Estudo de um Processo de Cristalização de Fitas de Silício por Zona Fundida Linear

Historicamente o crescimento de cristais, com elevado grau de perfeição cristalográfica envolve mais arte do que ciência, sendo frequentemente o resultado de um longo e paciente processo de aprendizagem por tentativa e erro. Isto é certamente verdade em todas as técnicas de crescimento de fitas de silício, e o presente trabalho não é excepção. Trata-se de uma demonstração de princípio, abordada pela via experimental, de uma técnica de cristalização de fitas de silício a partir de matéria-prima por Zona Fundida Eléctrica Linear. Os seus objectivos eram ambiciosos desde o início, dado que o desenvolvimento de uma nova técnica de cristalização é um projecto que demora décadas de investigação contínua e exige enormes recursos materiais e humanos. Na presente investigação, dado existir apenas um forno (e um operador!), os progressos possíveis ocorreram sempre de forma muito mais lenta do que o desejável. O presente relatório, que representa cerca de 90% do tempo de trabalho do doutoramento, dá agora a conhecer o presente estado da arte. Este trabalho começa por enquadrar a técnica desenvolvida no contexto de outras afins já existentes na indústria, em operação ou desenvolvimento, que fazem uso de correntes induzidas por campos electromagnéticos para aquecimento e controlo da estabilidade do fundido, tendo em vista o incremento da qualidade dos materiais que produzem. Algumas das técnicas expostas são ou podem vir a ser adaptados com proveito ao presente processo e constituem instrumentos para a compreensão dos complexos problemas de estabilidade inerentes às zonas fundidas criadas pela passagem de elevadas densidades de corrente eléctrica directamente nos semicondutores. Especial atenção é concedida ao trabalho de outros autores que me precederam na realização de cristalizações por zona fundida eléctrica longitudinal (i.e. segundo a direcção de cristalização) ou transversal. De referir, em particular, o trabalho de W. G. Pfann com zonas eléctricas e lagos de alimentação de matéria-prima, visto ter sido provavelmente o primeiro a realiza-las. Também ele sugere diversos métodos de movimentação da zona para recristalização de cristais. As características eléctricas e térmicas específicas dos semicondutores que possibilitam o fenómeno de concentração da corrente, que está na origem das zonas eléctricas, são evidenciadas no segundo capítulo. Também aqui se expõem as ideias para, a partir daquelas zonas, cristalizar fitas de silício usando matéria-prima convencional (granular). Indicam-se métodos de estabilização e mostram-se exemplos gráficos das zonas fundidas e dos lagos de alimentação. Descreve-se seguidamente a evolução histórica da técnica, acompanhando as dificuldades encontradas e os progressos realizados em várias gerações de fornos. Faz-se referência às técnicas de recristalização de fitas por zona fundida eléctrica com bordos suportados por placas de grafite ou silício e apresentam-se resultados da caracterização dos materiais assim obtidos, nomeadamente da demonstração de rendimentos até 6,5% em células fotovoltaicas simples. Evidenciam-se detalhes técnicos dos sistemas associados à realização do lago, por concentração óptica com uma lâmpada de arco, assim como características específicas do lago e do sistema de transporte de matéria- prima até ele. As zonas fundidas eléctricas põem problemas de controlo importantes, devido à característica resistência dinâmica (ou diferencial) negativa do silício com a temperatura. As diversas soluções encontradas neste sentido são expostas no terceiro capítulo, juntamente com uma análise das potências dissipadas nos diversos componentes do sistema. O efeito das dimensões das placas de silício nas funções eléctricas corrente, tensão, resistência e potência, e a variação da largura da zona com a corrente aplicada são também estudados em diversas configurações (potências ópticas). Mostram-se as características V(I) pondo em evidência um curioso fenómeno de histerese que nelas foi observado. Apresentam-se também os perfis e os transientes de temperatura típicos nas placas de silício com zonas eléctricas. As sérias dificuldades encontradas na técnica no que respeita à estabilidade do sistema lago-zona e ao transporte de massa para a fita em crescimento, são objecto de estudo do quarto capítulo. Alguns destes problemas já são conhecidos de outras técnicas nas quais a zona é originada pela passagem de corrente eléctrica de forma directa ou induzida no fundido, assim como num grande número de processos físicos e metalúrgicos. A complexidade dos mesmos é determinada pelas interacções das forças em presença nos sistemas, cuja análise requer o acoplamento de 3 ramos da física: Electrodinâmica, Hidrodinâmica e Termodinâmica. No presente caso a zona fundida não é mais do que um capilar de fluido condutor em equilíbrio por forças de gravidade, de tensão superficial e magnetoidrodinâmicas. Expõem por isso alguns princípios físicos elementares aplicáveis aos fenómenos em causa e procuram-se explicações (tentativas) para as instabilidades observadas, em particular de ondulação da zona e dos seus modos característicos de ruptura, por analogia com fenómenos típicos observados (noutros contextos) em tubos de fluidos condutores, mostrando as causas e condições para o seu desenvolvimento. Mostra-se, em especial, o efeito do pinch electromagnético e dão-se sugestões para a resolução do problema de transporte de massa.