Brevet FR2567918A1 — publié le 19860124

"Procédé d'évaporation et de fonte du silicium et dispositif pour sa mise en oeuvre" La présente invention concerne la fusion de sili- cium élémentaire, c'est-à-dire la formation d'un bain de fusion de silicium et l'usage de ce bain de fusion par exemple pourle tirage de barres de silicium d'une grande pureté, qui peuvent être découpées pour produire des pas- tilles de silicium ou pour l'évaporation du silicium, par exemple pour déposer le silicium ou un de ses composés sur un substrat. Dans la demande de brevet français déposée le 6 juin 1985 sous le nO 85 08927 par la Demanderesse, celle- ci a souligné que les pastilles monocristallines ont une importance considérable dans la production d'éléments de circuits semi-conducteurs pour la technologie de l'élec- tronique. La production de telles pastilles de silicium implique généralement la plongée d'un germe de silicium monocristallin très pur dans un bain de fusion de silicium élémentaire contenu dans un creuset ou autre récipient en quartz, lequel doit en général, compte tenu de sa sensi- bilité à. la température à laquelle il faut maintenir le bain, 8tre supporté par un récipient externe en graphite ou en carbone. Différentes techniques sont utilisées pour obtenir des barres et le processus peut s'effectuer dans une atmos- phère contr8lée ou sous vide, afin de minimiser la conta- mination de la masse fondue. Cette demande de brevet pré- citée montre aussi que le récipient en quartz tend à se ramollir ou à apporter des contaminants aux masses fondues, que ces contaminants peuvent pénétrer dans la masse fondue par un transfert du récipient support à la masse fondue et que la stabilité du silicium peut être altérée par les méthodes d'induction utilisées pour générer la chaleur de formation du bain de fusion. Il est donc montré ici que cette déformation et cette détérioration du récipient peuvent être détectées en partie, en revêtant le récipient comme cela a été décrit dans le brevet US 4 505 948 déposé le 25.05.1984 au nom de la Demanderesse et intitulé "Procédé pour le revêtement des récipients en céramique et en quartz par un matériau trans- formé par action électrique en phase vapeur". Cette précédente demande se rapportant aux réci- pients en quartz décrit la formation du carbure de silicium et du nitrure de silicium dans une phase vapeur in situ par unevaporisation de silicium élémentaire et le revêtement du récipient en quartz avec du silicium et ces composés. Dans la demande no 85. 08927 il est reconnu que quelques problèmes subsistent malgré le revêtement,,du fait de l'action amollissante du récipient en quartz. En conséquence cette demande fournit une approche unique pour éliminer la contamination de la masse fondue et du silicium qui y est produit, en utilisant la découver- te que les granules ou la poudre de silicium (en général des particules) ont une conductivité, thermique et électrique relativement faible et qu'ainsi il est possible de réaliser un bain de fusion électrique dans une masse de telles parti- cules de silicium en formant un arc électrique dans cette masse et en permettant ainsi au reste de la masse de former une couche isolante entre le récipient et la masse fondue qui y est produite. Quoi qu'il en soit cette méthode n'est pas entiè- rement satisfaisante pour produire une masse de silicium particulièrement pure, puisqu'il y a toujours une possibi- lité de migration des contaminants à travers les intervalles de la masse poreuse, de contamination des surfaces des par- ticules ou le transfert des contaminants vers la masse par la couche isolante. La présente invention a pour principal objectif de fournir un procédé amélioré pour former une masse fondue de silicium, pour tous les besoins pour lesquels la forma- tion d'une telle masse peut être souhaitée sans les incon- vénients cités plus haut. Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé pour l'obtention de barres de silicium très pur à partir desquelles des pastilles de silicium peuvent être découpées. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé pour obtenir des revêtements de silicium très pur. Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif amélioré pour la mise en oeuvre des procédés mentionnés plus haut. L'objectif de cette invention est également de fournir un procédé et un appareil pour fondre le silicium qui améliorent l'ensemble des principes déjà cités dans les demande de brevet français et brevet US précédemment mentionnés. La Demanderesse a découvert qu'il est possible de fournir une génération de masse fondue de silicium dépour- vue de résidus de creuset par l'utilisation des seules pro- priétés du silicium élémentaire, en formant un bloc de silicium élémentaire sous la forme d'une masse monocristal- line ou polycristalline et, en prévoyant à l'intérieur de ce bloc,une paire d'électrodes entre lesquelles se produit un arc de sorte que lorsque l'on fait passer un courant électrique entre ces électrodes et l'arc, le corps fond de l'intérieur vers l'extérieur pour former le mélange mention- né précédemment qui peut être utilisé pour l'étirage de bar- res monocristallines pour la production des pastilles de silicium pour effectuer des revêtements ou si on le désire pour le moulage du silicium élémentaire à un stade de pure- té particulièrement élevée parce que le bloc solide de silicium dans lequel la masse fondue est produite est pra- tiquement imperméable aux impuretés et ne permet donc pas aux impuretés de pénétrer dans la cavité contenant la mas- se en fusion qui est formée in situ dans le bloc. L'invention se base sur la découverte faite par la Demanderesse quebien que les électrodes puissent être ajustées dans des trous percés dans le bloc unique de si- licium, un courant électrique peut néanmoins passer à tra- vers l'électrode et traverser l'espace compris entre elles pour former l'arc du fait que les électrodes peuvent avoir une conductibilité électrique plus grande que le bloc de si- licium qui l'entoure. En fait, quand les électrodes sont elles-mêmes en silicium et sont séparées du bloc solide de silicium seulement par une interface formée en les insérant dans des alésages du bloc de silicium, le courant préférentiel pas- sera à travers l'électrode et à travers l'intervalle avec seulement un minimum de dispersion du courant électrique à travers les parties adjacentes'au bloc. Il est en fait sur- prenant que le courant électrique et le pouvoir de dissipa- tion sur des trajets à travers le bloc soient insuffisants pour empêcher le processus de fusion décrit. La Demanderesse a découvert qu'il est possible d'augmenter l'intensité le long des électrodes en les chauf- fant et/ou en refroidissant le bloc environnant. Apparem- ment la conductibilité électrique et thermique à travers l'interface déjà mentionnée est beaucoup plus faible que le long des électrodes et qu'à travers le bloc,de sorte que chauffer les électrodes pour augmenter leur conductibi- lité électrique et refroidir l'extérieur du bloc pour dimi- nuer sa conductibilité électrique suffisent pour assurer la formation locale de chaleur dans la région de l'électro- de. Une fois que l'amorçage du bain de fusion est commencé, la fusion ou dissolution des zones avoisinantes du corps peuvent avoir lieu plus facilement et bien entendu, lorsque les électrodes sont en silicium, les contaminants ne sont pas introduits par le biais de celles-ci. En outre, puisque les électrodes ont tendance à fondre sensiblement à la même vitesse que la paroi de la cavité, il peut être souhaitable de déplacer les électrodes périodiquement, de façon continuelle ou par intermittence de sorte que l'intervalle entre elles soit plus petit que la largeur de la cavité. L'intensité électrique peut être contrôlée afin d'obtenir une fusion sans formation de va- peur, ou peut être augmentée pour vaporiser le silicium et permettre le revêtement d'un substrat. On peut par exemple utiliser un courant de 70 A pour réaliser la fusion de façon à étirer une barre de si- licium à partir de la masse fondue, ou, avec la même struc- ture on peut augmenter l'intensité jusqu'à 120 Ampères par exemple pour obtenir la vaporisation du silicium. De plus conformément à l'invention une électrode amorçant l'arc peut être poussée en direction de l'une des autres électrodes et ainsi être mise en contact