Brevet FR2512847A1 — publié le 19830318

Procédé et appareil pour la fabrication d rubans cristallins L'invention est relative, de façon générale, à la fabrication d'un ruban monocristallin et, plus particulièrement, à un procédé de fabrication en continu de rubans de cristal de silicium ainsi qu'à un appareil de mise en oeuvre du procédé. Les tranches monocristallines semi-conductrice destinées à diverses applications électroniques ont jusqu 'à présent été obtenues, de façon type, sous la forme de tiges en tirant lentement vers le haut un cristal de germination a partir d'une masse de silicium fondu. La tige, une fois formée, est ensuite coupée en tranches minces qui peuvent elles aussi être coupées en composants semi-conducteurs de plus petite dimension. Ce processus demande enormément de temps et est très coûteux en raison du fait qu'une grande partie du matériau est perdue au cours de l'opération de découpe. Afin de supprimer quelques-uns des problèmes inhérents aux techniques de tirage vertical, un effort considérable a été fait en vue de pouvoir fabriquer directement le matériau semi-conducteur en un ruban, éliminant ainsi la perte de matériau et de temps inhérente à la découpe de tiges en tranches. Un mince ruban monecristallin, une fois formé, peut ensuite être entaillé sous forme du dessin désiré et les différents éléments ainsi formés détachés du ruban pour leur utilisation en tant que composants. Alors que le ruban mince pourrait être tiré directement à travers une fente dans une filière suivant une direction verticale au-dessus d'un bain de matériau fondu, le processus est extrêmement lent. Plus récemment, des efforts ont porté sur le tirage d'un ruban horizontalement à partir de la surface d'un bain de matériau semi-conducteur fondu, laquelle technique fournit une plus grande zone d'interface solide/ liquide de formation de cristal et, en conséquence, est plus productive que les techniques de croissance cristalline verticale.Cependant, les techniques et appareillages utilisés jusqu a présent pour la croissance de rubans monocristallins semi-conducteurs utilisant le processsus de tirage horizontal n'ont pas donné satisfaction du point de vue de la qualité, de l'épaisseur et de la largeur qui doivent etre uniformes et de la stabilité de fonctionnement. C'est en conséquence un but de l'invention d'apporter des améliorations aux procédés et appareillages de formation en continu de rubans semi-conducteurs cristallins. C'est un autre but de l'invention de fournir un procédé et un appareillage permettant de fabriquer des rubans semiconducteurs de haute qualité avec un rendement de production élevé et présentant des dimensions uniformes. L'invention fournit un procédé pour faire croître, en continu, un ruban de matériau semi-conducteur cristallin, caractérisé en ce qu'on forme un bain de matériau semiconducteur fondu, on place un germe cristallin à la surface du bain, on tire le germe suivant une direction formant un angle faible à partir de la surface du bain et par-dessus l'arête d'une paroi d'attache de ménisque, à une vitesse correspondant à la formation du ruban de cristal solide et on commande et stabilise au-dessous de la surface du bain la vitesse de formation de cristal en largeur et en épaisseur. L'invention fournit également un appareil propre à être utilisé pour la fabrication en continu de rubans de semiconducteurs cristallins, contenant une cuve relativement peu profonde propre à contenir une masse de matériau semiconducteur fondu, un racloir disposé au-dessous de la surface du matériau fondu, son bord supérieur étant disposé à proximité de la surface et propre à former un ménisque dressé jusqu'à la face inférieure du ruban tiré suivant un angle de faible valeur au-dessus du bord de la paroi d'attache du ménisque. Un stabilisateur de bord d'avance ou bord avançant est disposé au-dessous de la surface du bain et au-dessous du bord d'avance du ruban solide pour compenser automatiquement les modifications dans la vitesse de tirage, la vitesse de croissance, la température de la masse fondue et d'autres facteurs.Des stabilisateurs latéraux sont prévus au-dessous de la surface du bain de chaque cté du ruban pour régler la largeur du ruban