfriamiento 116A-E proporciona una conductividad térmica suficientemente alta para la transferencia eficiente de
calor.

Las realizaciones del conjunto en espiral 112 no se deberán limitar a dicha descripción. Las personas con conocimientos ordinarios en la técnica pueden apreciar varias implementaciones, incluyendo: cualquier número operativo de elementos de devanado 114A-D y chapas de enfriamiento 116A-E (por ejemplo dos y tres, respectivamente); otros materiales adecuados usados para los elementos de devanado 114A-D tal como aluminio; y otros materiales no ferromagnéticos adecuados usados para las chapas de enfriamiento 116A-E, tal como acero inoxidable austenítico. Además, los elementos de devanado 114A-D se pueden hacer usando alambre de cobre o aluminio rectangular, cuadrado, o sólido en vez de tira fina. En una realización alternativa, se puede usar tubo rectangular, cuadrado, o circular de cobre o aluminio para los elementos de devanado 114 que se pueden enfriar directamente pasando un fluido refrigerante desionizado a través del agujero del tubo conductor, en vez de usar enfriamiento indirecto por conducción térmica a las chapas de enfriamiento 116A-E.

El aislamiento entre vueltas se puede implementar usando otros métodos y materiales, tal como envolviendo el conductor con una cinta aislante, deslizando un manguito de aislamiento sobre el conductor, o recubriendo el conductor con una película aislante, por ejemplo, cobre esmaltado o aluminio anodizado. Las estructuras antes descritas se aplican a bobinas resistivas donde el material conductor tiene una conductividad eléctrica no cero. También sería posible utilizar una bobina superconductora. Sin embargo, aunque esto daría lugar a disipación de potencia cero en la bobina, existiría la complicación y el gasto de mantener la bobina superconductora a temperaturas muy bajas, por ejemplo, inferiores a 260°C, para el caso de los materiales superconductores de hoy día.

En una realización, una envuelta de material ferromagnético blando (es decir, material que se magnetiza fácilmente, tal como acero bajo en carbono), ilustrado en general como 120, envuelve el cuerpo cilíndrico inferior 104 y el conjunto en espiral 112. Otros materiales adecuados se describen en Electronic Designers' Handbook, 2ª Ed., de L.J. Giacoletto (1977). Las funciones de la envuelta ferromagnética 120 incluyen, aunque sin limitación, contener el campo magnético dentro de la envuelta 120 y reducir por ello el campo magnético de dispersión externo, controlar la dirección del campo magnético con la cámara 100, y mejorar la intensidad del campo magnético dentro de una región central de la cámara 100.

En una realización, la envuelta 120 se puede hacer de un número de componentes incluyendo una envuelta cilíndrica 122, una pestaña superior 124 que se extiende desde la envuelta cilíndrica 122, y una pestaña base 126, enfrente de la pestaña superior 124 y que se extiende desde la envuelta cilíndrica 122.

Un aro de transición ferromagnético blando 128 sirve como un medio de acoplamiento para conectar magnéticamente la pestaña superior 124, que está colocada en la pared doble exterior 106, a un elemento ferromagnético blando de fijación de campo 130, que está colocado dentro de la cámara 100. El aro de transición 128 puede estar acoplado entre el capuchón de la cámara superior 102 y el cuerpo cilíndrico inferior 104. El aro de transición 128, como se ilustra en la figura 6, incluye agujeros 129 formados alrededor de su circunferencia para permitir que el fluido refrigerante, por ejemplo, agua, circule alrededor del intervalo 108 del capuchón de cámara superior 102 al cuerpo cilíndrico inferior 104. El aro de transición 128 también incluye agujeros de sujeción 131 para poder sujetar el aro de transición 128 al elemento de fijación de campo 130.

El fluido refrigerante recoge el calor generado por la cámara 100. El fluido refrigerante también enfría el aro de transición 128 y el elemento de fijación de campo 130 y los mantiene a una temperatura suficientemente baja (por ejemplo, 500°C-300°C) para evitar la degradación de sus propiedades magnéticas. Aunque más caro que el acero suave al carbono, construir el aro de transición 128 de acero inoxidable magnético martensítico inhibe considerablemente la corrosión nociva producida por el agua de refrigeración.

Con referencia a las figuras 3 y 8, los terminales roscados 132, conectados a la vuelta primera y última del conjunto en espiral 112, son accesibles mediante una muesca 134 en la envuelta cilíndrica 122. Las conexiones 136 a las chapas de enfriamiento helicoidales 116A-E también son accesibles mediante la muesca 134. La penetración del campo de dispersión a través de la muesca 134 es despreciablemente pequeña porque el flujo magnético a través de envuelta cilíndrica 122 se puede dividir y pasar por ambos lados de la muesca 134.

