Brevet FR2619828A1 — publié le 19890303

APPAREIL POUR LA FABRICATION D'UNE BANDE DE SILICIUM La présente invention est relative à un appareil utilisé pour développer des cristaux dendritiques de silicium en bande, et aux cristaux tirés par celui-ci. Les cristaux dendritiques de silicium en bande sont des rubans longs et minces de matière monocristalline de grande qualité structurale qui sont développés selon l'orientation (111). L'activité intensive actuellement déployée pour mettre au point du silicium dendritique en bande vise sa mise en oeuvre dans la fabrication de cellules solaires à grand rendement peu onéreuses pour la conversion directe de la lumière solaire en énergie élec- trique. La forme de mince ruban du cristal nécessite peu de traitements supplémentaires avant la fabrication d'un dispositif, contrairement aux substrats en plaques réa- lisés à partir du cristal de Czochralski plus traditionnel qui doit être découpé en tranches, r8dé et poli avant usage, un procédé coûteux même si on économise beaucoup de volume. De plus, la forme rectangulaire du ruban de silicium contribue à un conditionnement efficace de cel- lules individuelles en grands modules et ensembles de cellules solaires. Un aspect important dans la réussite du développement de cristaux dendritiques en bande est la configuration des écrans et du couvercle utilisés pour couvrir le bain de silicium brûlant. Antérieurement, des couvercles ayant 261 982 une fente dite "en os & chien" ont été utilisés avec un certain succès. Ces couvercles comportent aussi typique- ment deux trous du côté extérieur, situés à une distance prédéterminée des extrémités de la fente. Ces trous du côté extérieur contribuent à conserver une largeur cons- tante pour le cristal dendritique en bande en formation. Les modules de couvercles classiques comportent aussi deux trous à une extrémité du couvercle. Ces trous servent de trous d'entrée et de sortie pour un rayon laser servant de détecteur, qui mesure le niveau du bain de silicium. Une autre particularité typique des agencements de cou- vercles est un trou à travers lequel on laisse tomber des pastilles de silicium pour compléter le bain. Ces trous se trouvent typiquement h l'extrémité du couvercle opposée aux trous pour le rayon laser. Les modèles classiques de couvercles pour le dévelop- pement de bandes ont produit un maximum d'environ 40 000 centimètres carrés par semaine et par four. Un défaut des bandes réalisées avec un modèle classique est l'amincis- sement prononcé de la bande juste à côté de chaque dendrite. Les résultats de cet agencement sont en outre limités par la dégradation cristalline qui débute dans les zones amin- cies. Il en résulte souvent la fin du développement des cristaux, ce qui limite le rendement, car la fin du déve- loppement nécessite du temps improductif ou moins produc- tif pour faire redémarrer et élargir les cristaux en bande. Un autre problème lié aux modèles classiques de cou- vercles est que les trous pour rayon laser et le trou de remplissage sont mutuellement asymétriques et perturbent donc quelque peu le délicat équilibre thermique recherché en créant des couvercles à géométries symétriques. La présente invention vise & améliorer l'équilibre thermique du système à côté de la zone o est formé le cristal pour obtenir une épaisseur de bande plus uniforme. Dans le but d'améliorer l'équilibre thermique, une nouvelle configuration de couvercle a été imaginée. Le nouveau couvercle comporte une fente à travers laquelle sont tirés les cristaux dendritiques en bande, des trous de limitation de largeur situés du côtés extérieur et espacés des extrémités de la fente par une distance pré- déterminée, et des ouvertures terminales agrandies aux extrémités de la fente pour dissiper la chaleur de fusion émanant de la bande en développement de façon que la bande obtenue ait une épaisseur sensiblement uniforme. Dans une forme de réalisation de l'invention, la fente a une configu- ration "en noeud-papillon", dans laquelle les extrémités de la fente sont agrandies, les extrémités agrandies ayant une extrémité large et une extrémité étroite, l'extrémité étroite étant reliée à la fente, l'extrémité large faisant face au trou voisin situé du côté extérieur. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, la fente "en noeudpapillon" est conservée, et un ou plusieurs des trous situés du côté extérieur sont en forme de "T" afin de supprimer la nécessité de trous pour rayon laser et permettent la présence d'un trou supplémentaire de remplissage de bain, en créant de ce fait une configura- tion de couvercle à symétrie géométrique. Dans la pré sente forme de réalisation, la fente en "T" est ménagée obliquement dans le couvercle pour permettre au rayon laser servant à la détection du niveau du bain d'entrer et de sortir à travers le couvercle. Chaque fente en "T" remplace un trou situé du côté extérieur et a les mêmes dimensions que le trou du côté extérieur qu'elle remplace, afin de conserver l'équilibre thermique du système. L'invention sera décrite plus en détail ci-après à propos des formes actuellement préférées de réalisation et des modes actuellement préférés de mise en oeuvre de l'invention, en regard des dessins annexés, sur lesquels: la Fig. 1 est une vue en coupe transversale représen- tant un agencement classique utilisé pour tirer des cristaux dendritiques de silicium en bande; la Fig. 2 est une vue en plan d'un agencement clas- sique de couvercle utilisé pour tirer des cristaux dendri- tiques de silicium en bande; la Fig. 3 est une vue en coupe transversale d'un agen- cement classique pour tirer des cristaux dendritiques de silicium en bande, prise selon les lignes A-A de la Fig. 2; la Fig. 4 est une vue schématique en coupe transver- sale d'un cristal dendritique de silicium en bande déve- loppé par l'intermédiaire d'un couvercle classique, montrant les régions amincies de la bande près des den- drites; la Fig. 5 est une vue en plan d'une configuration perfectionnée de couvercle selon une forme de réalisation de la présente invention; la Fig. 6 est une vue schématique en coupe transver- sale d'un cristal dendritique de silicium en bande déve- loppé par l'intermédiaire d'un couvercle perfectionné selon la présente invention; la Fig. 7 est un graphique montrant l'amélioration de la production de cristaux rendue possible par l'utili- sation d'une forme de réalisation de la présente inven- tion, par rapport aux configurationsantérieures de cou- vercles; la Fig. 8 est un graphique montrant l'amélioration de la longueur des cristaux rendue possible par l'utili- sation d'une forme de réalisation de la présente invention, par rapport auxconfigurations antérieures de couvercles; la Fig. 9 est un graphique montrant la longueur à laquelle un cristal tiré & l'aide d'une forme de réalisa- tion de la présente invention atteint une largeur cons- tante de 4 cm; la Fig. 10 est un graphique montrant la longueur à laquelle un cristal tiré à l'aide d'une forme de réalisa- tion de la présente invention atteint une largeur cons- tante de 5,5 cm; la Fig. llAest une vue en plan d'une autre forme de réalisation de la présente invention; la Fig. 11B est une vue en coupe transversale de la forme de réalisation de la présente invention de la Fig. 11A selon la ligne de coupe A-A de la Fig. 11A; et la Fig. 12 est une vue en plan d'une autre forme de réalisation de la présente invention. La Fig. 1 représente un agencement classique pour le développement de cristaux dendritiques de silicium en bande. Un dispositif 10 de chauffage à induction contient un creuset 11 chargé de silicium polycristallin 12 en fusion. Un couvercle 13 de dispositif de chauffage à induction repose sur le dessus du dispositif 10 de chauffage à induction. Le couvercle 13 a une fente 14 à travers laquelle est tirée la bande en formation, et deux trous 15 vers l'extérieur qui déterminent la largeur de la bande en for- mation. Typiquement, une série d'écrans thermiques (non représentés) est disposée au-dessus du couvercle 13. La Fig. 2 montre une configuration classique de cou- vercle de dispositif de chauffage. Le couvercle 13 a une fente 14 "en os à chien" et des trous 15 vers l'extérieur. Les extrémités 16 de la fente 14 sont arrondies pour rece- voir les dendrites (non représentées) utilisées pour le tirage du cristal dendritique de silicium en bande. Typi- quement, le couvercle 13 a aussi deux trous obliques 17 pour rayon laser. Comme représenté sur la Fig. 3, les trous 17 pour rayon laser sont obliques pour permettre à un rayon