Brevet FR2280585A1 — publié le 19760227

La présente invention concerne la fabrication du silicium et, plus particulièrement, un procédé et un appareil pour produire du silicium pour former des semi-conducteurs. Le silicium est utilisé d'une façon généralisée dans l'industrie électronique comme matière pour les semi-conducteurs. De nombreux procédés ont été mis au point pour obtenir un matériau semiconducteur en silicium en quantités commerciales. En général, ces procédés utilisent une pièce en silicium d'une grande pureté comme élément de départ. Ensuite, du silicium également d'une grande pureté est formé par croissance sur cet élément par dépôt à partir de la phase vapeur d'un composé du silicium pouvant être décomposé. Comme la décomposition du composé de silicium a lieu à des températures élevées, cet élément en silicium doit être chauffé à ces températures élevées, habituellement par chauffage électrique, pour que la croissance du silicium ait lieu sur l'élément. Cependant, le silicium d'une grande pureté a une résistance électrique excessivement élevée à la température ambiante. Heureusement, cette e résistance décroît rapidement quand la température augmente. Il a par suite été trouvé nécessaire d'utiliser initialement une source auxiliaire d'énergie pouvant chauffer la pièce en silicium d'une grande résistance jusqu'à une température élevée à laquelle le silicium devient suffisamment conducteur pour un courant électrique normal pouvant maintenir la pièce à la température désirée pour le dépôt. Le composé du silicium pouvant être décomposé est ensuite envoyé à travers la chambre et la croissance du silicium a lieu sur la pièce en silicium. Suivant un autre mode de dépat du silicium, un filament p'un métal, tel que du tungstène ou du titane, est utilisé comme élément pour le dépôt. Comme avec le procédé ci-dessus, ce filament de métal est chauffé à la température de dépôt et typiquement à environ 1100 C et le composé du silicium décomposable passe à travers la chambre pour le dépôt du silicium. Après le dépôt d'une quantité convenable de silicium polycristallin, la barre ainsi formée est sortie de la chambre et le filament est enlevé de la barre par perçage ou par attaque chimique. Dans les deux cas ci-dessus, il sera observé que la vitesse de dépôt augmente avec la croissance de la barre de silicium elle-même, en raison de l'augmentation de sa surface. Par suite, avec une tige ou un filament de départ de petit diamètre, la vitesse initiale est faible et cette vitesse augmente avec le diamètre du silicium déposé. I1 est regrettable que, quand une grande vitesse de dépôt est atteinte du fait d'un cylindre de silicium polycristallin de grand diamètre, par exemple 100 mm, il soit nécessaire d'interrompre le courant de gaz et d'enlever le cylindre de la chambre. Le filament ou la tige doit ensuite être remplacé et le traitement être démarré à nouveau à petite vitesse. I1 serait par suite nettement avantageux de maintenir une grande vitesse de dépot et de supprimer la production par pièces successives. L'invention a pour objet un procédé pour former du silicium d'une façon nouvelle. L'invention a aussi pour objet un procédé pour la fabrication de silicium convenable pour former des semi-conducteurs, ce procédé étant économique et relativement facile à utiliser. Un objet plus spécifique de l'invention est un procédé pour la fabrication en continu de silicium convenant pour former des semiconducteurs. L'invention aussi pour objet un procédé et un appareil pour produire de façon continue du silicium à l'état liquide. L'invention a aussi pour objet un procédé et un appareil dans lequel le silicium déposé est à l'état liquide et est maintenu dans cet état jusqu'à être collecté d'une façon continue. L'invention a aussi pour objet un procédé pour le dépôt de silicium à partir d'une source décomposable de silicium sur des barres maintenues à une température supérieure au point de fusion du silicium. Conformément à l'invention, le procédé et 11 appareil pour la production continue de silicium utilisertune chambre de réaction contenant un grand nombre de tiges de dépôt. Toutes ces tiges sont chauffées à une température supérieure au point de fusion du silicium (1415"C). Une source décomposable de silicium est envoyée à travers la chambre de réaction, et du silicium à l'état fondu est collecté sur les tiges et tombe ensuite goutte à goutte par gravité sur le fond de la chambre pour être collecté. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe d'une chambre de réaction pour la production continue de silicium selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ; - a figure 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ; - la figure 3 est une coupe d'une tige de dépôt selon un mode de mise en oeuvre de l'invention ; - les figures 4 à 6 sont des coupes de tiges de dépôt selon d'autres modes de mise en oeuvre de l'invention ; et - la figure 7 est une coupe de la partie de la chambre de réaction de la figure 1, dans laquelle le silicium fondu est collecté. L'invention concerne un procédé et un appareil pour former du silicium pouvant être utilisé en tant que semi--conducteur dans des transistors, des redresseurs, des cellules photo-électriques et d'autres éléments, dispositifs et circuits analogues. D'une façon générale, le procédé utilise une technique connue de précipitation de silicium à partir d'un composé gazeux du silicium à une température de dépôt sur une tige maintenue à une température de dépôt prédéterminée. Suivant cette technique antérieure, la tige de dépôt est maintenue à une température d'environ 11000C, ce qui est inférieur au point de fusion du silicium et, par suite, le silicium est déposé et récupéré à l'état solide. Après une certaine accumulation de silicium sur la tige de départ, la réaction doit être arrêtée et la barre formée doit être enievée pour un traitement complémentaire.Une nouvelle tige de départ est introduite dans la chambre de réaction et le traitement est répété. L'invention est caractériséepar le maintien de la tige de dépôt à une température supérieure au point de fusion du silicium qui est approximativement 1415 C. Le silicium est aussi obtenu par décomposition d'une source gazeuse, mais il reste à l'état liquide et s'écoule vers le bas à partir de la tige de dépôt au lieu d'être collecté à l'état solide sur la tige. La différence des pourcentages à l'équilibre du silicium déposé à 1100 C ou à 1415"C est relativement négligeable. En réalité, une quantité légèrement supérieure est déposée à la température supérieure. Cependant, une augmentation supplémentaire de la température peut en fait inverser la réaction par diffusion de silicium à l'état gazeux et par recombinaison avec les autres constituants de la phase gazeuse. Une augmentation bien supérieure de la vitesse de réaction peut être obtenue en réduisant la longueur du trajet de diffusion des atomes gazeux. Cette diminution de la longueur du trajet de diffusion peut être obtenue avec un volume de la tige de dépôt important par rapport à l'espace vide. De façon évidente, l'augmentation du volume de la tige par rapport à l'espace vide augmente aussi la surface correspondante de la tige disponible pour recevoir le silicium déposé. La surface des tiges de dépôt peut être considérablement augmentée en utilisant un grand nombre de tiges de dépôt relativement petites au lieu d'augmenter simplement le volume des tiges de dépôt. De plus, si la tige de dépôt est maintenue à une température supérieure au point de fusion du silicium,de façon que le silicium liquide coule par gravité pour tomber de la tige afin d'être collecté, la surface des tiges à l'intérieur de la chambre de réaction reste relativement constante et le traitement devient une opération continue au lieu d'un fonctionnement par charges successives. La figure 1 représente schématiquement une chambre de réaction 10 pour le dépôt continu de silicium à l'état liquide conformé;dent à l'invention. La chambre de réaction 10 comporte une paroi latérale 11 de forme générale tubulaire, un fond 12 et un couvercle 13. L'élément cylindrique 11 est entouré par une enveloppe isolante relativement épaisse 14. Des tiges de dépôt 15 sont suspendues au couvercle et leurs extrémités inférieures arrivent à peu de distance au-dessus du fond 12 de la chambre de réaction. Un garnissage 16, qui peut être du silicium à l'état solide précédemment déposé, peut être utilisé dans le fond de la chambre de réaction 10 pour faciliter la récupération du silicium liquide dissous. La source de courant électrique est connectée aux tiges de dépôt par l'intermédiaire de bornes 18 et le composé gazeux du silicium est envoyé dans la chambre de réaction à travers une canalisation d'entrée 19. Une canalisation de sortie pour l'évacuation du gaz en excédent de la chambre de réaction n'est pas représentée. Dans une chambre de réaction typique d'un diamètre intérieur de 685 mm, un dépôt moyen de 560 g/h est formé pendant 260 h. 2 La vitesse de dépôt est ainsi de 0,048 g/h par cm . A la fin de l'opération, quand le silicium a atteint un diamètre supérieur à 100 mm, la vitesse est de 1106 g/h, soit approximativement le double de la vitesse moyenne en grammes par heure. Ainsi, conformément à l'invention, si une tige de dépôt unique d'un diamètre d'environ 100 mm est maintenue à une température supérieure au point de fusion du silicium, cette même vitesse d'environ 1100 g/h pourra être maintenue de façon continue. Un moyen plus efficace consiste à utiliser un grand nombre de tiges d'un diamètre plus petit, afin de rendre maximal le rapport volume/surface dans le réacteur. Par exemple, le réacteur de 685 mm de diamètre considéré ci-dessus peut contenir environ 740 tiges d'un diamètre de 12,7 mm et d'une longueur de 915 mm. Cela augmente d'environ 2000 % la vitesse de dépôt dans le réacteur. La vitesse est en fait encore supérieure en raison du rapprochement étroit des tiges qui réduit considérablement le trajet moyen de diffusion, avec une augmentation proportionnelle de la vitesse de dépôt. La figure 2 est une coupe en plan d'un réacteur 10 ayant plus de 700 tiges de dépôt 15 pour illuster la superficie importante obtenue et la faible longueur moyenne des trajets de diffusion. Chaque tige de dépôt 15 est de préférence un cylindre 20 (figure 3) en graphite de grande densité revêtu ou gainé par un tube 21 en quartz. Le graphite renforce ainsi le quartz et le quartz empêche la contamination du silicium par le carbone. Le cylindre en graphite 20 comporte des alésages 22 et 23 pour loger un filament chauffant 24 qui est connecté par les bornes 18 à la source de courant électrique. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, une tige de dépôt 15a comporte un cylindre en graphite 20a et une gaine en quartz 21a (figure 4). Des éléments conducteurs 25 et 26 sont déposes aux extrémités du cylindre-en graphite 20a qui comporte un alésage 27 pour un conducteur électrique connecté aux deux extrémités du cylindre en graphite. Avec cette forme de tige de dépôt, le cylindre en graphite est utilisé comme élément chauffant par résistance pour chauffer la gaine en quartz. La figure 5 représente une tige de dépôt avec laquelle il y a moins de possibilité de contamination du silicium. Cette tige de dépôt tb est formée entièrement en silicium et elle comporte un alésage 30 permettant de connecter des conducteurs électriques aux deux extrémités de la tige de dépôt. Comme la matière de la tige en silicium a de façon inhérente une grande résistivité à la température ambiante et une résistivité faible à des températures élevées, une pellicule de silicium liquide à la surface de la tige de dépôt établit un trajet conducteur assurant le chauffage par résistance de la tige de dépôt 15b pendant que l'intérieur de la tige a une caractéristique d'isolement suffisamment élevée pour rester en dessous du point de fusion du silicium, température à laquelle est maintenue la surface de la tige de dépôt.La tige de silicium conserve ainsi sa continuité physique bien que sa surface soit à son point de fusion. Pour assurer que l'intérieur de la tige de dépôt en silicium conserve son intégrité physique, la tige de dépôt 15c représentée sur la figure 6 peut être utilisée. La tige de dépôt 15c est- en silicium et comporte un alésage 30e permettant de connecter les conducteurs 31c aux deux extrémités de la tige de dépôt. La tige de dépôt comporte un passage intérieur 32 permettant la circulation d'un réfrigérant pour assurer que la partie centrale de la tige en silicium soit maintenue en dessous du point de fusion du silicium, tandis que la surface de la tige de dépôt est maintenue à 1415"C ou légèrement au-dessus. Pendant le fonctionnement, les tiges de dépôt 15 sont chauffées à une température d'environ 1415 C et un mélange de 10 % de trichlorosilanne et-d'hydrogène est envoyé à travers la canalisation 19. Au contact avec les tiges de dépôt à haute température, le trichlorosilanne est décomposé en silicium, hydrogène et chlore. Le silicium déposé reste à l'état liquide et ruisselle vers le bas le long des tiges de dépôt pour tomber goutte à goutte dans le godet collecteur 16. Le silicium liquide est évacué de la chambre de réaction à travers un compartiment à déversoir de la façon représentée sur la figure 6. Comme le montre la figure 7, la chambre de réaction 10 comporte une ouverture 35 à travers la paroi 11 pour communiquer avec la chambre à déversoir 16 qui, à son tour, comporte une ouverture de sortie 37 permettant l'écoulement du silicium liquide vers un élément collecteur 38.L'élément collecteur 38 peut être, par exemple, une bande transporteuse formant ainsi une bande ou ruban de silicium solidifié pendant son entraînement pour la conversion en silicium monocristallin convenant pour produire des plaquettes ou des pastilles de semi-conducteurs. I1 ressort de ce qui précède que l'invention concerne un procédé et un appareil pour la production continue de silicium à partir d'une source gazeuse, en particulier de trichlorosilanne, bien que du tétrachlorure de silicium ou d'autres halogénures du silicium puissent être utilisés. Suivant d'autres variantes, il est possible d'utiliser le chauffage haute fréquence et, de même, le dépôt peut avoir lieu sur les surfaces intérieures de tiges de dépôt creuses. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 'REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire de façon continue du silicium, caractérisé par le chauffage de tiges de dépôt dans une chambre de réaction à une température d'au moins 1415oC, l'envoi d'une source gazeuse décomposable de silicium à travers la chambre de réaction pour provoquer la décomposition de la source gazeuse et le dépôt de silicium à l'état liquide sur les tiges de dépôt, et la récupération du silicium liquide dans le fond de la chambre de réaction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de silicium est du trichlorosilanne. 3. Appareil pour la production continue de silicium, caractérisé par une chambre de réaction, des tiges de dépôt cylindriques à l'intérieur de cette chambre de réaction, un dispositif pour chauffer ces tiges de dépôt au-dessus du point de fusion du silicium et un dispositif dans la chambre de réaction pour collecter le silicium à l'état liquide. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les tiges sont en graphite gainé de quartz.