La orientación y disposición física del conjunto en espiral 112 y la envuelta ferromagnética 120 producen un campo magnético vertical de intensidad suficiente (por ejemplo, 500-3000 Gs) para estabilización del crecimiento de cristal. La envuelta 120, incluyendo el elemento de fijación de campo 130, puede ser de masa relativamente baja (por ejemplo, 350-450 Kg), pero tener grosor suficiente para no magnetizarse completamente o saturarse magnéticamente por el flujo magnético generado en el campo magnético requerido máximo de al menos 1500 Gs. Los ejemplos de grosor adecuado T_{i} (figuras 3 y 4) incluyen aproximadamente 8 mm a aproximadamente 40 mm, más exactamente aproximadamente 12 mm a aproximadamente 25 mm. La envuelta 120, incluyendo el elemento de fijación de campo 130, se puede construir de cualquier material ferromagnético blando adecuado tal como acero bajo en carbo-
no.

Con referencia a las figuras 3 y 4, en otra realización, la envuelta magnética 120 puede incluir además una chapa de conformación de campo 138 soportada por un separador 140. La chapa de conformación de campo 138 soporta un conjunto de equipo de crecimiento de cristal 142, colocado en general en el centro de cámara 100. Las funciones de la chapa de conformación de campo 138 incluyen, aunque sin limitación, mejorar el campo magnético sobre una masa fundida de silicio (12A de la figura 1) y controlar la variación de la intensidad del campo magnético a lo largo de la masa fundida de silicio en la dirección X. La chapa de conformación de campo 138 y el separador 140 también se pueden hacer de un material ferromagnético blando tal como acero al carbono. La chapa de conformación de campo 138 puede tener un grosor ejemplar T_{2} de aproximadamente 25 mm a aproximadamente 40 mm. El separador 140 proporciona un espacio S de aproximadamente 30 mm a aproximadamente 100 mm, más exactamente de aproximadamente 50 mm a aproximadamente 70 mm de la superficie superior de pestaña base 126 a la superficie inferior de la chapa de conformación de campo 138. Las funciones del separador 140 incluyen, aunque sin limitación, eficiente acoplamiento magnético de la chapa de conformación de campo 138 a la pestaña base 126, disponer espacio debajo de la chapa de conformación de campo 138 para el equipo de los filamentos calentadores y disponer un espacio vertical grande dentro de la envuelta 120 en el que encajar el conjunto en espiral 112 y por lo tanto reducir la potencia requerida de la bobina.

Como ilustran las figuras 9A, 9B, y 9C, la chapa de conformación de campo 138 puede tener un grosor variable para crear una superficie superior no plana. Con referencia a la figura 9A, la chapa de conformación de campo 138 tiene una región media que es más fina que las regiones exteriores. Tal construcción mejora el campo magnético en cada extremo de la masa fundida de silicio con relación al campo en el centro de la masa fundida. Alternativamente, como se ilustra en la figura 9B, con la región media que tiene un mayor grosor que las regiones exteriores, el campo magnético en los extremos de la masa fundida de silicio se reduce con relación al campo en el centro. Según otra realización, como se ilustra en la figura 9C, la chapa de conformación de campo 138 puede tener una superficie contorneada para variar selectivamente el campo magnético sobre la masa fundida de silicio.

La envuelta ferromagnética 120, incluyendo el elemento de fijación de campo 130, la chapa de conformación de campo 138 y el separador 140, produce una intensidad del campo magnético de aproximadamente 500 Gs a aproximadamente 3000 Gs que corresponde a la disipación de potencia de aproximadamente 170 Vatios a aproximadamente 6300 Vatios en las bobinas.

Como se ilustra bien en la figura 3, el conjunto de equipo 142 puede estar parcialmente encerrado por un aislante térmico, tal como elementos de grafito 144. Encerrando la parte inferior y los lados del conjunto de equipo 142, los elementos de grafito 144 proporcionan aislamiento térmico para minimizar la potencia necesaria para mantener un elemento de crisol 146 (véase la figura 10) a la temperatura requerida operativa (por ejemplo, aproximadamente 1400°C).