avec celle- ci pour amorcer l'arc et peut alors être retirée ou laissée en place pour être fondue avec ou sans production d'une série d'arcs supplémentaires. La présente invention ainsi que ses caractéris- tiques et ses avantages seront mieux compris à l'aide de la description qui suit, en référence auxdessins schémati- ques annexés dans lesquels: Figure 1 est une vue en élévation d'un bloc de silicium utilisé pour la fusion du silicium selon le pro- cédé de la présente invention; Figure 2 est une vue en coupe très schématique d' un dispositif de fusion, avant le début de l'opération de fusion; Figure 3 est une vue en coupe également schéma- tique montrant une partie du dispositif de la figure 2 lors- que le dispositif est utilisé pour l'étirage d'une barre de silicium à partir de la masse fondue, et Figure 4 est une vue semblable à la figure 3 mais d'un dispositif pour le dépôt d'une couche de silicium sur une surface. Un corps de silicium comme celui montré en (10) sur la figure 1 comprend des alésages (11) et (12) dans lesquels on peutintroduire les électrodes respectives. Le corps (10) peut être formé par un moulage de silicium fondu dans un moule de forme appropriée,les alésages (11) et (12) étant ensuite percés. Le dispositif montré à la figure 2 peut compren- dre une table ou un support (23) pour le corps (10) dans un alésage (12) duquel est passée une électrode d'amorça- ge de l'arc (13), l'électrode d'amorçage de l'arc étant apte à être déplacée vers le haut et vers le bas montré par la flèche (14) et un élément de déplacement de l'élec- trode (15). Les serpentins (17) d'un dispositif de chauf- fage (16) entourent l'électrode (13) pour que la tempéra- ture de cette dernière soit supérieure à celle du bloc et que par conséquent sa conductivité soit supérieure à celle du bloc. Le corps (10) peut être entièrement entouré par un serpentin de refroidissement (18) qui peut être connecté avec les spires d'un serpentin de refroidissement (19) pla- cées dans le support (23), les serpentins de refroidisse- ment (18) et (19) étant approvisionnés avec un fluide de refroidissement par un système de recirculation réfrigérant (20) pour assurer une température du corps inférieure à cel- le de l'électrode. Les tuyaux (21) et (22) sont reliés au serpentin de refroidissement. L'électrode amorçant l'arc (13) coopère avec une paire d'électrodes (24, 25) maintenant l'arc, un intervalle (26) étant défini entre ces électrodes. Les électrodes (24) et (25) sont chauffées à leur tour par des unités de chauffage respectivement (27) et (28) dont les spires respectives (29) et (30) entourent les électrodes. Les unités de chauffage peuvent être des élé- ments aptes à faire circuler un fluide de chauffage ou à faire passer un courant électrique à travers les spires de chauffage résistives entourant les électrodes. Une source de courant pour l'arc (31) peut être reliée aux électrodes par un dispositif de commutation montré schématiquement en (32). Le dispositif de commuta- tion (32) est raccordé de telle sorte que dans une position (celle qui est montrée) lèesélectrodes (24) et (25) soient reliées à une borne de la source de courant (31), qui peut être une source de courant continu, tandis que son autre borne est reliée à l'électrode (13). En utilisant l'élément (15) l'électrode (13) peut être approchée des électrodes (24) et (25) pour être mise en contact avec elles afin qu'un arc soit établi quand l'électrode (13) est retirée une fois l'arc stabilisé. Le commutateur (32) peut être actionné pour appli- quer le courant d'arc électrique à travers les électrodes (24) et (25), dans ce cas l'électrode (13) peut être reti- rée ou laissée en place dansle cas o il est nécessaire de recommencer l'opération. Comme on peut le voir sur la figure 3 les électro- des (24) et (25) peuvent être munies de dispositif d'alimen- tation d'électrodes (33) et (34) qui maintiennent un inter- valle (26) qui est plus étroit que la largeur (W) de la cavité (35) qui se forme par fusion dans le bloc (60). Une barre de silicium peut être tirée à partir de la masse en fusion comme il a été décrit dans la demande de brevet no 85.08927 avec un germe qui est plongé