et une impédance thermique est montée au-dessous de l'interface du ruban et du matériau liquide pour régler la convection thermique. L'invention est décrite plus en détail ci-après en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure l est une vue latérale en coupe d'un appareil de croissance d'un ruban cristallin conforme à l'invention; la figure 2 est une vue d'une partie de la figure 1, à plus grande échelle; la figure 3 en est une vue en plan de dessus; la figure 4 est une vue en coupe transversale selon la ligne 4-4 de la figure 3; la figure 5 est une vue en plan, de dessus, quelque peu schématique, indiquant les caractéristiques de croissance d'un ruban formé conformement à l'invention; la figure 6 est une vue en plan de dessus d'une variante de l'invention; la figure 7 est une vue en coupe transversale selon la ligne 7-7 de la figure 6; la figure 8 est une vue en plan d'une autre variante de l'invention, la figure 9 est une vue en coupe transversale selon la ligne 9-9 de la figure 8; la figure 10 est une vue en perspective de la réalisation selon la figure 8, avec des parties en arraché; la figure 11 est une vue en coupe montrant un détail de la figure 1, à une plus grande échelle; et la figure 12 est une vue en élévation latérale, en coupe, d'une autre variante de l'invention. Conformément à l'invention, un ruban continu est formé en plaçant un cristal de germination sur la surface supérieure d'un bain de silicium fondu, la température à la surface étant réglée pour produire la solidification. Le germe est ensuite tiré de la surface du bain suivant un angle aigu positif de faible valeur au-dessus de l1arête du bord supérieur d'une paroi à une vitesse proportionnelle à la vitesse de croissance du bord d'avance du cristal, dans une direction opposée à la direction de tirage. Le bain de silicium est maintenu peu profond et à un niveau relativement constant pour assurer que le bord d'avance (ou avançant) du ruban à l'interface solide/liquide reste stable. La croissance du cristal est stabilisée en augmentant ou diminuant automatiquement la vitesse d'avance du bord de croissance du ruban en faisant passer le bord d'avance du ruban au-dessus d'un stabiliseur disposé au-dessous de la surface du bain. Le ruban est également déplacé entre des stabilisateurs latéraux disposés au-dessous de la surface du bain qui règlent la largeur du ruban. En se référant maintenant aux dessins et plus particulièrement à la figure l,on voit un appareil pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus décrit pour tirer en continu un ruban cristallin hors d'une masse fondue de silicium conformément à l'invention. L'appareil ést organisé de façon générale autour d'un creuset 10 définissant une cuve peu profonde destinée à contenir une quantité de silicium fondu 12 à partir de la surface de laquelle un ruban 14 de silicium cristallin est tiré.La cuve est de très faible profondeur comparativement aux appareils de l'art antérieur et réduit fortement l'effet défavorable dfl aux courants de convection habituellement présents dans les cuves profondes normalement utilises dans les installations de formation de cristaux par action de tirage. a configuration de l'appareil de croissance de cristaux conforme à l'invention est du type permettant d'extraire la région en croissance du ruban à partir de la masse en fusion contenue dans le récipient. Le creuset 10 est de préférence réalisé en un matériau résistant aux températures élevées et qui ne réagira pas avec le silicium fondu. A cet effet, le quartz s'est avéré fournir des résultats satisfaisants. Le creuset de la réalisation représentée est de forme générale rectangulaire at comprend une paroi de fond 16 et des parois latérales de bordure de faible hauteur 18 qui contiennent le silicium fondu 12. A l'intérieur du creuset lui-même sont montés plusieurs éléments passifs qui contribuent à la formation correcte du ruban 14. Ces éléments comprennent une paroi verticale 20, un stabilisateur de bord d'avance 22, une impédance thermique 24, et une paire de stabilisateurs latéraux 26 et 28. Les composants actifs du système comprennent une source de chaleur 30 disposée de façon type dans ou au-dessous de la paroi de fond 