Una solicitud de patente titulada "Método y sistema para estabilizar el crecimiento de cristal de estructura dendrítica", WO-A-0009784 (número de serie 09/294.529, presentada el 19/4/99), cedida al cesionario de la presente invención, e incorporada a la presente memoria por referencia, describe un elemento de crisol 146. Brevemente, con referencia a la figura 10 y 11, el elemento de crisol 146 incluye una primera región de masa fundida 148A rodeada por segundas regiones de masa fundida 148B. La primera región de masa fundida 148A está separada de segundas regiones de masa fundida 148B por barreras 150. Pequeños agujeros (no ilustrados) en las barreras 150 permiten que la composición fundida, por ejemplo, silicio, fluya de las segundas regiones de masa fundida 148B a la primera región de masa fundida 148A. Manteniendo la primera región de masa fundida 148A justo por debajo del punto de fusión del cristal de silicio (1412°C), el cristal se congela continuamente de primera región de masa fundida 148A. La primera región de masa fundida 148A se rellena calentando las segundas regiones de masa fundida 148B por encima del punto de fusión del cristal y alimentando mecánicamente pelets de silicio a las segundas regiones de masa fundida 148B mediante agujeros de alimentación 152. Una tapa 154, por ejemplo, una tapa de molibdeno (Mo), y blindajes 156 cubren el elemento de crisol 146. Un agujero (se ha omitido el número) está dispuesto en la tapa 154 y los blindajes 156 para permitir la salida de un cristal de estructura dendrítica 158 del conjunto de equipo 142. Los blindajes 156, que sirven para reducir la pérdida de calor de la tapa 154, crean un perfil de temperatura vertical en el cristal de estructura dendrítica 158 para enfriar el cristal de estructura dendrítica 158 con mínimo esfuerzo térmico. Calentadores de resistencia 160 pueden rodear e impartir suficiente energía térmica mediante un susceptor 162 para mantener el componente de conjunto de equipo 142 y el cristal de estructura dendrítica cultivado 158 a la temperatura apropiada durante el crecimiento de cristal. Con referencia de nuevo a la figura 3, pasa corriente eléctrica a los calentadores de resistencia 160 mediante un acoplamiento de alimentación 164 en la pestaña base 126.

Como se ilustra bien en las figuras 3 y 4, el cristal de estructura dendrítica 158 es expulsado mecánicamente o extraído de la parte superior de la cámara de horno 100, a lo largo del eje Z, a través de un agujero 166 en el elemento de fijación de campo 130 y un orificio abierto 168 de la cámara de horno 100. La figura 7 es una vista en planta desde arriba del elemento de fijación de campo 130 que tiene un cuerpo circular 170 con un agujero rectangular 166. El agujero rectangular 166 se ilustra con una longitud L a lo largo del eje X y una anchura W a lo largo del eje Y. La longitud L y la anchura W pueden ser de cualquier dimensión adecuada y preferiblemente W deberá ser lo más pequeña que sea posible para reducir la penetración de campo magnético a través del agujero 166, y mantener el campo magnético más mejorado en la masa fundida de silicio. A modo de ejemplo, la longitud L puede ser de aproximadamente 150 mm a aproximadamente 350 mm, más exactamente de aproximadamente 250 mm a aproximadamente 300. Una longitud adecuada también deberá permitir una línea directa de visión a la formación de cristal de estructura dendrítica. A modo de ejemplo, la anchura W puede ser de aproximadamente 50 mm a aproximadamente 180 mm, más exactamente de aproximadamente 80 mm a aproximadamente 120 mm. El cristal de estructura dendrítica 158, como se ilustra en la figura 10, tiene anchura a lo largo del eje X, longitud a lo largo del eje Z, y grosor a lo largo del eje
Y.

Las personas con conocimientos ordinarios en la técnica pueden apreciar otras varias realizaciones que se pueden implementar con la presente invención. Por ejemplo, el conjunto en espiral 112 requiere solamente una modesta potencia de bobina y posee excelente autoblindaje magnético. En consecuencia, el agujero rectangular 166 del elemento de fijación de campo 130 se puede hacer más grande en la dirección Y sin un aumento rápido consiguiente en el factor mmf geométrico k o la potencia de la bobina, o el campo magnético de dispersión externo. El agujero 166 del elemento de fijación de campo 130 también puede asumir otras formas tales como elíptica, circular, etc. Estas otras realizaciones pueden ser ventajosas para controlar el perfil de temperatura vertical del cristal de estructura dendrítica.

Campo magnético vertical

La orientación y disposición física del conjunto en espiral 112 y la envuelta magnética 120 produce un campo magnético en la dirección vertical para estabilizar el crecimiento de cristal. Se han observado otros beneficios que incluyen, aunque sin limitación, reducción de la potencia y el volumen de bobina necesarios para obtener resultados beneficiosos equivalentes en la producción del producto, longitudes medias más largas del cristal, y reducción de erosión de los componentes de la cámara 100, incluyendo el equipo de crecimiento 142 y el crisol de cuarzo 146 de la figura 11, que contiene el silicio fundido. La configuración del sistema magnético de la realización de la presente invención es bastante diferente del sistema de imán dipolo convencional. El imán dipolo convencional, como se ilustra en la figura 2, genera un campo horizontal en la dirección X o Y. El imán dipolo convencional tiene un par de polos físicamente identificables 32A y 32B y bobinas 36A y 36B enrolladas alrededor de cada polo 32A y 32B, respectivamente. El intervalo operativo G, que es el espacio entre polos 32A y 32B, contiene un equipo de crecimiento 34. Un yugo externo 38 conecta magnéticamente los polos 32A y 32B. Es muy difícil utilizar tal dipolo convencional para generar un campo vertical (dirección Z). Cuando se oriente de esta forma, es decir, un polo situado en la parte superior de la cámara 30 y el otro en la parte inferior de la cámara 30, el polo superior y la bobina interferirán con la extracción de la hoja a través de la parte superior de cámara 30. Expresado en términos simples, el polo superior y la bobina proporcionarían un obstáculo físico encima de la cámara 30, haciendo difícil sacar la
hoja.

