Brevet FR2488916A1 — publié le 19820226

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour produire des rubans ou bandes monocristallins d'une matière appropriée. Elle concerne en particulier un procédé et un appareil pour tirer des rubans ou bandes monocristallins de bains de matières fondues tllles que le silicium, le germanium, des alliages intermétalliques, le saphir, le grenat et ainsi de suite. -Pour faire crotte des monocristaux en forme de ruban de matières telles que le silicium, on utilise différentes méthodes et notamment celles dites à bande dendritique, de Stepanov et de croissance à bords définis et alimentation par film ou méthode EFG (Edge Defined Film Fed Growth). Selon la méthode à bande dendritique, on produit la solidification d'une feuille de silicium à partir d'un ménisque du bain, qui est délimité aux extrémités par des dendrites minces poussant vers le bas dans une-région surfondue du bain et qui est délimité en haut par l'interface ruban-bain. La méthode de Stepanov utilise une matrice ou filière non mouillante en contact avec le bain. La filière conforme le ménisque en vue de la croissance du ruban. Dans la méthode EFG, on fait croître le cristal à partir d'une mince zone liquide à la surface supérieure d'une filière capil- laire. Pendant que le cristal croit, du liquide est réalimenté à partir d'une réserve de matière fondue dans un creuset par sa montée par capillarité à travers des canaux de la filière. Pour une description plus détaillée de ces méthodes, il y a lieu de se reporter au brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 075 055. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 000 030 décrit une variante de la méthode EFG pour faire crotte des monocristaux. Cette variante utilise la tension superficielle du bain pour former un ménisque convexe (à surface convexe) de matière fondue du bain sur un élément faisant saillie de la surface libre du bain. Le ménisque s'adapte à la forme de la section droite de l'élément saillant et permet ainsi de varier la forme du cristal tiré. Bien que les procédés décrits ci-dessus aient été appliqués pour produire des rubans ayant une structure cristallogra- phique adéquate, ils ont de nombreux inconvénients. Le procédé à bande dendritique est limité à une orientation de cristal fixe (111) et le réglage de la longueur est difficile en raison de l'étalement des dendrites. Ce procédé demande en outre une régulation de température précise. Les autres procédés décrits ci-dessus, bien que permettant en principe toute orientation de la surface du cristal, produisent des structures cristallines dont la qualité est sérieusement affectée en raison de la contamination du bain par la filière et en raison de la faible distance ou hauteur de ménisque entre le dessus de la filière et le front de solidification. L'invention vise à apporter un procédé perfectionné, ainsi qu'un appareil pour sa mise en oeuvre, qui permette de faire croître au moins un ruban ou bande monocristallin d'un bain de matière fondue, en particulier un ruban monocristallin semiconducteur non contaminé, dont la largeur soit comprise notamment entre environ 1 et 5 cm, et qui permette de faire crotte simultanément au moins deux rubans monocristallins du même bain, le ou chaque ruban étant de préférence un ruban monocristallin de silicium, germanium, alliage intermétallique, saphir, grenat ou une matière analogue. Un appareil selon l'invention comprend un récipient, notamment un creuset, pour contenir le bain de matière fondue, ainsi qu'une matrice ou filière conformatrice de ruban(s) qui possède au moins deux éléments mutuellement espaces et susceptibles d'être mouillés par la matière fondue. Les éléments sont disposés de telle manière dans le récipient qu'une partie de chaque élément se trouve sous le niveau de la surface libre du bain et qu'une deuxième partie se trouve au-dessus du niveau du bain. Chaque partie située au-dessus du niveau du bain possède une hauteur qui suffit au moins pour former un ménisque convexe de matière fondue du bain sur l'élément concerné. L'écartement des éléments suffit pour qu'un ou plusieurs germes en forme de ruban puissent être placés entre les éléments et introduits entre eux dans le bain. Comme les éléments forment les limites latérales du ménisque d'o croît le ou chaque ruban, l'écartement des éléments définit la largeur du ruban ou de chaque ruban tiré. Comme il ressort des figures 1 et 2, le germe en forme de ruban, lorsqu'il est abaissé dans le bain, vient au contact des ménisques sur les éléments de filière, par ses bords latéraux, avant d'atteindre le niveau de la surface libre du bain. !,. 