16. L'appareil comprend également un support de germe et mécanisme de tirage 32 propre à saisir un germe cristallin 34, à le tenir à la surface du bain alors que le ruban 14 se forme et à tirer le germe et le ruban 14 à une vitesse constante dans une direction opposée à la direction de croissance du cristal. Le mécanisme de tirage du germe 32 est disposé de façon à tirer le ruban 14 suivant un angle aigu légèrement positif de façon type 50, au-dessus de l'horizontale et à une vitesse sensiblement égale à la vitesse de formation du cristal sur la surface du bain. Dans la réalisation préférée de l'invention, le ruban 14 est tiré par-dessus l'arête supérieure de la paroi 20. La paroi 20 est formée de façon type en quartz et, dans la réalisation préférée, est constituée par un élément rigide vertical dont l'extrémité supérieure forme une arête 36 située plus ou moins dans le même plan que le bord supérieur d'une paroi latérale 18, comme on le voit mieux sur la figure 2. Le ruban 14 est tire par-dessus le bord de la paroi suivant un angle de faible valeur à partir de la surface du bain et forme derrière la paroi un ménisque dressé 38 entre le ruban et le niveau du liquide au-dessus du silicium fondu. Le bord d'avance du ruban où la formation de cristal a lieu se déplace dans une direction opposée à la direction de tirage. En tirant le ruban suivant un angle positif de faible valeur à partir de la surface du bain, on obtient un certain nombre de résultats bénéfiques. Ainsi est éliminé le besoin de remplir le creuset avec un léger surplus, ce qui serait requis si le ruban devait être tiré suivant un trajet exactement horizontal. I1 s'est avéré qu il était extrêmement difficile de maintenir la masse fondue à un niveau qui permettrait au ruban d'être tiré horizontalement à partir d'un creuset sans que la masse fondue déborde. A ceci s'ajoutait le problème que le ruban se collait (par congélation) au bord du creuset. En tirant le ruban suivant un léger angle vers le haut, ces problèmes sont surmontés. Le bord d'avance où le cristal se forme est conformé suivant un arc là où il rencontre la surface de la masse fondue, comme on le voit sur les figures 3 et 5. La forme du bord d'avance est déterminée par le champ thermique juste au-dessous et en face du bord d'avance, lequel champ est déterminé par les gradients de température introduits par les stabilisateurs.Cette forme du bord d'avance du cristal contribue à une meilleure qualité de ruban pour la raison que toute imperfection qui pourrait se développer lors de la formation du cristal croîtra vers les bords latéraux du ruban plutôt qu'en longueur suivant le ruban comme elle se formerait si le bord de croissance était rectiligne Par exemple, dans la figure 5, un défaut de croissance cristalline est indiqué en 40 et ce défaut va se déplacer généralement suivant le trajet indiqué en 42 vers un bord latéral du ruban 14 alors que la croissance du ruban a lieu comme représenté par les bords d'avance tracés en pointillé. Ainsi, tout défaut qui peut se produire a un effet minime et se corrigeant de lui-même sur le ruban. Le ruban 14, comme montré dans la figure 4, présente en coupe transversale une surface inférieure plane et une surface supérieure plane dans son ensemble mais légèrement arrondie sur les bords. En général, l'épaisseur du ruban dépend partiellement de la longueur suivant laquelle le ruban est en contact avec la masse fondue et de la vitesse à laquelle il croît vers le bas. Conformément à ltinvention et comme mieux représenté sur la figure 12, l'ensemble du matériau en fusion est séparé de la région de croissance du cristal en étant contenu dans un réservoir 42 de façon qu'on maintienne le creuset 10 avec une très faible profondeur de matériau fondu à partir duquel est formé le ruban 14. Divers systèmes de remplissage en matériau en fusion peuvent être utilisés en liaison avec l'invention et, alors que la figure 12 illustre un tel système, d'autres systèmes sont disponibles et peuvent également être utilisés. Sur la figure 12, le creuset 10 est monté dans un carter 44 comprenant un boîtier extérieur 46, de préférence en quartz. Le creuset sert en tant que réservoir 42 pour le silicium fondu 50 pour réapprovisionner