Con el sistema magnético de las realizaciones de la presente invención, solamente se emplea un único conjunto en espiral 112 que rodea la cámara 100. Así, se elimina el uso de un par distinto de polos opuestos. A lo sumo hay un polo vestigial formado por el separador 140 y la chapa de conformación de campo 138. Se crea un campo magnético vertical a lo largo del eje Z sin necesidad de colocar un polo encima de la cámara 100, y con un agujero adecuadamente grande 166 para retirar la hoja y supervisar su formación sin obstrucciones visuales.

Con referencia a las figuras 4 y 12, ahora se calculan las amp-vueltas de la bobina J o fuerza magnetomotriz (mmf) necesaria para activar el flujo magnético de la superficie superior (en Z=zy) de la chapa de conformación de campo 138, a través del intervalo operativo G conteniendo el conjunto de equipo de crecimiento 142, al borde inferior (a y=yy) de abrir 166 de elemento de fijación de campo 130. Según la ley de Ampere [J. C. Slater y N. H. Frank, Electromagnetism, Mcgraw-Hill, 1947, págs. 59-62]:

(1)J \approx \frac{1}{\mu_{0}} \left\{\int_{z_{1}}^{G+z_{1}} B_{z}(0,0,z)dz + \int_{0}^{y_{1}} B_{y}(0,y,G + z_{1})dy \right\}

La fuerza magnética necesaria para activar el flujo magnético mediante la envuelta ferromagnética 120 es despreciablemente pequeña en comparación con la fuerza magnetomotriz J dada por la ecuación (1) para activar el flujo magnético a través del intervalo operativo, a condición de que el grosor de la envuelta ferromagnética 120 sea suficiente para evitar que la envuelta se magnetice completamente, es decir, sature magnéticamente.

\newpage

Dado que el campo magnético B en el intervalo operativo es generalmente a lo largo de la dirección Z, el flujo magnético 0 viene dado aproximadamente por la integral de B_{Z} sobre la zona de fijación de campo 130 y la pestaña superior 124. En otros términos

(2)\Phi \approx \left\{\int \int B_{z} (x,y,G + z_{1})dxdy\right\}

? \pi/4 \ B_{0}D_{c}{}^{2}

donde B_{0} es el componente z del campo magnético en la interface hoja-masa fundida (es decir, en z = 0) y D_{C} es el diámetro medio del conjunto en espiral 112. Si D_{S} es el diámetro medio de la vaina 122 y B_{S} es la densidad de flujo límite en la vaina 122, para evitar saturación magnética, el grosor mínimo de la vaina 122 es

(3)T_{min} \ ? \ \Phi / \pi D_{s}B_{s} \ ? \ B_{0}D_{c}{}^{2} / 4B_{s}D_{s}

Los valores ejemplares para el horno y generador magnético representados en la figura 3 son

B_{0} = 3 kg

D_{C} = 668 mm

D_{S} = 835 mm

B_{S} = 18 kg

que dan un groso mínimo de la vaina 122 T_{min} de 22,3 mm.

La pestaña superior 124, la pestaña base 126 y el elemento de fijación de campo 130 también deberán tener este grosor mínimo cerca de sus perímetros exteriores para evitar la saturación magnética. Con referencia a la figura 7, es de importancia práctica hacer el agujero de fijación de campo 166 más largo en la dirección X que en la dirección Y para que el operador del horno supervise la formación de cristal y el crecimiento con una cámara de vídeo. Se deberá observar que yy se hace pequeño para minimizar el segundo término en la ecuación (1) y por lo tanto la mmf. Una segunda razón para mantener yy pequeño es minimizar la penetración de campo magnético a través del agujero y la salida al entorno externo del operador.

Se obtiene una comprensión más clara de la ecuación (1) si se escribe de la forma siguiente

(4)J = \frac{1}{\mu_{0}}kB_{0}G

donde k es un factor mmf geométrico dependiente de la estructura detallada de la envuelta 120 y en menor medida de la de la bobina. Comparando la ecuación (1) con la ecuación (4) se deduce que

(5)k = \frac{1}{B_{0}G} \left\{\int_{z_{1}}^{G+z_{1}} B_{z}(0,0,z)dz + \int_{0}^{y_{1}} B_{y}(0,y,G + z_{1})dy \right\}

El significado de k resulta ahora evidente. En un caso ideal cuando yy = 0 y el campo es perfectamente uniforme (B_{Z} = B_{0}), el segundo término en la expresión para k se desvanece y el primer término es la unidad. Se sigue que

(6)k \geq 1

y cuanto más próximo es k a la unidad, más ideal es la estructura desde el punto de vista de minimizar la mmf dada por la ecuación (4).

