Brevet FR2808809A1 — publié le 20011116

INSTALLATION DE FABRICATION EN CONTINU DE BARREAU DE SILICIUM MULTICRISTALLIN La présente invention concerne la fabrication de sili- cium multicristallin. Des plaquettes de silicium multicristallin sont utilisées en particulier pour des applications photovoltaïques permettant de transformer l'énergie solaire en énergie électrique. On cherche alors à réaliser des plaquettes minces, par exemple des carrés 12,5 cm de côté et d'environ 0,5 nmmn d'épaisseur, par sciage de barreaux de grandes longueurs dont les dimensions latérales sont des multiples des dimensions latérales recherchées des plaquettes. Un dispositif de fusion et de coulée continue de métaux est décrit par exemple dans le brevet américain 4 838 933 de Patrick Paillere, Edouard Alheritiere, Marcel Garnier, Jean Driole et Annie Gagnoud. Ce brevet vise essentiellement la coulée de métaux. Une application du dispositif décrit dans ce brevet à une installation de fabrication de silicium multicristallin est illustrée de façon schématique en figure 1. Cette installation est représentée en cours de fonctionnement. Un barreau de sili- cium 1 sort d'un cylindre correspondant à un empilement de creu- sets et de fours cylindriques. La partie supérieure est un four à induction comprenant un creuset à parois froides 2 chauffé par un enroulement 3 excité à fréquence moyenne, par exemple par l'intermédiaire d'un transformateur 4 dont le secondaire est couplé à l'enroulement 3 en parallèle avec un condensateur 5. Le système de chauffage à induction est réglé pour que la partie supérieure 6 du barreau soit à l'état liquide. Sous le four à induction 2 est disposé un four à gradient de température 8 sous lequel se trouve un four de recuit 9. La partie inférieure du barreau est entraînée par des griffes 11 reliées à un système d'entraînement lent non représenté. L'ensemble des fours est disposé dans une cloche étanche 20 qui comporte une ouverture de pompage 21, ainsi qu'un orifice d'entrée de gaz 22, par exemple de l'argon. La chambre inférieure 23 dans laquelle débouche le barreau est par exemple à atmosphère ambiante. L'argon est en surpression dans la cloche 20 et s'échappe entre le barreau 1 et les parois internes des divers fours vers la chambre 23. Il est également prévu divers dispositifs d'introduction de matière, par exemple une entrée supérieure d'introduction de billes de sili- cium de qualité métallurgique 24. La partie haute de la cloche peut éventuellement être associée à une torche à plasma pour amorcer le fonctionnement du dispositif et pour préchauffer les billes de silicium introduites. L'installation ci-dessus ne sera pas décrite plus en détail car elle est connu de l'homme du métier et a par exemple été décrite dans Proceedings of the International Congress on Electromnagnetic Processing of Materials, juin 1997, vol. 2, pp 303-308, P-J Ribeyron, A. Gagnoud, M. Anderhuber, G. Dour, F. Durand. Pour initialiser le fonctionnement de l'installation de la figure 1, on introduit un barreau de silicium témoin lié à une tige de traction, on chauffe la partie supérieure de silicium par la torche à plasma pour provoquer la fusion initiale puis on met en route les fours et notamment le four à induction 2. Ensuite, le barreau est tiré régulièrement vers le bas tandis que l'on introduit des grains de silicium métallurgique par l'entrée haute 24. Le fonctionnement d'une telle installation est inévita- blement semi-continu. En effet, quand on a tiré une hauteur de barreau correspondant sensiblement à la hauteur de la chambre de dégagement 23, il faut arrêter les opérations pour procéder à un sciage. En effet, un barreau de silicium ne peut être fléchi et enroulé, commne cela est suggéré pour des métaux dans le brevet susmentionné. La présente invention vise à prévoir une telle instal- lation permettant une coulée réellement continue. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit une installation de fabrication en continu d'un barreau de sili- cium multicristallin dans un creuset sensiblement cylindrique. Le creuset est chauffé dans sa partie haute par induction de façon que la partie supérieure de silicium soit fondue et est associé à des moyens de réalimentation en silicium. Cette installation comprend des moyens pour aspirer périodiquement une partie du silicium fondu. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie aspirée de la phase fondue correspond à environ 20 à 50 % du volume de cette phase. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'aspiration est réalisée par l'intermédiaire d'une canne rétractable. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la canne est montée dans une gaine chauffante de façon amovible, facilement démontable et jetable. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'installation comprend un système de tirage du barreau de sili- cium associé de façon débrayable à une monture de scie de sorte que, quand la scie est en action, elle se déplace verticalement comme le barreau. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la scie est une scie circulaire diamantée associée à des moyens d'aspersion d'eau. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la réalimentation en silicium est faite en silicium de qualité métallurgique. La présente invention prévoit aussi un procédé d'utili- sation d'une installation du type ci-dessus consistant à utiliser les mêmes paramètres de réglage de l'installation et à faire varier la section interne du creuset cylindrique pour passer d'une section carrée à des sections rectangulaires dont le plus petit côté est égal au côté du carré. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente une installation classique de coulée semi-continue de silicium multicristallin; les figures 2A et 2B représentent un système d'extrac- tion de parties liquides selon la présente invention dans deux positions de fonctionnement; et la figure 3 représente un système de sciage de barreau selon la présente invention. Selon un premier aspect de l'invention, la demanderesse a réalisé des installations expérimentales dans lesquelles la hauteur de la chambre dans laquelle on tirait un barreau de sili- cium multicristallin était très élevée (plusieurs mètres) de façon à augmenter la durée d'une opération de coulée. Toutefois, la demanderesse s'est aperçue que la concentration en impuretés dans le barreau augmentait et que la qualité du silicium multi- cristallin obtenu se dégradait. La demanderesse a analysé ce phénomène en utilisant du silicium métallurgique d'une pureté telle qu'aucune impureté métallique n'est présente à une concentration supérieure à une partie par million (ppm) et qu'il existe tout au plus 2 à 5 ppm de carbone et moins de 10 ppm d'atomes d'oxygène. On observe alors dans le lingot, au début du processus, une concentration inférieure à 10 parties par milliard (ppM) de chacune des impu- retés métalliques, une concentration en atoaes d'oxygène infé- rieure à 1 ppm et une concentration en atomes de carbone sensi- blement égale à la concentration initiale (2 à 5 ppm). Ceci est dû à un effet de ségrégation des impuretés entre les phases liquide et solide pendant la solidification du silicium. Toute- fois la concentration en impuretés dans la zone en fusion aug- mente au cours du temps et, tandis qu'elle augmente, malgré l'effet de ségrégation, la concentration en impuretés dans le barreau de silicium augmente également. Ainsi, la présente invention prévoit, pour permettre d'augmenter la durée d'une coulée, d'éliminer périodiquement, par pompage, une partie de la phase liquide de silicium se trouvant à la partie supérieure du barreau. Le volume de cette phase liquide redevenant constant en raison du chauffage peu après l'extrac- tion, on divise ainsi à chaque opération de pompage la concentra- tion en impuretés (essentiellement en impuretés métalliques). On évitera de pomper lors de chaque opération plus de la moitié du volume de la phase liquide pour empêcher la partie supérieure du lingot de se fissurer par suite d'un changement brutal des condi- tions thermiques. On se limitera de préférence à un pompage de 20 à 50 % du volume de la phase liquide. La présente invention prévoit également un moyen pour assurer ce pompage d'une partie de la phase liquide de façon relativement rapide pour ne pas gêner le fonctionnement du sys- tème et ne pas être obligé d'interrompre d'autres éléments en fonctionnement, par exemple le système d'alimentation en billes de silicium. Tout ou plus, après chaque aspiration, on pourra interrompre le tirage et augmenter momentanément le débit de billes de silicium fournies à l'installation. Les figures 2A et 2B représentent de façon schématique un mode de réalisation d'un dispositif d'aspiration de phase liquide dans deux états de fonctionnement. Ce dispositif est monté par une plaque 30 sur la cloche 20 mentionnée en figure 1. Une ouverture 31 dans cette plaque correspond à une ouverture dans la cloche en