Brevet FR2477047A1 — publié le 19810904

Procédé et dispositif pour élaborer un lingot de silicium La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour élaborer un lingot de silicium et plus particulièrement un procédé et un dispositif pour élaborer un lingot de silicium polycristallin. Un procédé pour élaborer un lingot de silicium polycristallin est décrit dans l'article intitulé "Directionally solidified solargrade silicon using carbon crucibles" (T.F.CISZEK et al) extrait de "Journal of crystal growth" 46, 1979, page 527 à 533. Ce procédé consiste à faire fondre sous atmosphère d'argon du silicium dans un creuset en carbone disposé dans un four constitué par un manchon de chauffage vertical, puis à abaisser le creuset de façon à le faire sortir progressivement du four et à provoquer la solidification d'un lingot de silicium dans le creuset.On obtient ainsi un lingot de silicium polycristallin exempt de fissures et d'impuretés.Ce procédé comporte cependant un inconvénient majeur : il n' est pas possible de récupérer le creuset en vue d'une utilisation ultérieure car le silicium solidifié adhère fortement aux parois du creuset. Or ces creusets réalisés en graphite de densité élevée ou en carbone vitreux sont relativement chers. Dans l'ouvrage intitulé "Silicon semiconductor technology" de W.R. Rungan (MC GRAW-HILL BOOK COMPANY), page 19 est citée une méthode utilisable pour obtenir un lingot de silicium. Cette méthode dite du "cube de glace" consiste à fondre du silicium dans un creuset en silice et à laisser refroidir le silicium jusqu'à une température légèrement supérieure à celle(65O0C environ)à laquelle des fissures apparaissent dans le silicium. Puis on réchauffe fortement le creuset de façon à élever rapidement la température de sa paroi et à détacher un lingot de silicium qui peut sortir du creuset par glissement, comme on retire un cube de glace de sa capsule de congélation.Mais il n'est pas indiqué dans cet ouvrage comment, en pratique, on peut récupérer le lingot de silicium détaché de la paroi du creuset;de plus aucun renseignement n'est donné sur le dispositif capable de mettre en oeuvre la méthode citée. La présente invention a pour but de fabriquer industriellement des lingots de silicium à un prix de revient relativement bas. La présente invention a pour objet un procédé pour élaborer un lingot de silicium consistant à chauffer un creuset contenant un matériau constitué de silicium afin de faire fondre ce matériau, puis à refroidir progressivement le creuset afin de solidifier le silicium fondu, 'le silicium solidifié en contact avec la paroi du creuset adhérant alors à cette paroi, caractérisé en ce qu'il consiste en outre - à faire subir au creuset, après solidification du silicium, une rotation de 1800 autour d'un axe horizontal, - puis à réchauffer le creuset de façon à faire fondre une couche superficielle du silicium solidifié en contact avec la paroi du creuset, un lingot de silicium se détachant alors par gravité de la paroi du creuset. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour élaborer un lingot de silicium, comportant - une enceinte étanche - des moyens pour chasser l'oxygène de l'enceinte, - un creuset cylindrique en carbone disposé dans l'enceinte, - un manchon de chauffage disposé verticalement dans l'enceinte au dessus du creuset, - un support disposé sous le creuset - et des moyens, commandables à'l'extérieur de l'enceinte, pour déplacer verticalement le support de manière à faire pénétrer le creuser dans le manchon de chauffage et à le retirer caractérisé en ce qu' il comporte en outre des moyens commandables à l'extérieur de l'enceinte pour faire subir au creuset, lorsqu'il se trouve à l'extérieur du manchon, une rotation de 1800 autour d'un axe horizontal. Des formes particulières de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement, en coupe verticale, un dispositif selon l'invention pour élaborer un lingot de silicium, - la figure 2 représente partiellement, en coupe verticale et à plus -grande échelle, le dispositif illustré par la figure 1, - la figure 3 est une coupe transversale du dispositif illustré par la figure 2, suivant un plan horizontal III-III représenté sur la figure 2 - et les figures 4, 5, 6, 7, 8 et 9 représentent, en coupe verticale, les positions successives occupées par certains éléments du dispositif illustré par la figure 2 au cours d'une étape du procédé selon Itinven tison, le plan de coupe de la figure 4 étant identique à celui des figures 1 et 2 et le plan de coupe des figures 5 à 9 étant le plan perpendiculaire AB représenté