El valor de k se puede calcular teóricamente usando un código tal como POISSON/SUPERFISH, LA-UR-87-115, 1987 Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545. La figura 12 muestra el resultado de tal cálculo para la realización de las figuras 3 y 4. Las líneas de contorno 180 representan tubos incrementales iguales de flujo magnético. El valor de k frente a yy/G se representa en la figura 13. Para y_{1} = 56 mm y G = 200 mm, como se representa en la figura 4, obtenemos

(7)k = 1,2

Para un dipolo convencional del tipo representado en la figura 2 el valor de k frente a RIG, donde R es el radio de polo, es mucho más alto como se representa en la figura 14. Por ejemplo, con el horno representado en la figura 3, G=500 mm y

(8)k = 1,57

para un radio de punta de polo de R=125 mm.

Se ve por la figura 12 que la envuelta 120 que encierra el conjunto en espiral 112 contiene efectivamente el campo magnético. La única penetración de campo significativa es la del agujero 166 en el elemento de fijación de campo 130. Se puede producir penetración menor en otros agujeros que puede haber en el sistema, por ejemplo el agujero 182, como resultado de la construcción o el montaje del sistema. Como se representa en las figuras 15A y 15B, las realizaciones de la presente invención pueden reducir el campo magnético de dispersión en un factor de 10 a 100, en comparación con un imán de campo horizontal aplicado al mismo horno. En la figura 15A, el eje vertical designado por las letras A a L son las posiciones físicas a lo largo del eje Z en la cámara 100, comenzando en la parte superior de la cámara 100 y terminando al nivel del suelo. En la figura 15B, A a F son posiciones laterales, es decir, a lo largo del eje X, en z = 0 a través de la parte delantera de la cámara 100.

Lograr una baja disipación de potencia de la bobina es importante en un sistema comercial puesto que ésta impacta directamente en el costo operativo y de capital de una factoría de producción. En el caso de una bobina cilíndrica de longitud de vuelta media L y área de cobre en sección transversal A, la disipación de potencia P es

(9)P = \frac{J^{2}L}{\sigma A} = \frac{k^{2}B_{0}^{2}G^{2}L}{\sigma \mu_{0}^{2}A}

donde \sigma es la conductividad eléctrica del material de devanado de la bobina. Desde el punto de vista del costo de capital, el volumen V del conductor de bobina también es importante.

(10)V = LA

La Tabla siguiente muestra que una potencia de bobina de 2,8 kW y un volumen de cobre de 0,038 m^{3} producen un campo de 2000 Gauss en la masa fundida de silicio en el caso del imán de campo vertical. Esto es solamente 40% de la potencia y 60% del volumen de cobre necesario para lograr el mismo campo con un imán dipolo de campo horizontal convencional. La masa M del imán de campo vertical también es considerablemente menor.

\vskip1.000000\baselineskip

Parámetro	Campo vertical	Campo horizontal
Conductor de bobina	Cobre	Cobre
B_{0} (Gauss)	2.000	2.000
G (mm)	200	500
k	1,12	1,57
L (mm)	2.100	1.225
A (mm^{2})	18.080	51.600
V (m^{3})	0,038	0,063
M (kg)	890	2490
P (kW)	2,80	7,04

Se puede obtener otras ventajas comerciales significativas relacionadas con el crecimiento de cristal con la multitud de realizaciones de la presente invención. Por ejemplo, con el mismo equipo de crecimiento, un campo de 1500 Gauss estabiliza el crecimiento de cristal en comparación, por ejemplo, con 2000 Gauss para la disposición convencional ilustrada en la figura 2. Con referencia a la ecuación (9), la operación en este campo estabilizante más bajo reduce la potencia de la bobina de 2,80 kW a 1,58 kW, es decir, un 43%.

Otra ventaja ejemplar es que se producen longitudes medias más largas del cristal. Por ejemplo, se han fabricado longitudes de aproximadamente 9,4 m, por encima de la viabilidad comercial actual de 4,5 m.

Otra ventaja ejemplar es que se puede obtener una reducción de la velocidad de erosión del crisol de cuarzo de aproximadamente 50%. De forma ilustrativa, un grosor de pared de crisol de 2 mm proporciona 18 vueltas día en comparación con 9 vueltas día para un sistema que emplea la disposición de la figura 2.

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El volumen operativo V_{w} en la cámara de horno 100 se puede hacer más grande o más pequeño escalando espacialmente las dimensiones de la cámara 100 un factor S, en cuyo caso

(11)V_{w} \square\mathring{a} S^{3}

Según la ecuación (9), el factor de potencia de la bobina P_{\sigma}/ B^{2} escala como S, es decir,

(12)P\sigma/B^{2} \square\mathring{a} S \square\mathring{a} V_{w}{}^{1/3}

Según la ecuación (3) se sigue que, para evitar la saturación, la masa de la envuelta ferromagnética 120 debe variar como S^{3}. La masa del conjunto en espiral 112 también variará como S^{3} y por lo tanto la masa del generador magnético M en conjunto varía como S^{3}, es decir,

(13)M \square\mathring{a} S^{3} \square\mathring{a} V_{w}

Tomando en cuenta las relaciones escalares anteriores, un coeficiente de calidad independiente de escala fm para las múltiples realizaciones de la presente invención es

(14)f_{m} = B^{2} V_{w}{}^{4/3} / PM\sigma

Si se utiliza enfriamiento refrigerado para reducir \sigma, la potencia P deberá incluir la potencia consumida por el refrigerador así como la potencia óhmica disipada en los devanados.

