ES2296181T3 - Procedimiento e instalacion de fabricacion de bloques de un material semiconductor. - Google Patents
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Abstract
Instalación (10) de fabricación de bloques de un material semiconductor, que comprende: al menos un primer recinto (12, 14) que contiene una atmósfera de al menos un gas neutro y que comprende un sistema de fusión (42) adaptado para hacer que se funda el material semiconductor, un sistema de purificación (46) adaptado para eliminar impurezas del material semiconductor fundido, y un sistema de desplazamiento (20) de un crisol de cristalización (32, 34) que contiene material semiconductor fundido y purificado por el sistema de purificación; y al menos un segundo recinto (14) que contiene una atmósfera de dicho al menos un gas neutro y unido al primer recinto por una abertura (16), estando una puerta móvil (18) adaptada para cerrar herméticamente dicha abertura, estando el sistema de desplazamiento adaptado para desplazar el crisol de cristalización en el segundo recinto antes de que el material semiconductor fundido y purificado comience a solidificarse, conteniendo el segundo recinto un sistema de refrigeración (60) adaptado para favorecer la solidificación del material semiconductor fundido y purificado.
Description
Procedimiento e instalación de fabricación de
bloques de un material semiconductor.
La presente invención se refiere a la
fabricación de un material semiconductor, en particular silicio,
para constituir unas células de producción de energía eléctrica por
efecto fotovoltaico.
Actualmente, el silicio destinado a las técnicas
fotovoltaicas está constituido sustancialmente por desechos de la
industria microelectrónica, ya que el silicio utilizado para
aplicaciones fotovoltaicas puede contener una proporción de
impurezas (del orden de 10^{-6}) menos crítica que el nivel de
impurezas (10^{-9}) generalmente requerido en
microelectrónica.
Sería deseable disponer de otra fuente de
silicio para producir silicio adaptado a los productos
fotovoltaicos. En particular, los desechos de la industria
microelectrónica tienen el riesgo de resultar rápidamente
insuficientes para satisfacer las necesidades de las técnicas
fotovoltaicas.
Actualmente, se busca afinar el silicio
fabricado para aplicaciones metalúrgicas a fin de obtener silicio
de una pureza adaptada a las técnicas fotovoltaicas. El silicio
utilizado en metalurgia puede contener varios porcentajes de
impurezas, tales como hierro, titanio, boro, fósforo, etc.
Un ejemplo de procedimiento de afinado se
describe en la patente francesa FR 2 772 741 a nombre del C.N.R.S.
No obstante, este documento no describe un procedimiento completo de
fabricación industrial de bloques de silicio que se puedan utilizar
directamente para la realización de productos fotovoltaicos ni una
instalación de fabricación industrial de bloques de silicio que se
puedan utilizar directamente para la realización de productos
fotovoltaicos.
La presente invención pretende proponer un
procedimiento y una instalación de fabricación de bloques de un
material semiconductor, en particular silicio, que presenten un
grado de pureza suficiente para una utilización directa para la
realización de productos fotovoltaicos y/o de fabricación de bloques
del material semiconductor que tengan un grado de pureza inferior
al nivel requerido para una utilización directa en la realización de
productos fotovoltaicos y destinados a ser tratados ulteriormente
para presentar un grado de pureza suficiente para las técnicas
fotovoltaicas, permitiendo dicho procedimiento y dicha instalación
una fabricación industrial completamente automatizable de dichos
bloques del material semiconductor.
Además, la presente invención se refiere a un
procedimiento y a una instalación de fabricación de bloques del
material semiconductor que permitan la fabricación industrial
continua de los bloques el material semiconductor.
Para alcanzar estos objetivos, la presente
invención prevé una instalación de fabricación de bloques de un
material semiconductor, que comprende al menos un primer recinto que
contiene una atmósfera de al menos un gas neutro y que comprende un
sistema de fusión adaptado para fundir el material semiconductor, un
sistema de purificación adaptado para eliminar impurezas del
material semiconductor fundido y un sistema de desplazamiento de un
crisol de cristalización que contiene el material semiconductor
fundido y purificado por el sistema de purificación; y que
comprende al menos un segundo recinto que contiene una atmósfera de
dicho al menos un gas neutro y unido al primer recinto por una
abertura, estando una puerta móvil adaptada para cerrar
herméticamente dicha abertura, estando el sistema de desplazamiento
adaptado para desplazar el crisol de cristalización en el segundo
recinto antes de que el material semiconductor fundido y purificado
comience a solidificarse, conteniendo el segundo recinto un sistema
de refrigeración adaptado para favorecer la solidificación del
material semiconductor fundido y purificado.
