Brevet FR2562056A1 — publié le 19851004

PROCEDE DE FABRICATION NON POLLUANT DE SILICIUM MASSIF A PARTIR DE SILICIUM DIVISE La présente invention concerne un procédé de fabrication non polluant de silicium massif à partir de silicium divisé. Elle a trait plus particulièrement à la fabrication de silicium massif à partir de silicium en poudre ou en copeaux. Le silicium est un matériau très utilisé dans l'industrie électronique des semi-conducteurs. Dans la fabrication des tranches de silicium, une partie importante du matériau est perdue sous forme de copeaux lors du sciage du barreau; il existe par ailleurs, des procédés de production de silicium comme celui décrit dans la demande européenne EP 0100268 au nom de la Demanderesse qui conduisent à l'obtention de silicium en poudre. Il serait intéressant de disposer d'un procédé de fusion non polluante du silicium divisé provenant notamment de ces sources, afin de pouvoir utiliser ou réutiliser le silicium massif obtenu en ayant conservé la pureté du silicium divisé de départ: ceci constitue un besoin auquel se propose de répondre la présente invention. Il est connu de fondre du silicium dans des creusets en graphite chauffés par les parois. Cette fusion est très polluante car il y a formation de carbure de silicium très gênant. Il a été proposé dans la demande internationale PCT WO 84/00156 de fondre le silicium dans un creuset en graphite et de se servir de la couche de carbure de silicium comme revêtement protecteur. Cette solution n'est toutefois que partielle car il se produit quand même une pollution du silicium fondu au cours de l'opération. nl est également connu de fondre le silicium dans des creusets en quartz chauffés par les parcis par exemple tel que décrit dans la demande européenne EP 55310. Dans ce cas, il se produit une perte importante de matière dGe à l'adhésion du silicium sur le quartz. Par ailleurs, ce procédé se révèle peu économique car il faut généralement changer le creuset en quartz très pur après peu d'opérations. On doit ajouter que ces procédés de fusion sont décrits pour la fusion de silicium à l'état massique ou semi-massique aucun d'eux n'ayant posé le problème de la fusion non polluante de silicium en poudre en particulier. Ainsi, jusqu'à présent, ni les procédés de fusion, ni les dispositifs de chauffage, ni le silicium de départ n'étaient adaptés pour répondre au besoin que vise à combler la présente invention. En effet, un des buts que se propose la présente invention est de fournir un procédé non polluant pour la fusion de silicium à l'état divisé, ce procédé étant simple et d'une mise en oeuvre aisée. Ce but est atteint, selon l'invention, par l'utilisation comme moyen de chauffage permettant d'obtenir la fusion- de silicium divisé, d'un jet de plasma ultra pur et par la réalisation d'une épaisseur de silicium non fondu au contact du creuset, grâce au contr8le de la zone fondue par le plasma. La présente invention concerne en effet un procédé de fabrica- tion non polluant de silicium massif à partir de silicium divisé, caractérisé en ce que: - on introduit le silicium sous forme divisée dans un creuset - on chauffe le silicium par un plasma jusqu'à la fusion en contr8lant l'étendue de la zone fondue pour conserver une épaisseur de silicium non fondu au contact du creuset - on arrête le chauffage et on laisse refroidir puis on récupère le bloc de silicium massif obtenu. Selon le procédé de l'invention, le silicium est mis en oeuvre sous forme divisée: poudre, granulés, copeaux, etc... Le procédé peut être utilisé pour du silicium de qualité métallurgique, mais il prend davantage d'intérêt lorsque le sili- cium est pur et qu'il doit être fondu en conservant une haute pureté. Selon le procédé de l'invention, la chaleur nécessaire à la fusion du silicium est apportée par un jet de plasma ultra-put par exemple un plasma dont le gaz plasmagène est l'argon, produit de préférence par induction. Les plasmas inductifs ont une vitesse de gaz faible en sortie de torche, ce qui rend leur utilisation selon l'invention plus aisée que les plasmas d'arc car on peut approcher la sortie d'une torche inductive plus près d'un creuset contenant par exemple de la poudre sans risquer l'envolement de la poudre. Par ailleurs, ils permettent d'éviter tout risque de pollution par des électrodes. Comme générateur de plasma inductif, on peut, par exemple, mettre en oeuvre selon l'invention le dispositif décrit dans le brevet français n 2 438 499. On contr6le l'étendue de la zone fondue par le temps de traitement sur une zone d'impact donnée, la zone d'impact du plasma correspondant à la section du plasma; le temps de traitement est en particulier fonction de la puissance du plasma, du débit du gaz plasmagène, de la granulométrie du silicium divisé et de la distance du creuset par rapport à la sortie de la torche à plasma. On peut ainsi conserver une épaisseur de silicium non fondu au contact du creuset. Cette pellicule de silicium divisé conduit