Brevet FR2804131A1 — publié le 20010727

PORTE-CREUSET POUR LE TIRAGE DE MONOCRISTAUX Domaine de l'invention L'invention concerne les dispositifs destinés à la production de lingots monocristallins par tirage à partir d'un bain fondu, notamment la production de lingots de silicium monocristallins suivant le procédé Czochralski. L'invention concerne plus spécifiquement les porte-creusets (ou "suscepteurs") en matériaux carbonés utilisés dans ces dispositifs. Etat de la technique La production de composants microélectroniques à base de silicium, tels que les mémoires et les microprocesseurs, utilise comme matière première des tranches de lingots de silicium, communément appelées "wafers", découpées dans des lingots de silicium monocristallin. Le procédé le plus couramment répandu pour la production de ces lingots monocristallins comprend essentiellement un tirage d'un lingot solide à partir d'un bain de silicium fondu connu sous le nom de "procédé Czochralski", ou plus simplement "procédé CZ". Ce procédé de base a fait l'objet de nombreux développements industriels visant à faire face à la demande toujours croissante de wafers et à améliorer la perfection des cristaux obtenus, qui est critique pour le rendement de fabrication des composants micro-électroniques. Les équipements de tirage CZ de l'état de l'art sont relativement standardisés et comprennent essentiellement une enceinte métallique étanche (ou "four"), des moyens d'isolation thermique, des moyens de chauffage, un creuset, un porte-creuset (ou "suscepteur"). Lors des opérations de tirage, le creuset contient du silicium de très haute pureté, qui est fondu puis "tiré" en monocristal. Le creuset est généralement en quartz afin de ne pas mettre le silicium en contact avec un matériau contenant d'autres éléments que le silicium et l'oxygène, ce qui permet d'éviter la pollution du bain de silicium fondu par des impuretés nuisibles à la qualité du monocristal. La température de fusion du silicium étant très élevée (1430 C), le creuset en quartz doit être supporté par un porte-creuset car, à une telle température, le quartz n'a plus la résistance mécanique suffisante pour supporter son propre poids et, moins encore, celui du silicium liquide qu'il contient. Le porte-creuset, qui constitue une sorte d'enveloppe externe, a pour rôle principal de supporter le creuset lors du tirage du cristal de silicium. Pour plusieurs raisons techniques et économiques, le porte-creuset est, en règle générale, à base de graphite. D'une part, les propriétés mécaniques du graphite restent élevées aux températures de travail normalement utilisées. D'autre part, il est possible d'obtenir un graphite ne contenant pas d'impuretés métalliques susceptibles de polluer par diffusion le bain de silicium fondu. Enfin, le graphite constitue un matériau compétitif sur le plan des coûts. L'utilisation de porte-creusets à base de graphite pose toutefois quelques problèmes techniques. D'une part, le coefficient de dilatation des graphites utilisés étant systématiquement très supérieur à celui du quartz dans la zone de températures où le quartz conserve des propriétés mécaniques élevées (soit, jusqu'à environ 1015 C, typiquement de 3 à 6 .10-6 K"1 pour les graphites les plus utilisés et 0,5 .10-6 K"1 pour le quartz), l'utilisation de porte-creusets monolithiques conduit à la mise sous contrainte mécanique élevée du porte-creuset et du creuset lors d'un cycle de température et entraîne fréquemment la destruction de l'un ou de l'autre. Plus précisément, lors de la montée en température du creuset et du porte-creuset, le premier se dilate moins que le second, ouvrant dès lors un espace entre ces deux composants ; lorsque la température atteint des valeurs qui permettent au quartz de fluer, le creuset se déforme et remplit l'espace entre les deux éléments ; lorsque l'ensemble est refroidi (normalement après l'opération de tirage), le graphite se contracte, comprime le creuset et le déforme tant que celui-ci est en phase pâteuse, c'est-à-dire tant que la