la cuve 10. Le boîtier 46 comprend une plaque de positionnement 52 disposée en travers de la partie supérieure du boîtier et qui sert à fournir un joint à pression pour la chambre de pression définie par le boîtier et qui supporte un tube d'approvisionnement 54 entre la chaghre de pression et la cuve 10.L'extrémité inférieure du tube 54 s'étend au-dessous de la surface de la masse fondue 50 et se termine au-dessus de la partie supérieure du creuset 48. L'extrémité supérieure du-tube 44 est courbée de façon à s'étendre au-dessus de la partie supérieure de la cuve 10 pour former une trémie de sortie par laquelle le silicium fondu est transféré du réservoir 42 à la cuve 10. La chambre formée dans le boîtier peut être pressurisée au moyen de gaz sous pression délivré par un tube support 56 et des fentes 58 qui s'étendent le long des parois internes du bol- tier et sont en coincidence avec des passages 60 communiquant avec le tube 56.Un dispositif de chauffage auxiliaire 62 peut être disposé à proximité de l'extrémité supérieure du tube d'approvisionnement 54 pour maintenir en fusion le silicium approvisionné et un écran de protection contre -les rayonnements 64 peut être prévu au-dessus du dispositif de chauffage comme représenté. L'utilisation d'une cuve peu profonde à partir de laquelle est réalisée la croissance du ruban élimine certaines des caractéristiques de déstabilisation inhérentes aux creusets profonds, particulièrement eu égard aux courants de convection présents dans des bains profonds de siliaium fondu. Le profil du centre du ruban est légèrement incurvé et ceci se produit naturellement étant donné que l'épaisseur croissante du silicium provoque une légère réduction du taux de dissipation de la chaleur de fusion. Ceci peut être réglé en plaçant un dissipateur de chaleur variable au-dessus de la surface solide ou en modifiant l'amenée de chaleur à la masse de silicium fondu. Le but souhaité dans la réalisation de l'invention est de maximiser la distance entre le bord d'avance du ruban et le point auquel la pleine épaisseur de ruban est obtenue. Ceci aura pour effet de maximiser la zone surfacique de l'in terface solide/liquide ayant pour résultat une maximisation de la vitesse de croissance et/ou une minimisation des gradients de température à travers lesquels le matériau sillicium solidifié doit passer. Ceci aura pour résultat des contraintes réduites dans le domaine découlement plastique avec pour conséquence une qualité améliorée du matériau en ruban. En plus des exigences du système déterminées par la grande interface solide/liquide désirée, il existe d'autres conditions qui sont déterminées par certaines caractéristiques de fonctionnement souhaitables. Ces conditions comprennent un contrôle intégral du bord. Ceci est réalisé en deux étapes. En premier lieu, le problème du transfert de chaleur de convection est limité par le fait que la solidification a lieu dans une cuve de faible profondeur. En second lieu, deux techniques de maintien du gradient thermique sont montrées. Dans le premier cas, comme montré sur les figures 6 et 7, des éléments de chauffage latéraux 66 fournissent une amenée de chaleur totalement variable aux bords du ruban se solidifiant. Dans la seconde technique montrée sur les figures 8 à 10, le fond de la cuve est plus épais sous la zone dans laquelle la cristallisation a lieu et définit une rampe 68.Un élément de chauffage du fond 70 fournit la chaleur de façon égale au fond de la cuve et, en raison de la variation de l'épaisseur du fond, la région de croissance est entourée par des zones plus chaudes qui limiteront la largeur du ruban. L'addition d'écrans protecteurs contre la chaleur sur les bords peut renforcer cet effet. Eu égard au fonctionnement, ce systeme présente une grande simplicité. I1 y aura un léger accroissement en largeurpour une augmentation de la vitesse de croissance, étant donné que la température totale de la cuve sera réduite en raison du taux de solidification. De façon évidente, des éléments de chauffage peuvent être ajoutés si nécessaire. La seconde particularité de l'appareil réside dans le fait que l'on empêche au ruban en croissance de se congeler sur l'appareillage. Dans le cas présent, la