Brevet FR2572424A1 — publié le 19860502

Appareil pour tirer une nappe de silicium dendritique d'un bain de silicium ". L'invention concerne de façon générale un appareil pour tirer une nappe de silicium dendritique d'un bain et plus particulièrement un appareil comportant un creuset à barrière permettant le remplacement continu du bain. Dans la croissance d'une nappe de silicium dendritique dans un système à bain avec un organe de réception chauffé par inductance et qui contient un creuset, le remplissage du bain doit se faire avec un scin tout particulier pour diminuer les coûts et améliorer la qualité du cristal. Dans un tel système, des particules ou des boulettes sont ajoutées à une extrémité ou aux deux extrémités du creuset pendant la croissance des cristaux; toutefois, la chaleur absorbée dans ces régions o se pro- duit la fusion de la matière introduite crée un déséquili- bre thermique non négligeable dans la région dans laquelle on tire la nappe. Les conditions thermiques idéales seraient d'avoir une région chaude dans laquelle on ajoute les boulettes et la partie restante du creuset n'étant pas influencée par l'adjonction de matière. Une solution connue des spécialistes consiste à utiliser une ou plusieurs barrières placées dans le creuset pour délimiter de façon relative les régions de remplissage de bain fondu par rapport àla région dans laquelle on extrait la nappe dendri- tique. De plus, on a fait différentes variantes thermiques pour modifier les écrans de protection et pour déplacer la bobine de chauffage par induction. Toutefois, ces modifica- tions donnent un gradient de température, linéaire, entre la région du bain et la région de croissance, ce qui se traduit par des caractéristiques gênantes dans les cristaux. De plus, l'écoulement du silicium fondu des régions de rem- plissage du bain à travers la barrière dérange le bain dans -le compartiment de croissance. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un appareil pour tirer une nappe de silicium dendritique d'un bain de silicium, appareil se composant d'un creuset de forme allongée, en quartz, ayant un fond fermé et des côtés montants, la partie supérieure du creuset étant au moins partiellement ouverte, et une barrière en quartz étant disposée transversalement dans le creuset pour y délimiter une section de remplissage de silicium fondu et une section d'extraction de la nappe dentritique, distincte de la précédente, un moyen de chauffage pour chauffer le fond et les côtés du creuset pour y faire fondre le sili- cium et retenir un niveau prédéterminé de silicium à l'état fondu dans la section d'extraction de la nappe dans le creuset, un moyen pour tirer la nappe de silicium den- dritique à une vitesse prédéterminée à partir de la surface en fusion du silicium contenu dans la section d'extraction de la nappe du creuset et un moyen de remplissage de sili- cium pour ajouter du silicium non fondu suivant un débit prédéterminé à la section de remplissage de silicium fondu dans le creuset, la barrière en quartz ayant une configura- tion prédéterminée composée d'un bord inférieur, de bords latéraux et d'un bord supérieur, le bord inférieur de la barrière de quartz touchant de façon étanche le fond du creuset, les parties du bord latéral de la barrière de quartz touchant de façon étanche les parois du creuset, le bord supérieur de la barrière dépassant le niveau du silicium fondu que pour recevoir le creuset, appareil caractérisé. en ce que la barrière comporte des ouvertures formées par des découpes réalisées-dans le bord latéral de la barrière pour constituer des ouvertures de dimen- sions prédéterminées délimitées par ailleurs par les côtés du creuset, ces ouvertures étant situées à une hiau- teur prédéterminée au-dessus du fond du creuset pour que le silicium d'abord fondu au voisinage du fond et des parois latérales du ereuset-se regroupe dans la partie de fond chauffée de la section de remplissage de silicium du creuset et pour éviter que le silicium ne passe direc- tement après fusion dans la section d'extraction de la nappe dendritique, avant que le bain n'atteigne une pro- fondeur prédéterminée, l'ouverture étant également située à une distance prédéterminée en-dessous du niveau prédé- terminé de silicium fondu dans la section de remplissage du bain du creuset pour éviter que le silicium non fondu qui recouvre le silicium fondu ne passe de la section de remplissage du bain de silicium du creuset dans la section d'extraction de la nappe et les dimensions de l'ouverture dans la barrière sont suffisantes pour laisser passer au moins un débit approprié de silicium fondu dans la section d'extraction de la nappe, le positionnement des ouvertures dans la barrière au voisinage des cÈtés du creuset faisant passer le silicium fondu dans la section d'extraction de la nappe au voisinage des côtés chauffés du creuset pour assurer que le silicium se trouve à la température appro- priée pour l'extraction de la nappe de silicium dendriti- que. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide de différents modes de réalisation représentés à titre d'exemple dans les des- sins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en plan d'un creuset en quartz. - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure I dans la direction des flèches. - la figure 3 est une vue en plan d'une variante de creuset à quartz ayant des côtés verti- caux et une seule barrière. - la figure 4 est une vue en élévation d'un type de barrière selon l'art antérieur. - la figure 5 est une vue en élévation d'un autre type de barrière de l'art antérieur. - la figure 6 est une vue en élévation d'un autre type de barrière de l'art antérieur. - la figure 7 est une vue en élévation d'un mode de réalisation d'une barrière en quartz. - la figure 8 est une vue en élévation d'un autre mode de réalisation d'une barrière en quartz. - la figure 9 est une vue en perspecti- ve d'un organe de réception combiné à l'appareil selon l'invention. - la figure 10 est une vue en perspec- tive d'un organe de réception montrant la nappe de sili- cium dendritique qui est tirée, cette nappe étant repré- sentée en traits mixtes. - la figure 11 est une vue en coupe selon la ligne XI-XI de la figure 10. - la figure 12 est une vue en élévation coupée, montrant le fonctionnement de l'appareil avec un système de remplissage de silicium non fondu. Selon les figures 1 et 2, la référence désigne un creuset en quartz, de forme allongée ayant une partie de fond 22, fermée et des parois latérales 24 dirigées vers le haut; la partie supérieure du creuset est au moins partiellement ouverte. Comme représenté dans *5 la vue en coupe de la figure 2, des barrières en quartz 26 sont prévues latéralement dans le creuset 20 pour y délimiter une section de remplissage de silicium fondu 28 et une section 30, distincte, pour tirer la nappe dendri- tique. Une variante de réalisation du creuset 32 est repré- sentée à la figure 3; cette variante n'utilise qu'une seule barrière 26 pour délimiter la section de traction de la nappe dendritique 30 et la section de remplissage de silicium fondu 28. Dans ce mode de réalisation, les côtés 34 du creuset 32 sont verticaux. Les figures 4 à 6 sont des vues en élévation d'éléments de barrière en quartz selon l'art antérieur. L'élément de barrière 36 de la figure 4 com- porte une découpe 38 à sa base. Dans ce mode de réalisa- tion, le silicium initialement fondu, proche du fond du creuset s'écoule immédiatement dans la section d'extrac- tion de la nappe, ce qui crée des gradients thermiques gênants dans la section d'extraction de la nappe. Dans l'autre mode de réalisation 40 selon l'art antérieur, représenté à la figure 5, on a une barrière formée de quatre parties avec deux parties 42, de faibles dimensions, relevées, et qui relie la section de base et la section supérieure. Dans ce mode de réalisation, il se produit un écoulement important dans la partie médiane des ouvertures 44 ainsi formées et il y aura des gradients thermiques dans la section d'extrac- tion de la nappe à cause de l'introduction du silicium à travers les ouvertures les plus à l'extérieur et l'ouver- ture centrale. De plus, les zones des parties de montant 42 qui se trouvent au niveau de la fusion subissent une usure prématurée. La figure 6 montre un autre mode de réalisation d'une barrière 46 selon l'art antérieur; cette barrière comporte un seul orifice 48 de forme rectan- gulaire situé légèrement au-dessus du fond du creuset. Ce mode de réalisation permet l'écoulement seulement à tra- vers la partie centrale de la barrière, ce qui créer des perturbations de nature physique ainsi que des difficultés thermiques; de plus, ce mode de réalisation est d'un coût de fabrication extrêmement élevé. La figure 7 montre une barrière 50 réalisée selon la présente invention. Cette barrière pré- sente une forme prédéterminée avec un bord inférieur 