Brevet FR2502135A2 — publié le 19820924

FR 2502135 A2 19820924 FR 8106034 A 19810320 La présente addition est relative à un procédé de fabrication d'un matériau polycristallin de silicium possédant des cristaux de suffisamment grandes dimensions pour permettre une utilisation dans le domaine des photopiles. Le domaine technique concerné est, plus particulièrement, la conversion photovoltalque appliquée à l'exploitation de l'énergie solaire. La présente addition est relative au procédé caractérisé selon le brevet principal en ce qu'on maintient le matériau de base cristallisé, par l'un de ses bords au moins, dans une enceinte sous vide, en ce qu'on soumet ledit matériau à un bombardement par un faisceau d'électrons balayant, de façon alternative, ledit matériau, en vue de provoquer une fusion locale dudit matériau donnant lieu 9 une recristallisation subséquente et en ce qu'on provoque, simultanément, un déplacement relatif entre le matériau et le faisceau selon une direction croisant celle du balayage. Les recherches effectuées partir des produits obtenus selon le brevet principal, ont montré que, au fur et à mesure de la réalisation du matériau polycristallin par bombardement électronique, un gradient de température s'établit entre la zone fondue et la zone en cours de recristallisation qui revient naturellement à la température ambiante. Il en résulte des variations très rapides de températures induisant des contraintes thermiques qui sont à l'origine de contraintes résiduelles dans les grains constitutifs du matériau recristallisé, I1 apparait nécessaire d'éliminer ces contraintes résiduelles afin d'obtenir un matériau possédant de bonnes caractéristiques de résistance mécanique et de conversion photovoltalque afin de permettre une application à la fabrication de photopiles. Le problème ci-dessus a déjà été mis en évidence et on a montré que les contraintes thermiques résiduelles ne sont pas dues au gradient de température lui-même, mais la non linéarité du profil de températures décroissant depuis la température de fusion de la zone fondue jusqu' la température à laquelle le matériau redevient suffisamment plastique, par exemple, environ 6000 C pour le silicium. Il est connu que l'élimination de ces contraintes résiduelles ne peut être atteinte qu'en réalisant un profil thermique de décroissance linéaire dans cette zone de plasticité. Dans ce but, certaines techniques de fabrication différentes, ne faisant pas intervenir l'utilisation d'un faisceau d'électrons, Ont préconisé de soumettre le matériau cristallisé une montee en température, notamment par l'intermédiaire d'un faisceau laser puis, de faire intervenir l'application d'un post-chauffage pour apporter des calories à l'arrière de la zone fondue, afin de favoriser la linéarité du profil thermique de décroissance de la zone de recristallisation. tes moyens, préconisés dans ce but, consistent à faire intervenir une sorte de four local intéressant la zone qui vient d'être recristallisée. On conçoit qu'un tel moyen technique ne peut pas intéresser directement la partie du matériau située immédiatement au voisinage de la zone fondue, à partir de laquelle le refroidissement donne lieu à la zone recristallisée. Il en résulte que l'objectif vise, c'est-à-dire la linéarisation du profil décroissant de température dans la zone de recristallisation, ne peut pas être atteint et que des contraintes résiduelles subsistent. La présente addition vise à apporter une solution au pro blème ci-dessus, t partir d'une technique de fabrication d'un matériau polycristallin de silicium faisant intervenir la mise en oeuvre d'un faisceau d'électrons bombardant un matériau cristallisé. L'objet de l'addition est de fournir une solution technique particulièrement simple, peu onéreuse et directement applicable dans le domaine de fabrication ci-dessus. Un autre objet de l'addition est de proposer une technique de refroidissement contrôlé de la zone de recristallisation pouvant être mis en oeuvre sans faire intervenir de moyens techniques particulièrement coûteux et complexes et s'intégrant directement à ceux utilisés pour la mise en oeuvre du procédé de recristallisation. Conformément à l'addition, le procédé de fabrication d'un matériau polycristallin de silicium est caractérisé en ce qu'on réalise, par l'intermédiaire d'un faisceau d'électrons, au moins de façon intermittente, un post-chauffage du matériel de façon contiguë à la fusion locale et en arrière de cette fusion par rapport au sens de progression de cette dernière. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous. Comme dans le brevet principal, le procédé consiste à placer un matériau de base, par exemple, une plaquette,polycristalline de silicium, dans une enceinte où règne le vide. La plaquette polycristalline est bombarde avec un faisceau d'électrons, focalisé et périodiquement soumis à déflexion, pour réaliser un balayage alternatif afin de provoquer la fusion locale de la plaquette. Cette fusion donne lieu, par refroidissement, à recristallisation subséquente, fournissant des grains de plus grandes dimensions que celles du matériau de base. La plaquette polycristalline est, simultanément, soumise à déplacement relatif par rapport au faisceau, selon une direction qui est, par exemple, perpendiculaire à celle générale de balayage. Ce déplacement relatif combiné permet de soumettre toute la surface utile de la plaquette à l'action du faisceau d'électrons. Le procédé de l'invention fait, par exemple, intervenir une plaquette d'épaisseur de 400 à 500 Su, constituée de grains de longueurs voisines de quelques dizaines de microns. Une telle plaquette est, par exemple, soumise à l'action d'un canon à électrons, fournissant un courant d'électrons de 0,1 à 5 mA, accéléré sous une différence de potentiel de 10 à 40 kV, Des plaques de déflexion électro-statiques sont polarisées par une rampe de tension de O à 500 V, à fréquence variable, entre 10 et 1 000 Hz. Le diamètre du spot du faisceau d'électrons à l'impact de la plaquette est ajustable par focalisation magnétique entre 0,1 et 2 mm. Pour obtenir les résultats ci-dessus, le procédé met en oeuvre les valeurs données ci-dessous à titre d'exemples - largeur de balayage .............................. 1 cm - vitesse de déplacement relatif .................. 50 cm/h - intensité du courant 4 4 mA - tension ....................................... 17 kV - fréquence de balayage ........................... 300 Hz - diamètre du spot................................. 1 mm Selon l'addition, pour. éliminer les contraintes résiduelles produites dans la zone de recristallisation et dues à la variation, non linéaire, de la température de fusion, jusqu'à environ 6000 C, il est prévu de faire intervenir un post-chauffage de la zone recristallisée de manière à introduire une variation linéaire du refroidissement de la zone qui vient d'être recristallisée de la température de fusion à une température voisine de 6000 C pour le silicium. Le post-chauffage est appliqué dans la zone immédiate arrière de la zone de fusion en considération du sens de progression de cette dernière résultant du déplacement relatif entre le matériau à traiter et le faisceau d'électrons et se trouve produit par un faisceau d'électrons. De préférence, selon l'addition, le post-chauffage est réalisé en utilisant le faisceau d'électrons responsable de la fusion et en produisant un déplacement relatif du faisceau dans le sens rétrograde par intermittence. Ce déplacement relatif peut être produit en déplaçant le matériau ou en produisant la déflexion propre du faisceau. De préférence, le procédé de l'addition fait intervenir un faisceau d'électrons à position fixe soumis à déflexion dans le sens du balayage et un ruban ou une bande de matériau de base qui est déplacé relativement à l'aplomb du faisceau dans une direction perpendiculaire à celle du balayage. Dans un tel cas, selon l'addition, périodiquement, le faisceau d'électrons est défléchi, dans le sens rétrograde par rapport au sens de progression de la zone fondue. Le faisceau peut être ainsi appliqué de façon contiguë à la zone fondue jusqu'à une distance donnée prise en référence de l'axe d'avancement. Par exemple, la zone couverte par la déflexion du faisceau d'électrons, peut être comprise, à partir de la zone de fusion, entre 0,4 cm et 1,5 cm, pour des gradients de température allant de 500 à 2 0000 C/cm. Le faisceau d'électrons