zone de solidification est entourée par une petite zone chaude qui contribue au réglage de la largeur du ruban. Le bord de la paroi au-dessus duquel le ruban est tiré est presque couvert par le silicium liquide. La température doit être réglée pour permettre à une toute petite quantité de retourner en fusion dans la cuve en ce point plutôt que poursuivré la solidification. En pratique, l'élément de chauffage du fond peut être réalisé en deux éléments commandables séparément pour fournir une isolation thermique appropriée bien que le fond de la cuve puisse fournir de façon appropriée les profils de températures désirées.En cas de congélation, le racloir est entouré par une région chaude de liquide pour fournir facilement un retour en fusion afin d'éliminer la possibilité d'un flux de silicium lors d'une fusion après une condition congelée. En fonctionnement, après que la cuve 10 a été remplie de silicium fondu 12, on fait chuter la température jusqu'à ce qu'une "ile" de silicium solide commence à se former. Les réglages des éléments de chauffage et des écrans thermiques pour les cycles futurs sont basés sur la forme de l'île. La température de la masse est alors élevée avec précaution jusqu'à ce que l'île soit juste en fusion. Le germe de silicium 34 est alors inséré de façon à toucher la masse fondue dans la région où l'tle a été formée. A mesure que le bord du ruban croît en s'écartant de la paroi 20, le ruban 14 est tiré au-dessus de la paroi. La vitesse de tirage du mécanisme de tirage 32 est augmentée à mesure que la température de la cuve est réduite, ce qui maintient le bord de croissance du cristal dans la région où l'île initiale est apparue. Le fait de laisser la zone de croissance du cristal s'étendre au-delà de cette zone indiquera que les zones de protection chaude approchent la température de congélation et que a température de la cuve doit être légèrement augmentée. Le stabilisateur 22 est positionné en arrière de la paroi 20, et s'étend perpendiculairement vers le haut à partir de la paroi de fond 16 et en travers de la cuve. La surface supérieure du stabilisateur peut être inclinée vers le bas d'avant en arrière, son arête supérieure étant disposée légèrement au-dessous de la surface de la masse fondue et audessous du bord d'avance du ruban là où il rencontre la surface de la masse en fusion. Des contours plus complexes peuvent également être utilisés. La fonction du stabilisateur est de compenser de petites modifications dans la vitesse de tirage du ruban alors qu'il est tiré hors du bain. Dans un état de tirage constant et dans des conditions de température stables, aucun problème ne se pose.Cependant, si la vitesse de traction S augmente d'une valeur a s, alors le bord d'avance du ruban se déplace vers l'avant, c'est-à-dire. vers la droite comme vu sur la figure 11, de la distance A X telle que A T diminue de A T1 à Q T2 suffisamment pour augmenter la vitesse de croissance du bord d'avance de A S. Le stabilisateur répond ainsi à des modifications dans la vitesse de traction, la vitésse de croissance, la température de fusion, le pouvoir rayonnant, etc. La vitesse d'avance du ruban est égale à S = fl (1/Q T) dans laquelle AT = = f2 (AX), c'est-à-dire S = f1 (f2(AX)). Ainsi, le bord d'avance reste stable à l'intérieur d'un domaine de vitesse de tirage et de température. De même, en utilisant les stabilisateurs latéraux 26 et 28, la largeur du ruban reste sensiblement stable. A l'intérieur du domaine de stabilité du bord d'avance, la vitesse de tirage commande seulement l'épaisseur du ruban en plus de la productivité. Bien que l'invention ait été décrite en référence aux réa- lisations particulières illustrées, de nombreuses modifications peuvent y être apportées, comme il apparaîtra aux spécialistes. Par exemple, alors que l'invention a été décrite à la base en référence à la formation de rubans de silicium cristallin, elle peut être utilisée de façon avantageuse pour la formation de rubans d'une grande variété d'autres matériaux cristallins qui sont préparés directement à partir de la masse en fusion De tels matériaux peuvent être conducteurs, non conducteurs ou semi-conducteurs et peuvent présenter des applications diverses. Par exemple, des vitres saphirs peuvent être fabriquées par ce procédé ou des matériaux pour mémoires à bulles, par exemple du gadolinium, du gallium et du grenat peuvent être fabriqués sous forme d'un ruban. Revendications. 