52, des bords latéraux 54 et un bord supérieur 56. Le bord inférieur coopère de façon étanche avec le fond 22 du creuset 20 (voir figures 1 et 2). Les parties des bords latéraux 54 sont fondues sur les côtés 24 du creuset et coopèrent avec ceux-ci de façon étanche. Le bord supérieur 56 de la barrière se situe au-dessus du niveau du sili- cium fondu qui est contenu dans le creuset en quartz 20. Selon la présente invention, l'ouver- ture 56 se compose de parties découpées dans les bords latéraux 54 pour obtenir des ouvertures de dimensions pré- déterminées délimitées par ailleurs par les parties cor- respondantes des parois latérales 24 du creuset 20 (voir figures 1 et 2). Les ouvertures 58 sont situées à une distance prédéterminée au-dessus du fond du creuset pour que le silicium qui fond en premier lieu au voisinage du fond et des parois latérales du creuset 20 se regroupe dans la partie de fond chauffée de la section de remplis- sage de silicium 28 (voir figures 1 et 2) du creuset et pour éviter que le silicium ne passe directement après fusion dans la section d'extraction de la nappe dendriti- que 30 avant que l'on atteigne une profondeur de bain prédéterminée. Les ouvertures 58 sont également situées à une distance prédéterminée au voisinage du niveau prédé- terminé du silicium fondu dans la section de remplissage de silicium fondu du creuset pour éviter que du silicium non fondu et qui recouvre le silicium fondu dans le creuset ne passe de la section de remplissage du creuset à la section d'extraction. Les dimensions de l'ouverture 58 de la barrière sont suffisantes pour laisser passer au moins un écoulement prédéterminé de silicium vers la section d'extraction et donner un écoulement adéquat de silicium dans la section d'extraction; le positionnement des ouver- tures dans la barrière au voisinage des parties latérales 24 du creuset 20 fait que le silicium fondu passe dans la section d'extraction au voisinage des parois latérales chauffées du creuset, de sorte que le silicium est a une température appropriée pour l'extraction de la nappe den- dritique de silicium. Les barrières peuvent être constituées par un bloc trapézoidal ou rectangulaire de quartz ayant la même largeur et la même hauteur que la barrière terminée mais plus longue qu'une seule barrière est épaisse. Les découpes dans les bords latéraux de la barrière peuvent être usinées dans les côtés du bloc en quartz pour former des gorges. Les barrières peuvent être découpées dans le bloc, une a chaque fois, à l'aide d'une scie ou d'un autre moyen. Le mode de réalisation 50a de la figure 8 est en principe identique à celui de la figure 7 sauf que les cotés 54 de la barrière sont verticaux et sont destinés à un creuset tel que celui de la figure 3. n A titre d'exemple caractéristique, les creusets ont une longueur de 20, 3 cem, une largeur de 6,4 cm et peuvent recevoir du silicium fondu sur une pro- fondeur de 1,5 cm. Dans un tel mode de réalisation, chaque ouverture 58 a une surface de section égale a 0,38 cm La figure 9 est une vue en perspective d'un organe de réception 62 classique destiné a coopérer avec le creuset a barrière selon l'invention. Le creuset peut se loger dans l'ouverture 64 prévue dans la partie supérieure de l'organe de réception. Un creuset à quartz destiné à l'organe de réception 62 est représenté en perspective à la figure 10, la nappe de silicium dendri- tique 66 étant tirée à travers un couvercle 68 recouvrant l'organe de réception 62. L'organe 70 estun écran thermi- que d'extrémité; l'organe 72 est un écran thermique latéral et le couvercle comporte des écrans thermiques de couvercle 74. Pour la mise en oeuvre de ce mode de réali- sation, on utilise deux éléments de barrière selon l'inven- tion et la section de remplissage de bain est prévue aux deux extrémités du creuset; les ouvertures 76 traversent les éléments de couvercle pour permettre le remplissage avec le silicium. La vue en élévation coupée à la figure I1 montre l'extraction de façon plus détaillée; l'organe de réception 62 est chauffé par inductance à l'aide de bobines 78. L'organe de réception est de préférence réali- sé en molybdène; il en est de même du couvercle 68 de cet organe. Il est à remarquer que la plus grande partie de cet appareil est classique à l'exception du creuset et de la barrière. La figure 12 est une vue en élévation, coupée d'un autre mode de réalisation de l'appareil; dans celui-ci, le couvercle 80 