ITMI20120328A1 - Procedimento di realizzazione di fibre cristalline - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

PROCEDIMENTO DI REALIZZAZIONE DI FIBRE CRISTALLINE

La presente invenzione ha per oggetto un procedimento di realizzazione di fibre cristalline, in particolare monocristalline e in Silicio, del tipo precisato nel preambolo della prima rivendicazione.

Come à ̈ noto, attualmente sono utilizzate diverse tecnologie per la realizzazione di monocristalli in materiali vari quali il Silicio.

Il Silicio monocristallino à ̈ infatti utilizzato per molti campi strategici, in primis nel campo dell’elettronica, delle celle fotovoltaiche e della fotonica integrata e per molte applicazioni meccaniche.

La crescita di Silicio monocristallino in forma di cristalli massivi à ̈ quindi tecnologicamente sviluppata da molti anni.

In particolare à ̈ noto il metodo denominato Czochralski, in cui il Silicio à ̈ ottenuto in crogioli di quarzo speciale e con il quale si ricavano i wafer utilizzati in elettronica, o porzioni di cristallo di varia forma e dimensioni.

Tuttavia il metodo Czochralski presenta alcuni inconvenienti. In particolare nella procedura di taglio meccanico, successiva alla produzione, gran parte del materiale, anche più del 50%, viene perso sotto forma di polvere, aumentando notevolmente i costi del prodotto finito e la sostenibilità del processo di produzione. Inoltre, con il metodo Czochralski, alcune geometrie inoltre non sono praticamente ottenibili mediante un taglio meccanico delle carote massive ottenute con il detto metodo. Ad esempio, le geometrie delle fibre, ossia cilindri con diametro molto ridotto, non sono ottenibili.

Per ottenere questo tipo di oggetti sono quindi utilizzate tecniche di crescita diverse, che producono i cristalli direttamente nella forma voluta. Una di tali tecniche à ̈ la cosiddetta tecnologia micro-pulling-down.

Tale tecnica consiste nella fusione di Silicio, generalmente in un forno a induzione con crogiolo in grafite, e in un continuo trasporto del Silicio fuso attraverso un micro canale ricavato sul fondo del crogiolo del forno.

Questa tecnica à ̈ nota da circa 20 anni e consente di produrre monocristalli in forma di fibra con diametro compreso tra circa 0.3 mm e 5 mm e lunghezza anche di varie decine di centimetri. Questa tecnica à ̈ utilizzata per produrre numerosi tipi di cristalli con buoni risultati.

Tuttavia anche la tecnica micro-pulling-down citata comporta importanti inconvenienti.

In particolare, le fibre di Silicio cristallino così prodotte presentano inclusioni, difetti e contaminazioni interne al materiale, dovute in particolare all’instabilità dell’interfaccia tra crogiolo in grafite e silicio. Nei casi peggiori, inoltre, l’instabilità dell’interfaccia può portare ad una interruzione del processo di crescita del cristallo. Inoltre la reazione del Silicio con il crogiolo di grafite si può diffondere tra gli strati di grafite e causando danni al crogiolo e provocandone la rottura.

Nei dettagli si e' verificato che, anche se la crescita avviene in atmosfera inerte controllata, il fuso di Silicio reagisce con gas di CO, reperito in tracce all'interno del crogiolo e forma particelle di SiC che interferiscono con la crescita.

In questa situazione il compito tecnico alla base della presente invenzione à ̈ realizzare un procedimento di realizzazione di fibre cristalline in grado di ovviare sostanzialmente agli inconvenienti citati.

Nell'ambito di detto compito tecnico à ̈ un importante scopo dell'invenzione ottenere un procedimento di realizzazione di fibre cristalline che consenta la produzione di fibre in modo stabile e di alta qualità.

Il compito tecnico e gli scopi specificati sono raggiunti da procedimento di realizzazione di fibre cristalline come rivendicato nella annessa Rivendicazione 1. Esecuzioni preferite sono evidenziate nelle sottorivendicazioni.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione sono di seguito chiariti dalla descrizione dettagliata di una esecuzione preferita dell’invenzione, con riferimento agli uniti disegni, nei quali:

la Fig. 1 schematizza una sezione di un forno atto a realizzare il procedimento secondo l’invenzione.

Il procedimento secondo l'invenzione à ̈ atto a realizzare fibre cristalline e in particolare fibre monocristalline in Silicio o altro. Nel presente brevetto per comodità si farà riferimento solo al Silicio.

Con il termine fibre si intendono elementi allungati di sezione circolare o piatta o a nastro o altro ancora.

Esso comprende, per sommi capi, la fusione di Silicio all’interno di una porzione di contenimento 3 di un crogiolo 1 parte di un forno 10, in seguito descritto nei dettagli, e il trasporto di una porzione del Silicio sostanzialmente allo stato liquido dalla porzione di contenimento 3, atta a contenere Silicio in fase di fusione, ad un canale 2 disposto sul fondo della porzione di contenimento 3 e in comunicazione di passaggio fluido con la stessa, all’interno del quale avviene l’inizio della solidificazione del Silicio.

