ES2350189T3

ES2350189T3 - Procedimiento y dispositivo de fabricación de monocristales.

Info

Publication number: ES2350189T3
Application number: ES05717694T
Authority: ES
Inventors: Thierry Duffar; Annie Fournier-Gagnoud
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: JP5160095B2; EP1713958B1; US20070277729A1; DE602005022676D1; EP1713958A1; WO2005078166A1; FR2865740B1; US7465355B2; FR2865740A1; JP2007519599A; ATE476537T1

Abstract

Dispositivo de fabricación de una fase sólida monocristalina (42) por solidificación de una fase líquida (44), que comprende: un crisol (40) adaptado para contener la fase sólida (42) y la fase líquida (44) y estando destinada por lo menos una de sus paredes a entrar en contacto con la fase líquida, estando la fase sólida separada del crisol por un intersticio (43); y un medio de calentamiento de la fase líquida adaptado para crear un gradiente térmico a nivel de una intercara (46) entre la fase líquida y la fase sólida, caracterizado porque comprende un medio de generación de un campo electromagnético (50) distinto del medio de calentamiento, para aplicar una presión electromagnética sobre la superficie de unión (48) de la fase líquida a nivel de dicha intercara que comprende por lo menos una espira (50) que rodea el crisol, y dispuesta frente a la zona en la cual se forma en funcionamiento dicha intercara.

Description

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo de fabricación de monocristales por solidificación de un líquido puesto en presencia de un sólido monocristalino.

Una aplicación de la presente invención se refiere a un dispositivo de fabricación de monocristales que comprende un crisol en el cual se colocan un germen del monocristal a formar y una fase líquida del cristal. El líquido es enfriado progresivamente a partir de la región en la proximidad del germen. El líquido se solidifica en primer lugar cerca del germen, y después la intercara líquido-sólido se desplaza en el interior del crisol hasta que la solidificación sea completa. Como el sólido nuevamente formado reproduce la estructura cristalográfica del sólido adyacente formado previamente, el germen impone poco a poco su estructura cristalográfica al conjunto del contenido del crisol.

Un problema de dicho procedimiento está sin embargo ligado a las diferencias de dilataciones térmicas entre el crisol y el cristal que contiene. En efecto, si el crisol se contrae más que el cristal durante el enfriado, el monocristal corre el riesgo de ser dañado

o incluso fracturado. Es, además, entonces difícil de extraer el monocristal del cristal, que debe ser generalmente destruido. Si el cristal se contrae más que el crisol, el cristal no queda tampoco forzosamente intacto puesto que tiende generalmente a adherirse al crisol después de la solidificación, y corre el riesgo por tanto de sufrir unas tensiones de tracción cuando tiene lugar el enfriado.

La figura 1 representa esquemáticamente un dispositivo de fabricación de monocristales que no presenta el inconveniente anteriormente mencionado. El dispositivo comprende un crisol 1 cilíndrico que contiene una fase sólida monocristalina 2 en su parte inferior y una fase líquida 3 a solidificar por encima de una intercara 4 con la fase sólida 2. La fase líquida 3 baña la pared del crisol 1, mientras que la fase sólida 2 está separada de la pared del crisol 1 por un intersticio 5. Un conducto superior 6 desemboca en el crisol 1 por encima de la superficie libre de la fase líquida 3, y un conducto inferior 7 desemboca también en el crisol 1, a nivel del intersticio 5. Los conductos 6 y 7 se reúnen a nivel de un sistema 8 adaptado para crear una presión diferencial de manera que la presión inyectada en el conducto inferior 7 es superior a la del conducto superior 6 en un valor sustancialmente igual a la presión hidrostática de la fase líquida 3, es decir a la presión producida por la altura de la columna de líquido 3. El intersticio 5 aparece espontáneamente en estas condiciones cuando el cristal se solidifica, uniéndose la intercara 4 a la pared del crisol 1 por un menisco 10 por encima del intersticio 5. Dicho ejemplo de dispositivo de fabricación de monocristales se describe en la solicitud de patente francesa 2 757 184 presentada a nombre del Commissariat à l’Energie Atomique.