peut être généré par un courant d'une puissance comprise entre 100 et 300 W. Le diamètre du spot peut être maintenu égal à celui réalisant la montée en température et la fusion de la zone fondue. Lors de la déflexion, le faisceau d'électrons est maintenu en balayage alternatif, de façon à couvrir toute la zone de recristallisation par des bandes ou tranches successives jointives ou non jointives. Il peut être prévu, toutefois, de faire intervenir pour chaque déflexion rétrograde une défocalisation du faisceau afin d'augmenter le diamètre du spot responsable du post-chauffage. Quel que soit le mode de couverture, le balayage rétrograde intervient à une vitesse moyenne de l'ordre de 4 cm/s, alors que le retour en position de fusion est quasi instantané. A titre d'exemple, la déflexion du faisceau d'électrons peut intervenir à une fréquence de l'ordre de la seconde et durer une demi-seconde. I1 peut être prévu aussi de soumettre le faisceau d'électrons à une dé flexion faisant intervenir un balayage rétrograde se déplaçant à vitesse variable. Le post-chauffage ainsi appliqué à la zone de recristallisation peut intervenir, compte tenu des moyens de l'addition, dans le voisinage immédiat de la zone de fusion et couvrir la zone de recristallisation sensible. Il devient ainsi possible, pratiquement, d'introduire une courbe de décroissance de température linéaire, depuis la température de fusion jusqu'à environ 6000 C. De la sorte, les contraintes résiduelles des grains sont, sinon totalement éliminées, du moins en grande partie réduites. Ceci permet de conférer au matériau recristallisé des caractéristiques optimales de tenue mécanique et de conversion photovoltaique permettant une application à l'exploitation de l'énergie solaire. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier, dans certaines conditions de mise en oeuvre du procédé, il peut être prévu de réaliser le post-chauffage au moyen d'un second canon à électrons alimenté indépendamment du premier responsable de la fusion. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un matériau polycristallin de silicium à partir d'un matériau de base cristallisé, comprenant, selon la revendication 1 du brevet principal, le maintien du matériau de base par l'un de ses bords au moins dans une enceinte sous vide, l'application audit matériau d'un bombardement par un faisceau d'électrons balayant, de façon alternative, le matériau en vue de provoquer une fusion locale donnant lieu à une recristallisation, le déplacement relatif entre le matériau et le faisceau selon une direction croisant celle de balayage, caractérisé en ce qu'on réalise, par l'intermédiaire d'un faisceau d'électrons, au moins de façon intermittente, un post-chauffage du matériau de façon contiguë à la fusion locale et en arrière de cette fusion par rapport au sens de progression de cette dernière. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le post-chauffage est obtenu en utilisant le faisceau d'électrons responsable de la fusion et en provoquant périodiquement le balayage rétrograde dudit faisceau. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le post-chauffage fait intervenir un balayage rétrograde à une fréquence de l'ordre de la seconde qui peut durer une demiseconde. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le faisceau d'électrons assurant le post-chauffage est soumis à défocalisation. 5 - Procédé selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le post-chauffage est assuré par un canon d'électrons différent de celui responsable de la fusion. 6 - Procédé selon l'une des revendications I à 5, caractérisé en ce que le post-chauffage est conduit dans la partie de recristallisation du matériau immédiatement après la zone en fusion et produit un refroidissement linéaire de cette partie depuis la température de fusion jusqu'à 6000 C environ. 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le post-chauffage est appliqué, à partir de la zone fondue, sur une distance comprise entre 0,3 cm et 1,8 cm et met en oeuvre un faisceau d'électrons d'une puissance électrique de quelques centaines de watts pour des rubans de quelques centimètres de large et quelques centaines de microns d'épaisseur.