sur la figure 2. Sur la figure 1 est représenté une enceinte cylindrique 1 dtaxe vertical 2 qui peut être réalisée en acier inoxydable. La paroi de l'enceinte 1 est munie d'une fenêtre 3 disposée suivant l'axe 2 sur la face plane supérieure de l'enceinte. Des moyens sont prévus pour chasser l'oxygène de l'enceinte 1. Ces moyens peuvent comporter, comme représenté, un groupe de pompage 4 relié au volumeinterne de l'enceinte 1 par une canalisation 5 munie d'une vanne 6. Mais il est possible aussi de remplir l'enceinte 1 d'un gaz neutre tel que l'argon. A l'intérieur de l'enceinte 1 et dans sa partie supérieure est fixé suivant l'axe 2 un manchon de chauffage 7 qui peut comporter une-resistance électrique en graphite reliée à des moyens d'alimentation non représentés disposés à l'extérieur de l'enceinte. Sous le manchon 7, un creuset cylindrique vertical 8 est posé suivant l'axe 2 sur un support 9 fixé à l'extrémité supérieure d'un tube de guidage vertical 19. Le creuset 8 repose sur un bossage horizontal 10 (figure 2) du support 9, de façon que seulement une partie axiale du fond du creuset 8 soit en contact avec le support 9. Une pièce tubulaire 1 1 entourant le creuset est fixée sur la partie supérieure du support 9. Entre le creuset 8 et la pièce tubulaire 11 est placé un matériau isolant thermique 12. Un récipient cylindrique 13 est fixé en position renversée à la partie supérieure du creuset 8, de façon que les faces internes des fonds du creuset et du récipient soient en regard l'une de l'autre. Le fond 17 du récipient 13 comporte une ouverture 18 suivant l'axe 2. La profondeur et la section interne du récipient 13 sont respectivement supérieures à la profondeur et à la section du creuset 8. La fixation mutuelle du creuset 8 et du récipient 13 est réalisée de façon à diminuer autant que possible les échanges thermiques entre ces deux pièces. Comme il est visible sur la figure 2, le creuset 8 peut comporter par exemple une rainure 14 à section triangulaire ; le récipient comporte alors aussi une rainure 15 analogue opposée et la fixation est réalisée à l'aide de deux ou trois cales telles que 16 à section carrée dont une extrémité aiguë vient s'engager dans la rainure 14 et dont l'extrémité aigus opposée vient s'engager dans la rainure 15. Bien entendu, des encoches non représentées sont ménagées sur le creuset et le récipient pour permettre d'introduire les cales dans les rainures. Le manche 21 d'une fourche 20 traverse de façon étanche suivant un axe horizontal 22 la paroi de 1' enceinte 1 et peut tourner autour de l'axe 22 et coulisser le long de cet axe à l'intérieur d'un palier 23 fixé sur la paroi de l'enceinte 1, à l'intérieur de cette enceinte. Cette fourche comporte deux dents 24 et 25 qui peuvent être introduites respectivement dans deux cavités 26 et 27 ménagées dans la paroi cylindrique du récipient 13. Les pièces disposées à l'intérieur de l'enceinte 1, telles que le tube 19, le support 9, le récipient 13 et la pièce tubulaire Il sont réalisées en carbone, par exemple en graphite. Le creuset 8 peut être réalisé soit en graphite de densité supérieure à 1,75 g/cm3, soit en carbone vitreux; Le matériau isolant 12 peut être réalisé en feutre de carbone. A ltextrémité inférieure de l'enceinte 1 est disposée un système 28 commandé à l'extérieur de 1' enceinte 1 et capable de déplacer verticalement le tube 19 le long de l'axe 2. Le dispositif décrit ci-dessus et représenté sur les figures 1 à 3 permet de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention pour élaborer un lingot de silicium. Pour cela, avant la fixation du récipient 13 sur le creuset 8, on dispose dans le creuset un matériau constitué de silicium et on fixe, sur le bord de la face interne du fond 17 du récipient 18, l'extrémité d'une petite tresse 29 constituée de fibres de graphite, l'autre extrémité de la tresse étant fixée sur le bord d'une rondelle 30 en feutre de graphite. On fixe alors le récipient 13 sur la partie supérieure du creuset 8 en introduisant les cales 16 dans les rainures 4 et 5, comme décrit plus haut. Les différents éléments du dispositif étant placés comme représenté sur les figures 1 et 2, la rondelle 30 appuyée sur la paroi cylindrique du répicient 13 pend verticalement en dehors du champ d'observation cylindrique défini par l'ouverture 18 du récipient, comme il apparait par exemple sur la figure 5. On fait alors le vide dans l'enceint 1 à l'aide du groupe de pompage 4. On branche l'alimentation électrique du manchon de chauffage 7 qui dégage une chaleur suffisante pour faire fondre le silicum contenu dans le