Ajuste de la distribución de oxígeno en el crecimiento de cristales de silicio Czochralski

Investigadores de la Universidad Tecnológica Nacional Chin-Yi de Taiwán han estudiado cómo ajustar la distribución de oxígeno en la producción de polisilicio para fabricar obleas con una baja concentración de impurezas.

En concreto, analizaron cómo regular la descarga de oxígeno del crisol de cuarzo en la masa fundida de silicio durante la fase de crecimiento del silicio en un extractor Czochralski (CZ), que se utiliza habitualmente para la producción de obleas de silicio monocristalino o monocristalino para aplicaciones fotovoltaicas o semiconductoras.

“Durante el crecimiento de CZ, parte del oxígeno disuelto se segrega en los cristales en crecimiento, y el oxígeno restante se evapora en la superficie libre”, afirmaron. “Comprender y regular el proceso de transporte de oxígeno durante el crecimiento de los cristales es esencial para optimizar su calidad y rendimiento”.

En el estudio “Adjustment of Oxygen Transport Phenomena for Czochralski Silicon Crystal Growth” (Ajuste de los fenómenos de transporte de oxígeno para el crecimiento de cristales de silicio de Czochralski), publicado en Heliyon, los científicos explicaron que las paredes del crisol de cuarzo son las principales fuentes de oxígeno durante el proceso de CZ. Este oxígeno puede evaporarse o disolverse en los lingotes de silicio.

Los investigadores simularon un proceso de CZ para un lingote de 200 mm de diámetro y 700 mm de longitud. Consideraron utilizar un crisol de 20 pulgadas y fundir silicio de unos 250 kg. También supusieron una velocidad de rotación del crisol variable de 1, 2,5, 5, 7,5 y 10 rpm en las mismas condiciones.

La simulación demostró que al aumentar la velocidad del crisol de 1 a 2,5 rpm disminuía la concentración de oxígeno. “Sin embargo, las observaciones experimentales indican que el contenido de oxígeno aumentó en realidad a medida que aumentaba la velocidad del crisol”, añadieron los académicos. También descubrieron que la relación entre la superficie de contacto crisol-fundido y la superficie libre de fundido de silicio era menor cuando crecía la longitud del cristal.

El equipo utilizó la técnica de infrarrojos con transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en inglés), que suele emplearse para identificar enlaces químicos en una molécula produciendo un espectro de absorción de infrarrojos, para confirmar los resultados de la simulación y, en particular, para evaluar las concentraciones de oxígeno en los cristales en las direcciones axiales en la línea central del lingote.

Los académicos afirmaron que su experimento demostró que la velocidad angular del crisol afecta a la concentración de oxígeno cerca de la pared del crisol, lo que a su vez influye en las propiedades mecánicas y eléctricas de las obleas.

Según sus creadores, el método de simulación propuesto podría utilizarse en el futuro para obtener resultados más precisos que las ecuaciones utilizadas en las simulaciones actuales.

“Futuros trabajos de investigación podrían profundizar en el estudio de la interacción entre la sustancia fundida y la superficie del crisol con mayor precisión”, afirman refiriéndose a posibles nuevas direcciones de su trabajo. “Además, investigar el impacto de recubrir el cuarzo del crisol con diversos materiales podría ofrecer ideas para controlar la infusión de oxígeno en la sustancia fundida”.