Brevet FR2556109A2 — publié le 19850607

FR 2556109 A2 19850607 FR 8319212 A 19831201 55610 9 Dispositif pour déposer en régime continu une couche de silicium poly- cristallin sur un ruban de carbone La présente invention concerne un dispositif pour déposer en régime continu une couche de silicium polycristallin sur un ruban de carbone, décrit dans une demande de brevet principal déposée le 29 Août 1983 sous le numéro 83 13834. Selon la revendication 1 du brevet principal, ce dispositif comporte - un creuset, - un système électromécanique pour alimenter le creuset en silicium, - des moyens de chauffage du creuset pour former dans celui-ci un bain de silicium fondu, - des moyens pour déplacer à vitesse constante de bas en haut le ruban de carbone traversant verticalement la surface d'équilibre du bain, afin de déposer ladite couche, - un système optique centré sur un axe fixe par rapport au creuset, ce système étant disposé pour former une image d'une zone de la surface de silicium, cette zone étant située de part et d'autre de la ligne de raccordement entre le silicium liquide et le silicium solide déposé sur le ruban, - un détecteur photoélectrique disposé pour recevoir ladite image et capable de délivrer en retour un signal électrique de mesure représen- tatif du niveau du bain dans le creuset - et un système d'asservissement relié à la sortie électrique du détec- teur et capable de comparer le signal de mesure à un signal de référence représentatif d'un niveau prédéterminé du bain pour former un signal d'erreur, le système d'asservissement étant relié au système électrique pour alimenter le creuset en silicium, afin de commander l'alimentation du creuset de façon à réduire ledit signal d'erreur. Dans ce dispositif, la sortie électrique du détecteur photoélec- trique est reliée directement à l'entrée du système d'asservissement. Le signal électrique de sortie du détecteur est proportionnel à l'énergie lumineuse provenant de la zone visée et éclairant la surface photosen- sible du détecteur. Cette énergie est représentative du niveau du bain de silicium dans le creuset. -2- Cependant il apparatt que la puissance lumineuse de la zone visée peut varier dans le temps, indépendamment du niveau du bain, pour des raisons diverses, notamment lorsque la température du silicium situé dans ladite zone varie. Ces variations de puissance lumineuse provoquent des perturbations dans la régulation du niveau du bain de silicium. La présente invention a pour but d'apporter un perfectionnement au dispositif selon le brevet principal afin d'empêcher que la régulation du niveau du bain de silicium ne soit perturbée par les variations de la puissance lumineuse émise par la zone visée. La présente invention a pour objet un dispositif pour déposer en régime continu une couche de silicium polycristallin sur un ruban de carbone, selon la revendication I du brevet princip4l caractérisé en ce que le détecteur photoélectrique comporte - deux cellules photoélectriques dont les surfaces photosensibles sont coplanaires et juxtaposées de part et d'autre d'une ligne de séparation, le détecteur étant disposé de façon que la ligne de séparation coupe l'image de ladite ligne de raccordement et fasse avec elle un angle différent de 900, - et un système de traitement branehé à la sortie des cellules, ce système comprenant des moyens pour faire la somme et la différence des signaux de sortie des deux cellules et des moyens pour faire le quotient de cette différence par cette somme, ces derniers moyens étant aptes à délivrer ledit signal électrique de mesure, ce signal étant indépendant des variations dans le temps de la puissance lumineuse émise par ladite zone. Une forme particulière d'exécution de l'obJet de la présente invention est décrite ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispo- sitif selon l'invention, - la figure 2 est un schéma plus détaillé du détecteur faisant partie du dispositif illustré par la figure 1 - et la figure 3 représente les surfaces photosensibles de deux cellules photoélectriques faisant partie du détecteur illustré par la figure 2. Sur la figure 1, est représenté un creuset 1 en silice, dont les -3parois extérieures sont entourées par un four 2 qui peut être du type à induction. Le creuset 1 contient un bain 3 de silicium fondu, dont