Brevet FR2565604A1 — publié le 19851213

"Procédé et dispositif pour le tirage de barres - de silicium monocristallin" La présente invention concerne la fusion de sili- cium élémentaire, la formation de bains de fusion de sili- cium élémentaire très pur, et le tirage de barres mono- cristallines de silicium, qui peuvent être découpées afin de former des pastilles de silicium destinées à la produc- tion de semiconducteurs, circuits intégrés et autres pièces similaires. Les pastilles monocristallines de silicium ont une importance considérable dans la production d'éléments de circuits semiconducteurs pour les technologies de pointe d'aujourd'hui et de demain. La production de telles pastil- les de silicium nécessite en général d'abaisser un germe de silicium monocristallin très pur dans un bain de sili- cium élémentaire en fusion contenu dans un creuset ou autre récipient en quartz, lequel doit en général, compte tenu de sa sensibilité à la température à laquelle il faut main- tenir le bain, être supporté par un récipient externe en graphite ou en carbone. Habituellement, le creuset et le germe sont mis en rotation relative tandis que le germe est retire, et l'on effectue un refroidissement contrôlé, de sorte que la barre qui est tirée de la masse en fusion, ou encore qui se développe sur le grain, a une structure mono- cristalline. La barre est ensuite découpée dans le sens trans- versal en pastilles de l'épaisseur souhaitée. Le processus est mis en oeuvre sous une atmosphère contrôlée ou encore sous vide, afin de minimiser la contamination de la barre, du bain de silicium en fusion et des pastilles. En général, le bain de fusion qui se trouve dans le creuset en quartz est maintenu à la température néces- saire pour tirer la barre de silicium - soit environ 1400 à 1450 C - au moyen d'un chauffage par induction à l'aide d'une bobine de chauffage à induction placée à l'extérieur du creuset en quartz et entourant le récipient de support en carbone. Etant donné que la chaleur est appiiquée de l'extérieur vers l'intérieur, les parois en quartz et les parties extérieures du bain peuvent être à une température légèrement supérieure à celle du bain de silicium ou de points situés à l'intérieur du corps du bain. A de telles températures, qui sont proches du point de ramollissement du creuset, le matériau du creuset a tendance à se diffuser dans la masse en fusion: le creuset a tendance à ramollir à cause des contraintes mécaniques qui apparaissent à ces températures élevées, et à cause du fait que ces températures élevées doivent être maintenues pendant toute la durée du processus de tirage de la barre- durée qui peut atteindre plusieurs dizaines d'heures. En conséquence, la déformation et la détérioration des creusets constituent un problème important: un moyen de s'y attaquer.est le procédé décrit dans la demande de brevet US de la demanderesse N 614 434 du 25 Mai 1984, brevet US N 4 505 948, qui a pour titre "Procédé de revê- tement de creusets en céramique ou en quartz par un matériau transformé par action électrique en phase vapeur". Cette demande de brevet est une demande de "Continuation in Part" de la demande de brevet US connexe de la demanderesse N 494 302 du 13 Mai 1983, elle-même demande de "Continua- tion in Part" de la demande US N 358 186 du 15 Mars 1982 (brevet US N 4 438 183), constituant elle-même une demande de "Continuation in Part" de la demande US N 237 670 du 24 Février 1981 (brevet US N 4 351 855), laquelle incorpo- re l'objet des Documents de Divulgation US N 078 337, 078 334 et 078 329, tous du 26 Février 1979, et du Document de Divulgation N 082 283 du 5 Juillet 1979. Selon ce procé- dé, des composés de silicium formés sur place, tels que du carbure de silicium et du nitrite de silicium, peuvent être déposés sur la surface intérieure du creuset en quartz, pour former un revêtement de protection. Mais ce revêtement ne peut, bien sûr, avoir qu'une efficacité limitée: en effet, si le revêtement assure une réduction notable de la migration dans le bain de fusion de contaminants provenant du creuset, l'effet de ramollissement n'est cependant pas éliminé. La présente invention a pour principal objectif de fournir un procédé pour la fusion de silicium très pur o les inconvénients décrits plus haut sont éliminés, et o notamment la tendance à la contamination du bain de fusion et du silicium par le creuset qui les contient est réduite. Un autre objectif de la présente invention est de fournir un procédé pour maintenir pendant de longues durées un bain de fusion très pur à une température de tirage des cristaux sans que le creuset ne se détériore. Un autre objectif de l'invention est de fournir un procédé amélioré de tirage de barres de silicium, de manière à ce que soient éliminés au moins certains des problèmes rencontrés dans la fabrication antérieure de telles barres. La présente invention a également pour objectif de fournir un appareil efficace pour mettre en oeuvre le procédé amélioré. Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront plus loin, sont atteints par la présente invention, qui fournit un procédé de formation et de maintien d'un bain de silicium en fusion très pur, et de tirage d'un tel bain de barres de silicium monocristallines, procédé qui repose sur la découverte faite par la demanderesse de ce qu'il est possible d'isoler de manière efficace le bain de fusion des parois du creuset contenant le silicium élémentaire, ce pendant au moins une partie importante du processus, et d'empêcher ainsi la détérioration du creuset et la migration dans le bain d'impuretés provenant du creuset. D'une manière générale, le silicium est considéré comme un mauvais conducteur thermique et, à la température normale, il est également un mauvais conducteur électri- que. Le demandeur a toutefois constaté que lorsque l'on remplit un cristal de quartz d'une masse de granules ou de particules de silicium, entre deux électrodes, et que les granules de silicium élémentaire sont chauffées dans la région comprise entre ces électrodes, ces granules acquièrent une conductivité électrique suffisante pour pouvoir continuer à être chauffées et fondues par le passage d'un courant électrique à travers la masse, entre les électrodes. Etant donné que le bain de fusion est isolé du con- tact avec les parois du creuset par l'équilibrage du corps de granules de silicium, la conduction de chaleur vers le creuset est faible, et le creuset peut être à une tempe- rature nettement inférieure au point de fusion du silicium, de sorte qu'il ne se produit pas de ramollissement ni de distorsion, et donc que le creuset n'a pas besoin d'être supporté dans une structure en carbone. En outre, étant donné que durant la majeure partie de l'opération de fusion et de croissance cristalline, une couche de granules de silicium élémentaire reste entre le bain de fusion et les parois du récipient, cette couche peut servir de barrière à la migration d'impuretés provenant de ces parois dans le bain de fusion qui se forme. En conséquence, lorsque l'invention est appliquée à la fusion de silicium, on remplit un creuset en quartz équipé d'une paire d'électrodes d'une masse de particules solides de silicium élémentaire, telles que des granules de silicium élémentaire, et l'on fait passer un courant électrique à travers cette masse, entre les électrodes. La masse peut être initialement chauffée - à l'aide de ces électrodes par exemple, ou par d'autres moyens -, afin d'établir la conductivité initiale, puis on fournit un courant de fusion, qui est maintenu tant que le bain de fusion continue à se former. La fusion est effectuée entre les électrodes, sur une partie limitée de la masse, de sorte qu'il reste au moins une couche de granules pour isoler le bain des parois et du fond du creuset. Les granules supplémentaires nécessaires peuvent être apportés au bain, ou bien ce dernier peut se réapprovisionner de lui-même - tandis que les électrodes diminuent par exem- ple - à partir de la masse de granules qui se trouve dans le creuset, et l'on peut faire descendre un germe mono- cristallin dans le bain, et tirer du bain la barre mono- cristalline. On peut également utiliser, du moins pour le chauf- fage initial, la découverte faite par la demanderesse de ce que, lorsqu'un voltage est appliqué à une masse de granules de silicium empilés non serrés, la légère conduc- tivité de ces granules se superpose aux résistances de courant locales entre les granules, de sorte que, pour un courant donné passant à travers ces résistances de contact R, le produit I2R est suffisant pour assurer le chauffage des granules et une nouvelle augmentation de la conducti- vité ainsi que du contact et pour, étant supposé qu'il y a un flux de courant suffisant, faire fondre les granules. La description qui suit mettra mieux en évidence les objectifs précités, ainsi que d'autres objectifs, carac- téristiques et avantages de l'invention. Cette description est faite