Brevet FR2568490A1 — publié le 19860207

- 2568490 Procédé et dispositif pour déposer une couche de silicium polycristallin sur un ruban de carbone La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour déposer une couche de silicium polycristallin sur un ruban de carbone. Le procédé est d'un type comportant un tirage progressif vertical vers le haut d'un ruban de carbone tendu, traversant verticalement dans le sens de sa longueur la surface horizontale d'équilibre d'un bain de silicium fondu, la couche de silicium polycristallin déposée sur les faces du ruban étant raccordée au bain de silicium fondu suivant une courbe isotherme de cristallisation. Dans la mise en oeuvre d'un procédé de ce type on constate généra- lement que l'épaisseur de la couche de silicium déposée sur les faces du ruban décroit rapidement lorsqu'on s'approche des deux bords latéraux du ruban, Il en résulte que la couche de silicium déposée sur chaque face du ruban présente, le long de ces deux bords latéraux, respectivement deux bandes extrêmes latérales dont les caractéristiques physiques sont dété- riorées par rapport à celle de la partie médiane de la couche. Ces bandes latérales sont pratiquement inutilisables notamment pour réaliser des photopiles solaires. Pour pallier cet inconvénient on a proposé de réaliser un dispo- sitif comportant deux goulottes à section semi-circulaire fixées par des supports s'appuyant sur la paroi d'un creuset contenant le bain de sili- cium fondu. Ces goulottes sont disposées verticalement respectivement de part et d'autre des deu. bords latéraux du ruban, la concavité des goulottes étant tournée vers les bords latéraux respectifs du ruban. Ces goulottes sont plongées partiellement dans le bain de façon à élever son niveau par capillarité à proximité des bords latéraux du ruban. La présente invention a pour but de réaliser un autre dispositif capable de pallier l'inconvénient précité, ce dispositif présentant l'avantage de comporter des moyens de réglage permettant de modifier aisément la forme de la courbe isotherme de cristallisation. La présente invention a pour objet un procédé pour déposer une couche de silicium polycristallin sur un ruban de carbone, du type men- tionné ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte en outre -- 2 -- - une première étape qui consiste, avant le tirage, rsur ladite surface horizontale d'équilibre une face ère plaquette et une face d'une deuxième plaquette, le matériau des plaquettes étant choisi pour que le silicium fondu adhère à ces faces - et une deuxième étape qui consiste, après la première étape et avant le tirage, à déplacer chaque plaquette pour la disposer horizontalement à une hauteur prédéterminée au-dessus du bain et à une distance prédéter- minée de chaque bord latéral du ruban, de manière à élever localement par capillarité le niveau de la surface horizontale d'équilibre à proximité de chaque bord latéral du ruban et à provoquer sur ces bords pendant le tirage, un relèvement de l'isotherme de cristallisation et une augmen- tation de l'épaisseur de la couche déposée. Dans un mode particulier de mise en oeuvre de ce procédé, les première et deuxième plaquettes sont déplacées pendant la deuxième étape pour disposer un point central de ces plaquettes dans le plan vertical passant par le ruban de carbone. La présente invention a aussi pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comporte - un creuset contenant du silicium, - des moyens de chauffage du creuset pour former dans celui-ci un bain de silicium fondu, - des moyens pour tirer progressivement verticalement vers le haut un ruban de carbone traversant verticalement, dans le sens de sa longueur, la surface horizontale d'équilibre du bain, de façon à déposer ladite couche sur les faces du ruban - et des moyens pour déplacer parallèlement à elles-mêmes une première et une deuxième plaquettes au dessus du bain, ces moyens étant aptes à mettre en contact les faces inférieures de ces plaquettes avec la surface horizontale d'équilibre, puis à disposer chaque plaquette horizonta- lement à une hauteur prédéterminée au-dessus du bain et à une distance prédéterminée de chaque bord latéral du