ES2536929B1 - Procedimiento para la producción de películas delgadas semiconductoras sobre sustratos externos - Google Patents

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Abstract

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.

Description

imagen1
DESCRIPCIÓN PROCEDIMIENTO PARA LA PRODUCCIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS SEMICONDUCTORAS
SOBRE SUSTRATOS EXTERNOS
El objetivo principal en la producción de películas delgadas semiconductoras sobre sustratos externos
5 tales como por ejemplo metal, vidrio, cerámica o grafito, consiste en producir una película delgada con monocristales semiconductores del mayor tamaño posible. El tamaño, 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 tamaño de los monocristales tiene una influencia directa sobre el rendimiento de las células solares.
10 La diferente estructura cristalina de sustrato externo y semiconductor tiene la tendencia de alterar la formación o el crecimiento de monocristales semiconductores del mayor tamaño 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
15 procedimiento de PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition) o PECVD (Physically Enhanced CVD), material semiconductor policristalino sobre el sustrato externo, y a continuación, mediante un procedimiento de fusión por zonas o mediante un curado (templado) de la película delgada a temperatura elevada, mejorar el tamaño promedio de los monocristales de la película delgada. A pesar de la intensiva investigación, ninguno de estos procedimientos pudo conseguir hasta el
20 momento un tamaño promedio de los monocristales que sobrepase algunos mm de diámetro y aproximadamente 50 µm de grosor.
La invención propone un procedimiento con el que puede aumentarse en un orden de magnitud de manera económica el tamaño promedio de los monocristales, en particular el diámetro de los monocristales, en la película delgada.
25 El procedimiento de acuerdo con la invención se caracteriza por la combinación de las siguientes medidas: a) se aplica sobre un sustrato externo una película delgada de material semiconductor policristalino; 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
30 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,
35 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.
La medida c) es decisiva para la formación de monocristales del mayor tamaño posible. Debido a que la temperatura, partiendo de la superficie de contacto del sustrato externo con la película delgada, 40 disminuye de manera constante en dirección vertical transversalmente a través de la película delgada semiconductora hasta la superficie de la película delgada, se garantiza que la película 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 45 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 50 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 atómicas en proximidad directa con la superficie de contacto con el sustrato externo se alteran durante la cristalización y degeneran dando una película delimitadora amorfa o policristalina. Una bajada lenta de la temperatura
55 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 60 durante la bajada lenta de la temperatura T hasta ligeramente por debajo de la temperatura de fusión
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Tc, a la que la superficie de la película delgada comienza a solidificar. Se muestra así mismo la dirección de crecimiento 12 de los monocristales, a partir de la superficie en la dirección del sustrato externo 30. El frente de cristalización 10 divide la película delgada semiconductora 20, al bajarse la temperatura, en dos zonas: en una zona 25 monocristalina rígida y en la zona aún líquida restante de la
5 película delgada semiconductora.
La medida c) de la invención requiere obligatoriamente que la temperatura del sustrato externo 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
10 un lado con una película delgada, entonces esto puede conseguirse por que se aplica una fuente de calor de manera directamente plana sobre la superficie del sustrato externo 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 externo se componga de un cuerpo macizo o hueco con sólo una
15 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 película 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 c) de la invención.