température est supérieure à environ 1015 C ; dans la suite du refroidissement, le creuset redevient très solide et s'oppose à la contraction du porte- creuset, entraînant le développement de contraintes de compression sur le creuset et des contraintes de traction sur le porte-creuset. Pour résoudre ce problème, il connu, depuis plus de 15 ans, d'utiliser des porte-creusets constitués de pièces distinctes qui peuvent être réunies ou assemblées de manière sensiblement jointive. En utilisation, les pièces sont maintenues sensiblement réunies à l'aide d'un plateau-support adapté qui permet toutefois un léger déplacement relatif des unes par rapport aux autres lors des cycles de tirage. Ces déplacements relatifs, qui sont essentiellement soit un écartement relatif, soit un rapprochement relatif, permettent d'absorber les dilatations du creuset et du porte-creuset. Typiquement, le nombre de pièces est d'au moins trois. D'autre part, les hautes températures atteintes lors des opération de tirage provoquent des réactions chimiques dans les zones de contact entre le porte-creuset en graphite et le creuset en quartz. En particulier, on observe une consommation du porte-creuset et une production de carbure de silicium en surface du graphite. La consommation progressive du porte-creuset limite sa durée de vie et crée des dépôt peu adhérents de particules de carbure de silicium qui se libèrent sous forme de poussières nuisibles aux instruments et à la qualité des cristaux de silicium. Cette usure des porte-creusets oblige les utilisateurs à les changer tous les 30 à 50 cycles de tirage. La demanderesse a donc recherché des solutions économiques et industriellement applicables qui permettent de prolonger la durée de vie des porte-creusets en matériau carboné, notamment les porte-creusets à base de graphite, tout en préservant leur propriétés d'usage. Description de l'invention L'invention a pour objet un porte-creuset en matériau carboné, notamment à base de graphite, destiné à des opérations de tirage de cristaux et comportant au moins deux pièces distinctes et complémentaires pouvant être réunies par des surfaces dites de jonction, et caractérisé en ce que des portions spécifiques desdites surfaces de jonction se recouvrent, lorsque lesdites pièces sont réunies pour former le porte- creuset, formant ainsi des zones dites de recouvrement. La demanderesse a eu l'idée que la consommation du creuset et la production de carbure de silicium en surface du matériau carboné pouvait être liée, en grande partie, au développement de jours ou d'interstices entre les pièces des creusets de l'art antérieur lors de leur utilisation, lesquels jours ou interstices pourraient favoriser les réactions thermochimiques entre la silice du creuset et le carbone du porte-creuset. La demanderesse a émis l'hypothèse qu'une grande partie des mécanismes de dégradation pouvait être attribuée aux réactions thermochimiques qui impliquent la production d'oxydes de carbone par réaction de la silice avec le carbone (telles que les réactions Si02 + C --> Si0 + CO et Si0 + 2 C -> SiC + CO). Par des essais, la demanderesse a pu vérifier que la présence de surfaces de recouvrement entre les pièces du creuset, malgré les déplacements relatifs qui se produisent lors des cycles de tirage, conduit à une nette réduction de la consommation des creusets et de la production de carbure de silicium. La demanderesse estime que le recouvrement permet de rendre plus étanche les surfaces de jonction et produit un allongement du trajet de diffusion des gaz. Le recouvrement permettrait de limiter, et éventuellement bloquer, la diffusion gazeuse entre les surfaces intérieure et extérieure du porte-creuset, de façon à ce que les réactions thermochimiques de dégradation du porte-creuset qui font intervenir des phases gazeuses deviennent négligeables. La demanderesse estime également que les pièces ne séparent pratiquement pas, ou très peu, lors des cycles de tirage, ce qui permettrait de maintenir l'étanchéité produite par le recouvrement. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures et de la description détaillée qui suit. Figures La figure 1 montre les éléments de base d'un dispositif de tirage CZ (1) selon l'état de la technique. La figure 2 illustre un porte-creuset de l'art antérieur. La figure 3 illustre un porte-creuset (50) selon l'invention : a) vue en perspective ; b) vue du dessus ; c) vue éclatée en section transversale. La figure 4 illustre, en section, de manière simplifiée, une zone de recouvrement entre les pièces d'une porte-creuset selon le mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 3. La figure 5 illustre un porte-creuset (50) selon une variante de l'invention : a) vue en perspective ; b) vue partielle, éclatée et en perspective partielle ; c) vue du dessus ; d) vue éclatée en section transversale. Comme le montre la figure 1, un dispositif de tirage CZ (1) selon l'état de la technique comprend typiquement une enceinte métallique étanche (ou "four") (2), des moyens d'isolation thermique (3), des moyens de chauffage (4), un porte-creuset (ou "suscepteur") (5), un creuset (6) et des moyens de tirage (8). Le porte-creuset (5) peut être supporté par un moyen de support (7) adapté à celui-ci. Le creuset (6) est apte à contenir le silicium (9) destiné à la formation d'un lingot monocristallin (10) par tirage. Le porte-creuset (5) de l'art antérieur illustré à la figure 2 est formé de pièces (5a, 5b, 5c) distinctes et complémentaires. Les pièces (5a, 5b, 5c), qui sont ici au nombre de trois, peuvent être identiques (figure 2b) ou différentes (figure 2c). Le porte-creuset, qui a la forme d'un récipient, comporte une surface intérieure (14) et une surface extérieure (16). Lorsque le porte-creuset est assemblé (c'est-à-dire lorsque les pièces sont réunies de manière à former le porte-creuset), les pièces (5a, 5b, 5c) sont essentiellement jointives et définissent des surface de contact ou surfaces de jonction (11, 12, 13) entre celles-ci. Les pièces (5a, 5b, 5c) sont maintenues réunies à l'aide de moyens de blocage (7a) généralement prévus dans le support (7) ; typiquement, une cavité (7a) dans le support (7) ayant sensiblement la forme de la base (15) du porte- creuset (5) coopère avec les pièces assemblées de manière à les maintenir réunies tout en permettant de légers déplacements relatifs. Description détaillée de l'invention Afin de simplifier l'identification des moyens de l'invention, les repères 70, 80 et 90 désignent collectivement les différentes portions des surfaces de jonction (51, 52, 53), c'est-à-dire les surfaces spécifiques des pièces du porte-creuset qui peuvent être mises en contact lorsqu'elles sont réunies de manière à former le porte-creuset. Par exemple, le repère (70) désigne collectivement les portions spécifiques (71a, 71b, 72b, 72c,...). Dans le détail, les surfaces de jonction sont désignées par des repères qui indiquent la pièce (a à f) et la surface de jonction (1 à 3) correspondantes. Par exemple, la portion de surface 72b se situe sur la pièce 50b et concerne la surface de jonction 52 entre les pièces 50b et 50c. De même, les zones de recouvrement (101 106) peuvent être désignées collectivement par la référence (l00). En référence aux figures, le porte-creuset en matériau carboné selon l'invention (50), qui est destiné à des opérations de tirage de cristaux et qui a la forme d'un récipient creux et comportant une surface intérieure (14) et une surface extérieure (16), comporte au moins deux pièces (50a à 50f) distinctes, complémentaires et aptes à être réunies par des surfaces de jonction (51, 52, 53), et est caractérisé en ce que, lorsque lesdites pièces (50a-50f) sont réunies pour former ledit porte-creuset, des portions spécifiques (71a, 71b, 72b, 72c,...) desdites surfaces de jonction (51, 52, 53) se recouvrent de manière à former au moins une zone dite de recouvrement (101 106). Le matériau carboné est de préférence du graphite, lequel graphite peut être utilisé sous différentes formes, telles qu'un graphite extrudé, ou un