Brevet FR2553232A1 — publié le 19850412

-1 Procédé et dispositif pour élaborer un lingot d'un matériau semi- conducteur polycristallin La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour élaborer un lingot d'un matériau semi-conducteur polycristallin Le pro5 cédé est d'un type comportant une étape de chauffage d'un creuset contenant un échantillon dudit matériau semiconducteur, ce creuset étant disposé dans une chambre calorifugée, le chauffage permettant d'obtenir un bain du matériau fondu à une température constante supérieure au point de fusion dudit maté10 riau, une étape de solidification dudit matériau, cette solidification étant obtenue en retirant de l'énergie calorifique au fond du creuset et une étape de refroidissement progressif du creuset. Dans un procédé connu de ce type décrit dans le doeu15 ment US-A-3 898 051, l'énergie calorifique est retirée au fond du creuset à l'aide d'un échangeur thermique à hélium en contact avec la surface extérieure du fond du creuset sur une portion centrale de cette surface. Ce procédé présente des inconvénients. En effet, la surface de la portion du fond du creuset en contact 20 avec l'échangeur est nécessairement faible par rapport à la surface totale du fond du creuset pour ne pas nuire à la fusion de l'échantillon. Il en résulte une vitesse de solidification faible, la durée totale de la solidification étant de l'ordre de 15 à 25 heures environ. De plus, pendant l'étape de solidification, les isothermes du bain 25 de matériau fondu ont sensiblement une forme hémisphérique centrée sur la surface de contact Lorsque ce matériau est du silicium destiné à la fabrication de photopiles solaires, les lingots obtenus par ce procédé ont une structure polycristalline hémisphérique, ce qui est, en principe, défavorable à l'obtention de bonnes caractéristiques photovoltai30 ques du matériau. Par ailleurs, le procédé décrit dans le document précité est assez compliqué et délicat En effet, l'étape de solidification comporte successivement une première période o on augmente le flux d'hélium ainsique la puissance de chauffage et une deuxième période o on continue 35 d'augmenter le flux d'hélium en diminuant la puissance de chauffage Le passage de la première à la deuxième période s'effectue à un moment o le bain est partiellement solidifié. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients. Elle a pour objet un procédé pour élaborer un lingot d'un matériau 5 semiconducteur polycristallin, du type spécifié plus haut, caractérisé en ce que, la chambre calorifugée comprenant une paroi inférieure amovible recouvrant la majeure partie du fond du creuset, on retire l'énergie calorifique au fond du creuset en enlevant ladite paroi inférieure, la puissance dudit chauffage étant maintenue à un niveau 10 constant pendant toute l'étape de solidification, ce niveau étant celui qui permet d'obtenir ladite température constante du bain à la fin de l'étape de chauffage La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé, caractérisé en oe qu'il comporte un creuset disposé suivant un axe vertical et contenant un échantllon dudit matériau semi-conducteur, une chambre calorifugée entourant complètement ledit ereuset, cette chambre comprenant une paroi supérieure horizontale, une paroi inférieure horizontale amovible appliquée sur le fond du creuset et reeou20 vrant la majeure partie de sa surface, et une paroi tubulaire verticale appliquée sur la surface latérale du creuset, cette paroi tubulaire comportant un prolongement inférieur horizontal s'avançant vers l'axe vertical pour soutenir les bords du fond du creuset lorsque ladite paroi inférieure est enlevée, un support de ladite chambre, capable de surélever le bord inférieur de ladite paroi tubulaire afin de permettre d'enlever ladite paroi inférieure, un enroulement électrique entourant la surface lat 6 rale du creuset pour le chauffer et des moyens supportant ladite paroi inférieure capables d'enlever cette paroi en la déplaçant du haut en bas dudit support. Une forme particulière de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention est décrite ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente en coupe axiale un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, juste avant l'étape de solidification du 25532-32 procédé selon l'invention et la figure 2 représente en coupe axiale le même dispositif pendant l'étape de solidification. Sur les figures 1 et 2, est représenté un creuset 1 en graphite, 5 disposé verticalement suivant un axe vertical 2 L'ouverture supérieure du creuset 1 est fermée par un couvercle horizontal 3 amovible, également en graphite Le creuset 1 est placé dans