20 La disposición en el punto 2 no se ha descrito hasta el momento en la bibliografía ni se ha realizado mediante un aparato correspondiente. Todos los procedimientos descritos hasta el momento en la bibliografía se refieren por lo tanto a sustratos externos recubiertos por un lado y se caracterizan por que las medidas b) y c) de la invención nunca se realizan en el mismo instante. La medida c) de la invención no puede realizarse cuando la fuente de calor o de caldeo imprime o transfiere el calor desde
25 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, así mismo, en reactores de CVD cilíndricos, mediante un calentamiento de la pared de reactor (Hot Wall Reaktor). En estos tipos de caldeo, al calentarse, el entorno que contiene gas en la mayoría de los casos está a una temperatura más alta que la película delgada semiconductora y el sustrato externo. Si
30 entonces, para el enfriamiento se reduce la potencia de caldeo, entonces se invierte la caída de temperatura, es decir la temperatura disminuye de manera constante desde el interior de la película delgada en la dirección de la superficie expuesta de la película delgada y en la dirección del sustrato externo. 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
35 la superficie expuesta de la película delgada y, al mismo tiempo, en las proximidades del sustrato externo. 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 externo con la película delgada en la dirección al interior de la película delgada. Se ajustan por lo tanto dos frentes de cristalización en la dirección al interior de la película delgada, que se encuentran al enfriarse y que
40 dividen la película delgada en dos zonas con diferente estructura cristalina. Los cristales, que se forman en primer lugar en las proximidades inmediatas del sustrato externo, se alteran con el lavado por el sustrato externo y forman monocristales de pequeña superficie, que crecen en su grosor en la dirección al interior de la película delgada, pero no en su superficie. Resulta una estructura cristalina policristalina en esta zona de la película delgada. Los cristales, que se forman en primer lugar junto a la superficie
45 expuesta de la película delgada y que crecen en la dirección al interior de la película delgada, forman por el contrario, tal como se describió anteriormente, una zona de la película delgada en la que los cristales pueden crecer libremente en su superficie y en su grosor. El resultado es una estructura más bien monocristalina de la película delgada en esta zona. En la mayoría de los casos, la zona con la estructura cristalina policristalina de la película delgada es esencialmente más gruesa que la zona con la
50 estructura monocristalina. Con frecuencia, la zona con la estructura policristalina, se extiende a lo largo de todo el grosor de la película delgada, dado que el sustrato externo elimina el calor de manera esencialmente más rápida que la superficie expuesta de la película delgada y por lo tanto acelera la velocidad de cristalización a partir del sustrato externo en la dirección al interior de la película delgada.
Tampoco en el caso del procedimiento “String Ribbon” de la empresa Evergreen Solar se realiza la
55 medida c) de la invención, porque al sacar las láminas del baño de silicio líquido, las láminas están recubiertas sólo por un lado y, por lo tanto, al enfriar, se ajusta un proceso de cristalización y una evolución de la temperatura similares a los que se describen en el párrafo anterior. Esto mismo es válido para procedimientos en los que se hace pasar una placa o lámina de sustrato en el lado inferior de un baño de silicio líquido en dirección horizontal y, por lo tanto, se aplica una capa de silicio líquida delgada
60 sobre la lámina.
La Figura 2 muestra la evolución de la temperatura típica para los procedimientos mencionados hasta el momento a lo largo de la coordenada x transversalmente a través de la película delgada semiconductora 20, las dos direcciones de cristalización 12 y 13, los dos frentes de cristalización 10 y 11, y las dos zonas 25 y 27 con diferente estructura cristalina, 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 empieza a solidificar la película delgada junto al límite con el sustrato externo y al mismo tiempo junto a la
imagen4
imagen5
5 superficie expuesta de la película delgada.
En consecuencia, ninguno de los procedimientos hasta el momento menciona la medida c) de la invención, y tampoco junto con la medida b). El documento de patente alemana 1 223 951, si bien incluye las medidas a) y b), en cambio no menciona la medida c). Se menciona únicamente el calentamiento de la película delgada hasta la fusión, pero no la dirección en la que cristaliza o solidifica 10 la película delgada. Las líneas 47-54 de la página 4 de la descripción mencionan un calentamiento de alta frecuencia del material de soporte, apoyándose el soporte sobre un bloque de grafito y teniendo lugar el calentamiento de la película paulatinamente desde un borde hasta el otro. Dado que el bloque de grafito es un buen conductor eléctrico y térmico, no puede tener lugar una fusión por zonas de manera localizada desde un borde hasta el otro mediante la transferencia del calor a partir del bloque de 15 grafito hasta la película delgada, sino sólo cuando el calor actúa de manera localizada y controlada desde por encima de la superficie expuesta de la película delgada hasta la película delgada. El bloque de grafito sirve a este respecto más bien como electrodo para el calentamiento de alta frecuencia. En cambio, esto provoca, tal como se explicó anteriormente, que la superficie de la película delgada semiconductora, al enfriar, esté siempre a una temperatura más alta que la superficie del material de
20 soporte, es decir, al contrario que la medida c) de la invención.
