Brevet FR2126264A1 — publié le 19721006

L'invention concerne un procédé pour la préparation de tiges ou barreaux de monocristal semiconducteur sans dislocation, et notamment de barreaux monocristallins de silicium, ayant des diamètres supérieurs à 25 mm, par fusion par 5 zone sans creuset d'un barreau de semiconducteur maintenue à ses extrémités en position verticale, dans une enceinte contenant une atmosphère gazeuse protectrice, en utilisant une bobine de chauffage par induction disposée annulairement autour du barreau. 10 On connaît le procédé consistant à transformer en monocristaux des barreaux polycristallins de silicium à l'aide de germes cristallins, en faisant progresser une zone fondue depuis l'extrémité sur laquelle est appliqué le germe cristallin vers l'autre extrémité du barreau de silicium. Le 15 plus souvent, le barreau de silicium est serré en position verticale dans deux supports, l'un de ceux-ci étant mis en rotation autour de l'axe du barreau au cours de la fusion par zone, de façon à assurer une croissance symétrique du matériau qui se solidifie. 20 Les monocristaux qui ont été préparés de cette manière par fusion par zone sans creuset présentent encore, dans la plupart des cas, de multiples dislocations, hémitropies et autres défauts cristallins. Les dislocations qui "apparaissent peuvent être 25 réduites si, selon le mémoire du brevet français 1 374 962 (demande de brevet allemand publiée après examen 1 128 413), un germe cristallin ayant une section nettement inférieure à celle du barreau de silicium est mis en fusion, la section du silicium dans la zone de transition entre le germe cristallin 30 et le barreau de silicium est étranglé par des mouvements temporaires d'écartement mutuel des extrémités du barreau, la vitesse de la zone fondue est réduite de façon continue entre cette zone d'étranglement et le point où la section complète du barreau de silicium est atteint , et enfin la zone fondue 35 parcourt le barreau de silicium à une vitesse inférieure à 7 mm/mn. Une autre possibilité pour réduire les dislocations dans un cristal tiré par fusion par zone consiste à utiliser une atmosphère gazeuse protectrice à degré élevé de 4D pureté, et notamment d'hydrogène, et à établir dans l'enceinte 72 05864 2 2126264 une pression inférieure à la pression atmosphérique. Toutefois, il apparaît fréquemment, dans la matière cristalline, des inclusions d'hydrogène dues au gaz protecteur, qui nuisent aux possibilités d'utilisation. De telles stries d'hydrogène sont 5 des lacunes coagulées dans le réseau de silicium, qui se chargent d'hydrogène et, lors de l'utilisation de la matière cristalline finie pour sa transformation en composant semiconducteur, réduisent notablement les propriétés de barrière de jonctions p-n. Dans le cas où l'on utilise de l'argon comme 10 gaz protecteur, il apparaît, au niveau des bobines de chauffage par induction alimentées en courant alternatif à haute fréquence, des décharges électriques qui ont également un effet nuisible sur la qualité cristalline du barreau obtenu par la fusion par zone sans creuset. 15 Mais le but de la présente invention est non seulement de produire une matière cristalline dépourvue de dislocations, mais aussi et en même temps de fabriquer des barreaux cristallins dépourvus de dislocations ayant une section relativement grande, c'est-à-dire des diamètres de plus 20 de 25 mm. Il est possible de préparer des barreaux cristallins ayant une section relativement grande par un procédé "à refoulement", dans lequel la partie du barreau en fin de cristallisation présente un diamètre supérieur à celui de la 25 partie du barreau amené à la zone en fusion (barreau d'alimentation) . Une variante de ce procédé est décrite dans la demande de brevet allemand publiée après examen 1 218 404, l'épaisseur de la partie du barreau qui se resolidifie après fusion étant augmentée au-delà de la largeur libre du dispositif de chauffage 30 en imprimant des vitesses différentes aux supports du barreau de semiconducteur et, en outre, en décalant latéralement, par rapport au dispositif de chauffage, le support entraîné en rotation qui maintient la partie du barreau qui se resolidifie. Ce décalage latéral, également appelé excentricité, produit, 35 par rapport au procédé à refoulement simple, une égalisation de la température de la zone de fusion. le problème à la base de l'invention, à savoir la préparation de cristaux dépourvus de dislocations et présentant une grande section transversale, est résolu par une 40 combinaison judicieuse des procédés et dispositifs connus, 72 05864 3 2126264 pour laquelle on a également établies les conditions spécifiques qui conviennent à la croissance cristalline. Il est donc proposé, conformément à l'invention, que le procédé de fusion par zone soit conduit dans une atmos-5 phère d'argon sous une légère