La figura 2 representa un arrancado parcial de una variante del dispositivo de fabricación de monocristales de la figura 1 en el cual el crisol 11 está constituido por una ampolla herméticamente sellada puesta sobre un soporte 12. Una fase sólida 13 monocristalina está fijada al soporte 12 en el crisol 11 y está recubierta por una fase líquida 14. Un primer horno 15 rodea el crisol 11 sustancialmente enfrentado a la fase líquida 14. Un segundo horno 16 rodea el crisol 11 sustancialmente enfrentado a la fase sólida 13. Los primer y segundo hornos 15,16 imponen un gradiente de temperatura localizado en el crisol 11 provocando la solidificación de la fase líquida 14 a nivel de la intercara líquido–sólido. A medida que tiene lugar la solidificación de la fase líquida 14, el crisol hermético 11 es desplazado por movimiento del soporte 12 de manera que la intercara líquido-sólido está sustancialmente fija con respecto al primer y segundo hornos 15, 16 y se encuentra de forma permanente a nivel del gradiente de temperatura. Existe un intersticio 17 entre la fase sólida 13 y el crisol 11. La fase líquida 14 une la fase sólida 13 al crisol 11 por un menisco 18. El intersticio 17 está lleno de un gas neutro que asegura el mantenimiento del menisco 18. La presión del gas neutro está fijada por medio de un tercer horno 19 que calienta la parte inferior del crisol 11. Un ejemplo de dispositivo de fabricación de monocristales de este tipo se describe en la solicitud de patente francesa 2 806 100 presentada a nombre del Commissariat à l’Energie Atomique.

Los dispositivos de fabricación de monocristales anteriormente descritos permiten evitar el contacto entre el crisol y el monocristal. Sin embargo, la utilización de dichos dispositivos es delicada. En efecto, la diferencia entre las presiones aplicadas sobre el menisco 10, 18 y sobre la superficie libre de la fase líquida debe disminuir a medida que tiene lugar el crecimiento del cristal puesto que la altura de la columna líquida 3, 14, y por lo tanto la presión hidrostática resultante, disminuye. Además, el componente o los componentes que constituyen la fase líquida 3, 14 tienen unas tensiones de vapor que pueden ser elevadas. Esto puede traducirse por unos intercambios gaseosos no depreciables entre la fase líquida 3, 14 y el gas circundante, a nivel del menisco 10, 18 y a nivel de la superficie libre de la fase líquida 3, 14. Dichos intercambios complican el control del procedimiento de fabricación del monocristal puesto que tienden a modificar la diferencia entre las presiones aplicadas sobre el menisco 10, 18 y sobre la superficie libre de la fase líquida 3, 14. Además, para un monocristal que comprende varios componentes, dichos intercambios gaseosos tienden a modificar la proporción de los componentes en la fase líquida 3, 14. El monocristal obtenido puede entonces no tener la composición deseada. Es por tanto necesario tener en cuenta las tensiones de vapor de los componentes de la fase líquida 3, 14 para determinar la diferencia de presión a aplicar, lo que resulta ser muy delicado en la práctica, incluso contrario a la obtención del intersticio 5.

La presente invención prevé obtener un dispositivo de fabricación de monocristales por solidificación de un líquido puesto en presencia de un germen monocristalino que no presenta los inconvenientes anteriormente mencionados.

Para alcanzar este objetivo, la presente invención prevé un dispositivo de fabricación de una fase sólida monocristalina por solidificación de una fase líquida, que comprende un crisol adaptado para contener la fase sólida y la fase líquida y del que por lo menos una pared está destinada a estar en contacto con la fase líquida, estando la fase sólida separada del crisol por un intersticio; un medio de calentamiento de la fase líquida adaptado para crear un gradiente térmico a nivel de una intercara entre la fase líquida y la fase sólida; y un medio de generación de un campo electromagnético, distinto del medio de calentamiento, para aplicar una presión electromagnética sobre la superficie de unión de la fase líquida a nivel de dicha intercara que comprende por lo menos una espira que rodea el crisol, y dispuesta frente a la zona en la cual se forma en funcionamiento dicha intercara.

Según un modo de realización de la presente invención, el crisol está adaptado para contener la fase líquida dispuesta encima de la fase sólida. El dispositivo comprende un medio para aplicar una primera presión de gas sobre la superficie de unión y una segunda presión de gas sobre una superficie libre de la fase líquida opuesta a la fase sólida, siendo la primera presión de gas superior a la segunda presión de gas.

La presente invención prevé también un procedimiento de fabricación de una fase sólida monocristalina por solidificación de una fase líquida que comprende las etapas que consisten en prever un crisol que contiene la fase sólida y la fase líquida, estando la fase líquida en contacto con el crisol, y estando la fase sólida separada del crisol por un intersticio; en aplicar un gradiente térmico a nivel de una intercara entre la fase líquida y la fase sólida; y en aplicar simultáneamente una presión electromagnética sobre toda la superficie de unión de la fase líquida a nivel de dicha intercara.