El documento de patente alemana DE 41 40 555 A1 incluye una disposición de dos fuentes de calor 6 y 7 para el calentamiento de una película delgada semiconductora sobre un sustrato, estando situada la fuente de caldeo 6 por debajo y la fuente de caldeo 7 por encima del sustrato o de la película delgada semiconductora. A partir de la descripción de la disposición en este documento puede deducirse
25 claramente que la evolución de la temperatura de acuerdo con la etapa c) de la presente invención no puede conseguirse mediante el modo de proceder descrito en este documento. Para ello se remite al siguiente punto en la descripción del documento (1) {véase (1) columna 7 / líneas 2 -34}:
“En primer lugar, se calienta, tal como se muestra en la Figura 1(b), la capa inferior 2 mediante un primer equipo de caldeo 6... hasta el punto de fusión o por encima del punto de fusión. ... Entonces se
30 calienta, tal como se muestra en la Figura 1(b), la película semiconductora 1 mediante un segundo equipo de caldeo 7..., para fundirse y recristalizarse y se mueve el campo fundido, para, de manera correspondiente al movimiento del segundo equipo de caldeo, fundir y recristalizar sucesivamente toda la película semiconductora”.
A partir de esto se deduce claramente lo siguiente:
35 1. El equipo de caldeo 6 no se usa para fundir y recristalizar la película semiconductora 1, sino que solamente el equipo de caldeo 7 sirve para este fin
2. El equipo de caldeo 6 sirve únicamente para mantener en estado fundido la capa inferior 2, durante la fusión y la recristalización de la película semiconductora 1, concretamente a una temperatura que se encuentra por debajo de la temperatura de fusión de la película
40 semiconductora 1, para que no se generen tensiones e irregularidades durante la recristalización en la película semiconductora 1 y se mejore la uniformidad de la temperatura en la película semiconductora durante la recristalización {véase (l) columna 5 / líneas 46 -54}
3. Dado que el equipo de caldeo 7, en cambio, de acuerdo con la Figura 1(b), imprime el calor desde arriba hasta la película semiconductora 1, con ello se deduce de los puntos anteriores 45 1 y 2 por medio de leyes de transferencia térmica elemental, que al fundirse la película semiconductora 1 se ajusta cualitativamente una evolución de la temperatura desde la placa 11 en la dirección de la capa inferior 2 tal como se representa en la Figura 2 de la presente invención en el instante t1. Si se devuelve la potencia de caldeo del equipo de caldeo 7 para permitir una recristalización, entonces se ajusta una evolución de la temperatura tal como se
50 representa en la Figura 2 de la presente invención en el instante t2. Una descripción detallada de esta evolución de la temperatura puede encontrarse en la descripción de la solicitud de patente {véanse página 3/ línea 24 – página 4/ línea 20, página 4/ línea 28 – página 5/ línea 3}. Esta evolución de la temperatura es en cambio opuesta a la evolución de la temperatura de la etapa c) de la presente invención.
