Brevet FR2619827A1 — publié le 19890303

Appareil pour systèmes de croissance des cristaux dendritiques en ruban. La présente invention se rapporte en général à un appareil pour la croissance des cristaux dendritiques en ruban, et elle concerne en particulier un appareil qui permet d'obtenir une vitesse accrue de croissance des cristaux dendritiques en ruban, comparativement aux sys- tèmes antérieurs. La vitesse de croissance est l'un des deux paramètres critiques affectant la cadence de production des cristaux dendritiques de sili- cium en ruban; l'autre paramètre est la largeur de la bande. Des caden- ces de production plus élevées que celles qui sont ordinairement utili- sables, sont nécessaires pour rendre commercialement viable le procédé de croissance en ruban. Bien qu'on ait mis au point des conceptions de systèmes de croissance avec couvercle pour produire des cristaux en ruban dont la largeur dépasse 6 cm, la vitesse de croissance est restée sensiblement constante ou a même diminué, en particulier dans les sys- tèmes plus grands, nécessaires pour concilier le réapprovisionnement de la masse en fusion et la croissance d'un ruban large. Il n'existe pas de vitesse particulière de croissance d'un cristal dendritique en ruban. Avec un appareil donné de croissance, des vitesses plus élevées de croissance ont pour résultat des rubans plus minces, tandis que des vitesses plus faibles donnent des rubans plus épais pour des largeurs constantes de ruban. La largeur du ruban est définie comme étant la distance entre les dendrites, celles-ci compri- ses, tandis que l'épaisseur du ruban est la distance entre ses faces opposées. Pour permettre une comparaison des différents systèmes de croissance, on a défini une "vitesse caractéristique de croissance' - généralement la vitesse qui a pour résultat une bande de 150 microns d'épaisseur (appelée "V(150)"). Avec les conceptions actuelles des sys- tèmes de croissance, utilisées sur une ligne pilote de croissance de ruban, la vitesse V(150) réalisable est d'environ 1,3 cm/min. Ceci per- met la croissance d'un ruban de cristal d'environ 100 microns d'épais- seur à la vitesse de 1,6 cm/min dans des conditions optimales et plus généralement à la vitesse de 1,3 à 1,4 cm/min. On a estimé que pour établir la viabilité commerciale du procg- dg de croissance dendritique en ruban, des cadences accrues de produc- tion sont nécessaires. L'augmentation de la largeur du ruban au-delà du maximum actuel de 6 ou 7 cm en vue d'augmenter la production, apparart pour le moment comme une tâche difficile et, en conséquence, on doit insister sur l'augmentation de la vitesse de croissance en vue de por- ter les cadences de production à des niveaux commercialement viables. La vitesse de croissance d'un cristal dendritique en ruban est déterminée par la vitesse à laquelle la chaleur de fusion peut être dissipée de l'interface entre le cristal en cours de croissance et le ménisque du liquide. De manière caractéristique, la chaleur est dissi- pée vers le haut dans le cristal en ruban plus froid, vers le bas dans la zone de surfusion du bain qui est, en fait, plus froide que le ménisque à partir duquel s'effectue la croissance du ruban et, de là, principalement par rayonnement, vers la lèvre du couvercle du "suscep- teur" et d'autres régions du système de croissance. La transmission de chaleur vers la lèvre du couvercle du "suscepteur" est un trajet criti- que de perte de chaleur. On a établi que des limitations de la vitesse de croissance des cristaux dendritiques en ruban sont associées à la température du bain en fusion, à la température du couvercle couvrant le bain en fusion et à la température de l'orifice de croissance à travers lequel est tiré le cristal. Afin d'obtenir des vitesses maximales de croissance, on doit fournir au bain en fusion une couverte relativement chaude, tout en prévoyant également une zone, ou lèvre, relativement plus froide de l'orifice de croissance, contigus au cristal en cours de croissance et au ménisque du liquide. L'un des inconvénients des systèmes antérieurs est que la zone de la lèvre du couvercle reste trop chaude pour dissiper efficacement la chaleur de fusion venant du cristal en ruban et des régions du ménisque du liquide qui sont contiguës a l'interface liquide-solide. Des essais antérieurs de refroidissement direct du couvercle ont eu comme résultat de refroidir la partie du couvercle du 'suscepteur" recouvrant la surface du bain en fusion, ce qui a provoqué ensuite une trop grande perte de chaleur a partir de la surface du bain en fusion avec pour résultat la formation de "givre" dans le bain et, en consé- quence, une croissance inacceptable du cristal. De même, bien qu'ils aient maintenu les répartitions appropriées d'écoulement de chaleur à la surface du bain en fusion, les écrans