laser 18 d'entrer dans un trou 17a pour rayon laser, de frapper la surface du bain de silicium et de ressortir une fois réfléchi via le trou 17b opposé pour rayon laser jusque sur un détecteur 19, qui utilise l'inclinaison du rayon réfléchi pour mesurer le niveau du bain de silicium. Si le détecteur indique que le niveau du bain de silicium est au- dessous d'un niveau prédéterminé, des pastilles de silicium tombent automatiquement dans le bain pour compenser le silicium épuisé. Un trou 24 de remplissage de bain est typiquement utilisé à cette fin. Un problème posé par le couvercle classique représenté sur la Fig. 2 est sa tendance à former des cristaux ayant des régions de la bande amincies près des dendrites. La Fig. 4 représente une vue en coupe transversale d'une bande de silicium dendritique formée à l'aide d'un couvercle tel que celui représenté sur la Fig. 2. Comme représenté, la bande 20 présente des régions rétrécies 21 près des den- drites 22.-Ces régions rétrécies risquent de provoquer, et provoquent effectivement, des pertes de structure cristal- line à plan de macle de la bande dendritique, qui aboutis- sent à leur tour à des déformations pendant le tirage et, finalement, à une rupture Ou autre interruption du dévelop- pement du cristal. On estime que la région amincie résulte d'une dissipation inégale de la chaleur latente de fusion dans le secteur des dendrites 22 de délimitation. Afin d'améliorer l'équilibre thermique et de résoudre ce problème d'amincissement, une nouvelle configuration de couvercle représentée sur la Fig. 5 a été imaginée. Le nouveau couvercle continue à avoir une fente 14 et des trous 15 situés du côté extérieur. Les trous 15 vers l'ex- térieur sont à une distance prédéterminée des extrémités 16 de la fente 14. Les extrémités 16 de la fente 14 sont agrandies, en ayant une extrémité large 16a et une extré- mité étroite 16b, si bien que la fente se présente sous l'as- pect d'un "noeud-papillon" plutôt que sous l'aspect d'un "os à chien". L'extrémité large 16a constitue la partie extérieure de l'extrémité 16 de la fente. Comme représenté sur la Fig. 5, les extrémités 16 de la fente sont coniques jusqu'au point 23 o les extrémités 16 de la fente rencon- trent la fente 14. Les extrémités 16 de la fente 14 peuvent être reliées aux trous du c8té extérieur avec, comme repré- senté, un fente de liaison 25. La Fig. 6 représente une coupe transversale d'un cris- tal dendritique en bande,développé à l'aide du couvercle représenté sur la Fig. 5. Comme représenté, la bande 20 a une épaisseur uniforme entre les dendrites 22 de délimi- tation. A l'aide du modèle de couvercle de la Fig. 5, on a produit le monocristal dendritique en bande le plus long, 0 plus de 17 mètres de longueur, qui ait jamais été développé. Les extrémités 16 agrandies conique de la fente du couvercle représenté sur la Fig. 5 accentuent les pertes de chaleur à l'interface liquidesolide de développement de la bande dans les régions amincies et les régions immédiatement adjacentes de la bande en développement. Du fait des pertes de chaleur supplémentaires dans ces régions, l'épaisseur de la bande développée est augmentée dans ces régions. Les extrémités agrandies 16 permettent donc une dissipation quasiment uniforme de la chaleur latente depuis toutes les 0 régions de la bande, si bien qu'on obtient une bande d'épaisseur uniforme. La nouvelle configuration représentée sur la Fig. 5 a réussi à réduire l'amincissement observé avec la confi- guration de la Fig. 2 comme présenté sur la Fig. 4, et le développement a été facilement réalisé et poursuivi. A l'aide de la configuration de couvercle de la présente invention, le développement de bande obtenu est parvenu aux améliora- tions principales suivantes, en comparaison des performances de la configuration de la Fig. 2: 0 1. La production hebdomadaire (7 jours, 24 heures/jour) a été de 47 000 cm2, nouveau record (en comparaison des 000 à 42 000 cm2 avec les configurations antérieures), comme représenté sur la Fig. 7. 2. En prolongeant la période de développement à une semaine plus 15 heures, une production de 50 000cm2 a été 2 6 obtenu. Il s'agit là aussi d'un nouveau record. 