La potencia de bobina P y la masa del generador magnético M son medidas en vigor del costo operativo y del costo de capital, respectivamente. A medida que estos disminuyen para un campo magnético dado B, el coeficiente de calidad fm aumenta correspondientemente.

Con referencia a la figura 3, el cuerpo cilíndrico inferior 104 encierra un volumen cilíndrico operativo V, de dimensiones ejemplares de 585 mm de diámetro por 300 mm de altura, dando un valor

V_{w} = 0.7854 x 300 x 585^{2} = 8.0635 x 10^{7} mm^{3}

Usando

\sigma = 5.8 x 10^{4} mm/ohm

para la conductividad del devanado de cobre y B = 2.000 Gs, P = 2.800 W, M=890 kg dado en la tabla anterior, la ecuación (15) da un coeficiente de calidad

f_{m} = 0.964 Ohm Gs^{2} mm^{3}/kg W

Por comparación, el imán horizontal convencional descrito en la tabla tiene un coeficiente de calidad f_{m} = 0,137, sobre un factor de 6 menor que el del imán de campo vertical. Con la práctica de la presente invención, se puede lograr un coeficiente de calidad f_{m} superior a aproximadamente 0,5.

Es importante tener acceso rápido conveniente a las partes interiores de la cámara de horno 100 para sustituir un crisol erosionado, quitar depósitos de silicio y mantener el equipo interior del horno. Con referencia a la figura 3, al conjunto de equipo de crecimiento 142 se accede elevando la cámara 100, el conjunto en espiral 112, y las partes 122, 124, y 126 de envuelta 120 como un subconjunto integral usando un aparato mecánico tal como elevador de tornillo o chigre. Después de la elevación, una rotación de 90 grados alrededor del eje X o Y proporciona acceso conveniente a la cámara 100 para limpieza y mantenimiento. Con referencia a la figura 3, una pestaña base 184, hecha de cualquier material adecuado, tal como acero inoxidable, se suelda a la base de la cámara 100 y facilita la formación de un subconjunto integral de las partes a elevar. El conjunto en espiral 112 se puede fijar a la pestaña base 184, por ejemplo, con seis pernos M12 enroscados a la chapa de enfriamiento inferior 116D. El aparato mecánico para elevar y girar el conjunto integral se puede fijar con pernos a la vaina 120 y la pestaña base 184. Hay un espacio libre pequeño de aproximadamente 1 mm entre la superficie exterior de aro de transición 128 y la superficie interior de pestaña superior 124. Este espacio libre facilita el montaje del horno y los componentes de imán. Dicho intervalo pequeño no aumenta considerablemente la mmf requerida para la potencia de la bobina, o el campo magnético de dispersión
externo.

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Operación y uso

La operación de la cámara de horno 100 en unión con el conjunto en espiral 112 para producir cristales de estructura dendrítica se ilustrará con el ejemplo siguiente. No se deberá interpretar que el ejemplo limita el alcance de las realizaciones de la invención. El crisol de cuarzo 16 (figura 1) se carga inicialmente con 275 g de pelets de silicio de alta pureza y después se coloca dentro de susceptor de molibdeno 162 (figura 10) de conjunto de equipo de crecimiento 142. Se ponen en posición la tapa de molibdeno 154 y la pila de blindaje de molibdeno 156 (figura 10). Con el conjunto de equipo de crecimiento 142 terminado, la porción superior de la cámara de horno 100 se baja a posición. El interior de la cámara 100 se rarifica posteriormente y comprueba para garantizar que la cámara 100 esté libre de escapes al ambiente exterior. Después de la verificación exitosa de escapes, el interior de la cámara se rellena con una atmósfera inerte de argón. Posteriormente se energizan los calentadores 160 (figura 10) a un nivel de potencia de 22 kW para fundir la carga de silicio. Se tarda aproximadamente 45 minutos en elevar la temperatura del silicio de temperatura ambiente a algo por encima de su punto de fusión de 1412°C. Una vez que el silicio está fundido, la potencia a calentadores 160 se reduce a aproximadamente 9 kW para mantener el silicio en el estado fundido. A continuación se abre el agua de refrigeración a las bobinas 112 (figura 3), y estas bobinas se elevan a un nivel de potencia de 2 kW en un período de 5 minutos para producir una intensidad del campo magnético de 1250 Gs en el centro de la masa fundida de silicio. Se ha hallado que 1250 Gs es adecuado para estabilizar el crecimiento de cristales de estructura dendrítica. Durante el período de crecimiento de cristal, típicamente dos semanas, la intensidad de campo permanece fija a 1250 Gs.