Il monocristallo in Silicio à ̈ quindi sostanzialmente realizzato con il metodo di per sé noto con il nome micro-pulling-down.

Il crogiolo 2 comprende inoltre vantaggiosamente una superficie interna 4 a contatto con il Silicio fuso sostanzialmente in Carburo di Silicio (SiC).

Il richiedente ha infatti scoperto che nella tecnica micro-pulling-down il Silicio, che à ̈ chimicamente molto attivo, una volta portato allo stato liquido mediante fusione ad alta temperatura tende a reagire con ogni altro materiale esistente, in particolare a causa della sua bassa viscosità e dell’alta tensione superficiale. Conseguentemente si verificano reazioni chimiche tra il Silicio in crescita e la superficie del crogiolo che provocano delle instabilità dell’interfaccia liquidosolido con conseguente impossibilità di stabilizzare la crescita e con inclusione di difetti e contaminazioni interne al materiale.

Il materiale superficiale del crogiolo, infatti, deve essere stabile alle alte temperature fino al punto di fusione del Silicio crescere (1414°C). È quindi utilizzata comunemente la grafite con alta densità (>1.75g/cm<3>), anche perché elettricamente conduttiva e atta a costituire la parte interna riscaldante del forno a induzione.

Tuttavia, in questo caso, come già indicato, il Silicio reagisce con gas di CO, presente anche in atmosfera inerte a causa di reazioni interne al crogiolo, e forma particelle di SiC che interferiscono con la crescita tanto da provocare instabilità dell’interfaccia solido-liquido con conseguente improvvisa variazione del diametro a cui poi corrispondono difetti cristallini.

Il richiedente ha quindi sorprendentemente scoperto e sperimentalmente verificato che il Carburo di Silicio (SiC), che fonde a temperature molto alte (2730°C), non reagisce con il Silicio allo stato liquido nemmeno a temperature supriori alla temperatura di fusione dello stesso Silicio.

Il crogiolo 1, definente la superficie interna 4 a contatto con il Silicio fuso à ̈ inoltre preferibilmente sostanzialmente interamente in Carburo di Silicio.

Il forno 10 comprende inoltre preferibilmente, in prossimità del crogiolo 1, un ri scaldatore 5 in materiale conduttivo e preferibilmente in grafite. Il crogiolo 1 in Carburo di Silicio non à ̈ infatti conduttivo e quindi non può costituire il secondario di un forno a induzione. Il riscaldatore 5 rimedia tale problema e scalda lo strato interno 4 che a sua volta fonde il Silicio.

Il riscaldatore 5 ricalca sostanzialmente la forma del crogiolo 1 ed à ̈ preferibilmente separato dal crogiolo 1 stesso e a distanza inferiore a 10 mm, e preferibilmente inferiore a 1 mm, in modo da includerlo e da consentire le reciproche deformazioni termiche.

Il crogiolo 1 e preferibilmente anche il riscaldatore 5 si estende lungo sia la porzione di contenimento 3 che lungo il canale 2.

Il canale 2 Ã ̈ disposto preferibilmente sul fondo della porzione di contenimento 3 e si estende opportunamente prevalentemente in direzione verticale. Il crogiolo 1 e il canale 2 sono connessi opportunamente da una porzione intermedia tronco-conica 7.

Il crogiolo 1 comprende anche opportunamente un tappo 6, preferibilmente in carburo di silicio, atto a mantenere un’atmosfera inerte all’interno del forno 10. Tale tappo 6 non chiude ermeticamente il crogiolo 1 ma consente l’insuflaggio di gas inerte all’interno.

Il forno 10 à ̈ preferibilmente a induzione ad alta frequenza e costituito dal descritto crogiolo 1, da una bobina esterna 11 e da barriere di isolamento 12. Il forno può infine comprendere un post-riscaldatore 13, costituito da un cilindro in grafite che prosegue la geometria del crogiolo.

Il procedimento segue le seguenti fasi, che costituiscono i procedimenti cosiddetti micro-pulling-down, di per sé noti.

Il Silicio à ̈ fuso nel crogiolo tramite una procedura di per sé nota e denominata "baking". Durante la fusione e le fasi prossime à ̈ insufflato gas inerte, quale argon di alta purezza, nel crogiolo 1 attraverso la zona calda del forno 10. Tale gas inerte contribuisce a portare via eventuali residui di Carbonio nell’atmosfera del crogiolo 1.

Il Silicio à ̈ quindi convogliato all’interno del canale 2 per gravità, dove à ̈ opportunamente già presente una porzione di monocristallo in Silicio che funge da seme per realizzare il monocristallo finale.

Il Silicio all’interno del canale 2 solidifica in forma monocristallina e allungata, costituisce quindi una fibra in Silicio monocristallino.

Il Silicio solidificato à ̈ quindi trainato verso il basso o comunque in direzione di sviluppo del canale 2. La fibra aumenta quindi di dimensioni.