Según un modo de realización de la invención, el
sistema de refrigeración está adaptado para favorecer la
segregación de impurezas durante la solidificación del material
semiconductor fundido y purificado en el segundo recinto.
Según un modo de realización de la invención, el
sistema de refrigeración está adaptado para favorecer la
solidificación del material semiconductor fundido y purificado sin
segregación de impurezas en el segundo recinto.
Según un modo de realización de la invención, el
primer recinto está dividido en un recinto principal y un recinto
secundario que comunica con el recinto principal por una abertura,
estando una puerta móvil adaptada para cerrar herméticamente dicha
abertura, conteniendo el recinto secundario el sistema de fusión y
el sistema de purificación, conteniendo el recinto principal al
menos en parte el sistema de desplazamiento y estando unido el
segundo recinto al recinto principal.
Según un modo de realización de la invención, el
sistema de fusión comprende un crisol de fusión distinto del crisol
de cristalización, comprendiendo la instalación un medio para
derramar el material semiconductor fundido y purificado del crisol
de fusión en el crisol de cristalización.
Según un modo de realización de la invención, el
crisol de fusión es un crisol frío basculante.
Según un modo de realización de la invención, el
sistema de fusión está adaptado para hacer que el material
semiconductor se funda directamente en el crisol de
cristalización.
Según un modo de realización de la invención, el
sistema de desplazamiento comprende un brazo articulado cuyo
extremo libre está adaptado para fijarse temporalmente al crisol de
cristalización.
Según un modo de realización de la invención, la
instalación comprende una pantalla de protección que se interpone
entre el sistema de fusión y el sistema de purificación y está
adaptada para delimitar con una pared del primer recinto un volumen
de confinamiento que contiene el sistema de purificación,
comprendiendo la pantalla de protección un orificio enfrente del
cual está destinada a situarse la superficie libre del material
semiconductor fundido por el sistema de fusión durante el
funcionamiento del sistema de purificación.
La presente invención prevé asimismo un
procedimiento de fabricación de bloques de un material semiconductor
que comprende las etapas que consisten en llenar un crisol de
fusión del material semiconductor sólido en un primer recinto que
contiene una atmósfera de al menos un gas neutro; hacer que se funda
el material semiconductor sólido; eliminar impurezas del material
semiconductor fundido; desplazar automáticamente el crisol de
fusión, o un crisol de cristalización en el cual se ha vertido el
material semiconductor fundido y purificado, desde el primer
recinto hasta un segundo recinto, que contiene una atmósfera de
dicho al menos un gas neutro y está unido al primer recinto, antes
del inicio de la solidificación del material semiconductor fundido y
purificado; aislar herméticamente el segundo recinto con respecto
al primer recinto; y refrigerar el material semiconductor en el
segundo recinto para solidificar el material semiconductor fundido y
purificado.
Estos objetos, características y ventajas, así
como otros de la presente invención serán expuestos con detalle en
la descripción siguiente de los ejemplos de realización particulares
dada a título no limitativo haciendo referencia a las figuras
adjuntas, en las que:
la figura 1 es una sección parcial y esquemática
desde arriba de un primer ejemplo de realización de una instalación
de fabricación de silicio según la invención;
la figura 2 es una sección parcial y esquemática
según la línea II-II de la figura 1;
las figuras 3A a 3D ilustran etapas sucesivas de
un ejemplo de procedimiento de fabricación según la invención;
la figura 4 es una sección esquemática de una
parte de la instalación de fabricación según la invención; y
la figura 5 es una sección parcial y esquemática
por un lado de un segundo ejemplo de realización de una instalación
de fabricación según la invención.
Los mismos elementos se han designado por las
mismas referencias en las diferentes figuras. Por razones de
claridad, solamente se han representado en las diferentes figuras
los elementos de la instalación que son necesarios para la
comprensión de la invención.