surpression, qu'un monocristal ayant une section transversale nettement inférieure à celle du "barreau de semiconducteur soit mis en fusion à titre de germe cristallin, la section transversale au niveau de la zone de transition entre le germe cristallin et le barreau de semicon-10 dueteur subissant un étranglement par un mouvement temporaire d'écartement mutuel des extrémités du barreau à une vitesse de 30 mm/mn au maximum et une vitesse de rotation de 10 à 40 tr/mn, qu'il soit utilisé par ailleurs, pour le chauffage de la zone en fusion, une bobine de chauffage par induction à une 15 seule spire avec prise médiane mise à la terre, et qu'en vue d'agrandir le diamètre du barreau de semiconducteur qui se resolidifie après fusion, le support en rotation de la partie du barreau resolidifiée soit décalé latéralement, par rapport au dispositif de chauffage, d'un écart correspondant à 1/10 20 à 1/2 du diamètre du barreau de semiconducteur. Dans le cadre de 1'invention il est avantageux de régler la pression de l'atmosphère d'argon à 1,0-1,5 atm, de préférence à 1,05 atm au début du tirage. En tant que germe cristallin, on utilise avantageusement- un ^barreau de monocris-25 tal de 4,5 à 5 mm de diamètre, qui est tiré dans la direction (111) et qui présente un défaut d'orientation de 1,5 degré environ. Pour éliminer la tendance aux décharges entre la bobine de chauffage par induction et le barreau de semicon-30 dueteur dans l'atmosphère d'argon lors de la fusion par zone sans creuset, il est prévu, sur la bobine de chauffage par induction, une prise médiane mise à la terre, qui met au même potentiel électrique le barreau et la partie médiane de l'enroulement de la bobine. D'autre part, la bobine présente avan-35 tageusement une section oblongue dans un plein perpendiculaire à l'axe du barreau. Dans ces conditions, il est particulièrement favorable que le rapport du diamètre extérieur au diamètre intérieur de la "bobine de chauffage par induction sT élève à deux au moins. lie "bord de la "bo"bine doit de préférence s'élever 40 plus haut que le "bord inférieur du barreau, de sorte que le 72 05864 4 2126264 champ exerce une action centripète sur le liquide en fusion et qu'il se forme un barreau de cristal rectiligne sans écoulement de gouttes. Le décalage latéral du support en rotation de 5 la partie resolidifiée du "barreau, c'est-à-dire l'excentricité, est réglé à 8 mm pour un diamètre de 50 mm du "barreau, d'après un exemple de réalisation particulièrement favorable selon 1'invention. Pour une vitesse d'étirage de 3 mm/nin et une 10 vitesse de rotation de 10-30 tr/rnn du support de la partie resolidifiée du barreau, on peut produire, d'après le procédé de l'invention, des barreaux cristallins qui présentent des diamètres de 25 mm et davantage. Dans ce cas, on part par exemple d'un barreau de semiconducteur qui présente un diamètre 15 de 25 à 50 mm et qui n'est pas mis en rotation pendant le processus de tirage. D'autres avantages et caractéristiques sont exposés de façon encore plus détaillée à propos d'un exemple de réalisation, en référence à la figure reproduite sur le 20 dessin annexé. La figure représente en coupe un barreau de cristal pendant la fusion par zone sans creuset, dans une enceinte. Dans un barreau de silicium 2, à l'extrémité inférieure de laquelle est mis en fusion un germe cristallin 5 qui a une section nettement inférieure (4,5-5 mm 0) à celle 25 du barreau de silicium 2 et qui présente un étranglement 6 en forme de goulot de bouteille, il est produit, au moyen d'une bobine 3 de chauffage par induction, alimentée en courant à haute fréquence, une zone fondue 4 qui, par un mouvement ascendant de la bobine chauffante 3, progresse sur la longueur du 30 barreau de cristal 2. Le germe cristallin 5 se compose d'un barreau monocristallin qui est tiré dans la direction (111) et présente un défaut d'orientation de 1,5 degré environ.Il est jais «a fusion sur le barreau de silicium 2 de telle sorte qu'il se 35 produise, pour une vitesse de tirage de 30 mm/mn au maximum et une vitesse de rotation de 25 tr/mn, un étranglement en goulot de bouteille ou resserrement 6 de 25 mm de longueur et 2,5 mm de diamètre. La vitesse de tirage est alors réglée à 3 mm/mn et la vitesse de rotation du support 8 de la partie resolidifiée 40 2a du barreau est réglée à 15 tr/mn et, en même temps, le support 72 05864 5 2126264 8 en rotation est décalé latéralement de 8 mm par rapport au dispositif de chauffage. Cette grandeur, appelée excentricité, est indiquée par le numéro de référence 7. Par cette disposition, on parvient à une augmentation du diamètre de la partie infé-5 rieure 2a du barreau. Pour le chauffage de la zone fondue 4, il est fait appel à une bobine 3 de chauffage par induction à une spire, qui présente un diamètre intérieur de 32 mm et un diamètre extérieur de 90 mm et comporte une prise médiane 20 mise à la terre. Les dimensions de la bobine peuvent toutefois 10 varier en fonction du diamètre à donner âu barreau de cristal, de 20 à 40 mm en ce qui concerne le diamètre intérieur et de 60 à 120 mm pour le diamètre extérieur, la bobine 3 de chauffage par induction traverse de manière étanche au vide une paroi latérale de l'enceinte 1. 