1. Procédé de fabrication d'un ruban cristallin à partir d'une masse fondue, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes a) on chauffe une masse fondue dans un creuset (10); b) on place sur la surface de ladite masse fondue un germe cristallin; c) on règle la température de la masse fondue pour permettre la solidification de la masse fondue à un bord libre du germe pour former un ruban (14) tout en tirant le germe de la masse fondue suivant une direction formant un angle aigu positif par rapport à la surface de la masse fondue à une vitesse proportionnée avec la croissance longitudinale du ruban; d) on fournit un site d'attache (20) séparé pour un ménisque (38) formé par la masse fondue à partir de la face inférieure du ruban alors qu'il quitte la surface de la masse fondue pour réduire un épanchement et une congélation du ruban: e) on ajuste la vitesse de croissance du ruban aux modifications de la vitesse de déplacement du ruban en tirant l'extrémité en croissance dudit ruban à partir de la surface de la masse fondue par-dessus un stabilisateur (22) dont une partie avant supérieure est plus proche de la surface de la masse fondue qu'une partie arrière supérieure. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse fondue est formée en un bain relativement peu profond à partir duquel ledit ruban est tiré. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle la température de la masse fondue sélectivement à l'intérieur de la masse fondue au-dessous des deux bords latéraux du ruban pour régler la largeur du ruban. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réapprovisionne en masse fondue le creuset pour y maintenir un niveau sensiblement constant. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse fondue est du silicium. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité en croissance du ruban est réglée eu égard à sa forme et sa vitesse de croissance séparément des autres portions du ruban. 7. Appareil pour la fabrication d'un ruban cristallin à partir d'une masse fondue, caractérisé en ce qu'il comprend : a) un creuset (10) relativement peu profond propre à contenir une certaine quantité de masse fondue; b) des moyens de chauffage (30) fonctionnellement associés au creuset pour régler la température de la masse fondue; c) des moyens (32) de support de germe et de tirage fonctionnellement associés au creuset (10) pour tirer un germe cristallin (34) de la surface de la masse fondue sous forme d'un ruban (14) dans une direction formant un petit angle positif par rapport à la surface de la masse fondue à une vitesse longitudinale proportionnée à la vitesse de solidification de la masse fondue à l'extrémité du ruban; d) des moyens (20, 36) d'attache de ménisque montés sur le creuset (10) entre la surface de la masse fondue et la face infériéure du ruban pour fournir un bord inférieur stable en vue de l'attache d'un ménisque (38) formé par la masse fondue; et e) des moyens (22) de stabilisation du bord de croissance montés dans le creuset (10) au-dessous de l'extrémité en solidification dudit ruban pour augmenter et diminuer sélectivement la vitesse de croissance du ruban en correspondance de la vitesse desdits moyens de tirage. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de stabilisation comprennent un élément vertical (22) monté sur le fond (16) du creuset (10) et présentant une face supérieure conformée dont la partie avant la plus haute est disposée plus près de la surface de la masse fondue que la partie arrière la plus basse. 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de stabilisation latéraux (26, 28) disposés dans le creuset au-dessous des bords latéraux du ruban pour régler la largeur du ruban. 10. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'attache du ménisque sont constitués par un élément vertical (20) se terminant suivant une arête rectiligne (36) horizontale s'étendant transversalement audes sous du trajet du ruban pour fournir un lieu stable d'attache de ménisque.