la surface d'équilibre s'élève dans le creuset à un niveau H. Le fond du creuset 1 comporte une fente calibrée 4 à travers laquelle passe verti- calement un ruban de carbone 5 qui traverse verticalement la surface d'équilibre du bain 3. Des rouleaux 6 et 7 permettent de déplacer le ruban 5 de bas en haut dans le sens de la flèche 8. Un système électromécanique 9 est placé sur le bord du creuset 1 pour l'alimenter en silicium solide. Le système 9 comprend essentiel- lement un réservoir 10 de pastilles de silicium, un conduit 11 incliné vers l'intérieur du creuset et un organe électromécanique de distribu- tion 12 reliant mécaniquement le réservoir 10 et le conduit 11. Un système optique 13 schématisé par une simple lentille associée à un diaphragme 14, est centré sur un axe 15 fixe par rapport au creuset et situé un peu au-dessus du bain 3. Sur l'axe 15 est disposé un détec- teur photoélectrique comprenant un assemblage 35 de deux cellules photo- électriques et un système de traitement 36 dont l'entrée est reliée aux sorties électriques des deux cellules. La sortie du système de traite- ment 36 est connectée, à travers un système d'asservissement 17, à la commande électrique de l'organe de distribution 12. Un appareil de mesure d'épaisseur 18 entoure le ruban 5 à la sortie du bain 3. L'appareil 18 est relié, à travers un autre système d'asservissement 19 et un circuit de commande 20, à l'entrée électrique du four 2. La figure 2 est un schéma du détecteur photoélectrique formé par l'assemblage 35 des deux cellules et par le système de traitement 36 connecté à cet assemblage. Ces cellules sont des photopiles 37 et 38. Les sorties électriques de la photopile 37 sont reliées à l'entrée d'un convertisseur courant-tension 39; de même les sorties électriques de la photopile 38 sont reliées à l'entrée d'un convertisseur 40 analogue au convertisseur 39, ces convertisseurs faisant partie du système 36. Les sorties des deux convertisseurs 39 et 40 sont reliées d'une part respec- tivement aux deux entrées d'un circuit soustracteur 41 et d'autre part aux deux entrées d'un circuit sommateur 42. Les sorties des circuits soustracteur et sommateur sont reliées respectivement aux deux entrées '4- d'un circuit diviseur 43 dont la sortie constitue celle du système de traitement 36. La figure 3 montre les surfaces photosensibles 44 et 45 des deux photopiles 37 et 38 formant l'assemblage 35. Les surfaces 44 et 45 sont en forme de triangle rectangle isocèle et sont juxtaposées dans un plan de part et d'autre d'une ligne de séparation 46 qui est parallèle au grand côté de chaque triangle et très proche de ces côtés. L'ensemble de ces deux cellules peut être obtenu en formant, par photogravure, une rainure étroite dans la zone de jonction d'une photopile solaire en forme de carré, cette rainure étant située selon la diagonale du carré. Le dispositif représenté sur les figures 1, 2 et 3 fonctionne de la manière suivante. Les moyens 6-7 de déplacement du ruban 5 étant en marche de façon à le faire circuler à vitesse constante dans le bain, on constate que le niveau d'équilibre du bain s'élève à proximité de chaque face du ruban pour former deux ménisques 21 et 22, tandis que deux couches 23 et 24 de silicium polycristallin se déposent sur les faces du ruban 5 à la sortie du bain 3. Entre le silicium liquide du bain 3 et le silicium solide de la couche 23, s'établit une ligne de raccordement 25, vue de bout sur la figure 1. Cette ligne est située à l'extrémité supérieure du ménis- que 21, à une hauteur h au-dessus du niveau du bain. L'élévation de niveau h est due aux phénomènes de capillarité. Elle est pratiquement indépendante du niveau ainsi que de la température du bain et peut donc être considérée comme constante. Ainsi, la côte de la ligne de raccor- dement solide-liquide 25 est en relation directe avec le niveau du bain H. Le dépôt des couches de silicium polycristallin sur le ruban de carbone entraîne une perte de matière pour le bain, cette perte tendant à faire baisser son niveau. Pour compenser cette perte de matière, le système d'alimentation 9 fait glisser sur le conduit 11 vers le bain des pastilles de silicium, une à une, à une cadence qui est commandée par le signal électrique fourni par le système d'asservissement 17 à l'organe électromécanique