Las figuras 1 y 2 representan un primer ejemplo
de realización de una instalación 10 de fabricación de silicio que
comprende un recinto principal 12 paralelepipédico de lados
rectangulares y unos recintos secundarios 14 paralelepipédicos de
lados rectangulares distribuidos alrededor del recinto principal 12.
A título de ejemplo, en la figura 1 se representan cinco recintos
secundarios 14. Unas aberturas 16 están previstas a través del
recinto principal 12 y de cada recinto secundario 14 y permiten que
el volumen interno del recinto principal 12 comunique con el
volumen interno de cada recinto secundario 14. La instalación 10
comprende una puerta estanca 18 al nivel de cada abertura 16 para
aislar herméticamente el volumen interno del recinto principal 12
con respecto al volumen interno del recinto secundario 14 asociado.
Cada puerta 18, por ejemplo del tipo batiente o deslizante, es
accionada por un mecanismo no representado que permite liberar la
abertura 16 entre el recinto secundario 14 correspondiente y el
recinto principal 12.
Una atmósfera de un gas neutro o de una mezcla
de gases neutros, por ejemplo de argón o de helio a una presión
ligeramente superior a la presión atmosférica, se mantiene en el
recinto principal 12 y en los recintos secundarios 14 para evitar
la penetración de oxígeno en los diferentes recintos. Cuando la
puerta 18 asociada a un recinto secundario 14 está cerrada, puede
mantenerse una atmósfera de gas neutro en el recinto secundario 14 a
una presión diferente de la presión en el recinto principal 12. Al
menos un recinto secundario 14 comprende una abertura no
representada que puede cerrarse herméticamente y que desemboca en el
exterior de la instalación 10. Dicho recinto secundario desempeña
el papel de una esclusa de entrada/salida para la introducción o la
retirada de objetos en la instalación 10. El recinto secundario de
entrada/salida 14 comprende entonces un medio para establecer una
atmósfera del gas neutro en dicho recinto secundario de
entrada/salida 14 antes de la apertura de la puerta 18 que lo une
al recinto principal 12. Por otra parte, la instalación 10 según la
invención puede comprender un acceso directo al recinto principal 12
para facilitar el mantenimiento del mismo.
El recinto principal 12 comprende un robot
portador 20 constituido, por ejemplo, por un brazo poliarticulado,
representado esquemáticamente en las figuras 1 y 2, que comprende
una base 22 fijada al recinto principal 12, a partir de la cual se
extienden varios tramos 24 articulados unos con respecto a otros. El
extremo libre del robot portador 20 comprende un medio de enganche
30 adaptado para fijarse a un crisol 32. Se trata por ejemplo de un
crisol a base de sílice. El robot portador 20 es controlado
automáticamente, por ejemplo, por un programa de control
prememorizado. El robot portador 20 puede controlarse para hacer que
el medio de enganche 30 penetre en un primer recinto secundario 14
por la abertura 16 correspondiente, fije el medio de enganche 30 a
un crisol 32 dispuesto en el primer recinto secundario 14 y desplace
el crisol 32 así fijado al medio de enganche 30 para retirarlo del
recinto secundario 14 por la abertura 16 asociada y disponerlo en un
segundo recinto secundario 14.
Según una variante de la invención, la
instalación 10 comprende un crisol 34 montado móvil sobre unos
raíles 36. El robot portador 20 está adaptado entonces para
arrastrar o empujar el crisol rodante 34 sobre los raíles 36. Los
raíles 36 penetran en ciertos recintos secundarios 14 por medio de
las aberturas 16 correspondientes. El robot portador 20 está
adaptado entonces para desplazar el crisol rodante 34 desde un
primer recinto secundario hacia un segundo recinto secundario.
Entre los recintos secundarios 14, un recinto
secundario contiene un sistema de fusión y de purificación y un
recinto secundario constituye un sistema de refrigeración (no
representados en las figuras 1 y 2). A título de ejemplo, en la
figura 1, el recinto secundario 14 adosado al flanco izquierdo del
recinto principal 12, de volumen más importante, comprende el
sistema de fusión y de purificación. Los otros recintos secundarios
14 contienen cada uno un sistema de refrigeración como se describirá
con mayor detalle a continuación.