ruban. Selon un mode particulier de réalisation du dispositif selon l'in- vention, les moyens pour déplacer les première et deuxième plaquettes audessus du bain comportent deux supports fixés respectivement sur les deux plaquettes et des moyens mécaniques commandables pour déplacer les deux supports indépendamment l'un de l'autre. Selon un autre mode particulier de réalisation-du dispositif selon l'invention, les plaquettes sont en quartz. Selon un autre mode particulier de réalisation du dispositif selon l'invention, les plaquettes comportent des percées. Des formes particulières d'exécution de l'objet de la présente invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue dans l'espace d'un dispositif connu, eoupé suivant un plan vertical perpendiculaire au ruban, - la figure 2 est une vue schématique montrant la forme de l'isotherme de cristallisation du silicium dans un dispositif du type représenté sur la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un ruban de carbone revêtu de silicium, obtenu à l'aide d'un dispositif du type représenté sur la figure 1, - la figure 4 est une vue d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, dans lequel le creuset est représenté en coupe suivant un plan vertical parallèle au ruban, - la figure 5 est une vue de dessus, en plan, du dispositif illustré par la figure 4, - la figure 6 est une vue agrandie en plan montrant une plaquette munie de percées - et la figure 7 est un schéma montrant différentes formes d'isothermes de cristallisation qu'il est possible d'obtenir à l'aide du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, est représenté un creuset parallélépipédique 1 en silice contenant un bain 2 de silicium fondu. Le fond du creuset 1 comporte une fine ouverture linéaire 3 à travers laquelle passe verti- calement un ruban de carbone 4 qui sort du bain 2 en traversant sa surface d'équilibre horizontale. La largeur de l'ouverture linéaire est déterminée pour que le ménisque de raccordement du silicium liquide soit stable dans cette ouverture. Bien entendu, le dispositif comporte des moyens de chauffage non représentés disposés autour du creuset 1 pour maintenir le silicium à l'état liquide. - 4- _2568490 En fonctionnement, lorsque le ruban 4 se déplace dans le sens de la flèche 6, une couche 7 de silicium polycristallin se dépose sur les deux faces du ruban à la sortie du bain. La figure 2 représente la forme de l'isotherme de cristallisation sur le ruban 4, c'est-à-dire la ligne de raccordement du ménisque de silicium liquide avec la couche de silicium déposée. On voit que dans la partie médiane de la couche, cette ligne est pratiquement un segment de droite 8 horizontal situé au-dessus du niveau 24 du bain. Par contre, dans les deux parties latérales de la coueche, cette ligne descend rapi- dement vers le niveau du bain pour former deux éléments de courbe 9 et 10 dont la concavité est tournée vers le bas. Il en résulte que l'épaisseur du silicium déposé décroit rapide- ment lorsqu'on s'approche des bords 11 et 12 du ruban. Cette décrois- sance est visible sur la figure 3, dans les deux bandes latérales 13 et 14 des deux couches de silicium déposées respectivement sur les deux faces du ruban 4. Lors du refroidissement, des contraintes thermoélas- tiques, dues aux différences de coefficients de dilatation entre le silicium et le carbone du ruban, se développent dans les couches de silicium. Ces contraintes augmentent lorsque l'épaisseur du silicium décroit. Elles entrainent dans les bandes latérales 13 et 14, la forma- tion de microfractures qui peuvent se propager pendant les opérations de découpe qui suivent habituellement le dépôt des couches. D'autre part, l'incurvation de la ligne de raccordement dans les bandes latérales détruit l'alignement des grains du silicium, ce qui entraine une détérioration des propriétés électriques des couches dépo- sées. Les éléments des figures 4 et 7 qui sont analogues ou identiques à ceux représentés sur les figures 1 à 3 sont désignés par les mêmes références. Suivant une caractéristique de la présente invention, le dispositif représenté sur les figures 4 et 5 comporte deux plaquettes 15 et 16 disposées