55 La publicación de solicitud de patente alemana 1521465 y la publicación para información de solicitud de patente 2536174 describen placas de soporte y sustratos externos que se calientan mediante el paso de corriente directo o mediante una fuente de caldeo aplicada en el lado inferior de la placa de soporte. Si bien con ello se realiza la evolución de la temperatura garantizada por la medida c) de la invención a través de la película delgada, en cambio en estos documentos no se menciona explícitamente porque
60 no se conocía la influencia positiva sobre la cristalización. Esto explica también el hecho de que en estos documentos se mencione expresamente que, o bien la precipitación de la película delgada a partir de la fase gaseosa o bien el templado de la película delgada tenga lugar en cada caso por debajo de la temperatura de fusión de la película delgada. De esto se deduce que las medidas b) y c) de la invención no pueden realizarse al mismo tiempo. En cambio, la medida b) es una condición para que se tenga en cuenta de manera decisiva la influencia positiva de la medida c) en cuanto a la cristalización. Esto
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5 mismo es válido para todos los procedimientos de producción hasta el momento, que se llevan a cabo en reactores Hot Wall.
En el contexto de la invención son adecuados como sustratos externos placas, chapas o láminas de pared delgada de cerámica, vidrio, grafito o metal, siendo la temperatura de fusión del sustrato externo más alta que la de la película delgada semiconductora, para impedir una penetración y un mezclado del
10 material semiconductor con el sustrato externo, no debiendo ser esto en cambio obligatoriamente necesario. Como metal para el sustrato externo son adecuados por lo tanto en particular por motivos económicos hierro, titanio, cromo, molibdeno o aleaciones de estas sustancias. La superficie del sustrato externo puede ser a este respecto plana o abovedada.
La invención no está limitada a películas delgadas de un material semiconductor determinado. Por
15 motivos económicos, son adecuados en particular silicio, carburo de silicio, semiconductores III-V tales como por ejemplo antimoniuro de aluminio, o semiconductores ternarios tales como por ejemplo diseleniuro de cobre e indio. No obstante, en el caso de los materiales semiconductores binarios y ternarios durante el proceso de fusión, puede producirse una segregación o separación de mezclas de los elementos, lo que puede limitar la aplicabilidad del procedimiento para estos semiconductores.
20 Una medida ventajosa adicional en el contexto de la invención es la aplicación de varias películas delgadas semiconductoras superpuestas, pudiendo componerse cada película delgada semiconductora de un material semiconductor distinto o dopado diferente. Esto puede ser ventajoso en particular para la producción de películas delgadas semiconductoras de diferente dopado o para la producción de células solares tándem. A este respecto existen en principio dos posibilidades de aplicar las medidas a) a c) de
25 la invención.
La primera posibilidad consiste en aplicar por separado las medidas a) a c) de la invención para cada película delgada semiconductora. Es decir, se aplica una primera película delgada semiconductora, por ejemplo por medio de precipitación a partir de la fase gaseosa, sobre el sustrato externo y se lleva a cabo la medida b) y c). Entonces, se aplica una segunda película delgada semiconductora sobre la 30 primera película delgada producida de acuerdo con las medidas a) a c) y se repiten las medidas b) y c) para la segunda película delgada. Estas etapas se repiten para cada delgada semiconductora aplicada adicional. En este caso, es para la producción de células solares tándem es habitual producir las películas delgadas más inferiores de silicio, y producir películas delgadas colocadas arriba adicionalmente de un material semiconductor, que presenta una mayor banda prohibida, por ejemplo
35 antimoniuro de aluminio (temperatura de fusión 1050 °C, banda prohibida 1.6 eV) o arseniuro de galio (temperatura de fusión 1238 °C, banda prohibida 1,4 eV).
La segunda posibilidad consiste en aplicar las medidas a) a c) de la invención para todas las películas delgadas semiconductoras aplicadas. Es decir, se aplican una tras otra, varias películas delgadas por ejemplo por medio de precipitación a partir de la fase gaseosa, sobre el sustrato externo. Después se 40 ajusta la temperatura del sustrato externo tan alta que todas las películas delgadas aplicadas se funden juntas. A continuación se baja lentamente la temperatura del sustrato externo, de tal manera que en primer lugar solidifica la película delgada más superior, después la película delgada subyacente, a continuación la película delgada colocada más profunda siguiente etc. hasta la película delgada más inferior. Esta posibilidad puede ser ventajosa en particular cuando las películas delgadas se componen
45 del mismo material semiconductor pero están provistas de diferente dopado, o cuando películas delgadas colocadas más altas se componen de material semiconductor, cuya temperatura de fusión Tc1 se encuentra por debajo de la temperatura de fusión Tc2 del material semiconductor de películas delgadas colocadas más profundas, es decir, cuando Tc1 < Tc2.