de-distribution 12. Le système optique 13-14 est fixé à proximité du creuset 1, de manière que son axe 15 coupe la ligne de raccordement 25 lorsque le bain -5- est à un niveau H auquel on désire le stabiliser. La lentille 13 forme sur la surface de réceptionde l'assemblage 35 l'image d'une petite zone de la surface du silicium située de part et d'autre de la ligne de raccordement 25, cette zone étant délimitée par le diaphragme 14. L'axe 15 du système optique peut être horizontal comme représenté sur la figure 1, ou légèrement incliné par rapport à l'horizontale pour que le bord du creuset ne masque pas l'image de la petite zone. Le plan des surfaces photosensibles 44 et 45 est perpendiculaire au plan de la figure 1 et le centre du carré formant la surface de réception de l'assemblage 35 est situé sur l'axe 15. Ce carré est orienté dans son plan de manière que l'image de la ligne de raccorde- ment 25 sur la surface de réception coupe la ligne de séparation 46 suivant un angle différent de 90 , de préférence suivant un angle de 45 degrés, cet angle correspondant à la plus grande sensibilité du système. Sur la figure 3, cette image 47 passe par la trace de l'axe 15 sur la surface de réception puisque l'axe 15 coupe la ligne de raccordement 25 (figure 1). En supposant que le système optique 13 comporte des moyens de redressement de l'image, la partie de la surface de réception située au dessous de la ligne 47 correspond au silicium liquide de la petite zone. Cette partie, hachurée sur la figure 3, est beaucoup moins éclairée que celle située au dessus de la ligne 47 car le silicium liquide a une luminosité beaucoup plus faible que celle du silicium solide au voisi- nage de sa température de fusion. Lorsque le niveau du bain de silicium augmente ou diminue, l'image de la ligne de raccordement se déplace verticalement par rapport à la ligne 47 vers le haut ou vers le bas. Chaque cellule 37, 38 délivre un courant proportionnel au flux total qu'elle reçoit, ce courant étant transformé par le convertisseur branché à sa sortie en un signal de tension A, B. La surface de réception de l'assemblage 35 comprend deux plages, une première plage recevant le rayonnement du silicium liquide et une deuxième plage éclairée par le silicium solide avec une puis- sance P, le contraste entre l'éclairement de ces deux plages étant de l'ordre de 1/20. On peut donc admettre que, pour chaque cellule, le courant délivré correspondant à la première plage est négligeable par -6rapport à celui correspondant à la deuxième plage. Chaque signal A ou B est donc sensiblement proportionnel à P et à l'aire de la deuxième plage de la cellule. Il apparait alors que le signal de sortie du circuit de traitement 36, qui est égal à A + B, est représentatif du niveau de la ligne de raccordement et donc du niveau du bain de silicium fondu puisque la valeur de h est constante. Le système d'asservissement 17 compare le signal électrique délivré par le circuit de traitement 36 à un signal de référence pour former un signal d'erreur, et commande la cadence de distribution des pastilles de silicium de façon à diminuer ce signal d'erreur. Le dispositif illustré par la figure 1 permet donc de stabi- liser le niveau du bain à une valeur prédéterminée. L'épaisseur de la couche de silicium polycristallin déposée sur le ruban 5 varie avec la température du bain, de quelques micromètres par degré C environ. De plus, la température du bain varie en fonction du niveau du bain, sensiblement de 3 degrés C par millimètre. Le dispositif décrit cidessus permet d'éviter les variations de température du bain provoquées par les fluctuations de son niveau. Donc, si l'on fait varier la température du bain en agissant sur la chaleur dégagée par le four 2, on peut régler l'épaisseur de la couche de silicium déposée sur le ruban de carbone. Pour cela, l'appareil de mesure 18 qui peut être par exemple une sonde à rayons X ou à rayons gamma, une sonde capacitive, ou un système différentiel de palpeurs mécaniques, délivre un signal électrique de mesure représentatif de l'épaisseur de la couche de silicium déposée. Le système d'asservissement 19 compare ce signal à un signal de référence et commande par l'intermédiaire du circuit 20 la puissance délivrée par le four 2 de façon à diminuer la différence entre le signal de