une chambre calorifugée dont les parois, réalisés en feutre de graphite, entourent complètement le creuset et sont appliqués directement sur sa surface extérieure et sur 10 le couvercle Ces parois comprennent une paroi supérieure horizontale 4 recouvrant le couvercle 3, une paroi inférieure amovible 5 appliquée sur le fond 6 du creuset et recouvrant la majeure partie de la surface de ce fond, et une paroi tubulaire verticale 7 appliquée sur la surface latérale du creuset La paroi 7 comporte un prolongement inférieur horizon15 tal 8 s'avançant vers l'axe 2, pour soutenir les bords du fond 6 du creuset 1 lorsque la paroi 5 est enlevée La chambre calorifugée est surélevée par un support 9 en graphite qui repose sur le fond d'une enceinte 10 réalisée en un matériau électriquement isolant, cette enceinte entourant le support 9 et la chambre calorifugée Autour de 20 l'enceinte est disposé un enroulement électrique qui comporte une partie hélicoïdale 11 entourant la partie supérieure de la surface latérale de l'enceinte 10 et une partie plane 12 disposée au-dessus de la face supérieure de cette enceinte La paroi inférieure amovible 5 de la chambre calorifugée est fixée sur l'extrémité supérieure d'une tige verticale 13 25 qui traverse de façon étanche, suivant l'axe 2, le fond de l'enceinte 10 Le couvercle 3 et la paroi 4 comportent respectivement deux petites ouvertures centrales 14 et 15 et la face supérieure de l'enceinte 10 est munie d'une petite fenêtre transparente 16 disposée suivant l'axe 2 en regard des ouvertures 14 et 15 Un pyromètre optique 17 30 est placé sur l'axe 2 à l'extérieur de l'enceinte 10 devant la fenêtre 16. Le dispositif décrit ci-dessus permet de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention de la manière suivante. On dispose d'abord du silicium solide dans le creuset 1, puis on 35 ferme l'ouverture supérieure du creuset 1 par son couvercle 3 et on place l'ensemble dans la chambre calorifugée Celle-ei, montée sur son support 9, est disposée dans l'enceinte 10 qui est soigneusement vidée d'oxygène et remplie par exemple d'un gaz inerte tel que l'argon sous faible pression La paroi inférieure de la chambre calorifugée est mise 5 en place grâce à la tige 13 dont la partie inférieure est reliée à un système de commande non visible sur les figures Ce -système, d'un type connu, est capable de déplacer verticalement la tige 13 suivant l'axe 2. On dispose enfin les enroulements 11 et 12 ainsi que le pyromètre 17. Les enroulements 11 et 12 sont reliés à une source électrique à 10 moyenne fréquence, non représentée, de façon à induire -dans les parois du creuset 1 et dans son couvercle 3-un courant électrique qui dégage suffisamment de chaleur pour faire fondre le siliciumplacé -dans le creuset. La présence d'une atmosphère inerte dans l'enceinte 10 empêche toute combustion du creuset, de son couvercle, du support 9 et du feutre de 15 carbone constituant les parois de la chambre calorifugée On obtient un bain 18 de silicium fondu et on règle l'alimentation électrique des enroulements 11 et 12 à un niveau permettant de maintenir ce bain à une température constante légèrement supérieure à la température de fusion de silicium L'ensemble du dispositif est alors conforme à ce qui est 20 représenté sur la figure 1, le creuset 1, le couvercle 3, les enroulements 11 et 12 et la chambre calorifugée constituant un four à induction. On actionne alors le système de commande de la tige 13 de façon à provoquer un déplacement de haut en bas de cette tige suivant l'axe 2, tout en maintenant la puissance d'alimentation électrique du four au 25 niveau permettant, à la fin de l'étape précédente, de maintenir constante la température du bain à une valeur légèrement supérieure à celle de la fusion du silicium La paroi 5 de la chambre calorifugée est alors abaissée de façon à occuper la position indiquée sur la figure 2. Le fond du creuset ainsi découvert évacue par rayonnement une partie de 30 son énergie calorifique Il en réaulte une cristallisation du silicium, qui débute au fond du creuset 1 et se propage progressivement vers la surface du bain Pendant toute cette étape de solidification, la puissance d'alimentation électrique du four reste constante, au même niveau que celui o elle était réglée à la fin de l'étape précédente. La figure 2 représente le dispositif au cours de l'étape de solidification, alors qu'une masse de silicium solidifié 19 s'est formée dans le bain 18 On voit que la surface de séparation entre le silicium solide et liquide est sensiblement horizontale; il est possible de vérifier que les isothermes du bain 18 restent horizontales au cours de l'étape de