thermiques antérieurs n'ont pas pu refroidir la partie formant lèvre du couvercle du "suscepteur", car ces écrans forment une seule pièce avec la partie formant lèvre du couvercle, créant une lèvre relativement chaude. La présente invention a pour objet la croissance des cristaux dendritiques en ruban à des vitesses accrues de croissance sans forma- tion de "givre" dans le bain en fusion. Pour réaliser ces vitesses accrues de croissance, la présente invention utilise un montage de cou- vercle de suscepteur" et de sous-couvercle, dans lequel l'action iso- lante du sous-couvercle maintient le refroidissement du couvercle du "suscepteur" et de la lèvre, augmentant de ce fait la transmission de chaleur du ruban dendritique en cours de croissance vers la lèvre du couvercle du "suscepteur", ce qui a pour conséquence des vitesses accrues de croissance. En même temps, le sous-couvercle reste suffisam- ment chaud pour empêcher la formation de "givre" mentionnée plus haut. La présente invention fournit l'appareil de croissance des cristaux, doté d'un sous-couvercle et d'une zone couvercle-lèvre spéci- alement conçue. Le sous-couvercle fournit un écran ou bouclier thermi- que entre le couvercle et le bain en fusion. Des considérations d'écou- lement de chaleur montrent que ce sous-couvercle sera plus chaud que le couvercle lui-même et, par conséquent, plus chaud que l'orifice de croissance. L'effet isolant du sous-couvercle est obtenu à la fois par l'isolation thermique de l'espace gazeux compris entre le sous-couver- cle et le couvercle principal, et par l'action d'écran au rayonnement du sous-couvercle. La zone de la lèvre est décrochée vers le bas par rapport à la face inférieure du couvercle, ménageant un espace isolant entre le sous-couvercle et le couvercle du #suscepteur", facilitant en outre le maintien d'une zone de lèvre refroidie. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe représentant les caract9ris- tiques de la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe d'un autre exemple préféré de réalisation de la présente invention; - la figure 3 est un graphique représentant les vitesses amg- liorées de croissance que permet d'atteindre la présente invention; - la figure 4 est une vue en coupe partielle d'un autre exemple préféré de réalisation de la présente invention; et - la figure 5 est une vue écorchée en perspective isométrique d'un exemple préféré de réalisation de la présente invention. La figure 1 illustre un exemple préféré de réalisation de la présente invention. Comme le représente la figure, un appareil de croissance des cristaux dendritiques en ruban, désigné dans son ensem- ble par la référence numérique 1, comprend un creuset 20 contenant du silicium 21 en fusion. Le creuset 20 est logé dans un suscepteur" 22. Ce dernier comprend un couvercle 11 dans lequel est ménagé un orifice 23. Comme le représente la figure, un ruban dendritique 9 est tiré à travers l'orifice 23 du couvercle du "suscepteur", créant un ménisque 24. Le ruban de cristal dendritique croit à partir de l'interface 16 formée entre le cristal et le ménisque. L'appareil 1 de croissance comprend un sous-couvercle 15 qui repose sur la surface supérieure 25 du "suscepteur" 22. Ce sous-couver- cle 15 est, de préférence, en molybdène, et ses dimensions et sa forme sont prévues pour qu'il puisse s'adapter correctement sur le "suscep- teur". Le sous-couvercle 15 présente une surface horizontale supérieure 26 et une surface horizontale inférieure 27, et un orifice 28 délimité par une surface verticale intérieure 29 dans le sous-couvercle. L'appareil de croissance comprend également un couvercle 11 de "suscepteur" présentant une surface horizontale supérieure 30 et une surface horizontale inférieure 31. Ce couvercle présente en outre une partie 10 formant livre. Cette partie 10 formant lèvre est décrochée vers le bas par rapport à la surface horizontale inférieure 31 du cou- vercle 11 du "suscepteur#, formant une surface verticale extérieure 32 qui fait face a la surface verticale intérieure 29 du sous-couvercle. La lèvre 10 présente en outre une surface verticale intérieure 35 qui délimite l'orifice 23 du couvercle du "suscepteur". Lorsque le couver- cle 11 du "suscepteur" est mis en place, sa partie 10 formant lèvre correspond à l'orifice 28 du sous- couvercle, s'emboîtant sensiblement concentriquement dans cet orifice 28 du sous-couvercle et permettant de tirer le ruban 9 en cours de croissance à travers l'orifice 23 du cou- vercle du "suscepteur". Comme le représente la figure, la partie 10 du couvercle peut se prolonger au-dessous de la surface horizontale supé- rieure 26 du sous-couvercle 15. Comme le représente en outre la figure 1, le couvercle 11 du "suscepteur" comprend un rebord 33 d'espacement qui permet à la surface horizontale inférieure 