fait partie de la chambre de développement 82; le couvercle comporte des orifices pour l'introduction du silicium non fondu provenant de réser- voirs 84 par l'intermédiaire de tubes d'alimentation 86 et par les ouvertures 76 débouchant les sections de rem- plissage de silicium 28. La nappe de silicium 66 est tirée en continu et grâce au perfectionnement selon l'invention, on a pu tirer des nappes de longueur très importante. De façon habituelle, la chambre de croissance 82 contient une atmosphère inerte telle que de l'argon à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. -- RE V E ND I CA T I 0 N S 1 ) Appareil pour tirer une nappe de silicium dendritique d'un bain de silicium, appareil se composant d'un creuset de forme allongée, en quartz, ayant un fond fermé et des côtés montants, la partie supérieure du creuset étant au moins partiellement ouverte, et une barrière en quartz étant disposée transversalement dans le creuset pour y délimiter une section de remplissage de silicium fondu et une section d'extraction de la nappe dendritique, distincte de la précédente, un moyen de chauffage pour chauffer le fond et les côtés du creuset pour y faire fondre le silicium et retenir un niveau pré- déterminé de silicium à l'état fondu dans la section d'ex- traction de la nappe dans le creuset, un moyen pour tirer la nappe de silicium dendritique à une vitesse prédéter- minée à partir de la surface en fusion du silicium contenu dans la section d'extraction de la nappe du creuset et un moyen de remplissage de silicium pour ajouter du sili- cium non fondu suivant un débit prédéterminé à la section de remplissage de silicium fondu dans le creuset, la bar- rière en quartz ayant une configuration prédéterminée com- posée d'un bord inférieur, de bords latéraux et d'un bord supérieur, le bord inférieur de la barrière de quartz tou- chant de façon étanche le fond du creuset, les parties du bord latéral de la barrière de quartz touchant de façon étanche les parois du creuset, le bord supérieur de la barrière dépassant le niveau du silicum fondu que pour recevoir le creuset, appareil caractérisé en ce que la barrière (26) comporte des ouvertures formées par des dé- coupes (38) réalisées dans le bord latéral de la barrière (26) pour constituer des ouvertures de dimensions prédé- terminées délimitées par ailleurs par les côtés du creuset (20), ces ouvertures étant situées à une hauteur prédé- terminée au-dessus du fond (22) du creuset (20) pour que le silicium d'abord fondu au voisinage du fond (22) et des parois latérales (24) du creuset (20) se regroupe dans la partie de fond (22) chauffée de la section de remplis- sage (28) de silicium du creuset (20) et pour éviter que le silicium ne passe directement après fusion dans la section d'extraction (30) de la nappe dendritique, avant que le bain n'atteigne une profondeur prédéterminée,l'ouver- ture étant également située à une distance prédéterminée en-dessous du niveau prédéterminé de silicium fondu dans la section de remplissage (28) du bain du creuset (20) pour éviter que le silicium non fondu qui recouvre le silicium fondu ne passe de la section de remplissage (28) du bain de silicium du creuset (20) dans la section d'ex- traction (30) de la nappe et les dimensions de l'ouverture dans la barrière (26) sont suffisantes pour laisser passer au moins un débit approprié de silicium fondu dans la sec- tion d'extraction (30) de la nappe, le positionnement des ouvertures dans la barrière (26) au voisinage des côtés du creuset (20) faisant passer le silicium fondu dans la sec- tion d'extraction (30) de la nappe au voisinage des côtés chauffés du creuset (20) pour assurer que le silicium se trouve à la température appropriée pour l'extraction de la nappe de silicium dendritique. 2 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une seule barrière (26) en quartz pour délimiter dans le creuset (20) une seule section d'extraction (30) de nappe et une seule section de remplissage (28) de bain. 3 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux barrières (26) en quartz pour définir dans le creuset (20) une seule section d'extraction (30) de nappe au voisinage de la partie médiane du creuset (20) et de sections de remplissages (28) de sili- cium fondu au voisinage des extrémités du creuset (20). 4 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est en- fermé dans une chambre de croissance (82) qui contient une atmosphère de gaz inerte.