solidification. Lorsque la masse de silicium est entièrement solidifiée, le réglage de la puissance électrique d'alimentation du four est abaissé progressivement, puis on sépare le lingot du creuset par des méthodes connues'. EXEMPLE On utilise un creuset à base de graphite ayant une section interne carrée de 500 cm 2 et une épaisseur de paroi de deux centimètres La chambre calorifugée comporte des parois en feutre de graphite de deux centimètres d'épaisseur. On dispose au départ dans le creuset 18 kg de silicium en morceaux 15 de qualité électronique, additionnés d'alliage silicium-bore en quantité suffisante pour obtenir du silicium dopé de type p, d'une résistivité de un ohm-centimètre. Après la fusion, la température du bain est stabilisée à 1430 C La cristallisation est déclenchée par ouverture d'un orifice de 300 cm 20 pratiqué dans la partie de la chambre calorifugée qui recouvre le fond du creuset la durée de cristallisation est de 4 heures environ. Un lot de cellules solaires a été réalisé en découpant le lingot ainsi obtenu en tranches d'épaisseur 450 micromètres et de surface cm Un rendement photovoltaique de 10,3 % a été mesuré sur une sélec25 tion des meilleures cellules du lot, cette sélection représentant 10 % des cellules. 2553232 Z Q RÉPUBLIQUE FRAN AISE INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE PARIS o O Pl N LL 2 553 233 Ce numéro n'a donné lieu à aucune publication REVENDICATIONS 1/ Procédé pour élaborer un lingot d'un matériau semi-conducteur polycristallin, comportant successivement une étape de chauffage d'un creuset contenant un échantillon dudit 5 matériau semi-conducteur, ce creuset étant disposé dans une chambre calorifugée, le chauffage permettant d'obtenir un bain du matériau fondu à une température constante supérieure au point de fusion dudit matériau, une étape de solidification dudit matériau, cette solidification étant 10 obtenue en retirant de l'énergie calorifique au fond du creuset et une étape de refroidissement progressif du creuset, caractérisé en ce que, la chambre calorifugée comportant une paroi inférieure ( 5) amovible recouvrant la majeure partie du fond ( 6) du creuset ( 1), on retire l'énergie calorifique au fond du creuset enenlevant ladite paroi infé15 rieure, la puissance dudit chauffage étant maintenue à un niveau constant pendant toute l'étape de solidification, ce niveau étant celui qui permet d'obtenir ladite température constante du bain ( 18) à la fin de l'étape de chauffage. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau 20 semi-conducteur est le silicium. 3/ Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un creuset ( 1) disposé suivant un axe vertical ( 2) et contenant un échantillon dudit matériau semi-conducteur, une chambre calorifugée entourant complètement ledit creuset, cette chambre comprenant une paroi supérieure ( 4) horizontale, une paroi inférieure ( 5) horizontale amovible appliquée sur le fond ( 6) du creuset ( 1) et recouvrant la majeure partie de sa surface, et une paroi tubulaire ( 7) verticale appliquée sur la surface latérale du creuset, cette paroi 30 tubulaire comportant un prolongement inférieur ( 8) horizontal s'avançant vers l'axe vertical ( 2) pour soutenir les bords du fond ( 6) du creuset lorsque ladite paroi inférieure ( 5) est enlevée, un support ( 9) de ladite chambre, capable de surélever le bord inferieur de ladite paroi tubulaire ( 7) afin de permettre d'enlever ladite 35 paroi inférieure ( 5) , un enroulement électrique ( 11) entourant la surface latérale du creuset pour le chauffer et des moyens ( 13) supportant ladite paroi inférieure ( 5) capables d'enlever cette paroi en la déplaçant du haut en bas dudit support ( 9). 5 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ereuset ( 1) est formé d'un matériau conducteur de l'électricité, ledit enroulement ( 11) étant apte à induire un courant électrique dans la paroi du creuset lorsqu'il est alimenté par une source électrique alternative. 5/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le creuset est muni d'un couvercle ( 3) amovible formé dudit matériaueconducteur de l'électricité et que ledit enroulement électrique comporte une partie plane ( 12) disposée au-dessus du couvercle ( 3) pour induire dans ce couvercle un courant électrique lorsque cette partie plane est alimentée 15 par ladite source. 6/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ee que ledit matériau conducteur de l'électricité est du carbone, et que le dispositif comporte en outre une enceinte étanche ( 10) entourant le creuset ( 1), cette enceinte étant remplie d'un milieu gazeux protégeant le 20 creuset contre la combustion lorsqu'il est chauffé.