horizontalement au-dessus du niveau 24 du bain 2. Ces plaquettes peuvent être par exemple circulaires, de diamètre 8 mm et d'épaisseur 1 mm. Elles sont constituées d'un matériau mouillable par le silicium liquide tel que le quartz, le carbone, le carbure de silicium ou le nitrure de silicium. Chaque plaquette 15, 16 est fixée sur un support. - 5 2568490 Par exemple, un point central de ces plaquettes est fixé à une extrémité d'une tige 17, 18 en quartz, recourbée en forme de potence. L'autre extrémité de la tige est fixée à la sortie 19, 20 d'un système mécani- que 21, 22 capable de commander le déplacement des plaquettes, ce sys- tème étant disposé à l'extérieur du creuset 1. La figure 6 représente à échelle agrandie une plaquette 23 de forme circulaire. La surface de cette plaquette comporte des percées 35 distribuées autour d'un point de fixation central 25. Le dispositif illustré par les figures 4, 5 et 6 fonctionne de la manière suivante. Chaque système mécanique tel que 22 comporte trois boutons de réglage 26, 27 et 28. Les boutons 26 et 27 permettent de déplacer l'or- gane-de sortie 20 du système suivant deux directions horizontales per- pendiculaires entre elles et le bouton 28 permet de déplacer l'organe 20 suivant la verticale. Les systèmes mécaniques 21 et 22 permettent donc de déplacer les plaquettes 15 et 16 disposées horizontalement suivant les trois directions de l'espace. L'opérateur agit sur les boutons de réglage des systèmes 21 et 22 de faGon que les faces inférieures des plaquettes 15 et 16 viennent affleurer la surface horizontale d'équilibre du bain 2, de part et d'autre des bords latéraux 11 et 12 du ruban 4. Le silicium liquide qui mouille le matériau des plaquettes 15 et 16 adhère aux faces inférieures des plaquettes. L'opérateur agit ensuite sur le bouton de réglage vertical des systèmes 21 et 22 de façon à soulever les plaquettes 15 et 16 d'une hauteur h audessus du niveau 24 du bain. Le silicium liquide continue d'adhérer aux plaquettes par capillarité. Chaque plaquette élève donc localement, de la hauteur h, le niveau de la surface d'équilibre. Lorsqu'on rapproche les deux plaquettes 15 et 16 respectivement des bords latéraux 11 et 12 du ruban 4 en maintenant la hauteur de soulèvement h, on constate qu'il en résulte un relèvement local de l'isotherme de cristallisation 29 sur les bords 11 et 12. De préférence, les plaquettes 15 et 16 sont disposées de façon que leur point central de fixation soit disposé sensiblement dans le plan vertical 30 défini par le ruban 4. - 6 -2568490 A titre indicatif, lorsque les plaquettes sont en quartz, la hau- teur h peut être comprise entre 0 et 6 mm tandis que la distance d entre le bord de chaque plaquette et le bord latéral du ruban peut être de 2 à 3 mm. Le relèvement des bords de l'isotherme de cristallisation dépend de la forme extérieure des plaquettes. Lorsque la distance d est fixée à une valeur faible, ce relèvement est d'autant plus important que la hauteur h est grande. La figure 7 montre différentes formes de courbes isothermes de cristallisation. La courbe 34 indique la forme de l'isotherme obtenue dans l'art antérieur, lorsqu'on n'utilise pas de plaquettes. Sur la courbe 33 obtenue avec des plaquettes maintenues à une faible hauteur au dessus du bain, les bords de l'isotherme sont relevés par rapport à la courbe 34, mais cette isotherme 33 présente encore une concavité tournée vers le bas. Si l'on augmente la valeur du soulèvement h des plaquettes, on arrive à redresser horizontalement en 32 les bords de l'isotherme. Enfin, si on prévoit un soulèvement des plaquettes au-dessus de la partie rectiligne de l'isotherme, on relève ses bords suivant une courbe 31 présentant une concavité vers le haut. De préférence les plaquettes sont disposées de façon que l'isotherme de cristallisation présente une légère concavité vers le haut. Après réglage de la position des plaquettes à proximité des bords latéraux 11 et 12, on met en marche le tirage vertical du ruban suivant la flèche 6. La disposition des plaquettes est alors éventuellement ajustée définitivement pour obtenir la forme de courbe de cristalli- sation souhaitée. Le dispositif décrit ci-dessus