graphite obtenu par compression isostatique. Il est également possible d'utiliser différents matériaux carbonés pour les différentes pièces. De préférence, au moins une desdites pièces (50a à 50f) est en graphite. En pratique, chaque pièce (50a à 50f) comprend des motifs de jonction, qui peuvent être complémentaires, qui permettent l'assemblage des pièces de façon à former un porte-creuset (50) et qui possèdent des portions de surface spécifiques (71a, 71b, 72b, 72c,...) destinées à former les zones de recouvrement (101-l06) dont l'aire peut varier en cours d'utilisation. Lorsque les pièces (50a à 50f) sont réunies (ou assemblées) pour former le porte- creuset, lesdites portions (71a, 71b, 72b, 72c,...) coopèrent de manière à former des zones de recouvrement (ou "chevauchements") (100) aptes à maintenir une surface de contact étanche entre lesdites pièces lorsqu'elles se déplacent les unes par rapport aux autres, notamment durant les opérations de tirage. Les déplacements relatifs des pièces du porte-creuset peuvent consister soit en des écartements (ou éloignements) relatifs, soit en des rapprochements relatifs. Ces déplacements ou mouvements relatifs proviennent surtout des dilatations thermiques et des contraintes provenant de la poussée exercée par le creuset, qui tend à écarter les pièces du porte-creuset, et sont de faible amplitude, soit généralement moins de 1 % du périmètre extérieur principal P. Par exemple, avec des porte-creusets en graphite et des creusets en quartz, l'amplitude des déplacements est d'environ 0,1 à 0,5 % du périmètre P. L'expression périmètre extérieur principal P désigne ici la longueur de la périphérie (ou du contour) principale extérieure du creuset, qui se trouve en général dans la partie supérieure du porte-creuset et qui est symétrique par rapport à l'axe de symétrie S du porte-creuset. Les zones de recouvrement (ou de chevauchement) initial entre les pièces du porte- creuset (c'est-à-dire les surfaces de recouvrement obtenues lorsque les pièces sont réunies) sont telles que, lors des déplacements relatifs des pièces qui peuvent se produire au cours des opérations de tirage, les pièces peuvent maintenir une surface de contact (et ne pas se séparer), de préférence au moins à proximité des endroits (17) où le creuset et le porte-creuset peuvent se toucher. Selon l'invention, l'aire de la surface de recouvrement (l00) entre les pièces du porte- creuset est généralement égale à une fraction de l'aire de la surface interne (14) du porte-creuset. Dans le cadre de l'invention, il suffit en fait d'avoir un recouvrement qui admette des déplacements relatifs de l'ordre de grandeur des dilatations thermiques des pièces et du creuset et des déformations par fluage du creuset, soit typiquement des surfaces de recouvrement de l'ordre de 0,5 à 1 % de la surface interne (14) ou externe (16) totale du porte-creuset. Pour des raisons pratiques, par exemple dans le but de faciliter l'assemblage des pièces, il peut être nécessaire de prévoir des surface de recouvrement plus importantes, c'est-à-dire d'au moins 1 %, qui restent typiquement inférieures à 10 % des surfaces interne ou externe du porte- creuset, mais qui peuvent être plus importantes. De préférence, l'aire desdites zones de recouvrement (101-106) est au moins égale à 1 % de ladite surface intérieure (14). Les porte-creusets (et corrélativement les creusets) sont généralement de section circulaire, bien que d'autres formes puissent être envisagées dans le cadre de l'invention. Dans le cas des porte-creusets de section circulaire, le périmètre extérieur principal P est approximativement égal à la circonférence du cercle formé par l'intersection de la surface extérieure du porte-creuset et du plan transversal à l'axe de symétrie S du porte-creuset situé dans sa partie supérieure (voir les figures 3 et 5). La figure 4 illustre le fonctionnement du mode de réalisation de la figure 3 (qui est similaire à celui du mode de réalisation de la figure 5). En position initiale, c'est-à- dire lorsque