en référence au dessin annexé, dans lequel: Figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dis- positif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention Figure 2 est une vue schématique illustrant les principes mis en oeuvre dans un chauffage initial modifié de granules de silicium; Figure 3 présente, également par une vue en coupe, un autre creuset pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention; et Figure 4 est une vue en coupe partielle selon IV-IV de figure 3. L'appareil représenté schématiquement sur la figure 1 comprend un creuset en quartz (10) dont on peut voir qu'il n'est ni renforcé, ni supporté, à la différence des creusets supportés et blindés de graphite qui étaient précédemment employés pour la fusion de silicium élémen- taire. On remplit ce creuset, monté sur un plateau rota- tif (12) qu'un moteur (29) peut faire tourner, de granu- les (11) de silicium élémentaire. Une paire d'électrodes de silicium (13,14) est scellée dans la paroi du creuset (10); ces électrodes sont chacune dotée d'un élément chauffant, respectivement (15,16), qui sert à élever leur température afin de leur donner une conductivité électrique suffisante pour pouvoir faire passer un courant électrique dans la masse qui se trouve entre elles. Au départ, les électrodes peuvent être en contact comme l'indiquent les pointillés (17) et, lors du premier passage d'un courant électrique, la pre- sence d'un point de contact entraîne l'écartement ou la fusion des électrodes, et la fusion des granules voisins. La poursuite du passage de courant électrique, qui s'écou- le maintenant librement à travers le bain de fusion, engendre de la chaleur supplémentaire qui fait fondre de nouvelles quantités de granules de silicium, de sorte qu'il se forme un "piston" (18) de granules entouré d'un corps ou couche (19) de granules qui constitue une couche d'isolation interposée entre le bain et le creuset en quartz. Le courant de fusion est fourni aux électrodes (13,14) par des jeux de balais et bagues (20) qui se trouvent sur l'arbre (31) du moteur (29), et qui sont reliés au bloc d'alimentation en courant fort (21). Un germe (22) de silicium monocristallin monté sur une tige (23) peut être abaissé dans le bain (18), et la tige (23) est ensuite retirée tandis que le moteur (29) fait tourner le creuset, et l'on fait également tourner la tige (23) pour tirer une barre de silicium monocristal- lin qui subit un refroidissement contrôlé, comme l'indique le dispositif (24). Lorsque le tirage a atteint son maxi- mum, la barre peut être détachée, et découpée en pastilles de la manière habituelle. La figure 2 décrit l'emploi d'un principe différent pour la fusion initiale. Ici, les électrodes (113 et 114) présentées sont pontées par la masse de granules de sili- cium. Lorsqu'on fournit le courant électrique, le flux est concentré aux points de courant (130). La résistance du courant se trouve entre les granules. Ces emplacements sont d'une résistance comparativement élevée, et il se produit un chauffage ohmique. Le chauffage ohmique aug- mente la conductivité des particules, et permet donc le passage d'un flux de courant supplémentaire, d'o une augmentation de l'effet global de chauffage, jusqu'à ce que la fusion se mette en route. Cette fusion entraîne bien évidemment une nouvelle augmentation de la conducti- vité, attendu que le silicium fondu a une conductivité bien supérieure à celle de la masse de granules, et le bain de fusion est formé de la manière précédemment dé- crite. Lorsque ce système est employé, une couche de granules de silicium non fondus est maintenue entre la paroi du creuset et le bain. Les figures 3 et 4 présentent un autre type de creuset pour mettre en oeuvre le procédé selon l'inven- tion. Ici, le creuset (210) peut également tourner, comme l'indique la flèche (229), et il est doté d'une paire d'électrodes arquées (213 et 214) . Afin de faciliter la rotation, les électrodes arquées (213 et 214) sont chacune dotée d'une barre, respectivement (231, 232), chacune de ces barres s'engageant dans un rail de contact annulaire correspondant, respectivement (233, 234), rails qui sont reliés à la source de courant de fusion. Ici, les granules qui se trouvent entre les électrodes peuvent être préala- blement chauffés à l'aide d'une torche ou d'un dispositif de chauffage à rayonnement par exemple, afin de stimuler la conductivité, ou bien ils peuvent être chauffés par le passage d'un courant électrique à