permet non seulement d'obtenir sur les bords latéraux du ruban, une couche de silicium d'épaisseur égale à celle obtenue dans la partie médiane du ruban, mais aussi de renforcer éventuellement l'épaisseur de la couche sur les bords 11 et 12, de façon à diminuer sa fragilité. Cette augmentation d'épaisseur est provoquée par une diminution locale de la température du bain au voisinage des plaquettes. Cette diminution de température est entrainée d'une part par le rayonnement thermique des plaquettes nettement plus important que celui du silicium liquide, et d'autre part par les pertes thermiques par - 7 2568490 -- 7 -- conduction à travers les supports 17 et 18. Le rayonnement thermique des plaquettes peut être réglé en effec- tuant des percées 35 plus ou moins nombreuses sur leur surface. Les pertes par conduction peuvent être ajustées en faisant varier par exemple le diamètre des tiges de fixation 17 et 18. Il est à noter que les percées 35 n'ont pas d'effet sensible sur le relèvement des bords de l'isotherme de cristallisation. Le procédé et le dispositif selon la présente invention peuvent être appliqués à la réalisation de photopiles solaires au silicium. _- 8 _ 2568490 REVENDICATIONS 1/ Procédé pour déposer une couche de silicium polycristallin sur un ruban de carbone, comportant un tirage progressif vertical vers le haut d'un ruban de carbone tendu, traversant verticalement dans le sens de sa longueur la surface horizontale d'équilibre d'un bain de silieium fondu, la couche de silicium polycristallin déposée sur les faces du ruban étant raccordée au bain de silicium fondu suivant une courbe isotherme de cristallisation, caractérisé en ce qu'il comporte en outre - une première étape qui consiste, avant le tirage, à poser sur ladite surface horizontale d'équilibre une face d'une première plaquette (15) et une face d'une deuxième plaquette (16), le matériau des plaquettes étant choisi pour que le silicium fondu adhère à ces faces - et une deuxième étape qui consiste, après la première étape et avant le tirage, à déplacer chaque plaquette (16) pour la disposer horizonta- lement à une hauteur prédéterminée (h) au-dessus du bain et à une dis- tance prédéterminée (d) de chaque bord latéral (12) du ruban (4), de manière à élever localement par capillarité le niveau de la surface horizontale d'équilibre à proximité de chaque bord latéral du ruban et à provoquer sur ces bords pendant le tirage un relèvement de l'isotherme de cristallisation et une augmentation de l'épaisseur de la couche déposée. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, les première et deuxième plaquettes (15, 16) sont déplacées pendant la deuxième étape pour disposer un point central de ces plaquettes dans le plan verti- cal (30) passant par le ruban de carbone. 3/ Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte - un creuset (1) contenant du silicium, des moyens de chauffage du creuset (1) pour former dans celui-ci un bain (2) de silicium fondu, - des moyens pour tirer progressivement verticalement vers le haut un ruban (4) de carbone traversant verticalement, dans le sens de sa lon- gueur, la surface horizontale d'équilibre du bain (2), de façon à déposer ladite couche sur les faces du ruban _9 2 _Z568490 - et des moyens (21, 22) pour déplacer une première et une deuxième plaquettes (15, 16) au dessus du bain (2), ces moyens étant aptes à mettre en contact les faces inférieures de ces plaquettes avec la surface horizontale d'équilibre, puis à disposer chaque plaquette horizonta- lement à une hauteur prédéterminée (h) au-dessus du bain, et à une dis- tance prédéterminée (d) de chaque bord latéral du ruban. 4/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour déplacer les première et deuxième plaquettes au-dessus du bain comportent deux supports (17, 18) fixés respectivement sur les deux pla- quettes (15, 16) et des moyens mécaniques commandables (21, 22) pour déplacer les deux supports indépendamment l'un de l'autre. / Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que des pla- quettes (15, 16) sont en quartz. 6/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les pla- quettes (23) comportent des percées (35).