Según un modo de realización de la invención, la fase líquida está situada por encima de la fase sólida, consistiendo el procedimiento en aplicar una primera presión de gas sobre la superficie de unión y una segunda presión de gas sobre una superficie libre de la fase líquida opuesta a la fase sólida, siendo la primera presión de gas superior a la segunda presión de gas.

Este objeto, características y ventajas, así como otras de la presente invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción siguiente de ejemplos de realización particulares proporcionada a título no limitativo en relación con las figuras adjuntas, en las que:

la figura 1, descrita anteriormente, representa esquemáticamente un dispositivo clásico de fabricación de monocristales; la figura 2, descrita anteriormente, representa esquemáticamente una variante del dispositivo de la figura 1; la figura 3 representa esquemáticamente un ejemplo de realización del dispositivo de fabricación de monocristales según la invención; y la figura 4 representa esquemáticamente una variante de realización del dispositivo de la figura 3.

Un ejemplo de realización de la presente invención se describirá para un dispositivo de fabricación de monocristales análogo a los representados en las figuras 1 y

2. Dicho dispositivo de fabricación de monocristales permite en particular obtener unos monocristales semiconductores de las familias II-VI (cristal de cadmio y de teluro CdTe) y III-V (cristal de galio y de arsénico GaAs, cristal de indio y de fosforo InP, cristal de galio y de antimonio GaSb cristal de indio y de antimonio InSb, etc…).

La figura 3 representa un crisol 40 que contiene una fase sólida monocristalina 42, separada del crisol 40 por un intersticio 43, y coronada, según la dirección vertical, por una fase líquida 44 a partir de la cual es formado el monocristal. La fase líquida 44 está en contacto con la fase sólida 42 a nivel de una intercara líquido–sólido 46 y baña el crisol 40. A nivel del intersticio 43, la fase líquida 44 está delimitada por un menisco 48 que se extiende entre la intercara líquido–sólido 46 y el crisol 40.

Una espira 50 de sección circular, dispuesta en el exterior del crisol 40, rodea el crisol 40 frente a la intercara líquido–sólido 46. La espira 50 es atravesada por una corriente alterna que induce un campo electromagnético, en particular a nivel del menisco 48, lo que se traduce por la aplicación de una presión electromagnética sobre el menisco

48. A título de ejemplo, la dirección de la presión electromagnética aplicada a nivel de la parte media del menisco 48 está indicada por una flecha 52 en la figura 4. La presión electromagnética es sustancialmente del orden de B2/2 µ, en la que B es la amplitud media del campo electromagnético a nivel del menisco 48 y µ es la permeabilidad magnética de la fase líquida 44. El solicitante ha puesto en evidencia que cuando la espira 50 es recorrida por una corriente altera de 1.000 amperios a 50.000 hertz, la presión electromagnética aplicada sobre la fase líquida 44 es suficiente para formar el menisco 48 en un intersticio 43 de algunas decenas de micrómetros de espesor y para una presión hidrostática de la columna líquida 44 correspondiente a una decena de centímetros de semiconductor fundido incluso en ausencia de una diferencia entre las presiones de gas aplicadas sobre el menisco 48 y sobre la superficie libre de la fase líquida 44. Esto es particularmente ventajoso en el caso en que es deseable formar el monocristal bajo vacío.

Cuando se impone una diferencia entre las presiones aplicadas sobre el menisco 48 y sobre la superficie libre de la fase líquida 44, una corriente alterna de amplitud netamente inferior a 1.000 amperios es suficiente para asegurar la formación y el mantenimiento del menisco 48. Puede ser deseable no utilizar unos campos electromagnéticos de densidad demasiado elevada para evitar un calentamiento y/o un removido hidrodinámico demasiado importante de la fase líquida 44, lo que pueda perjudicar la obtención de un monocristal de buena calidad. Puede por tanto resultar preferido utilizar un procedimiento que utilice simultáneamente una diferencia de presión de gas como para los dispositivos representados en la figuras 1 ó 2, y la generación de un campo electromagnético localizado a nivel del menisco 48. La amplitud de la diferencia de presión de gas y la amplitud del campo electromagnético presente a nivel del menisco 48 son en particular determinadas en función de la forma particular del menisco deseada. En particular, la regulación de la diferencia de presión de gas es facilitada por la presencia de la presión electromagnética que participa en la formación y el mantenimiento del menisco

48.