2488 9 16 Dans un mode de réalisation préféré, les éléménts sont coniques et l'extrémité de plus faible diamètre de chaque élément conique est située au-dessus du niveau du bain. Il est également préférable que les éléments mutuellement espacés soient montés mobiles dans le récipient, de manière que la largeur du ruban tiré puisse être variée et que la hauteur des éléments dans le bain puisse être optimisée. Le procédé selon l'invention comprend la formation d'un bain de matière fondue dans un récipient autour de toute la surface d'une matrice ou filière conformatrice de ruban(s) mouillable par la matière fondue du bain. La filière est réalisée comme décrit ci- dessus. L'écartement des éléments est de préférence d'environ 1 à 5 cm. Le ou les germes en forme de ruban est ou sont disposés entre les éléments de filière et abaissé(s) jusqu'à ce que l'extrémité inférieure vienne au contact de la surface du bain. Le germe ou chaque germe est ensuite retiré lentement et à peu près perpendiculairement au bain pour produire la formation d'un ruban monocristallin de la matière du bain. La largeur du ruban ainsi tiré est déterminée par l'écartement des éléments de la filière. Le niveau du liquide dans le récipient est maintenu constant par l'alimentation du bain selon une méthode classique quelconque, de sorte que la hauteur de la partie des éléments située au-dessus du niveau du bain ne change pas. La matière fondue du bain est de préférence un semi- conducteur et en particulier du silicium. L'appareil et le procédé selon l'invention apportent plusieurs avantages appréciables par rapport aux procédés et appareils de tirage de cristaux décrits dans ce qui précède. Par exemple, à la différence du procédé à bande dendritique,l'appareil et le procédé selon l'invention (1) permettent de produire toute orientation de cristal; (2) ne demandent pas de régulation critique du bilan ther- mique du bain de matière surfondue; (3) ne demandent pas de plans doubles dans le ruban et (4) permettent un réglage et une stabilisa- tion meilleurs de la largeur du ruban tiré. Les avantages de l'appareil et du procédé selon l'invention par rapport aux méthodes de Stepanov, EFG et selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 4 000 030 peuvent être résumés comme suit: (1) il n'est pas nécessaire de former un ménisque étroit entre l'interface solide/liquide et le dessus, ce qui réduit considérablement les risques de perturbations thermiques; (2) il suffit d'éléments mutuellement espacés et mouillables de faible volume, ce qui diminue fortement les problèmes de contamination du bain, en particulier sous toute la zone centrale de formation de ruban ou de bande; (3) il devient possible économiquement d'utiliser des éléments mutuellement espacés et mouillables faits de diamants, ce qui diminue encore plus les problèmes de contamination, et (4) une purification par ségrégation par fusion normale peut être effectuée, ce qui n'est pas possible en cas d'utilisation de canaux capillaires étroits. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de deux exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexes, sur lesquels: - - la figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un appareil pour tirer un ruban monocristallin d'un bain de matière fondue selon un exemple de mise en oeuvre préféré de l'invention, avec utilisation d'une filière conformatrice de type préféré; - la figure 2 est une vue schématique analogue à celle de la figure 1 montrant une filière selon un autre exemple de - réalisation préféré; et - la figure 3 est une vue en perspective de l'appareil représenté sur la figure 2. La figure 1 représente un récipient 1, sous forme d'un creuset possédant un fond 3 et des parois latérales verticales 5, contenant un bain de matière fondue 7. Une filière conformatrice de ruban 9 s'étend vers le haut à partir du fond 3 et présente en haut deux éléments 15 et 17 espacés l'un de l'autre et des parois laté- rales 5. L'élément 15 comporte une partie 15a située au-dessus du niveau 13 de la surface libre du bain 7 et une partie 15b située sous ce niveau. De façon analogue, l'élément 17 comporte une partie 17a située au-dessus du niveau 13 et une partie 17b située sous ce niveau. La hauteur audessus du niveau 13 des parties l5a et 17a est au moins suffisante pour la formation de deux ménisques convexes 2488 916 