creuset 8. Puis on provoque un déplacement vertical du tube 19 vers le haut à l'aide du système 28, pour placer le creuset 8 sensiblement dans la partie centrale du manchon de chauffage 7. L'opérateur peut contrôler la fusion par observation de la partie interne du creuset à travers la fenêtre 3 de l'enceinte et l'ouverture 18 du récipient 13. Puis on déplace lentement le creuset 8 vers le bas en agissant sur le système 28 de façon à faire sortir le creuset petit à petit du volume interne du manchon 7 qui est maintenu sous tension, et à refroidir progressivement le creuset. Le support 9 constitue un radiateur qui permet d'évacuer la chaleur à partir de la partie centrale du fond du creuset dont les parois latérales sont protégées par le matériau isolant thermique 12. Lorsque le creuset est sorti du volume interne du manchon de chauffage on obtient ainsi un lingot de silicium polycristallin de bonne qualité, mais le silicium solidifié en contact avec la paroi du creuset adhère à cette paroi. Dès que le silicium est solidifié, on agit sur le système 28 pour placer les cavités 26 et 27 du récipient 13 dans le plan horizontal passant par l'axe 22, la totalité du récipient 13 étant alors au dessous du manchon 7. A l'aide d'un volant 31 (figure 1) solidaire de l'extrémité du manche de la fourche 20, on fait tourner la fourche 20 de façon placer les dents 24 et 25 en alignement respectivement des cavités 26 et 27 (figure 3). On fait coulisser ensuite la fourche 20 le long de l'axe 22 pour introduire les deux dents dans les cavités (figure 4). On abaisse ensuite légèrement le tube 19 de façon que le fond du creuset 8 fixé au récipient 13 maintenu par la fourche 20 soit situé au dessus du niveau supérieur de la pièce tubulaire 11 (voir figure 5); On effectue alors une rotation de 1800 de la fourche en tournant le volant 31 dans le sens convenable pour que la rondelle suspendue 30 se rapproche de 1 1ouverture 18 comme montré sur la figure 6. Les figures 6, 7 et 8 montrent trois positions de l'ensemble creusetrécipient au cours de cette rotation. On voit sur la figure 7 que, dès que l'angle de rotation atteint 900, la rondelle 30 repose sur le fond du récipient 13 de façon à obturer l'ouverture 18.Dès que la rotation de 1800 est terminée, il suffit de remonter légèrement le tube 19 pour que le fond du récipient 13 vienne reposer sur la partie supérieure de la pièce tubulaire 1 1 (voir figure 9). On fait coulisse? ensuite la fourche 20 le long de l'axe 22 vers l'extérieur de l'enceinte pour sortir les dents de la fourche des cavités 26 et 27. Puis on fait remonter le tube 19 pour placer de nouveau le creuset 8, en position renversée, sensiblement au centre du volume interne du manchon de chauffage 7 toujours sous tension et on augmente la tension d'alimentation de façon à provoquer un réchauffement des parois du creuset 8, aussi rapide et aussi intense que possible. Ce réchauffement provoque la fusion d'une mince couche superficielle de silicium adhérant à la paroi du creuset, cette fusion libérant un lingot de silicium solide qui se détache par gravité de la paroi du creuset et tombe dans le récipient 13. La chute du lingot de silicium est amortie par la rondelle 30 qui, obturant l'ouverture 18, permet d'éviter que des gouttes de silicium fondu viennent détériorer le support 9. Il est à noter que la fixation du récipient 13 sur le creuset 8 au moyen des cales 16 permet de diminuer les échanges calorifiques entre le creuset et le récipient au cours du réchauffement : au moment où le lingot de silicium tombe dans le récipient, ce dernier est ainsi à une température nettement inférieure à celle de la fusion du silicium. Après la chute du lingot dans le récipient, on refroidit le récipient en abaissant le tube 19 vers la partie inférieure de l'enceinte et en diminuant la puissance d'alimentation électrique appliquée au manchon 7. L'ensemble de l'installation, et en-particulier le creuset 8, est alors pret pour la fusion d'un deuxième lingot. Bien entendu il est possible, dans une variante du procédé décrit ci-dessus d'attendre que la température du silicium solidifié dans le creuset soit descendue à la température ambiante pour effectuer la rotation de 1800 du creuset fixé au récipient et le réchauffage du creuset. Cependant, ces deux dernières opérations sont effectuées de préférence dès que le silicium estsolidifié, de façon à diminuer la quantité d'énergie nécessaire au réchauffage. Le procédé selon la présente invention peut être utilisé pour obtenir des lingots de silicium polycristallins aptes à la réalisation de photopiles