15 Dans le couvercle et dans le fond de l'enceinte sont prévues des bagues d'étanchéité 10 et 11 qui assurent un passage étanche au vide des arbres 12 et 13 d'entraînement du barreau de silicium, le barreau de silicium 2 est maintenu dans des supports 8 et 9. le support 8 en particulier peut être dé-20 placé dans la direction de l'axe du barreau et être mis en rotation autour de son axe. Une fenêtre d'observation 19 est prévue dans la paroi latérale de l'enceinte 1. Au début du. tirage, on établit une pression d'argon de 1,05 atm environ dans T'ene^intjg. 1. A cette fin, 25 l'argon en provenance d'un réservoir 14 parvient dans l'enceinte 1 par un système de canalisations 1-5. Dans le système de canalisations 15 se trouvent un détendeur 16, une soupape d'arrêt 17 ainsi qu'un indicateur de pression 18. Le détendeur 16 est ouvert et la pression voulue est réglée au niveau de l'indica-30 teur 18 par la manoeuvre de la soupape de dosage 17. . Le barreau de silicium 2 qui constitue le barreau d'alimentation présente une section transversale de 30 mm. En respectant les conditions définies ci-dessus, 35 on parvient à fabriquer un barreau monocristallin dépourvu de dislocations et ayant Tin diamètre de 50 mm. En adaptant le diamètre de la bobine et l'excentricité, il est même possible de produire des barreaux • ayant des diamètres de 60 mm et au-delà:. 72 05864 6 2126264 REVENDICATIONS 1. Procédé pour la préparation de barreaux de monocristal semiconducteur sans dislocations, et notamment de barreaux monocristallins de silicium, ayant des diamètres su-5 périeurs à 25 mm, par fusion par zone sans creuset d'un barr«etu de semiconducteur maintenu à ses extrémités en position verticale, dans une enceinte contenant une atmosphère gazeuse protectrice et au moyen d'une bobine de chauffage par induction disposée annulairement autour du barreau, caractérisé en ce 10 que l'on conduit le processus de fusion par zone dans une atmosphère d'argon sous une légère surpression, on met en fusion à titre de germe cristallin un monocristal ayant une section transversale nettement inférieure à celle du barreau de semiconducteur, on crée m étranglement dans la section transver-15 sale au niveau de la zone de transition entre le germe cristallin et le barreau de semiconducteur par un mouvement temporaire d'écartement mutuel des extrémités du barreau à une vitesse de 50 mm/mn au maximum et une vitesse de rotation de 10 à 40 tr/mn, on utilise, pour le chauffage de la zone de fusion, une bobine 20 de chauffage par induction à une spire avec prise médiane mise à la terre, et en vue d'agrandir le diamètre du barreau de semiconducteur qui se resolidifie après fusion, on décale latéralement le support entraîné en rotation qui maintient la partie resolidifiée du barreau, par rapport au dispositif de chauffage, 25 d'un écart correspondant à 1/10 à 1/2 du diamètre du barreau de semiconducteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression de l'atmosphère d'argon est réglée à 1,0-1,5 atm, et de préférence à 1,05 atm au début du tirage. 30 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac térisé en ce que l'on utilise, à titre de germe cristallin, un barreau monocristallin de 4,5 à 5 mm de diamètre, qui est tiré dans la direction (111) et qui présente un défaut d'orientation de 1,5 degré environ. 35 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'on utilise une bobine de chauffage par induction à une spire, ayant une section transversale oblongue dans un plan perpendiculaire à l'axe du barreau. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé 40 en ce que le rapport du diamètre extérieur au diamètre intérieur 72 05864 7 2126264 de la "bobine de chauffage par induction s'élève au moins à 2. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la vitesse d'étirage est réglée à 3 mm/mn et la vitesse de rotation du support de la 5 partie resolidifiée du "barreau à 10-30 tr/mn. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on utilise, à titre de matière première, un "barreau de semiconducteur ayant un diamètre de 15 à 25 mm. 10 8. Procédé selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 7, caractérisé par le fait que la partie du "barreau avant fusion n'est pas mise en rotation pendant le processus de fusion par zone. 9. Barreau monocristallin de semiconducteur, 15 et en particulier "barreau monocristallin de silicium, ayant un diamètre supérieur à 25 mm, produit par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.