19 de matière fondue du bain 7 par-dessus les dlément-s 15 et 17. L'écartement des éléments 15 et t7 est au moins suffisant pour qu'un germe 11 en forme de ruban puise être disposé en largeur et abaissé dans le bain 7 entre les élémcnts 15 et 17. La filière 9 peut être formée par une protubérance & lun seul tenant avec le fond 3 mais elle peut être formée égalenienir par une pièce séparée supportée convenablement dans le creuset 1. La filière 9 peut également comporter un ou plusieurs éléments supplémentaire(s),semblable(s) aux éléments 15 et 17 et espacé(s) de ceuxci, ce qui permet de tirer simultanément plusieurs rubans ou bandes monocristallins par l'emploi d'autant de germes Il en forme de ruban. Par exemple, la prévision de trois éléments mutuellement espacés permet de tirer simultanément deux rubans en cas d'utilisation de deux germes; si les trois éléments sont disposés aux sommets d'un triangle, il devient possible de tirer simultanément trois rubans avec trois germes en forme de ruban. La filière 9 peut être faite de tout matériau approprié pouvant être mouillé par la matière fondue du bain 7. La matière du bain remonte en mouillant les cêtés des éléments 15 et 17 sous l'effet des tensions superficielles, formant un ménisque convexe sur chacun des éléments 15 et 17. La filière 9 peut notamment être faite de graphite à haute densité, carbure de silicium, diamant, iridium ou molybdène, suivant la nature du ruban monocristallin tiré. Selon le procédé de l'invention, le creuset 1 est chargé d'une matière susceptible d'en être retirée sous forme d'un ruban ou bande monocristallin. On peut notamment utiliser des matières telles que le silicium, le germanium, le grenat, le saphir ou des matières analogues. Le bain est formé de façon conventionnelle, par exemple comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 000 030. Le bain est maintenu à un niveau 13 inférieur aux parties 15a, 17a des éléments 15, 17 de la filière de conformation 9. Ce niveau est tel que la tension superficielle entre la matière fondue du bain 7 et la filière 9 fait monter la matière fondue sur les côtés des parties 15a, 17a en mouillant celles-ci et en formant deux ménisques 19 par-dessus ou autour d'elles. Le procède selon l'invention comporte l'abaissement du germe Il en forme de ruban pour amener son extrémité inférieure au contact avec le bain 7 au niveau 13 dans la région comprise entre les éléments 15 et 17. Le germe Il est ensuite écarté lentement du niveau 13 par son tirage vers le haut dans une direction sensi- blement perpendiculaire à la surface du bain 7. L'opération de tirage peut être effectuée par tout mécanisme conventionnel. Pour des détails concernant un tel mécanisme, on peut se reporter notamment au brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 075 055. La largeur du ruban monocristallin'tiré du bain 7 est déterminée par l'écartement des éléments 15 et 17. Cet écartement sera généralement d'environ 1 à 5 cm. Les figures 2 et 3 montrent une deuxième exécution préférée de la filière conformatrice. L'appareil de ce deuxième exemple comprend un récipient ou creuset 20. qui possède un fond 24 et des parois latérales 22 et qui contient un bain de matière fondue 27. Dans le bain 27 plongent deux éléments de filière 29 qui sont recour bés à l'intérieur du bain, voir la figure 3, et émergent de la surface libre du bain par deux embouts 21 et 23 de forme conique avec un sommet arrondi. L'écartement des éléments 29 est suffisant pour qu'un germe 25 en forme de ruban puisse être disposé avec sa largeur entre les éléments et abaissé entre eux dans le bain 27. L'embout 21 comporte une partie 21a située au-dessus du niveau 31 de la surface libre du bain 27 et une partie 21b située sous ce niveau. De façon analogue, l'embout 23 comporte une partie 23a située au-dessus du niveau 31 et une partie 23b située sous ce niveau. Les parties 21a et 23a sont maintenues à une telle hauteur au-dessus du niveau 31 que la tension superficielle entre la matière fondue du bain 27 et les embouts des éléments de filière 29 fait remonter la matière fondue sur les parties 21a et 23a, en les mouillant et en formant sur elles deux ménisques convexes 33. Quatre double flèches sur les figures 2 et 3 indiquent que les éléments de filière 29 sont montés mobiles pour permettre le déplacement des embouts 21 et 23 dans le sens vertical et dans le sens horizontal. Ainsi, il est possible de changer la largeur du ruban tiré et d'ajuster les embouts 21 et 23 à la hauteur