El dopado de las películas delgadas semiconductoras se efectúa habitualmente por medio de
50 precipitación a partir de la fase gaseosa de un gas de reacción que contiene la sustancia de dopado. Para el n-dopado pueden usarse por ejemplo fosfina o amoniaco, para el p-dopado por ejemplo diborano. Estos gases se añaden en la concentración correspondiente a los gases portadores y los gases de reacción, que contienen las sustancias semiconductoras.
Para la producción de películas delgadas a partir de silicio puede ser ventajoso en el contexto de la
55 invención, usar como sustrato externo láminas de grafito. Antes del recubrimiento con material semiconductor puede dejarse fluir gas argón o gas hidrógeno a temperatura elevada, por ejemplo a 900 °C, a lo largo de la lámina de grafito, para mejora r la calidad superficial de la lámina de grafito. Así mismo puede ser ventajoso proveer la lámina de grafito de una película intermedia altamente dopada de carburo de silicio (SiC). Esta película intermedia garantiza, por un lado, el contacto eléctrico entre la
60 película delgada de silicio y la lámina de grafito, e impide, por otro lado, la penetración o la difusión de material semiconductor aplicado posteriormente en la lámina de grafito. Para la producción de esta película intermedia de SiC se conocen distintos procedimientos, por ejemplo el procedimiento descrito en la publicación para información de solicitud de patente alemana 2536174. De manera análoga, pueden doparse altamente películas límite amorfas, que se forman con el enfriamiento junto a la
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5 superficie límite con el sustrato externo o entre distintas películas delgadas, para garantizar el contacto eléctrico entre las películas.
Después de que se han producido una o varias películas delgadas de silicio superpuestas de acuerdo con las medidas a) a c) de la invención sobre el sustrato externo, por ejemplo una lámina de grafito, por medio de heteroepitaxia es posible dejar crecer una o varias películas delgadas de SiC sobre la película
10 delgada de silicio más superior. Existe así mismo la posibilidad de dejar crecer una primera película delgada de SiC por medio de heteroepitaxia sobre la película delgada de silicio más superior, y dejar crecer cada película delgada adicional de SiC por medio de homoepitaxia.
Como alternativa a la epitaxia, puede producirse una película delgada de SiC de alta calidad también mediante un procedimiento de CVD con un templado posterior de la película depositada a alta
15 temperatura, por ejemplo por encima de 1350 °C. Para obtener monocristales de SiC del mayor tamaño posible, se toman las dos medidas siguientes: g) el templado y el posterior proceso de enfriamiento debe satisfacer la medida c) de la invención h) la homogeneidad de la película depositada debe desviarse por todas partes lo menos posible de la relación de mezclado estequiométrica 1 : 1
20 Mediante el análisis de la heteroepitaxia de películas delgadas de SiC sobre sustratos de Si se conoce que pueden generarse monocristales de SiC de una película delgada de SiC mediante difusión posterior de átomos de Si en la superficie mediante una película de SiC ya formada. Con ello pueden difundirse átomos de Si a través de una película de SiC de como máximo 10-20 nm de grosor. Esta propiedad permite así mismo curar defectos cristalinos mediante el templado a altas temperaturas. La medida h)