3. Toujours dans la course au record, un cristal de 17 mètres de longueurs avec un bain entièrement complété, a été tiré comme représenté sur la Fig. 8. Encore une fois, il s'agit d'un nouveau record. 4. Le nombre hebdomadaire d'interruptions de dévelop- pement de bandes a été fortement réduit tout en atteignant une production record. Pour une production comparable, la configuration de la Fig. 5 a produit 31 cristaux en bande (et donc moins de cassures) en comparaison des 51 cristaux (et donc plus de cassures) pour la configuration de la Fig. 2. On a constaté que la configuration de la Fig. 5 permet un élargissement et un réglage à une largeur d'environ 4 centimètres comme représenté sur la Fig. 9. Une version plus large de cette configuration a été fabriquée et une bande a été tirée. On a constaté que la version plus large réalise un développement à une largeur réglée d'environ 5,5 centi- mètres comme représenté sur la Fig. 10. Une nouvelle forme préférée de réalisation de la pré- sente invention est représentée sur la Fig.11A. Considérant de nouveau la Fig. 2, les modèles antérieurs de couvercles ont nécessité des régions séparées des zones du bain et du couvercle pour répondre aux exigences de réglage de largeur et de détection du niveau du bain. Sur la Fig. 2, par exemple, le bain est rempli par l'intermédiaire d'un trou 24 de remplissage de bain présent dans le couvercle 13. La détection du niveau du bain est effectuée grace à deux trous obliques 17a et 17b qui permettent à un détecteur à rayon laser de détecter le niveau du bain. Le réglage de largeur est réalisé par les trous 15 du côté extérieur. Le couver- cle représenté sur la Fig. 11Acombine le trou du côté ex- térieur et les trous pour rayon laser en une seule région polyvalente. L'espace gagné du fait de cette utilisation combinée peut être utilisé pour le tirage de cristaux plus larges et pour le remplissage du bain. Avec une configuration typique, la longueur supplémentaire de bain devenue dispo- nible est de 6 centimètres dans un bain d'une longueur globale de 25 centimètres. Le gain d'espace utilisable dans le couvercle est donc de 22,4%. La configuration de couvercle de la Fig. 11Aaugmente la surface disponible utilisable pour le remplissage du bain et le développement de la bande. Cette configuration a été obtenue en combinant les fonctions du trou extérieur droit nécessaire au réglage de la largeur et des trous de passage de rayon laser nécessaires au contr8le du niveau du bain pour ne conserver qu'une seule ouverture qui sert aux deux fonctions. Ainsi, la zone à droite de la fente 14 de la Fig. 2, qui servait à la détection du niveau du bain et au réglage, n'est plus nécessaire à cette fin, et cette zone est par conséquent disponible pour un plus grand rem- plissage du bain et une plus grande largeur de tirage. Dans la configuration de la Fig.11A, l'ouverture 29 à double fonction, qui peut être appelée par commodité "fente en T", remplace le trou extérieur droit 15 et les trous 17 pour rayon laser de la forme de réalisation de la Fig. 5. Comme représenté, la "fente en T" 29 comprend une fente de liaison 25 et une partie allongée 31. La fente de liaison 25 relié la partie allongée 31 à l'extrémité 16 de la fente. Les dimensions prévues permettent un parcours de rayon identique à celui permis par les trous de passage de rayon d'origine de la Fig. 5 et répondent aux besoins de ces trous. La Fig. 11B représente une vue en coupe selon la ligne A-A de la Fig. 11A.Comme représenté, les extrémités de la fente "en T sont obliques pour permettre l'entrée et la sortie du rayon laser 18 utilisé pour la détection du niveau du bain. La Fig. 12 représente une configuration de couvercle dans laquelle les deux trous extérieurs 15 de la configu- ration de la Fig. 5 sont remplacés par des fentes en T 29. Un trou 24 de remplissage de bain est conservé mais, comme on le voit sur la figure, les trous pour rayon laser ont été supprimés. L'ouverture des fentes en T a en outre été conçue pour avoir un effet sur les pertes de chaleur sensiblement identique & celui qui serait autrement obtenu avec le trou extérieur classique nécessaire pour le réglage de la largeur. Ceci a été accompli en concevant la partie allongée 31 de la "fente en T", à savoir la portion perpendiculaire au sens longitudinal de la fente 14, pour qu'elle ait une surface égale à celle du