Las figuras 3A a 3D representan esquemáticamente
el recinto principal 12 y el recinto secundario 14 que contiene el
sistema de fusión y de purificación 40, denominado en lo sucesivo
recinto de fusión y de purificación. El sistema de fusión y de
purificación 40 comprende un horno de inducción 42 montado sobre un
sistema de elevación y de basculación 44 que permite un
desplazamiento vertical del horno 42 y una basculación de dicho
horno 42 alrededor de un eje horizontal. El horno de inducción 42
comprende una bobina de inducción no representada que rodea un
crisol de fusión 45 cilíndrico del tipo crisol caliente o crisol
frío, constituido por ejemplo por un crisol a base de grafito
mezclado con arcilla o a base de carburo de silicio, provisto de un
contracrisol interior a base de sílice. El horno 42 comprende un
pico de colada no representado. El sistema de fusión y de
purificación 40 comprende una antorcha de plasma inductivo 46
dispuesta al nivel de una pared superior 47 del recinto secundario
14 en la vertical del horno de inducción 42. La antorcha de plasma
inductivo 46 está asociada a un inyector de gases reactivos (no
representado), tales como oxígeno, cloro, nitrógeno, etc.
El recinto secundario 14 de fusión y de
purificación comprende un sistema de alimentación, no representado,
del crisol de fusión 45 con pedazos de silicio metalúrgico, por
ejemplo en forma de gránulos. Puede tratarse de una tolva
escamoteable. El recinto 14 comprende además una pantalla de
protección 48 de forma anular, que contiene una abertura central
49, adaptada para desplazarse según la dirección vertical entre una
posición baja de reposo y una posición alta en la que la pantalla
de protección 48 está próxima a la pared superior 47 del recinto
secundario 14 y delimita con la pared superior 47 un volumen de
confinamiento 50. La pantalla de protección 48 es desplazada por el
horno de inducción y guiada en su desplazamiento por un sistema de
guiado no representado. Cuando el horno 42 y la pantalla de
protección 48 están en posición alta, el contenido del crisol de
fusión 45 está expuesto a la antorcha de plasma 46 por la abertura
49 de la pantalla de protección 48. El recinto secundario 14
comprende un sistema 52 de evacuación de los compuestos volátiles
presentes en el volumen de confinamiento 50. Se trata por ejemplo
de una boquilla unida a una bomba de aspiración que favorece la
formación de un movimiento turbulento en el volumen de confinamiento
50 a fin de evacuar los compuestos volátiles y los compuestos
sólidos que pudieran formarse en las zonas fríos del volumen de
confinamiento 50.
Se describirán ahora las primeras etapas del
procedimiento de fabricación de silicio según la invención haciendo
referencia a las figuras 3A a 3D.
La figura 3A ilustra una primera etapa en la
cual el recinto secundario 14 de fusión y de purificación está
aislado del recinto principal 12 mediante el cierre de la puerta 18
asociada. El horno de inducción 42 está entonces en posición baja.
Se controla el sistema de alimentación para verter gránulos de
silicio metalúrgicos en el crisol de fusión 45. Los gránulos de
silicio son fundidos entonces alimentando la bobina del horno 42
con una tensión de frecuencia media, por ejemplo del orden de una
decena de kilohertzios para un crisol de fusión 45 cilíndrico de
algunas centenas de milímetros de diámetro. El llenado de crisol de
fusión 45 es progresivo, añadiéndose nuevos gránulos de silicio
cuando se han fundido los gránulos de silicio vertidos anteriormente
en el crisol de fusión 45, hasta que el crisol de fusión 45 esté
prácticamente lleno hasta el borde. Se disminuye entonces la
frecuencia de la tensión de alimentación de la bobina del horno de
inducción 42 para favorecer un removido del silicio fundido en el
crisol de fusión 45.
La figura 3B ilustra la etapa de purificación
del silicio fundido en el crisol de fusión 45. Para ello, el horno
de inducción 42 es elevado por el sistema de elevación y de
basculación 44 hasta que la superficie libre del silicio fundido en
el crisol de fusión 45 esté en una posición adaptada para ser
barrida eficazmente por la antorcha de plasma 46. Durante el
movimiento ascendente, el horno de inducción 42 arrastra la pantalla
de protección 48 y la acerca a la pared superior 47. En posición
alta, la pantalla de protección 48 delimita con la pared superior
47 y el horno 42, el volumen de confinamiento 50.