L'invenzione consente importanti vantaggi.

Infatti il descritto procedimento e crogiolo hanno permesso di ottenere una crescita di fibre di Silicio monocristallino senza instabilità di sorta per lungo tempo (anche una giornata) durante il quale à ̈ stato possibile crescere con ripetitività fibre monocristalline di Silicio lunghe anche 10 cm e diametro di 2 - 3 mm con oscillazioni massime del diametro di 0.1 mm. La lunghezza à ̈ stata limitata solamente dalla quantità di materiale inserito nel crogiolo 1.

Le fibre ottenute sono state sottoposte ad analisi cristallografiche a raggi X. Come prima caratterizzazione sono state acquisite immagini con tecnica Laue inviando i raggi X in direzione trasversa alla fibra. L’analisi e’ stata ripetuta traslando la fibra senza variarne l’orientazione a passi di circa 5 mm per tutta la sua lunghezza. Dall’analisi delle immagini ottenute à ̈ stato possibile ricavare l’orientazione delle fibre e verificare che tale orientazione à ̈ stata mantenuta per una lunghezza di oltre 6 cm. Inoltre una porzione di fibra à ̈ stata ridotta in polvere per permettere l’analisi teta-2teta. I risultati ottenuti permettono di affermare che le fibre sono monocristalline e di ottima qualità e che e’ presente una sola fase: quella del Silicio cristallino. Tali vantaggi consentono l’applicazione delle fibre in silicio in diversi settori. Ad esempio per lo sfruttamento dell’energia solare per mezzo di celle fotovoltaiche, dove à ̈ potenzialmente in grado di fornire un apporto importante nello sviluppo di nuovi tipi di pannelli solari che sfruttino le nuove caratteristiche geometriche del prodotto proposto e che riducano i costi di produzione in quanto il materiale viene prodotto direttamente nella forma voluta con un taglio drastico dei costi di processing successivi.

Ad esempio ancora il settore della fotonica integrata per esempio per la trasmissione e il processing di segnali in circuiti integrati il Silicio infatti possiede ottime caratteristiche optoelettroniche, quali, ad esempio l’alta conduttività termica, l’elevata soglia di danneggiamento ottico e le basse perdite di trasmissione nella regione spettrale compresa tra 1.2 e 6.6 micron. Di interesse recente à ̈ l’uso dello scattering Raman stimolato (SRS) per dimostrare laser Raman in guide integrate in chip nella regione del vicino infrarosso (NIR) o per amplificatori di immagine nel medio infrarosso (MWIR).

L'invenzione à ̈ suscettibile di varianti rientranti nell'ambito del concetto inventivo nell’ambito delle rivendicazioni indipendenti. Tutti i dettagli sono sostituibili da elementi equivalenti le forme e le dimensioni possono essere qualsiasi.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento di realizzazione di fibre cristalline comprendente: la fusione di un materiale all’interno di un crogiolo (1), comprendente una porzione di contenimento (3), atta a contenere un materiale in fase di fusione, e un canale di solidificazione (2), in comunicazione di passaggio fluido con detta porzione di contenimento (3), il trasporto di una porzione di detto materiale sostanzialmente allo stato liquido a detto canale di solidificazione (2) disposto sul fondo di detta porzione di contenimento (3) e parte di detto crogiolo (1), caratterizzato dal fatto che detto crogiolo (1) comprende una superficie interna (4) a contatto con detto Silicio allo stato liquido sostanzialmente in Carburo di Silicio.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta fusione e detto trasporto fanno parte di un procedimento di micro-pulling-down.
3. 3. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto materiale à ̈ Silicio.
4. 4. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto crogiolo (1) à ̈ sostanzialmente interamente in Carburo di Silicio e comprende un riscaldatore (5) in materiale conduttivo ricalcante sostanzialmente la forma del crogiolo 1 e a distanza inferiore a 1 mm dallo stesso crogiolo.
5. 5. Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui in detto crogiolo (1) à ̈ insufflato gas inerte.
6. 6. Fibra monocristallina prodotta con il procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
7. 7. Crogiolo (1) per forno a induzione (10) comprendente: una porzione di contenimento (3), atta a contenere un materiale in fase di fusione, un canale di solidificazione (2), in comunicazione di passaggio fluido con detta porzione di contenimento (3), caratterizzato dal fatto di comprendere una superficie interna (4) sostanzialmente in Carburo di Silicio.
8. 8. Crogiolo (1) secondo la rivendicazione precedente, sostanzialmente interamente in Carburo di Silicio e comprende un riscaldatore (5) in materiale conduttivo ricalcante sostanzialmente la forma di detto crogiolo (1) e a distanza inferiore a 1 mm dallo stesso crogiolo (1).
9. 9. Crogiolo (1) secondo la rivendicazione precedente, comprendente un tappo in Carburo di Silicio per detto crogiolo (1).
10. 10. Forno a induzione (10) includente un crogiolo (1) secondo una o più delle rivendicazioni 8 e 9.