trou extérieur 15 antérieur des figures 2 et 5. Le tirage proprement dit de la bande avec le système de couvercle et d'écrans des figures 1lAet 12 a produit un développement de bande sensiblement inchangé par rapport à l'expérience de tirage réalisée avec la configuration de la Fig. 5. Par conséquent, ce résultat a confirmé que la fonction thermique de la fente en T est pratiquement iden- tique à celle du trou extérieur antérieur. Pour mettre en oeuvre les configurations des figures 11Aet 12, la surface supplémentaire de couvercle et de bain rendue disponible par l'emploi de la fente en T peut être concue d'une manière qui assure un plus grand remplissage du bain et/ou une plus grande largeur de tirage de bande. Une utilisation préférée de cet espace consiste à l'utiliser comme seconde région de remplissage du bain, en doublant de ce fait la capacité de remplissage de bain du système et en créant une symétrie géométrique. Ce doublement peut être accompli à l'aide de trous supplémentaires de remplissage du bain formes sur le côté droit des figures 11Aet 12. Cependant, dans la pratique, cette utilisation tend à ap- porter une capacité de remplissage de bain supérieure aux besoins, et une utilisation plus pratique consisterait à allonger la fente de tirage et à réaliser deux régions de remplissage de bain de capacité plus faible mais appropriée. Cette configuration assurerait une plus grande capacité de 26198o 1 1 largeur de tirage et une augmentation correspondante de la capacité de remplissage du bain. Une autre application possible de la présente inven- tion est une configuration de développement asymétrique qui comporte le remplissage du bain à une extrémité et une région de tirage sur le reste de la longueur du bain. Ce choix offre l'avantage qu'il ne faudrait qu'un seul dispositif d'alimentation en pastilles de remplissage de bain. Bien que la description détaillée ci-dessus de l'invention ait été donnée à titre illustratif, il doit être entendu que ces détails ne figurent qu'à cette fin et que des variantes peuvent y être apportées par ceux qui connaissent la technique sans s'écarter de l'esprit ni de l'objet de l'invention telle qu'elle est définie par les revendications. REVENDICATIONS: 1. Appareil pour la fabrication d'une bande de sili- cium comprenant un couvercle (13) servant au développement de cristaux dendritiques de silicium en bande à partir d'un bain (12) contenu dans un creuset (11) couvert par ledit couvercle (13) muni d'une fente (14) à travers la- quelle lesdits cristaux sont tires à partir d'un bain contenu dans un creuset couvert par ledit couvercle, de deux ouvertures (15 ou 29) vers l'extérieur espacées de ladite fente (14) par une distance prédéterminée, ladite fente (14) ayant à ses extrémités extérieures des ouver- tures terminales agrandies (16), caractérisé en ce que les ouvertures terminales agrandies (16) s'élargissent de manière continue à mesure qu'elles s'avancent vers l'extérieur depuis la fente (14), si bien que les extré- mités distales (16a) sont sensiblement plus larges que les extrémités intérieures (16b), qui ont sensiblement la même largeur que ladite fente (14), lesdites ouvertures (15 ou 29) et lesdites ouvertures terminales agrandies (16) coopérant pour permettre à la chaleur de fusion de se dissiper depuis la bande en formation de telle manière que la partie (20) formant bande se développe sur une épaisseur sensiblement uniforme. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la marge extérieure de l'ouverture terminale agrandie (16) est sensiblement perpendiculaire aux marges latérales de la fente (14). 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ouvertures (29) espacées de la fente (14) par une distance prédéterminée sont allongées avec des marges latérales allongées disposées sensiblement perpen- diculairement aux marges latérales de la fente (14). 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une des ouvertures (29) a des extrémités biseau- tées (30) dont l'inclinaison permet à un détecteur (19) de niveau de bain à rayon laser d'être utilisé dans cette ouverture (29). 5. Appareil selon les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé par une rainure de liaison (25) disposée entre la fente (14) et chacune des ouvertures (29).