25 impedirá que los átomos de Si, tengan que recorrer con el templado tramos de recorrido de más de 1020 nm mediante difusión para compensar ligeras oscilaciones localizadas en la homogeneidad y poder curar defectos cristalinos. La medida h) puede conseguirse ajustando de manera adecuada la relación de mezclado de los gases de reacción utilizados en un procedimiento de CVD para silicio y carbono, por ejemplo silano y propano. Se obtienen buenos resultados por ejemplo con una relación de mezclado de
30 silano con respecto a propano de 4 átomos de Si con respecto a 6 átomos de C. Mediante la medida g) se favorece un crecimiento y una orientación inalterados de los monocristales de SiC a partir de la superficie de la película delgada en la dirección sustrato externo. Tal como ya se explicó anteriormente, el crecimiento cristalino se altera en las proximidades inmediatas de la superficie límite con el sustrato de silicio, de modo que allí se forma una interfaz amorfa delgada de SiC. Los procedimientos hasta el
35 momento y hornos comercialmente disponibles para el templado de películas delgadas de SiC sobre sustratos externos planos utilizan en la mayoría de los casos calentamiento por inducción. Tal como se explicó anteriormente, en cambio, para este tipo de caldeo, debido al recubrimiento en un lado del sustrato externo, no se realizan medida c) y g) de la invención con el enfriamiento. El procedimiento descrito anteriormente para la producción de películas delgadas de SiC puede aplicarse inalterado
40 sobre otros materiales semiconductores con alta temperatura de fusión, tal como por ejemplo fosfuro de aluminio o nitruro de aluminio.
Mediante la aplicación de una película delgada de SiC sobre una película delgada de Si pueden producirse células solares tándem de silicio y carburo de silicio. Mediante la barrera de difusión descrita anteriormente de silicio a través de una película delgada de SiC se impide un mezclado de película 45 delgada de silicio y película delgada de SiC, incluso por encima de la temperatura de fusión de silicio. La película intermedia amorfa que se forma unto a la superficie límite de película delgada de Si y película delgada de SiC sirve a este respecto convenientemente para la compensación de las tensiones del material, que generan debido a los diferentes coeficientes de extensión de temperatura de ambas películas al enfriar. Esta película intermedia puede doparse altamente además para garantizar el
50 contacto eléctrico entre la película delgada de SiC y la película delgada de Si. Además, esta película delgada de SiC amorfa muy permeable a la luz de larga longitud de onda absorbida en la película delgada de Si.
En principio puede aplicarse sobre las películas delgadas de SiC, películas delgadas adicionales de un material semiconductor con banda prohibida aún superior, por ejemplo de nitruro de aluminio.
55 Con respecto a la medida b) de la invención puede ser necesario, en función del material semiconductor, que la temperatura de la película delgada semiconductora se baje lo más rápido posible hasta temperatura normal o se enfríe activamente, para evitar una segregación o separación de mezclas de determinados elementos del material semiconductor.