Se realiza entonces la purificación del silicio
fundido, en la cual se introducen diferentes gases reactivos en el
plasma. Los gases reactivos reaccionan con impurezas presentes en el
silicio líquido a fin de de formar compuestos volátiles que son
evacuados por medio del sistema de evacuación 52. No obstante, los
gases reactivos tienden asimismo a reaccionar con el silicio
fundido para formar compuestos volátiles, tales como SiO, que deben
evacuarse asimismo. La pantalla de protección 48 protege el horno de
inducción 42 durante el funcionamiento de la antorcha de plasma 46
y tiende a retener los compuestos volátiles en el volumen de
confinamiento 50. La pantalla de protección 48 puede enfriarse
durante el funcionamiento de la antorcha de plasma 46. Para evitar
cualquier paso no deseable de compuestos volátiles desde el volumen
de confinamiento 50 hacia el resto del recinto 14, es ventajoso
prever una sobrepresión en el recinto 14 con respecto al volumen de
confinamiento 50. Se puede prever además, al nivel de la pantalla
de protección 48, una cortina gaseosa que limite todavía más el
paso de compuestos volátiles desde el volumen de confinamiento 50
hacia el resto del recinto secundario 14. En el curso de la
purificación, el horno de inducción 42 puede ser desplazado para
ajustar la posición de la superficie libre del silicio fundido
contenido en el crisol de fusión 45 para que dicha superficie libre
se encuentre permanentemente en una posición adaptada para ser
barrida eficazmente por la antorcha de plasma 46. Además, se puede
añadir silicio sólido al crisol de fusión 45 en el curso de la
purificación para ajustar el nivel de silicio fundido.
Antes del final de la purificación, se controla
el robot portador 20 para llevar un crisol de cristalización 32 a
otro recinto secundario 14 en el cual el crisol 32 es precalentado
por un sistema de calentamiento. Justo antes del final de la
purificación, se controla el robot portador 20 para buscar el crisol
32 precalentado y llevarlo al recinto principal 12.
La figura 3C ilustra la etapa durante la cual el
horno de inducción 42 es desplazado en posición baja al final de la
etapa de purificación. Se abre la puerta 18 del recinto 14 de fusión
y de purificación, permitiendo que el robot portador 20 introduzca
el crisol 32 precalentado en el recinto 14 de fusión y de
purificación.
La figura 3D ilustra la etapa durante la cual el
horno 42 es hecho bascular por medio del sistema de elevación y de
basculación 44 para verter el silicio fundido y purificado desde el
crisol de fusión 45 hacia el crisol de cristalización 32. Una parte
del silicio fundido y purificado puede conservarse en el crisol de
fusión 45 para facilitar la fundición de los gránulos de silicio
durante un próximo llenado del crisol de fusión 45.
Las etapas siguientes del procedimiento de
fabricación según la invención consisten en controlar el robot
portador 20 para retirar el crisol de cristalización 32 del recinto
secundario 14 de fusión y de purificación 40 y depositarlo en otro
recinto secundario 14 que comprende un sistema de refrigeración, tal
como se representa en la figura 4. La duración de la transferencia
del crisol de cristalización 32 entre los dos recintos 14 debe ser
suficientemente breve para evitar cualquier principio de
solidificación del silicio fundido y purificado. La duración de la
transferencia es ventajosamente inferior a 1 minuto y,
preferentemente, inferior a 30 segundos.