les pièces sont assemblées de manière à former le porte-creuset, les pièces possèdent des zones de recouvrement initiales (100) (figure 4a). Les pièces n'ont pas à être parfaitement jointives en tout point des surfaces de jonction. Par exemple, certaines parties des surfaces de contact (telles que 80 et 90) peuvent ne pas être jointives. Selon l'invention, les dimensions et la géométrie des parties en contact sont telles que, en utilisation (c'est-à-dire lors de cycles de tirage), les pièces peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres, d'une amplitude A (qui est typiquement inférieure ou égale à 1 %), tout en maintenant une zone de contact entre les pièces, même si ces déplacements entraînent généralement la séparation de parties qui peuvent avoir été initialement en contact (80, 90) et une diminution de la surface des zones de recouvrement (100) (figure 4b), voire une légère séparation des surfaces en contact dans les zones de recouvrement (100). Des espaces (20, 21) entre les surfaces théoriques de contact peuvent se développer en cours d'utilisation pour autant que des surfaces de recouvrement (l00) soient maintenues. Lesdites portions de surface spécifiques (70) formant des zones de recouvrement sont de préférence sensiblement azimutales, c'est-à-dire sensiblement perpendiculaire à la direction normale à la surface interne (14) du porte-creuset, qui correspond à la direction radiale dans le cas d'un porte-creuset de symétrie cylindrique (tel qu'illustré aux figures 3 et 5). Dans le mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 3, les portions de surface spécifiques (70) destinées à former des zones de recouvrement (100) représentent une faible fraction de la surface interne ou externe des pièces. Ces surfaces spécifiques (70) sont sensiblement azimutales par rapport à l'axe de symétrie du porte-creuset, en ce sens qu'elles s'inscrivent approximativement sur des arcs de cercles, bien que cette configuration constitue un choix préféré mais non limitatif. Les pièces, qui sont au nombre de trois dans cet exemple, sont différentes les unes des autres, mais il est également possible de prévoir des pièces identiques de manière à simplifier le procédé de fabrication et la gestion des stocks. Dans le mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 5, les pièces, qui sont au nombre de six dans cet exemple, sont de deux types différents, à savoir des pièces de forme (50a, 50b, 50c) et des pièces d'étanchéité (ou "volets") (50d, 50e, 50f). Les surfaces de recouvrement représentent une faible fraction de la surface interne ou externe des premières pièces (50a, 50b, 50c) et essentiellement toute la surface externe des secondes pièces (50d, 50e, 50f). Les volets (50d, 50e, 50f) peuvent se superposer aux pièces de forme (50a, 50b, 50c) en s'insérant dans les logements (ou "lamages") (31 à 36) prévus à cet effet dans les pièces de forme. Plus spécifiquement, lorsque le porte-creuset est assemblé, les pièces d'étanchéité (50d, 50e, 50f) s'insèrent dans des logements (31 à 36) de manière à former des zones de recouvrement (100) aptes à maintenir une surface de contact étanche entre lesdites pièces (50a à 50f) malgré des déplacements relatifs entre lesdites pièces. Les pièces de forme sont essentiellement jointives entre elles. Les surfaces spécifiques (70) destinées à former des zones de recouvrement (100) sont aussi, de préférence, sensiblement azimutales par rapport à l'axe de symétrie du porte-creuset, bien que cette configuration constitue un choix préféré mais non limitatif. Ce mode de réalisation présente l'avantage que les pièces de forme peuvent être obtenues à partir d'un même cylindre de matériau carboné. Les volets peuvent être constitués d'un matériau différent de celui des pièces de forme, tel qu'un graphite de nature différente, un graphite souple, un composite carbone/carbone ou tout matériau réfractaire compatible avec les procédés de tirage de cristaux dans lesquels le porte-creuset peut être utilisé. Typiquement, les pièces de forme