La Figura 3 y la Figura 4 muestran una medida ventajosa adicional en el contexto de la invención. Una 60 lámina 14 que sirve como sustrato externo y eléctricamente conductora discurre por medio de una
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estructura de soporte adecuada sobre varios planos en paralelo unos sobre otros. La Figura 3 muestra la vista lateral de la estructura de soporte, la Figura 4 muestra la sección transversal. La estructura de soporte será a este respecto de manera ventajosa lo más ligera posible y tendrá estabilidad de forma a lo largo de todo el intervalo de temperatura, por ejemplo entre 0 y 2000 °C, para permitir un 5 calentamiento y enfriamiento rápido y homogéneo. La estructura de soporte consiste a este respecto en raíles en U 17, que están fabricados de fibra de carbono. Los raíles en U 17 están eléctricamente aislados frente a los raíles en U colocados más altos y más bajos siguientes y frente a la lámina 14 conductora por medio de placas delgadas 15 de cerámica y por medio de listones 16 delgados de cerámica. En lugar de las placas 15 y de los listones 16 puede usarse también velo de cerámica. Entre 10 dos planos de la estructura de soporte se encuentra en cada caso una cavidad 18. Los listones 15 y raíles en U 17 pueden tener de manera ventajosa también puntales transversales, para sujetar adicionalmente la lámina 14. Existe así mismo la posibilidad de dividir la lámina 14 en varios segmentos, por ejemplo para cada plano una lámina separada, y conectar cada segmento por separado a una fuente de caldeo eléctrica. Dado que al bajarse la temperatura mediante la medida c) de la invención el 15 calor fluye siempre desde el interior de la estructura de soporte hacia sus lados exteriores, disminuye la temperatura correspondientemente desde el interior de la estructura de soporte hacia fuera. Esto tiene la consecuencia de que al bajarse la temperatura, los bordes de la estructura de soporte y por lo tanto también de la lámina de grafito, pueden tener una temperatura ligeramente menor que en el interior y, con ello, la solidificación o la cristalización de la película delgada comienza en los bordes de la lámina 20 de grafito y se mueve entonces hacia dentro. De esta manera pudo influirse negativamente, de acuerdo con la Figura 3 y la Figura 4, en la cristalización y por lo tanto en la estructura cristalina de la película delgada en los bordes que delimitan los listones de cerámica de la lámina de grafito. Para contrarrestar esta influencia, puede ser necesario, tal como se muestra en la Figura 5 y la Figura 6, reducir los listones de cerámica 16 sólo a algunos puntos de apoyo 50 estrechos. Adicionalmente, puede
25 eliminarse el ala del raíl en U hasta estos puntos de apoyo de soporte. La Figura 5 muestra la vista superior desde arriba de un raíl en U de este tipo, en la que el ala se ha eliminado hasta en cada caso tres puntos de apoyo 50. La Figura 6 muestra la vista lateral de la estructura de soporte con tales listones de cerámica y raíles en U reducidos a los puntos de apoyo 50.
Tal como se describe también en la publicación de solicitud de patente alemana 1521465, existe así
30 mismo la posibilidad de usar la lámina eléctricamente conductora únicamente como fuente de caldeo, y tomar una lámina adicional como sustrato externo para el recubrimiento. En caso de que la lámina que sirve como sustrato externo sea así mismo eléctricamente conductora, las láminas tienen que aislarse eléctricamente una con respecto a otra por medio de una película de cerámica delgada adicional. Pueden ser necesarias medidas adicionales, en caso de que deba evitarse una penetración de los
35 gases de reacción entre las láminas y las películas aislantes.
El uso de la estructura de soporte descrita anteriormente, permite aprovechar mejor el volumen espacial disponible para la precipitación a partir de la fase gaseosa en un recipiente de reacción cilíndrico, por ejemplo en un reactor de CVD cilíndrico, y a este respecto maximizar la superficie disponible del sustrato externo que va a recubrirse. La Figura 7 muestra la sección transversal de un reactor de CVD 40 cilíndrico, que está diseñado para altas temperaturas y para el alojamiento de una estructura de soporte tal como se describió anteriormente. El reactor consiste en un revestimiento cilíndrico 30 de una aleación de acero, una envoltura cerámica 31 térmicamente aislante, de una película térmicamente aislante adicionalmente de velo de cerámica 32, y una carcasa 33 de placas de cerámica de pared delgada, que sirve para la conformación del velo de cerámica 32. La cavidad 34 con sección transversal 45 rectangular sirve para el alojamiento de una estructura de soporte tal como se describió anteriormente, pudiendo adaptarse la superficie de sección transversal de la cavidad 34 y la superficie de sección transversal de la estructura de soporte de manera ventajosa, una a otra de la manera más precisa posible. Para la ilustración, la Figura 8 muestra el mismo reactor de CVD cilíndrico con la estructura de soporte representada en la Figura 4, que está insertada en la cavidad 34 del reactor de CVD. Mediante
50 el uso de una estructura de soporte de este tipo, en la que discurre la lámina que sirve como sustrato externo sobre varios planos uno sobre otro, se hace muy difícil una precipitación homogénea de material semiconductor a partir de la fase gaseosa al atravesarse la lámina por gases de reacción y gases portadores. Por este motivo es en este caso ventajoso llevar a cabo la precipitación mediante combinación de las siguientes medidas:
55 d) antes de la precipitación se introducen los gases de reacción y gases portadores en una cantidad determinada y hasta alcanzar una presión determinada en el reactor; e) a continuación se lleva a cabo la precipitación a partir de la fase gaseosa, estando cerradas durante la precipitación las entradas y salidas del reactor; f) tras finalizar la precipitación se evacuan o descargan los gases restantes a partir del reactor.