La figura 4 representa esquemáticamente un
ejemplo de sistema de refrigeración 60 en el cual se dispone un
crisol de cristalización 32 que contiene silicio fundido y
purificado a partir del cual se desea obtener un bloque de silicio
que tenga una calidad suficiente para técnicas fotovoltaicas. El
sistema de refrigeración comprende una solera 64 sobre la cual se
deposita el crisol de cristalización 32. La solera 64 está
constituida por un material buen conductor del calor y es enfriada
por un fluido de refrigeración que circula en conductos 66 que
atraviesan la solera 64. El sistema de refrigeración comprende
además unas placas laterales 68 que rodean el crisol de
cristalización 32. Cada placa lateral 68 está constituida por un
material que limita al máximo cualquier intercambio térmico con el
crisol 32. El sistema de refrigeración 60 comprende una placa de
difusión 70 enfrente de la superficie del silicio contenido en el
crisol 32, estando la placa de difusión 70 constituida por un
material buen conductor del calor que es calentado por medio de una
bobina de inducción 72. Dicho sistema de refrigeración 60 permite
solidificar progresivamente el silicio contenido en el crisol de
cristalización 32 desde la base del crisol 32 hasta la superficie
libre del silicio, controlando para ello el frente de
solidificación del silicio que corresponde, en este caso,
sustancialmente a un plano paralelo la base del crisol 32 y que
progresa desde la base del crisol 32 hasta la superficie libre. Se
favorece entonces la segregación de las impurezas en la fase
líquida del silicio en el curso de la solidificación, las cuales
son atrapadas al nivel de la superficie libre del bloque de silicio
sólido obtenido. Basta entonces con retirar una capa superficial en
la superficie del bloque de silicio para obtener un bloque de
silicio adaptado para la realización de productos fotovoltaicos. La
forma del bloque de silicio solidificado depende de la forma
interior del crisol de cristalización 32. Se utiliza entonces
preferentemente un crisol de cristalización 32 de base rectangular
para obtener un bloque de silicio paralelepipédico. Dicho sistema de
refrigeración 60 es utilizado ventajosamente cuando se desea
obtener un bloque de silicio cuyo grado de pureza sea suficiente
para una utilización directa en la fabricación de productos
fotovoltaicos, y cuando el silicio de base utilizado para el
llenado del crisol de fusión 45 tiene un grado de pureza tal que una
solidificación sin segregación de impurezas del silicio fundido y
purificado no permitiría obtener un bloque de silicio que tenga un
grado de pureza suficiente para una utilización directa en la
fabricación de productos fotovoltaicos.
Una vez que está completamente solidificado, el
crisol 32, que contiene el bloque de silicio solidificado, es
desplazado hacia el recinto secundario de entrada/salida para ser
retirado de la instalación. Puede introducirse entonces un nuevo
crisol en la instalación 10. El recinto secundario 14 que contiene
el sistema de refrigeración 60 puede corresponder al recinto de
entrada/salida.
El sistema de refrigeración 60 descrito
anteriormente puede utilizarse para el precalentamiento del crisol
de cristalización 32 como se ha descrito en relación con la figura
3B. En efecto, un crisol 32 vacío situado en el sistema de
refrigeración 60 puede calentarse por medio de la placa de difusión
70.
Según una variante de la invención, el sistema
de refrigeración comprende unos medios para acelerar la evacuación
de calorías del crisol sin favorecer necesariamente una progresión
particular del frente de solidificación del silicio contenido en el
crisol. No se obtiene entonces una segregación de las impurezas en
el bloque de silicio. Dicho sistema de refrigeración puede
utilizarse para la obtención de un bloque de silicio cuyo grado de
pureza sea suficiente para una utilización directa en la fabricación
de productos fotovoltaicos, utilizando para el llenado del crisol
de fusión 45 un silicio que tenga un grado de pureza suficiente, de
modo que la solidificación sin segregación de impurezas del silicio
fundido y purificado permita obtener directamente un bloque de
silicio que tiene un grado de pureza suficiente en la fabricación de
productos fotovoltaicos. En el caso en que el silicio utilizado
para el llenado del crisol de fusión 45 tenga un grado de pureza tal
que una solidificación sin segregación de impurezas del silicio
fundido y purificado no permita obtener un bloque de silicio con un
grado de pureza suficiente para una utilización directa en la
fabricación de productos fotovoltaicos, el bloque de silicio
obtenido no es apropiado para una utilización directa en técnicas
fotovoltaicas. No obstante, dicho bloque puede refundirse
posteriormente para proporcionar un bloque de silicio adaptado para
la realización de productos fotovoltaicos.
En caso de la utilización de un sistema de
refrigeración sin segregación de impurezas, no es necesario prever
un crisol de cristalización 32 que favorezca la formación de un
frente de solidificación particular durante la solidificación del
silicio fundido y purificado. El crisol 32 puede ser entonces una
lingotera de cobre o de hierro fundido. Al ser dicho crisol
generalmente demasiado pesado para ser elevado por el robot portador
20, es ventajoso entonces utilizar un crisol giratorio 34 que se
desplace sobre unos raíles 36, como se ilustra en las figuras 1 y
2. El robot portador 20 desplaza entonces el crisol rodante 34 en el
recinto secundario 14 que contiene el sistema de fusión y de
purificación 40 para el llenado del crisol rodante 34 y después
desplaza el crisol rodante 34 hacia un recinto secundario 14 que
contiene el sistema de refrigeración.