mesure et le signal de référence. Le système d'asservissement 19 peut comporter des moyens pour faire varier le signal de référence, de façon à commander une variation correspondante de l'épaisseur de silicium déposée. Le signal électrique de sortie du système de traitement 36 est indépendant de la puissance P du rayonnement du silicium, et donc indé- pendant des variations de cette puissance P en fonction du temps. Il apparait en effet que la puissance P peut varier dans le temps, soit par suite de variations de température du silicium, soit par suite de varia- - 7 - tions de l'homogénéité du silicium, soit par suite de variations du lobe d'émission lumineuse du silicium provoquées par une déformation du ruban de carbone. Le dispositif selon l'invention permet donc d'effectuer la régulation du niveau du bain de silicium fondu sans être géné par les variations de la puissance lumineuse P. Le dispositif décrit ci-dessus peut être appliqué à la fabrication en série de photopiles solaires. -8- REVENDICATIONS 1/ Dispositif pour déposer en régime continu une couche de silicium polycristallin sur un ruban de carbone, selon la revendication 1 du brevet principal,-comportant - un creuset, - un système électromécanique pour alimenter le creuset en silicium, - des moyens de chauffage du creuset pour former dans celui-ci un bain de silicium fondu, - des moyens pour déplacer à vitesse constante de bas en haut le ruban de carbone traversant verticalement la surface d'équilibre du bain, afin de déposer ladite couche, - un système optique centré sur un axe fixe par rapport au creuset, ce système étant disposé pour former une image d'une zone de la surface de silicium, cette zone étant située de part et d'autre de la ligne de raccordement entre le silicium liquide et le silicium solide déposé sur le ruban, - un détecteur photoélectrique disposé pour recevoir ladite image et capable de délivrer en retour un signal électrique de mesure représen- tatif du niveau du bain dans le creuset - et un système d'asservissement relié à la sortie électrique du détec- teur et capable de comparer le signal de mesure à un signal de référence représentatif d'un niveau prédéterminé du bain pour former un signal d'erreur, le système d'asservissement étant relié au système électrique pour alimenter le creuset en silicium, afin de commander l'alimentation du creuset de façon à réduire ledit signal d'erreur, caractérisé en ce que le détecteur photoélectrique comporte - deux cellules photoélectriques (37, 38) dont les surfaces photosen- sibles (44, 45) sont coplanaires et juxtaposées de part et d'autre d'une ligne de séparation (46), le détecteur étant disposé de façon que la ligne de séparation (46) coupe l'image de ladite ligne de raccorde- ment (25) et fasse avec elle un angle différent de 90 - et un système de traitement (36) branché à la sortie des cellules (37, 38), ce système comprenant des moyens pour faire la somme (42) et la différence (41) des signaux de sortie des deux cellules (37, 38) et des moyens (43) pour faire le quotient de cette différence par cette somme, - 9 ces derniers moyens étant aptes à délivrer ledit signal électrique de mesure, ce signal étant indépendant des variations dans le temps de la puissance lumineuse émise par ladite zone. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système de traitement (36) comporte deux convertisseurs courant-ten- sion (39, 40) connectés respectivement à la sortie des deux cellules (37, 38), un circuit sommateur (42) et un circuit soustrac- teur (41), chacun de ces circuits comprenant deux entrées connectées respectivement aux sorties des deux convertisseurs (39, 40), et un cir- cuit diviseur (43) dont les deux entrées sont connectées respectivement à la sortie du circuit sommateur (42) et à la sortie du circuit soustrac- teur (41). 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle que font entre elles l'image (47) de la ligne de raccordement (25) et la ligne de séparation (46) est égal à 45 . 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sur- faces photosensibles (44, 45) des deux cellules photoélectriques (37, 38) sont constituées par la surface photosensible d'une photopile solaire, cette surface étant divisée en deux parties (44, 45) par une rainure disposée selon ladite ligne de séparation (46).