60 Mediante la medida d) se garantiza que se llenen todas las cavidades que se encuentran entre los planos de la estructura de soporte de manera homogénea con gases de reacción y gases portadores. Mediante la medida e) se garantiza que durante la precipitación no se produce ninguna corriente de gas mayor dentro y entre las cavidades 18 de la estructura de soporte. De esta manera, la precipitación en
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cada plano y en cada cavidad de la estructura de soporte discurre de manera homogénea a lo largo de toda la superficie del sustrato externo en este plano. La cantidad de material semiconductor depositado sobre un plano de la estructura de soporte se determina a este respecto por el volumen de la cavidad 18 que se encuentra en este plano y por la presión ajustada en la medida d). La presión ajustada en la 5 medida d) puede ascender por completo a varios bares por encima de la presión atmosférica. En el caso de una precipitación a partir de la fase gaseosa, por ejemplo a 300-400 °C de acuerdo con la medida e) , puede aumentar adicionalmente la presión en el reactor de CVD mediante descomposición de los gases de reacción en otros gases, por ejemplo al doble en el caso de silano en hidrógeno según SiH4 → Si + 2 H2. De acuerdo con la Figura 7 el revestimiento cilíndrico 30 del reactor de CVD tiene que estar
10 dimensionado de manera correspondiente.
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Claims (7)

  1. imagen1
    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 material semiconductor policristalino;
    5 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 sigue bajando hasta temperatura normal;
    10 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 mediante una fuente de caldeo aplicada de manera plana directamente sobre la superficie no recubierta del sustrato externo o mediante el paso directo de corriente eléctrica, de tal manera que la temperatura, partiendo de la superficie de contacto del sustrato externo con la película delgada, disminuye de manera constante en
    15 dirección vertical transversalmente a través de la película delgada semiconductora hasta la superficie de la película delgada.
  2. 2.
    Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el sustrato externo se compone de una placa o una lámina de pared delgada con una superficie plana o abovedada.
  3. 3.
    Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que el sustrato externo
    20 antes de la aplicación de la película delgada de material semiconductor policristalino está provisto ya de una película delgada semiconductora.
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que las películas delgadas semiconductoras superpuestas se componen de diferentes materiales semiconductores y pueden estar provistas de un dopado diferente.
    25 5. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la aplicación de una película 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 30 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 del recipiente de reacción a presión.
  5. 6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que una o varias láminas
    35 separadas que sirven como sustrato externo discurren una sobre otra sobre varios planos con ayuda de una estructura de soporte adecuada.
  6. 7. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el calentamiento del sustrato externo tiene lugar mediante paso directo de corriente a través del sustrato externo.
  7. 8. Procedimiento para la producción de películas delgadas semiconductoras, caracterizado por la 40 combinación de las siguientes medidas:
    g) sobre un sustrato externo se aplica una película de SiC policristalino delgada y 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
    45 mediante una fuente de caldeo aplicada de manera plana directamente sobre la superficie no recubierta del sustrato externo o mediante paso directo de corriente eléctrica, 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.
    50 9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que el sustrato externo antes de la aplicación de la película de SiC policristalino delgada está provisto ya de una película delgada semiconductora.
    imagen2
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