sur une ti- ge (36) dans la masse en fusion et qui peut ensuite être retiré vers le haut comme le montre la flèche (37). La ti- ge et le corps (10) peuvent être tournés en sens inverse comme il a été décrit dans la demande mentionnée précédem- ment et le processus peut être effectué dans une chambre sous vide (38) munie d'une pompe à vide (39) Dans le mode d'exécution de la figure 4 la chambre sous vide (138) est mise sous vide par la pompe (139) et reçoit un substrat représenté par une plaque (140) dont la surface (141) est recouverte d'une vapeur de silicium à partir d'un récipient se déplaçeant vers le haut qui est formé du corps (110) de silicium et qui entoure la cavité (135) de laquelle s'élève la vapeur de silicium pour attein- dre le substrat. Le corps (110) peut-être déplacé selon les axes de coordonnées (X) et (Y) par les organes (142) et (143) pour assurer une transformation complète de la surface (141) et l'arc est maintenu entre une paire d'électrodes (124) et (125) de la façon qui a été décrite, l'électrode (113) ayant été retirée vers le bas après sont utilisation pour amorcer l'arc. En aucun cas on a besoin d'utiliser un creu- set et pour les deux modes d'exécution il est possible de fournir un récipient pour contenir le bloc (110) bien que ce récipient soit un récipient pour la fusion directement sur une source de contamination. Un exemple de mise en oeuvre de ce procédé selon l'invention est décrit ci-après: un bloc cylindrique tel que montré à la figure 1 est percé diamétralement pour former un trou de part en part s'étendant le long du diamètre du bloc de silicium et une paire de baguettes d'électrodes y sont introduites et mises en contact à l'intérieur. Les baguettes d'électrodes sont elles aussi formées de silicium. Un courant d'arc électrique d'environ 80 A passe à travers les baguettes qui sont séparées l'une de l'autre pour amorcer l'arc qui est maintenu à une tension de 80 à 100 V et à une intensité de 80 à 100 A lorsque le bloc de silicium qui l'entoure com- mence à fondre. Quand la masse en fusion atteint la surfa- ce, l'intensité du courant est augmentée jusqu'à environ A et l'évaporation de la masse fondue de silicium arri- ve à cette surface et est utilisée pour recouvrir un subs- trat. La masse fondue est également utilisée comme une sour- ce de silicium fondu pour étirer des barres de silicium com- me il a été décrit des la demande de brevet n 85. 08927. La surface du bloc de silicium est refroidi à environ 0 C pendant que les électrodes sont chauffées de façon à avoir une température d'environ 300 C au moment o ils pénètrent dans le lit de silicium. REVENDICATIONS 1- Procédé pour fondre le silicium caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) formation d'au moins un alésage (11) dans un corps (10) de silicium et juxtaposition d'une paire d'élec- trodes (24, 25) comprenant au moins une électrode s'étendant dans cet alésage, à l'intérieur de ce corps. b) passage d'un courant électrique à travers ces électrodes (24, 25) pour générer un arc électrique entre les extrémités en phase de ces électrodes (24, 25) à l'inté- tieur de ce corps (10) pour fondre le silicium de ce corps (10) et y former une cavité (35) contenant le silicium en fusion. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape de refroidissement de ce corps (10) pendant la formation de cet arc électrique à l'intérieur de celui-ci. 3- Procédé selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce qu'il comporte en outre l'étape de réchauffe- ment de ces électrodes (24, 25) indépendamment de cet arc électrique pendant le passage de ce courant électrique à travers ces électrodes. 4- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ces électrodes sont en silicium. 