31 du couvercle 11 du "suscepteur" de se trouver en face de la surface horizontale supérieure 26 du sous-couvercle 15, tout en maintenant un espace isolant 18 entre ces deux surfaces. En variante, le rebord 33 d'espacement pourrait être prévu sur le sous- couvercle 15. Il est préférable que cet espace isolant 18 soit au moins de 1 mm entre la surface horizontale supérieure 26 du sous-couvercle et la surface horizontale inférieure 31 du couvercle du "suscepteur", et il est encore plus souhaitable que cet espace isolant soit compris entre i et 2 mm. La partie 10 formant lèvre du couvercle 11 du "suscepteur" a des dimensions et une forme telles que, lorsque le couvercle du suscepteur" est correctement placé, une espace isolant 18a est main- tenu entre la surface verticale extérieure 32 de la partie 10 formant lèvre et la surface verticale intérieure 29 du sous-couvercle 15. Cet espace isolant 18a est maintenu autour de la périphérie complète de la partie 10 formant lèvre. Il est préférable que l'espace isolant 18a soit compris entre 1 et 2 mm, et qu'il y ait au moins 1 mm entre les surfaces contigus 29 et 32. De manière caractéristique, les espaces isolants 18 et 18a sont remplis d'un gaz, généralement l'argon, utilisé dans la croissance des cristaux dendritiques en ruban. Cependant, l'espace isolant pourrait être rempli d'un matériau isolant tel que des fibres réfractaires ou d'autres matériaux bien connus de l'homme de l'art. Pendant le fonctionnement, le couvercle en combinaison avec les espaces isolants, contribue a empêcher la chaleur rayonnant de la sur- face 14 du bain en fusion d'atteindre la partie 13 du couvercle 11 du "suscepteur", qui recouvre le bain en fusion. Le sous-couvercle et les espaces isolants contribuent également à empêcher la chaleur de convec- tion du "suscepteur" 22 et la chaleur de l'élément de chauffage par induction (non représenté) utilisé pour fondre le silicium, d'atteindre la lèvre 10. Ceci a pour résultat de contribuer grandement a maintenir relativement refroidie la partie 10 formant lèvre qui est, de préfé- rence, de 20 à 60 C plus froide que la température du bain en fusion. En même temps, le sous-couvercle permet à la surface du bain 14 en fusion d'atre exposée à l'équivalent d'un couvercle relativement chaud de "suscepteur", empêchant ainsi la formation de "givre" dans le bain en fusion. Un autre exemple préféré de réalisation de la présente inven- tion est représenté à la figure 2. Comme on peut le voir, le couvercle 11 du "suscepteur" comprend en outre un espace vertical isolant rainuré 34 qui se prolonge vers le haut depuis la surface horizontale infé- rieure 31 du couvercle 11 du "suscepteur# et qui fournit un trajet à résistance élevée pour la transmission de chaleur vers la partie 10 formant lèvre. Il est préférable que l'espace vertical 34 ait une lar- geur de 1 à 6 mm et qu'il soit présent coaxialement sur toute la p6ri- ph6rie de la surface verticale extérieure 32 de la lèvre 10. Cet espace vertical isolant rainuré 34 peut être occupé par l'atmosphère d'argon gazeux dans laquelle s'effectue la croissance des cristaux dendritiques en ruban, ou il peut être rempli d'un matériau isolant comme on l'a mentionné plus haut. La figure 4 illustre encore un autre exemple préféré de réali- sation de la presente invention, offert en variante. Dans le présent exemple de réalisation, le couvercle du "suscepteur' est divisé en un couvercle supérieur 11a et un couvercle intermédiaire 11b. Ce couvercle intermédiaire comprend la lèvre 10 qui se prolonge vers l'extérieur et vers le bas par une partie mince 40 partant du couvercle intermédiaire 11b. Le couvercle intermédiaire présente I la fois un rebord d'espace- ment supérieur 33a et un rebord d'espacement inférieur 33b. Le rebord d'espacement inférieur permet au couvercle intermédiaire llb de s'appuyer sur le sous-couvercle 15 tout en maintenant entre eux un espace isolant comme on l'a mentionné précédemment. Le rebord d'espace- ment supérieur 33a maintient un espace isolant entre le couvercle supé- rieur 11a et le couvercle intermédiaire 11b, et permet au corps de ce dernier de garder un profil relativement mince qui contribue à s'oppo- ser davantage à la transmission de chaleur vers la lèvre 10. La figure S 4 représente également des écrans thermiques 41 qui sont disposés au- dessus du couvercle supérieur lia. L'exemple de réalisation de la figure 4 se caractérise par une partie supplémentaire en décrochement vers le bas dans le couvercle intermédiaire llb et dans le sous-couvercle 15, cette partie suppl6men- taire contribuant à maintenir la lèvre 10 relativement refroidie. Le couvercle intermédiaire llb présente une surface horizontale inférieure 31 et une surface horizontale plus basse 31a décrochée vers le bas par rapport I la surface horizontale inférieure 