De forma general, se pueden prever entonces,
entre los recintos secundarios 14 que rodean el recinto principal
12, unos recintos secundarios que comprenden el sistema de
refrigeración 60 representado en la figura 4 para la obtención de
bloques de silicio que se puedan utilizar directamente en la
realización de productos fotovoltaicos y unos recintos secundarios
14 que contengan un sistema de refrigeración que no entraña ninguna
segregación de impurezas y que permitan, según la calidad del
silicio utilizado para llenar el crisol de fusión 45, la obtención
de bloques de silicio que se puedan utilizar directamente en la
realización de productos fotovoltaicos o la obtención de bloques de
silicio de calidad inapropiada para una utilización directa en la
realización de productos fotovoltaicos, pero que pueden ser
tratados posteriormente. El número de recintos secundarios 14 que
contienen los sistemas de refrigeración está previsto para permitir
un funcionamiento continuo de la instalación 10 según la invención.
En efecto, la duración de la etapa de solidificación del silicio
fundido y purificado es generalmente superior a la duración de las
etapas de fusión y de purificación.
La figura 5 representa un segundo ejemplo de
realización de la instalación 10 de fabricación según la invención
en el cual se confunden el recinto principal 12 y el recinto
secundario 14 que contiene el sistema de fusión y de purificación
40. Uno o varios recintos secundarios 14, no representados, que
contienen cada uno de ellos un sistema de refrigeración, pueden
estar previstos alrededor del recinto 12 de forma análoga a lo que
se ha descrito en relación con la figura 1. El robot portador 20
está adaptado para desplazar un crisol 74 que desempeña a la vez el
papel del crisol de fusión 45 y del crisol de cristalización 32 del
primer ejemplo de realización. La pantalla de protección 48 puede
mantenerse entonces permanentemente cerca de la pared superior 47
del recinto 12 para delimitar el volumen de confinamiento 50. El
sistema de fusión y de purificación 40 comprende entonces un
sistema de calentamiento por inducción 76, constituido por ejemplo
por una o varias bobinas de inducción, dispuesto permanentemente al
nivel de la pantalla de protección 48 en el exterior del volumen de
confinamiento 50.
El robot portador 20 está adaptado para
desplazar el crisol 74 hacia una primera posición en la cual el
crisol 74 se llena de gránulos de silicio sólidos, y después
desplazar el crisol 74 hacia una segunda posición, representada en
la figura 5, en la cual el crisol 74 está rodeado por el sistema de
calentamiento por inducción 76. El sistema de calentamiento es
alimentado entonces a una frecuencia que permite la fusión del
silicio en el crisol 74. Una vez acabada la fusión, el sistema de
calentamiento por inducción 76 es alimentado a una frecuencia
inferior adaptada para favorecer el removido del silicio fundido en
el crisol 74. Se realiza entonces la purificación como se ha
descrito anteriormente por medio de la antorcha de plasma 46. Una
vez acabada la purificación, el robot portador 20 desplaza el
crisol 74 y lo deposita en un recinto secundario 14, no
representado, que contiene un sistema de refrigeración que conlleva
la formación de un bloque de silicio como se ha descrito
anteriormente.
El segundo ejemplo de realización de la
instalación de fabricación según la invención es ventajoso con
respecto al primer ejemplo de realización porque evita la etapa de
vertido del silicio fundido y purificado desde el crisol de fusión
hacia el crisol de cristalización.
La presente invención se ha descrito en el marco
de la fabricación de silicio destinado a las técnicas fotovoltaicas.
Resulta evidente que se aplica asimismo a cualquier tipo de
material semiconductor que pueda utilizase para la realización de
células fotovoltaicas. Dichos materiales semiconductores son, por
ejemplo, arsenuro de galio (AsGa) o germanio (Ge).
Evidentemente, la presente invención es
susceptible de diversas variantes y modificaciones evidentes para
el experto en la materia. En particular, la purificación del silicio
fundido puede realizarse por cualquier medio apropiado. En
particular, puede utilizase un sistema de inyección de burbujas de
gases reactivos directamente en el silicio fundido. Además, el
recinto principal y los recintos secundarios pueden presentar una
forma diferente de la forma paralelepipédica. A título de ejemplo,
los recintos pueden presentar una forma general cilíndrica o
esférica.