La fase sólida 42 puede ser desplazada a medida que tiene lugar la solidificación de la fase líquida 44 de manera que la intercara líquido-sólido 46 esté sustancialmente fija con respecto al crisol 40. La espira 50 está sustancialmente fija con respecto al crisol 40 enfrentado a la intercara líquido–sólido 46. Inversamente, los medios de calentamiento de las fases sólida 42 y líquida 44 pueden ser móviles con respecto al crisol 40 provocando un desplazamiento de la intercara líquido–sólido 46 con respecto al crisol 40 a medida que

5 tiene lugar la solidificación de la fase líquida 44. El dispositivo según la invención comprende entonces un medio, no representado, para desplazar la espira 50 de manera que la espira 50 se encuentre de forma permanente, con respecto al crisol 40, a nivel de la intercara líquido-sólido 46.

La figura 4 representa una variante de realización del dispositivo de fabricación de

10 monocristales de la figura 3 en la cual la fase líquida 44 está prevista en el crisol 40 por debajo de la fase sólida 42. Un medio adecuado, no representado, mantiene entonces la fase sólida 42 fija con respecto al crisol 40. Dicho dispositivo de fabricación de monocristales es generalmente denominado dispositivo con crecimiento Bridgman vertical inverso. En este caso, el menisco 48 tiene tendencia a formarse espontáneamente, sin

15 presión de gas. El campo electromagnético formado por la espira 50 permite estabilizar y controlar la forma del menisco 48. En los ejemplos de realización anteriormente descritos, la espira utilizada es de sección circular. La sección de la espira puede ser sin embargo modificada en función del campo electromagnético que se desea obtener. A título ejemplificativo, la espira puede

20 tener una sección “en punta”, estando la punta orientada hacia la superficie de la fase líquida sobre la cual se desea aplicar una presión electromagnética. Dicha sección favorece el aumento de la amplitud media del campo electromagnético a nivel de la superficie de la fase líquida sobre la cual se desea aplicar la presión electromagnética.

Claims

Reivindicaciones

1. Dispositivo de fabricación de una fase sólida monocristalina (42) por solidificación de una fase líquida (44), que comprende:

un crisol (40) adaptado para contener la fase sólida (42) y la fase líquida (44) y estando destinada por lo menos una de sus paredes a entrar en contacto con la fase líquida, estando la fase sólida separada del crisol por un intersticio (43); y

un medio de calentamiento de la fase líquida adaptado para crear un gradiente térmico a nivel de una intercara (46) entre la fase líquida y la fase sólida,

caracterizado porque comprende un medio de generación de un campo electromagnético (50) distinto del medio de calentamiento, para aplicar una presión electromagnética sobre la superficie de unión (48) de la fase líquida a nivel de dicha intercara que comprende por lo menos una espira (50) que rodea el crisol, y dispuesta frente a la zona en la cual se forma en funcionamiento dicha intercara.
2.

Dispositivo según la reivindicación 1, en el que el crisol (40) está adaptado para contener la fase líquida (44) dispuesta por encima de la fase sólida (42), comprendiendo el dispositivo además un medio para aplicar una primera presión de gas sobre la superficie de unión (48) y una segunda presión de gas sobre una superficie libre de la fase líquida (44) opuesta a la fase sólida (42), siendo la primera presión de gas superior a la segunda presión de gas.
3.

Procedimiento de fabricación de una fase sólida monocristalina (42) por solidificación de una fase líquida (44) que comprende las etapas siguientes:

prever un crisol (40) que contiene la fase sólida (42), y la fase líquida (44), estando la fase líquida (44) en contacto con el crisol, y estando la fase sólida separada del crisol por un intersticio (43);

aplicar un gradiente térmico a nivel de una intercara (46) entre la fase líquida y la fase sólida; y aplicar simultáneamente una presión electromagnética sobre toda la superficie de unión (48) de la fase líquida a nivel de dicha intercara.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que la fase líquida (44) está situada por encima de la fase sólida (42) y que consiste en aplicar una primera presión de gas sobre la superficie de unión (48) y una segunda presión de gas sobre una superficie libre de la fase líquida (44) opuesta a la fase sólida (45), siendo la primera presión de gas superior a la segunda presión de gas.