Cristalização com zona fundida elétrica

Abstract

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012A cristalização de silício por zona fundida elétrica é uma nova técnica de cristalização de baixo consumo energético. Depois de demostrado o seu princípio de funcionamento, interessa caracterizar o processo e os materiais cristalizados, assim como explorar a janela de funcionamento dos parâmetros operacionais. Esta dissertação descreve o trabalho realizado no melhoramento da montagem e procedimento experimentais, no desenvolvimento local de novas técnicas de caracterização nomeadamente de medida de densidade de defeitos cristalinos, e na análise do impacto de factores como a corrente aplicada, a velocidade de transição, a espessura da zona fundida na qualidade da amostra final. Os resultados experimentais revelam que os elevados gradientes térmicos causados por uma zona fundida que concentra uma grande fração da dissipação de energia leva à formação de uma elevada densidade de defeitos cristalinos, equivalente às tradicionais técnicas de crescimento de fitas de silício como a EFG, que limita o tempo de vida dos portadores minoritários das amostras. Uma corrente elétrica maior promove perfis térmicos mais abruptos e portanto maior a densidade de deslocações e outros defeitos cristalinos. Por outro lado, maiores velocidades de cristalização reduzem o tempo para multiplicação de deslocações o que permite obter tempos de vida significativamente superiores. Contudo, a velocidade de cristalização é limitada pela estabilidade da zona fundida. O impacto da espessura da amostra foi também avaliado, observando-se que amostras demasiado finas, i.e. inferiores a 200 μm, apresentam problemas de estabilidade da zona fundida.Crystallization of silicon by using electric float zone is a new crystallization technique with lowering energy budget. After the proof of concept, it is interesting to characterize the process and crystallization materials as well as to explore the operational window for the different experimental parameters. This dissertation describes the work on improvement of both the experimental setup and experimental procedure, on the development of new characterization technique namely measuring of crystalline defects density, and analysis of the impact of experimental parameters such as the applied current, the crystallization velocity and the float zone thickness on the final quality of the samples. Experimental results have shown that the high thermal gradients caused by a float zone that concentrates a large fraction of the dissipated energy leads to the formation of high density of crystalline defects, similar to traditional growth techniques of silicon ribbons, such as the EFG technique, which is a limiting factor for minority carrier lifetime of the samples. An higher electric current promotes abrupt thermal profiles and therefore higher dislocation densities. On the other hand, higher crystallization velocities lower the time available for dislocation multiplication, allowing a significant increase of lifetime. However, the velocity of crystallization is limited by the stability of the float zone. The impact of the sample thickness is also evaluated; samples with less than 200 μm smaller have shown some stability issues on the float zone