mal la chaleur; elle diminue donc les pertes calorifiques et empêche la diffusion des impuretés provenant des parois du creuset dans le silicium fondu en limitant la température du creuset. L'épaisseur de cette pellicule de silicium divisé est généralement comprise entre lmm et 20mm. Lorsque l'on a opéré la fusion du silicium dans la zone désirée, on arrête le chauffage, on laisse refroidir puis on récupère le bloc de silicium massif obtenu dont la pureté est identique à celle du silicium divisé de départ. Le procédé selon l'invention va maintenant être décrit en faisant référence à une mise en oeuvre dans un dispositif tel que celui présenté à la figure 1. Le creuset (1) contenant le silicium divisé (6) peut être déplacé horizontalement par rapport à la torche a plasma (7) de façon à agrandir la zone d'impact du plasma et à traiter ainsi une grande quantité de produit. Le creuset peut également 8tre déplacé verticaLerent. Ceci permez, par exemple, de préchauffer le silicium - divisé à une certaine distance de la sortie de torche, là o les gaz chauds ont perdu de la vitesse, et on évite ainsi l'envolement de poudre qui peut apparaitre sur la poudre très fine à température ambiante. Dès que la poudre a dépassé une certaine température, dépendant de la pureté du silicium, elle devient plus cohésive et on peut alors rapprocher le creuset de la sortie de la torche à plasma et profiter ainsi des hautes températures. L'enceinte (2) entourant le creuset peut être purgée de l'air qu'elle contient et maintenue, sous atmosphère d'argon, pour éviter les réactions du silicium avec l'oxygène et l'azote de l'air. Le gaz plasmagène luimême a un effet d'inertage qui protège la zone d'impact du plasma. Le plasma est produit par induction d'un courant haute fré- quence produit par le générateur et circulant dans les spires (3) qui entourent un tube de quartz (4) dans lequel est injecté le gaz plasmagène (5). Le tube de quartz, et donc le plasma, sont dirigés vers le bas, verticalement ou selon un axe faisant un angle avec la verticale. Le temps pendant lequel on laisse agir le plasma sans déplacer le creuset, détermine la profondeur de la zone fondue. Ce temps est à régler suivant les besoins en fonction de la puissance du plasma, du débit d'argon plasmagène, de la granulométrie du silicium divisé et de la distance du creuset par rapport à la sortie de la torche à plasma. On déplace le creuset un nombre de fois et dans les directions nécessaires à la fusion du silicium pour obtenir un bloc de la forme souhaitée: barreau, cube, plaque etc...tout en conservant une épaisseur de silicium non fondu au contact des parois du creuset. Après arrêt du plasma, ou simplement éloignement du creuset du plasma, on laisse le creuset refroidir sous atmosphère inerte, d'argon par exemple, puis on démoule le bloc de silicium massif obtenu. EXEMPLE Le plasma est obtenu dans un tube de quartz de diamètre 44 mm, avec une puissance de 12 kW et un débit d'argon de 15 Nl/mn addi- tionné de 0,5 Nl1/mnr. d'hydrogène, à pression atmosphèrique. L'addi- tion d'hydrogène (8) est destinée à augmenter la température du plasma et sa puissance calorifique, mais n'est pas obligatoire. Environ 10 grammes de silicium en poudre de granulométrie inférieure à 40 pm sont placés dans un creuset cylindrique en quartz de 2,5 cm de diamètre. En 20 à 30 mn, la poudre est fondue sur une épaisseur de 5 mm en plaçant le creuset à une distance de 0,5 à 1 cm de la sortie du tube de quartz. On recueille après refroidissement sous atmosphère d'argon en bloc de silicium massif dont la pureté est quasiment identique à celle de la poudre de départ comme le prouve le tableau ci-après dans lequel les teneurs sont indiquées en ppm par rapport à Si en poids (les signes IMPURETES IMPURETES DANS IMPURETES DANS LE BLOC SILICIUM EN POUDRE DE SILICIUM MASSIF Mo W Zn V N 0,05, 0,05 Ga REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication non polluant de silicium massif à partir de silicium divisé, caractérisé en ce que: - on introduit le silicium sous forme divisée dans un creuset - on chauffe le silicium par un plasma jusqu'à la fusion en contrôlant l'étendue de la zone fondue pour conserver une épaisseur de silicium non fondu au contact du creuset - on arrête le chauffage et on laisse refroidir puis on récupère le bloc de silicium massif obtenu. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le plasma est un plasma inductif dont le gaz plasmagène est dé préférence l'argon. 3. Procèdd selon la revendication 1 caractérisé en ce que le contr8le de l'étendue de la zone fondue est effectué en contrôlant le temps de traitement sur une zone d'impact donnée, ledit temps de traitement étant fonction de la puissance du plasma, du débit du gaz plasmagène, de la granulométrie du silicium divisé et de la distance du creuset par rapport au plasma. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épaisseur de silicium non fondu au contact du creuset est comprise entre lmm et 20mm.