regard de la phase liquide 1 à la partie supé- rieure du barreau 1. Une première enceinte 32 contient des chambres 33-1 et 33-2 mobiles par rapport à cette enceinte. La chambre 33-1 est reliée à une canne d'aspiration 34 et, par l'intermé- diaire d'une vanne 35, à la chambre 33-2. Un vérin 37 permet de pousser les chambres de sorte que la canne 34 sort par l'ouver- ture 31, dans la position représentée en figure 2B, l'extrémité de la canne venant alors pénétrer dans la zone fondue 6. On aura de préférence fait au préalable le vide dans la chambre 33-2 et, dès que l'extrémité de la canne 34 pénètre dans la zone liquide, on ouvre la vanne 35 entre les deux chambres 33-1 et 33-2, de sorte qu'une quantité prédéterminée de silicium liquide est aspirée par la canne 34 et vient se loger dans la première chambre 33-1 dont l'intérieur est de préférence en gra- phite. Bien entendu, on prendra diverses précautions pour ne pas perturber le fonctionnement de l'installation de coulée. Notamment, l'intérieur de l'enceinte 32 sera mis au préalable à une température et sous une atmosphère convenable. De même, la canne 34 aura été au préalable chauffée, par exemple par un four- reau 36 chauffé par des résistances électriques entourant la canne. Dès qu'une opération d'aspiration est effectuée, la canne est rétractée sous l'action du vérin 37, la chambre 32 est refermée, et la canne 34 est remplacée. En effet, après chaque opération, cette canne, par exemple en silice, est obturée par une partie au moins du silicium aspiré. La monture de la canne 34 à l'intérieur du fourreau et son montage en liaison avec le four- reau et la chambre 33-1 sont réalisés de façon que cette canne puisse facilement être enlevée et remplacée. Ainsi, cette première disposition selon la présente invention permet de prolonger la durée des coulées. Toutefois, on se heurte au problème énoncé précédemment selon lequel, dans l'installation de la figure 1, on est obligé d'interrompre les opérations dès que la hauteur du barreau devient égale à la hauteur de la chambre inférieure. En outre, il n'est pas ccmmode de prévoir des chambres de recueil 23 de très grande hauteur. Pour pallier ces inconvénients, la présente invention prévoit de scier périodiquement des portions du barreau de sili- cium chaque fois que la longueur du barreau de silicium se rapproche de la hauteur de la chambre inférieure, sans perturber le fonctionnement de l'installation. Pour cela, la présente invention prévoit de monter une scie de découpe du barreau sur un élément se déplaçant en même temps que le barreau de façon que le mouvement relatif vertical entre le barreau et la scie soit nul. La figure 3 représente un mode de réalisation parti- culier de cet aspect de l'invention. La figure 3 représente une partie inférieure du barreau 1 prise entre trois ensembles de griffes 41, 42 et 43. Chaque ensemble de griffes est solidaire d'un chariot dont un seul, 44, est représenté. Ce chariot s'appuie par exemple sur des vis sans fin 46 entraînées simultanément. Ainsi, le barreau 1 est entraîné régulièrement vers le bas. Une scie circulaire diamantée 50 est montée sur une embase 51 qui peut s'engrener sur une vis sans fin 53 tournant en même temps que les vis 46. Dans les phases de coupe, l'embase de la scie est engrenée sur la vis sans fin 53 et ainsi elle descend à la même vitesse que le barreau. Des moyens mécaniques sont prévus pour déplacer la scie et la mettre en appui contre le barreau pendant sa descente simultanée avec le barreau. Une fois que la portion inférieure du barreau a été sciée, la scie est débrayée et remise à sa position initiale jusqu'à la prochaine découpe. La figure 3 est extrêmement schéma- tique. La scie est bien entendu disposée de façon à ne pas inter- férer avec les autres éléments mécaniques du système. Notamment, bien que, pour simplifier la figure, la vis sans fin 53 soit représentée sur le côté gauche de la figure, en fait, elle sera disposée par exemple vers l'avant. Une fois que la scie a réalisé son opération, les griffes inférieures 43 sont désengagées de la partie coupée du barreau et sont déplacées vers le haut. Avec un système à trois ensembles de griffes, on pourra réarranger les griffes de façon souhaitée. De préférence, la partie active de la scie, quand elle vient couper le barreau est entourée d'un carter 54 et il est prévu une conduite 55 pour projeter de l'eau sur la scie de façon à faciliter la découpe et augmenter la durée de vie de la scie. On notera