31. Le sous-couvercle 15 présente une surface horizontale supérieure 26 qui fait face à la sur- face 31 du sous-couvercle, et une surface horizontale supérieure plus basse 26a qui est décrochée vers le bas par rapport à la surface hori- zontale supérieure 26 et qui fait face à la surface horizontale infé- rieure la plus basse 31a du couvercle intermédiaire 11b. Ces surfaces supplémentaires décrochées vers le bas, ainsi que l'adjonction de la partie mince 40 au couvercle intermédiaire 11b, contribuent davantage à maintenir une lèvre 10 refroidie. La figure 5 illustre une vue écorchée d'un exemple préféré de réalisation de la présente invention, montrant le positionnement du sous-couvercle 15 par rapport aux autres éléments d'un système de croissance dendritique en ruban. Les paramètres de conception d'un système particulier quelcon- que peuvent nécessiter de pouvoir modifier la partie formant lèvre et (ou) le couvercle. En conséquence, il est prévu de régler des paramè- tres de conception en élargissant ou en rétrécissant l'épaisseur des espaces isolants, du sous-couvercle et de la partie formant lèvre. Il a été prouvé expérimentalement que des améliorations sensi- bles de la vitesse de croissance pouvaient être apportées sans affecter défavorablement les contraintes thermiques dans les cristaux, et les indications actuelles permettent d'entrevoir que le concept du sous- couvercle permettra des vitesses de croissance dans la plage requise pour une viabilité commerciale. On peut voir à la figure 3 le résultat du concept du sous-couvercle sur un système de croissance dendritique en ruban, tel que l'illustre la figure 1. Sur la figure 3 sont portés des ajustements des moindres carrés aux données concernant la vitesse caractéristique, V (150) en fonction de Lm, distance entre la partie inférieure du couvercle et la surface du bain en fusion. La valeur optimale de Lm dépend d'autres caractéristiques de croissance telles que la stabilité vis-à-vis de la création d'extradendrites non désirées. Cependant, l'incorporation de ce concept de souscouvercle fournit une vitesse caractéristique supérieure V (150), quelle que soit la distance Lm qui est nécessaire. La présente invention n'est pas. limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. 2 6 1 9827 R EV E N D I C A T I ON S 1. Appareil pour la croissance des cristaux dendritiques en ruban (9) comprenant un "suscepteur" (22); un creuset (20) pour faire fondre du silicium (21), ce creuset (20) étant logé dans le "suscep- teur" (22); et un couvercle (11) de "suscepteur' présentant une surface horizontale supérieure (30) et une surface horizontale inférieure (31) et dans lequel est ménagé un orifice (23) à travers lequel on peut tirer un cristal dendritique en ruban (9), caractérisé en ce que ce couvercle (11) de "suscepteur" comporte une lèvre (10) entourant l'ori- fice (23) et se prolongeant vers le bas à partir de la surface horizon- tale inférieure (31); et en ce qu'un sous-couvercle (15) est placé au-- dessus du 'suscepteur" (22) et du creuset (20) à une certaine distance audessous du couvercle (11) du "suscepteur" afin de former entre eux un espace isolant (18), ce sous-couvercle comportant un orifice (28) prévu pour recevoir la lèvre (10) de manière à former un espace iso- lant (18a) entre la lèvre (10) et cet orifice (28), la lèvre (10), le sous-couvercle (15) et les espaces isolants (18 et 18a) coopérant pour équilibrer la perte de chaleur afin de permettre une vitesse relative- ment élevée de tirage des cristaux (9) à partir du bain en fusion. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace isolant (18) formé entre le couvercle 11 du "suscepteur" et le souscouvercle (15), et l'espace isolant (18a) formé entre la lèvre (10) et l'orifice (28) du sous-couvercle (15) sont de 1 mm minimum. 3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle (11) du "suscepteur" comporte une rainure (34) entourant la lèvre (10) et fournissant un espace isolant entre une partie du cou- vercle (11) du "suscepteur" et la lèvre (10). 4. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le couvercle (11) du "suscepteur" présente une partie supérieure (11a) espacée dans son ensemble d'une partie intermédiaire (lib) par un rebord d'espacement supérieur (33a) pour former entre ces parties un espace isolant, et présente un rebord d'espacement inférieur (33b) pour former un espace isolant entre la partie intermédiaire (11b) et le sous-couvercle (15) de manière à fournir entre eux un espace isolant. 5. Appareil suivant le revendication 4, caractérisé en ce que la partie intermédiaire (11b) du couvercle (11) du "suscepteur" présen- te un d&crochement contigu aux grands côtés de l'orifice (23), augmen- tant l'espace entre la partie supérieure (lla) et la partie intermg- diaire (11b) du couvercle (11).