solaires. REVENDICATIONS 1/Procédé pour élaborer un lingot de silicium consistant à chauffer un creuset contenant un matériau constitué de silicium: afin de Paire fondre ce matériau, puis à refroidir progressivement le creuset afin de solidifier le silicium fondu, le silicium solidifie en contact avec la paroi du creuset adhérant alors à cette paroi, caractérisé en ce qu'il consiste en outre - à faire subir au creuset, après solidification du silicium, une rotation de 1800 autour d'un axe horizontal, - puis-à réchauffer le creuset de façon à faire fondre une couche superficielle du silicium solidifié en contact avec la paroi du creuset, un lingot de silicium se détachant alors par gravité de la paroi du creuset. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation et le réchauffage sont effectués dès que le silicium est solidifié. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation et le ré chauffage sont effectués après que la température du silicium solidifié soit descendue à la température ambiante. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre, avant le- chauffage du creuset, à fixer un récipient sur la partie supérieure du creuset, de façon que les faces internes du creuset et du récipient soient en regard l'une de l'autre, ce récipient subissant la rotation du creuset et étant capable, après le-réchauffement du creuset, de recevoir par gravité le lingot de silicium détaché de la paroi du creuset. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à placer une rondelle de feutre de carbone dans le fond du récipient pour amortir la chute du lingot du silicium se détachant des parois du creuset. 6/ Dispositif pour élaborer un lingot de silicium, comportant - une enceinte étanche - des moyens pour chasser l'oxygène de l'enceinte, - un creuset cylindrique en carbone disposé dans 1' enceinte, - un manchon de chauffage disposé verticalement dans l'enceinte au dessus du creuset, - un support disposé sous le creuset - et des moyens, commandables à l'extérieur de l'enceinte, pour déplacer verticalement le support de manière à faire pénétrer le creuset dans le manchon de chauffage et à le retirer caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens commandables à l'extérieur de l'enceinte pour faire subir au creuset, lorsqu'il se trouve à l'extérieur du manchon, une rotation de 1800 autour d'un axe horizontal. 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qutil comporte en outre un récipient cylindrique et des moyens pour fixer le récipient sur le creuset de façon que les faces internes des fonds du creuset et du récipient soient en regard l'une de l'autre, le récipient étant capable de contenir un lingot de silicium formé dans le creuset. 8/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour fixer le récipient sur le creuset comprennent au moins deux cales, chaque cale comportant deux extrémités aiguës, une de ces extrémités s'engageant dans une rainure ménagée sur la paroi du creuset et l'autre s'engageant dans une rainure ménagée sur la paroi du récipient. 9/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens pour faire subir au creuset une rotation de 1800 comportent une fourche dont le manche traversant la paroi de l'enceinte est monté en rotation par rapport à l'enceinte autour dudit axe horizontal et peut coulisser le long de cet axe, cette fourche comprenant deux dents pouvant s'engager dans deux cavités ménagées dans la paroi du récipient. 10/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une pièce tubulaire fixée sur le support et entourant le creuset, cette pièce étant capable de supporter le fond du récipient après la rotation de 1800 du creuset. 11/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte une rondelle de feutre disposée dans le fond du récipient. 12/ Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fond du récipient comporte une ouverture permettant, avant la rotation du creuset, d'observer l'intérieur du creuset à travers une fenêtre disposée sur la paroi supérieure de l'enceinte suivant l'axe du manchon, et qu'il comporte une rondelle de feutre fixée par un lien souple au fond du récipient de manière qu'avant la rotation cette rondelle soit suspendue verticalement en dehors du champ d'observation défini par l'ouverture du récipient, cette rondelle étant rabattue par gravité, au cours de la rotation du creuset, sur le fond du récipient de façon à obturer ladite ouverture. 13/ Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce que le support, le récipient, la pièce tubulaire la rondelle de feutre et le lien souple sont réalisés en carbone.