5- Procédé pour la production de barres de sili- cium caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: a) formation d'un bain de silicium par: -al) formation d'au moins un alésage (11) dans un corps (10) solide de silicium et juxtaposition d'une paire d'électro- des (24, 25) comprenant au moins une électrode s'étendant dans cet alésage (11) à l'intérieur de ce corps (10). -a2) passage d'un courant électrique à travers ces électrodes (24, 25) pour produire un arc électrique entre les extrémi- tés en phase de ces électrodes à l'intérieur de ce corps et former une cavité (35) à l'intérieur de celui-ci, contenant le silicium fondu et, a3) par poursuite de la fusion de ce corps en maintenant l'arc électrique jusqu'à ce que cette cavité s'ouvre sur cette surface pour permettre l'accès à cette masse fondue et, b) tirage d'une colonne de silicium fondu à par- tir de cette masse fondue et refroidissement pour la pro- duction d'une barre. 6- Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comprend l'étape de refroidissement de ce corps (10) pendant la formation de l'arc électrique à l'intérieur de ce dernier. 7- procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que les électrodes sont chauffées indépendamment de cet arc électrique pendant le passage de ce courant électri- que à travers ces électrodes. 8- Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que les électrodes sont en silicium. 9- Procédé pour recouvrir un substrat avec du silicium caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui- vantes: a) formation d'une masse en fusion de silicium -al) en formant au moins un alésage (111) dans un corps (110) de silicium et en juxtaposant une paire d'électrodes (124,125) comprenant au moins une électrode s'étendant dans cet alésage et à l'intérieur de cette masse (110). -a2) en faisant passer un courant électrique par ces élec- trodes (124, 125) pour former un arc électrique entre les extrémités en phase de ces électrodes à l'intérieur de ce corps (110) pour fondre le silicium de ce corps (110) et former une cavité (135) à l'intérieur de celui-ci contenant le silicium en fusion. -a3) en continuant la fusion de ce corps (110) en maintenant l'arc électrique jusqu'à ce que la cavité (135) s'ouvre sur cette surface pour permettre l'accès à cette masse fondue et -a4) en contrôlant le courant électrique pour vaporiser la masse fondue de silicium hors de la cavité. b)juxtaposition d'un substrat (141) avec ce corps de sorte que les vapeurs de silicium entrent en contact avec ce substrat et que le silicium se dépose sur celui-ci. c) faire le vide dans un espace (138) entourant ce corps et ce substrat et traversé par des vapeurs de silicium. 10- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le corps (110) est refroidi pendant la formation de l'arc électrique à l'intérieur de ce dernier. 11- Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que les électrodes (124, 125) sont chauffées indé- pendamment de l'arc électrique pendant le passage du cou- rant électrique à travers ces électrodes. 12- Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que les électrodes (124, 125) sont en silicium. 13- Dispositif pour fondre le silicium caractéri- sé en ce qu'il comprend: un corps solide (10, 110) de silicium dans lequel est juxtaposée une paire d'électrodes (24, 25; 124, 125) de silicium. des moyens pour faire passer un courant électrique à travers ces électrodes d'une intensité suffisante pour former un arc électrique à l'intérieur de ce corps (10, 110) entre ces électrodes (24, 25; 124, 125) de façon à fondre le silicium de ce corps et former une cavité (35, 135) contenant une masse en fusion de silicium et des moyens (18) pour refroidir ce corps. 14- Dispositif selon la revendication 13 caracté- risé en ce qu'il comprend une électrode (13, 113) amorçant l'arc qui peut être déplacée vers ou à distance d'au moins une autre électrode (24, 25; 124, 125) pour amorcer l'arc avec celle-ci. - Dispositif selon la revendication 13, carac- térisé en ce qu'il comprend des moyens (27,28) pour chauffer les électrodes indépendamment de l'arc. 16- Dispositif selon la revendication 13 caracté- risé en ce qu'il comprend des moyens pour tirer une barre de silicium à partir de ce bain de fusion. 17- Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé en ce qu'il comprend une chambre à vide (38, 138) pour recevoir le corps de silicium. 18- Dispositif selon la revendication 17, carac- térisé en ce qu'ilcomprend,dans la chambre sous vide, des moyens pour recouvrir un substrat par les vapeurs de sili- cium obtenues à partir de ce bain de fusion.