travers la masse en se servant des principes présentés sur la figure 2. A titre d'exemple, on notera que la demanderesse a constaté qu'il était possible de faire fondre des granules de silicium dans des creusets en quartz atteignant un diamè- tre de 10 à 40 cm en employant des voltages de 80 à 100 volts ou plus et en fournissant de 80 à 100 ampères pour le préchauffage initial, puis des voltages de 70 à 80 V avec des intensités de 30 - 40 ampères à 40 volts pour le maintien ultérieur du bain de fusion au cours du tirage des barres monocristallines. Les granules de sili- cium peuvent avoir des tailles. allant de lmm à environ lOmm (mais il est également possible d'employer des gra- nules plus grands ou plus petits), et des profils régu- liers ou irréguliers. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fusion de silicium élémentaire, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: remplissage d'un creuset (10) avec une masse de granules de silicium élémentaire (11), et passage d'un courant électrique à travers seulement une partie (18) de la masse, avec une intensité suffisan- te pour fondre cette partie (18) tout en laissant au moins une couche de granules (19) entre le bain de fusion (18) résultant et les parois du creuset (10), isolant ainsi les parois du bain, et opposant une barrière à la conta- mination du bain (18) par le creuset (10). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie (18) de la masse (11) est préchauffée avant que le courant électrique ne la traverse. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie (111) de la masse (11) est chauffée au moins partiellement avant sa fusion par le passage d'un courant électrique à travers elle, de manière qu'il se produise un chauffage ohmique aux points de contact (130) entre les granules de la partie (111) de la masse. 4. Procédé pour la fabrication de barres de sili- cium élémentaire destinées à la production de pastilles de silicium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) remplissage d'un creuset (10) d'une masse de granules de silicium élémentaire (11); (b) insertion d'une paire d'électrodes (13 -14, 113- 114) dans cette masse (11), de manière à ce qu'une partie de la masse soit comprise entre les électrodes; (c) passage d'un courant électrique à travers cette partie de la masse (11), entre les électrodes (13 -14, 113 -114), d'une intensité suffisante pour fondre cette partie de la masse et former un bain de fusion de sili- cium (18) contenu dans au moins une couche (19) de gra- nules non fondus, cette couche isolant le bain (18) du creuset (10) et - (d) maintien du bain (18) en fusion par le passage conti- nu d'un courant électrique à travers le bain, tout en tirant du bain une barre cristalline de silicium. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie de la masse est, afin d'augmenter sa conductivité, préchauffée avant le passage du courant électrique. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les électrodes sont composées de silicium et en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire suivante: chauffage des électrodes (13,14) afin d'augmenter leur conductivité. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le creuset (10) est composé de quartz. 8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire suivante: rotation relative de la barre (23) et du creuset (10) lors du tirage de la barre (23). 9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la barre est tirée du bain de fusion (18) en faisant descendre dans ce bain un germe de silicium mono- cristallin (22) puis en retirant le germe, la barre étant alors tirée du bain à partir du germe (22). 10. Dispositif pour la production d'une barre de silicium, caractérisé en ce qu'il comprend: un creuset en quartz (10) contenant une masse de granules de silicium (11), une paire d'électrodes (13,14) plongeant dans la masse (11), des moyens (21) reliés aux électrodes (13,14) pour faire passer un courant électrique à travers une partie de la masse (11) afin de former, dans le creuset (10) un bain de silicium fondu (18) entouré d'au moins une couche de granules (19) couche formant une barrière isolante supportant le bain (18) et l'isolant du creuset (10), des moyens (23) pour introduire, dans le bain (18) un germe de silicium monocristallin (22) et des moyens (23) pour tirer du bain (18) le germe (22) et une barre de silicium fondu, tandis que le bain (18) continue à être chauffé par le passage d'un courant électrique.