optimale dans le bain 27. Là encore, il est bien entendu possible d'utiliser un plus grand nombre d'éléments de filière 29 pour permettre le tirage simultané de plusieurs rubans monocristallins à l'aide d'autant de germes 25 en forme de ruban. Bien que leur application ne soit pas liée à, ni limitée par, une théorie particulière, la demanderesse considère que l'appareil et le procédé selon l'invention suppriment pratiquement tous les problèmes de contamination et d'orientation des procédés décrits dans ce qui précède en (1) réduisant le volume de la filière nécessaire dans le bain et (2) diminuant autant que possible la surface de contact entre la filière et la matière fondue du bain sous la zone centrale d'o est extrait le ruban. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. R E V E N D I C A T IONS 1. Procédé pour le tirage d'au moins un ruban monocristallin, ou un autre corps monocristallin de forme allongée et plus large qu'épais, d'un bain de matière fondue à l'aide d'au moins un germe en forme de ruban, ou en forme d'un autre corps allongé plus large qu'épais, caractérisé en ce qu'il consiste à: a. former un bain (7, 27) de la matière d'o le ruban monocristallin doit être fait dans un récipient (1, 20) autour de la surface, mouillable par la matière fondue du bain, d'une matrice ou filière conformatrice possédant au moins deux éléments (15, 17; 29) mutuellement espacés; b. positionner chaque élément (15, 17; 29) par rapport à la surface du bain (7, 27) de manière que chaque élément comporte une partie (15b, 17b; 21b, 23b) située sous le niveau (13, 31) de la surface libre du bain et une deuxième partie (15a, 17a; 21a, 23a) situee au-dessus du niveau (13, 31) du bain et ayant une hauteur au moins suffisante pour former au moins un ménisque convexe (17, 33) de matière fondue du bain sur l'élément correspondant, l'écartement des éléments étant suffisant pour qu'un germe (11) en forme de ruban puisse être placé dans le sens de sa largeur entre les éléments; c. placer au moins un germe (11) en forme de ruban entre les éléments (15, 17; 29) de la filière; d. amener une extrémité (10) d'au moins un germe (11) au contact avec la surface du bain, au moins au droit des deux ménisques (19, 31) et ensuite, éventuellement, au niveau (13, 31) du bain; et e. retirer le germe ou chaque germe (11) perpendiculai- rement ou à peu près perpendiculairement à la surface du bain pour - produire au moins un ruban monocristallin de la matière du bain. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière du bain est un semiconducteur, en particulier du groupe comprenant le silicium, le germanium, le saphir, les alliages intermétalliques et le grenat. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière du bain est le silicium. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'écartement des éléments de filière (15, 17; 29) est d'environ 1 à 5 cm. 5. Appareil pour le tirage d'au moins un ruban monocristallin ou un corps monocristallin de forme analogue d'un bain de matière fondue à l'aide d'au moins un germe en forme de ruban ou de forme analogue, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en-ce qu'il comprend: a. un récipient (1, 20), notamment un creuset, pour contenir le bain; et b. une matrice ou filière conformatrice possédant au moins deux éléments (15, 17; 29) mutuellement espaces, qui comportent chacun une partie (15b, 17b; 21b, 23b) située sous le niveau (13, 31) de la surface libre du bain et une deuxième partie (15a, 17a; 21a, 23a) située au-dessus du niveau (13, 31) du bain et ayant une hauteur au moins suffisante pour former au moins un ménisque convexe (19, 33) de matière fondue du bain sur l'élément correspondant, l'écartement des éléments étant suffisant pour qu'un germe (11) en forme de ruban puisse être placé dans le sens de sa largeur entre les éléments et cet écartement déterminant la largeur du ruban tiré du bain. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments de filière sont coniques ou présentent des extré- mitée coniques, notamment des extrémités coniques (21, 23) qui se rétrécissent comiquement vers un sommet arrondi situé au-dessus du niveau (31) de la surface libre du bain (27). 7. Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les éléments de filière (29) sont montés mobiles dans le sens horizontal, dans le sens vertical ou dans les deux sens. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérise en ce que l'écartement des éléments de filière (15, 17; 29) est d'environ 1 à 5 cm.