peuvent être en graphite et les pièces d'étanchéité peuvent être soit en graphite, soit en un composite carbone/carbone (C/C). Les volets peuvent éventuellement être fixées, par exemple à l'aide de vis, aux pièces de forme en vue de simplifier l'assemblage des pièces avant utilisation (par exemple, un volet peut être fixé sur chaque pièce de forme). Lesdites portions déterminées (71a, 71b, 72b, 72c,...) se situent de préférence au moins à proximité de la zone de contact (17) éventuel entre creuset (6) et porte creuset (50). L'invention a également pour objet les pièces en matériau carboné aptes à former un porte-creuset selon l'invention. L'invention a aussi pour objet l'utilisation d'un porte-creuset (50) selon l'invention pour mettre en oeuvre un procédé de tirage de cristaux, notamment un procédé Czochralski. Exemple 1 Un porte-creuset tel qu'illustré à la figure 3 a été fabriqué en graphite. Les motifs de jonction ont été réalisés par usinage des pièces de base. Ce porte-creuset a été mis à l'essai dans un dispositif de tirage CZ et a pu servir de manière satisfaisante pour 70 opérations de tirage, alors que la durée de vie moyenne des porte-creusets en plusieurs pièces de l'art antérieur est, dans le même type de dispositif et pour la même qualité de graphite, de 40 tirages seulement. Exemple 2 Un porte-creuset tel qu'illustré à la figure 5 a été fabriqué en graphite. Les motifs de jonction ont aussi été réalisés par usinage des pièces de base. Ce porte-creuset a été mis à l'essai dans un dispositif de tirage CZ et a pu servir de manière satisfaisante pour 65 opérations de tirage sans signe d'usure localisée. Avantages La présente invention apporte une solution simple au problème de la dégradation des porte-creusets en cours d'utilisation dans les opérations de tirage de cristaux. REVENDICATIONS 1. Porte-creuset en matériau carboné (50) destiné à des opérations de tirage de cristaux, ayant la forme d'un récipient creux et comportant une surface intérieure (14) et une surface extérieure (16), ledit porte-creuset comportant au moins deux pièces (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) distinctes, complémentaires et aptes à être réunies par des surfaces de jonction (51, 52, 53), caractérisé en ce que, lorsque lesdites pièces sont réunies pour former ledit porte-creuset, des portions spécifiques (71a, 71b, 72b, 72c,...) desdites surfaces de jonction (51, 52, 53) se recouvrent de manière à former au moins une zone dite de recouvrement (101, 102, 103, 104, 105, 106). 2. Porte-creuset selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une desdites pièces (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) est en graphite. 3. Porte-creuset selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'aire desdites zones de recouvrement (101, 102, 103, 104, 105, 106) est au moins égale à 1 de ladite surface intérieure (14). 4. Porte-creuset selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites portions spécifiques (71a, 71b, 72b, 72c,...) sont sensiblement perpendiculaires à la direction normale à la surface interne (14) du porte-creuset. 5. Porte-creuset selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des pièces de forme (50a, 50b, 50c) et des pièces d'étanchéité (50d, 50e, 50î), lesdites pièces d'étanchéité (50d, 50e, 50f) étant aptes à être insérées dans des logements (31 à 36) prévus à cet effet dans les pièces de forme (50a, 50b, 50c) de manière à former lesdites zones de recouvrement (101, 102, 103, 104, 105, 106). 6. Porte-creuset selon la revendication 5, caractérisé en ce que les pièces de forme (50a, 50b, 50c) sont en graphite et des pièces d'étanchéité (50d, 50e, 50f) sont en un composite carbone/carbone. 7. Pièce en matériau carboné (50a, 50b, 50c, 50d, 50e, 50f) apte à former un porte- creuset (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Utilisation d'un porte-creuset (50) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour mettre en oeuvre un procédé de tirage de cristaux, notamment un procédé Czochralski.