Claims (10)
1. Instalación (10) de fabricación de bloques de
un material semiconductor, que comprende:
al menos un primer recinto (12, 14) que contiene
una atmósfera de al menos un gas neutro y que comprende un sistema
de fusión (42) adaptado para hacer que se funda el material
semiconductor, un sistema de purificación (46) adaptado para
eliminar impurezas del material semiconductor fundido, y un sistema
de desplazamiento (20) de un crisol de cristalización (32, 34) que
contiene material semiconductor fundido y purificado por el sistema
de purificación; y
al menos un segundo recinto (14) que contiene
una atmósfera de dicho al menos un gas neutro y unido al primer
recinto por una abertura (16), estando una puerta móvil (18)
adaptada para cerrar herméticamente dicha abertura, estando el
sistema de desplazamiento adaptado para desplazar el crisol de
cristalización en el segundo recinto antes de que el material
semiconductor fundido y purificado comience a solidificarse,
conteniendo el segundo recinto un sistema de refrigeración (60)
adaptado para favorecer la solidificación del material semiconductor
fundido y purificado.
2. Instalación según la reivindicación 1, en la
que el sistema de refrigeración (60) está adaptado para favorecer
la segregación de impurezas durante la solidificación del material
semiconductor fundido y purificado en el segundo recinto (14).
3. Instalación según la reivindicación 1, en la
que el sistema de refrigeración (60) está adaptado para favorecer
la solidificación del material semiconductor fundido y purificado
sin segregación de impurezas en el segundo recinto (14).
4. Instalación según la reivindicación 1, en la
que el primer recinto está dividido en un recinto principal (12) y
un recinto secundario (14) que comunica con el recinto principal por
una abertura (16), estando una puerta móvil (18) adaptada para
cerrar herméticamente dicha abertura, conteniendo el recinto
secundario el sistema de fusión (40) y el sistema de purificación
(46), conteniendo el recinto principal al menos en parte el sistema
de desplazamiento (20) y estando el segundo recinto (14) unido al
recinto principal.
5. Instalación según la reivindicación 4, en la
que el sistema de fusión (42) comprende un crisol de fusión (45)
distinto del crisol de cristalización (32, 34), comprendiendo la
instalación un medio para verter material semiconductor fundido y
purificado del crisol de fusión en el crisol de cristalización.
6. Instalación según la reivindicación 5, en la
que el crisol de fusión (45) es un crisol frío basculante.
7. Instalación según la reivindicación 1, en la
que el sistema de fusión (42) está adaptado para hacer que el
material semiconductor se funda directamente en el crisol de
cristalización (32).
8. Instalación según la reivindicación 1, en la
que el sistema de desplazamiento (20) comprende un brazo articulado
cuyo extremo libre está adaptado para fijarse temporalmente al
crisol de cristalización (32, 34).
9. Instalación según la reivindicación 1, que
comprende una pantalla de protección (48) que se interpone entre el
sistema de fusión (42) y el sistema de purificación (46) y está
adaptada para delimitar con una pared (47) del primer recinto (12)
un volumen de confinamiento (50) que contiene el sistema de
purificación, comprendiendo la pantalla de protección un orificio
(49) enfrente del cual está destinada a situarse la superficie libre
del material semiconductor fundido por el sistema de fusión durante
el funcionamiento del sistema de purificación.
10. Procedimiento de fabricación de bloques de
un material semiconductor, que comprende las etapas siguientes:
llenar un crisol de fusión (45) con el material
semiconductor sólido en un primer recinto (14) que contiene una
atmósfera de al menos un gas neutro;
hacer que se funda el material semiconductor
sólido;
eliminar impurezas del material semiconductor
fundido; desplazar automáticamente el crisol de fusión o un crisol
de cristalización (32) en el cual se ha vertido el material
semiconductor fundido y purificado, desde el primer recinto hasta
un segundo recinto (14), que contiene una atmósfera de dicho al
menos un gas neutro y unido al primer recinto, antes del inicio de
la solidificación del material semiconductor fundido y
purificado;
aislar herméticamente el segundo recinto con
respecto al primer recinto; y
enfriar el material semiconductor en el segundo
recinto para solidificar el material semiconductor fundido y
purificado.
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