El crecimiento de un cristal se inicia sumergiendo semilla de dendrita 18 (figura 1) en el silicio fundido y regulando la temperatura del silicio hasta que la semilla 18 ni se funda ni se congela, sino que más bien "se mantiene" al punto de fusión de 1412°C. La temperatura de la masa fundida de silicio se baja posteriormente varios grados de manera que el silicio comience a congelarse sobre la semilla de monocristal y las "alas" de silicio sólido crezcan hacia fuera de la semilla de dendrita 18 de manera lineal en la superficie de la masa fundida. Cuando esta "salida de alas" llega a una longitud de aproximadamente 4 cm, la semilla de dendrita 18 comienza a ser empujada hacia arriba y se forman dendritas delimitadores en los extremos de la "salida de alas". Se forma una película de silicio fundido entre estas dendritas delimitadoras y la "salida de alas" superior y esta película se congela para formar la cinta monocristal de silicio fina (100 \mum). Se hacen ajustes de la velocidad de tracción y la temperatura de fusión hasta que se alcanza un estado de régimen en el que la hoja de se retira de la masa fundida a una velocidad de aproximadamente 1,8 cm/min. Para compensar el material de cristal sólido que se saca, la masa fundida se rellena con pelets de silicio que se dejan caer a la región 12B (figura 1) y se funden. La hoja de cristal se ensancha naturalmente a aproximadamente 6 cm en una longitud de unos pocos metros, y después permanece a dicho valor de régimen durante su crecimiento. A la terminación de un cristal por alguna de varias razones, se pone en marcha otro cristal como se ha descrito anteriormente. La intensidad del campo magnético vertical se mantiene constante durante todo el período de crecimiento de cristal, que dura típicamente aproximadamente dos semanas. A la terminación del período, la potencia a los calentadores se reduce a cero y se congela la masa fundida de silicio. Entonces la potencia a las bobinas 112 se reduce también a cero y la cámara se deja enfriar a temperatura ambiente para la limpieza y el inicio de la pasada siguiente.

Aunque se han mostrado y descrito realizaciones particulares de la presente invención, las personas con conocimientos ordinarios en la técnica pueden observar que se puede hacer cambios y modificaciones sin apartarse de las realizaciones de esta invención en sus aspectos más amplios. Por ejemplo, las ventajas que ofrecen el método y sistema de la presente invención se aplican, aunque sin limitación, al crecimiento de cristal de silicio de estructura dendrítica. También se puede cultivar cristal de estructura dendrítica que incluye otras muchas composiciones, tal como germanio, usando el método y sistema de la presente invención. Por consiguiente, las reivindicaciones anexas han de abarcar dentro de su alcance todos los cambios, equivalencia, y modificaciones que caigan dentro del alcance de las realizaciones de la presente invención.

Claims (15)

1. Un aparato para fabricar un cristal de estructura dendrítica, incluyendo:

a) una cámara (100);

b) un conjunto de equipo de crecimiento (142) situado en dicha cámara (100), utilizándose dicho conjunto de equipo de crecimiento (142) para cultivar un cristal de estructura dendrítica; y

c) un generador de campo magnético rodeando el perímetro de dicha cámara (100), utilizándose dicho generador de campo magnético para obtener un campo magnético en una dirección vertical durante el crecimiento, donde dicho generador de campo magnético incluye un conjunto en espiral (112) rodeando dicho perímetro de dicha cámara
(100);

caracterizado por:

d) una chapa de enfriamiento (116A) en comunicación térmica con dicho conjunto en espiral (112), y por

e) una envuelta (120) para contener esencialmente dicho campo magnético dentro de dicha cámara (100) donde dicha envuelta (120) incluye un cuerpo de vaina (122) que tiene una pestaña superior (124) que se extiende desde un extremo del cuerpo de vaina (122) y una pestaña base (126) enfrente de dicha pestaña superior (124) y encerrando el otro extremo de dicho cuerpo de vaina (122) y donde dicha envuelta (120) incluye además un elemento de fijación de campo (130) dispuesto dentro de dicha cámara (100)

2. El aparato de la reivindicación 1 a 2, caracterizado porque dicha chapa de enfriamiento (116A) se utiliza para transferir calor generado a partir de la corriente eléctrica que pasa por dicho conjunto en espiral (112), donde dicho calor es transferido haciendo circular agua por tubos de enfriamiento (118) dispuestos en dicha chapa de enfriamiento (116A), y donde dichos tubos de enfriamiento (118) están aislados eléctricamente de dicho conjunto en espiral (112) para eliminar considerablemente la electrólisis.

3. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque dicho conjunto en espiral (112) está aislado eléctricamente de dicha chapa de enfriamiento (116A).

4. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque dicho conjunto en espiral (112) se cubre con una resina epoxi y enrolla con una cinta de fibra de vidrio.

5. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde dicha envuelta (120) encierra al menos parcialmente dicho generador de campo magnético para contener el campo magnético dentro de la envuelta (120).

6. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde dicha envuelta (120) encierra al menos parcialmente dicho generador de campo magnético para controlar la dirección del campo magnético dentro de la cámara (100).

7. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde dicha envuelta (120) encierra al menos parcialmente dicho generador de campo magnético para mejorar la intensidad del campo magnético en la posición de dicho conjunto de equipo de crecimiento (142).

8. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde dicha envuelta (120) encierra al menos parcialmente dicho generador de campo magnético, donde dicha envuelta (120) se hace de un material ferromagnético.

9. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque un aro de transición (128) acopla magnéticamente dicha pestaña superior (124) a dicho elemento de fijación de campo (130).

10. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dicha cámara (100) incluye:

un capuchón de cámara superior (102) encerrando un cuerpo de cámara inferior (104), haciéndose dicho capuchón de cámara superior (102) y dicho cuerpo de cámara inferior (104) de una estructura de pared doble (106) separada por un intervalo (108), usándose dicho intervalo (108) para circular un fluido refrigerante dentro de dicha estructura de pared doble (106) para quitar el calor generado por dicha cámara (100), donde dicho aro de transición (128) se acopla entre dicho capuchón de cámara superior (102) y dicho cuerpo de cámara inferior (104), incluyendo dicho aro de transición (128) agujeros (129) que están alineados respectivamente con dicho intervalo (108) para permitir que dicho fluido refrigerante circule dentro de dicha estructura de pared doble (106).

11. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por incluir además una chapa de conformación de campo (138) dispuesta en dicha cámara (100) y que soporta dicho conjunto de equipo de crecimiento (142), mejorando dicha chapa de conformación de campo (138) el campo magnético sobre dicho conjunto de equipo de crecimiento (142).

12. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por incluir además una chapa de conformación de campo (138) dispuesta en dicha cámara (100) y que soporta dicho conjunto de equipo de crecimiento (142), donde dicha chapa de conformación de campo (138) tiene un grosor variable para definir una configuración geométrica seleccionada.

13. Un sistema de campo magnético para una cámara de horno (100) usada para fabricar cristales de estructura dendrítica, incluyendo un conjunto en espiral (112) para obtener un campo magnético dentro de dicha cámara de horno (100), donde dicho conjunto en espiral (112) incluye un elemento de devanado (114A) y dicho campo magnético está generalmente en una dirección vertical, caracterizado por

una envuelta ferromagnética (120) para contener esencialmente dicho campo magnético dentro de dicha cámara de horno (100), incluyendo un cuerpo de vaina (122) que tiene una pestaña superior (124) que se extiende desde un extremo del cuerpo de vaina (122) y una pestaña base (126) enfrente de dicha pestaña superior (124) y encerrando el otro extremo de dicho cuerpo de vaina (122) y donde dicha envuelta (120) incluye además un elemento de fijación de campo (130) dispuesto dentro de dicha cámara (100) y caracterizado además porque dicho conjunto en espiral (112) incluye una chapa de enfriamiento (116A) en comunicación térmica con dicho elemento de devanado (114A).

14. El sistema de campo magnético de la reivindicación 13, caracterizado porque dicho conjunto en espiral está dispuesto alrededor del perímetro de dicha cámara de horno.

15. Un proceso para fabricar un cristal de estructura dendrítica, incluyendo los pasos de:

a) disponer una cámara (100) que tiene un conjunto de equipo de crecimiento (142), conteniendo dicho conjunto de equipo de crecimiento (142) una masa fundida;

b) cultivar un sustrato a partir de dicha masa fundida; y

c) usar un generador de campo magnético para aplicar un campo magnético vertical a dicha masa fundida durante dicho paso de cultivo, donde dicho generador de campo magnético incluye un conjunto en espiral (112) rodeando un perímetro de dicha cámara (100);

donde dicho campo magnético se aplica en la dirección longitudinal del crecimiento del cristal de estructura dendrítica; y donde dicho generador de campo magnético circunscribe el perímetro de dicha cámara (100), caracterizado por el paso adicional de:

d) enfriar dicho conjunto en espiral (112) estableciendo comunicación térmica entre una chapa de enfriamiento (116A) y dicho conjunto en espiral (112); y

e) disponer una envuelta (120) para contener esencialmente dicho campo magnético dentro de dicha cámara (100), donde la envuelta (120) incluye un cuerpo de vaina (122) que tiene una pestaña superior (124) que se extiende desde un extremo del cuerpo de vaina (122) y una pestaña base (126) enfrente de dicha pestaña superior (124) y encerrando el otro extremo de dicho cuerpo de vaina (122) y donde dicha envuelta (120) incluye además un elemento de fijación de campo (130) dispuesto dentro de dicha cámara (100).