que cette opération de sciage périodique du barreau obtenu par coulée continue n'est pas un inconvénient dans le cas d'un barreau de silicium multicristallin étant donné que ce barreau est ensuite destiné à être coupé en tranches minces et non pas à être utilisé conmie un barreau de grande longueur. Selon un troisième aspect de la présente invention, pour améliorer la rentabilité d'un système de coulée continue, on vise à augmenter la taille des barreaux de coulée. Les inventeurs ont constaté que, si l'on veut augmenter la section d'un lingot de section carrée, tous les paramètres du système sont à revoir, et notamment tous les paramètres du système d'induction, pour conserver un équilibre entre phases solide et liquide et un asservissement convenable. Ainsi, si un système a été conçu pour fonctionner avec un barreau de 280x280 mm de façon à permettre d'obtenir par sciage, en tenant compte des chutes quatre plaquet- tes de 125x125 mm par tranche du barreau, il est très difficile de refaire un nouveau système permettant par exemple d'augmenter les dimensions latérales du carré de 50 % pour permettre d'obte- nir par sciage neuf tranches au lieu de quatre. Alors, tous les paramètres du système devront être reconsidérés et l'on risque fort de se trouver devant des conditions d'instabilité. Selon cet aspect de la présente invention, les inven- teurs ont noté que, par contre, si au lieu de prévoir un barreau carré on prévoit des barreaux rectangulaires dont le petit côté reste de dimension constante, les conditions de fonctionnement du système ne varient pratiquement pas. Ainsi, une machine fonction- nant pour des barreaux de 280x280 nmmn de côté pourra être réuti- lisée en changeant simplement la section interne des divers fours mais sans changer les autres paramètres de fonctionnement du sys- tème (fréquence et intensité d'alimentation du four à induction, et vitesse de tirage) si l'on passe à des dimensions de barreaux rectangulaires de 280 mm pour le petit côté et de, par exemple, 425 mm, 600 mm, ou plus, pour l'autre dimension. De plus, on s'aperçoit que non seulement on augmente le volume obtenu par unité de temps mais encore le rendement est amélioré, les défauts devenant plus rares, et notanmment les contraintes internes dans le barreau devenant plus faibles pour des barreaux de plus grande section. La présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art, notamment en ce qui concerne les vitesses et les détails de réa- lisation, du moment que l'un au moins des aspects principaux de l'invention est conservé: - élimination périodique de l'excès de phase fondue en partie supérieure du barreau; - sciage à la volée; augmentation d'une dimension transverse du barreau sans toucher à l'autre dimension. REVENDICATIONS 1. Installation de fabrication en continu d'un barreau de silicium multicristallin dans un creuset sensiblement cylin- drique (2), ledit creuset étant chauffé dans sa partie haute par induction de façon que la partie supérieure de silicium soit fon- due et étant associé à des moyens (24) de réalimentation en sili- cium, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (30-37) pour aspirer périodiquement une partie du silicium fondu. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie aspirée de la phase fondue correspond à envi- ron 20 à 50 % du volume de cette phase. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'aspiration est réalisée par l'intermédiaire d'une canne rétractable (34). 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite canne (34) est montée dans une gaine chauffante (36) de façon amovible, facilement démontable et jetable. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de tirage du barreau de sili- cium (41-46) associé de façon débrayable à une monture de scie (50) de sorte que, quand la scie (50) est en action, elle se déplace verticalement comme le barreau. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que la scie (50) est une scie circulaire diamantée associée à des moyens d'aspersion d'eau (55). 7. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce que la réalimentation en silicium est faite en silicium de qualité métallurgique. 8. Procédé d'utilisation d'une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser les mêmes paramètres de réglage de ladite installation et à faire varier la section interne du creuset cylindrique pour passer d'une section carrée à des sections rectangulaires dont le plus petit côté est égal au côté du carré.