Brevet FR2913434A1 — publié le 20080912

Dispositif et procédé de fabrication de plaques autosupportées de silicium ou autres matériaux cristallins Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif et un procédé de fabrication d'une plaque de matériau cristallin par cristallisation dirigée d'un matériau en phase liquide 10 dans un creuset muni d'un fond, de parois latérales et d'au moins une fente horizontale formée dans une partie inférieure d'une paroi latérale. État de la technique 15 La fabrication de plaques de matériau cristallin par cristallisation dirigée au moyen d'un creuset muni d'une fente permet d'obtenir des rubans directement à partir de la matière première liquide, sans nécessiter, après cristallisation d'un lingot, d'étapes supplémentaires d'écroûtage du lingot, de débitage du lingot écroûté en brique et de découpe des briques en plaquettes 20 par sciage. Cependant, pour être intégré dans des cellules photovoltaïques, les plaquettes doivent présenter des joints de grains perpendiculaires aux jonctions P/N utilisées et donc perpendiculaires à la surface de la plaquette. La principale difficulté rencontrée actuellement par ce type de dispositif tient 25 dans le contrôle du gradient thermique vertical dans la zone de solidification au sein du creuset. Il a été proposé dans la demande de brevet international PCT/FR2006/002349 (déposé le 19 octobre 2006), un dispositif dans lequel l'interface de solidification séparant la phase solide et la phase liquide se trouve au niveau de la fente latérale du creuset. En effet, ce dispositif est 30 dfficile à mettre en oeuvre et présente certains inconvénients. En effet, la solidification au sein du creuset est limitée à une faible surface. De même, le5 brassage dans la phase liquide n'est pas suffisant pour que les impuretés aient la possibilité de migrer dans le bain. Elles peuvent alors se retrouver dans la phase solide avec l'avancée du front de solidification. Ces impuretés sont alors préjudiciables aux cellules photovoltaïques à intégrer. Les articles de Hide et al ( Cast Ribbon for Low Cost Solar Cells 0160-8371/88/0000-1400, 1988 IEEE 26 septembre 1988) et de Suzuki et al ( Growth of Polycrystalline Silicon Sheet by Hoxan Cast Ribbon Process Journal of crystal growth, Elsevier, vol 104, n 1 1 juillet 1990) présentent un ~o autre procédé de cristallisation dirigée au moyen d'une filière. Le silicium est fondu à l'intérieur d'un creuset et s'écoule sous pression au sein d'une fente située au centre du fond du creuset. La chaussette et le moule coudé qui suivent le creuset forment alors dans la section finale un canal étroit et allongé. Dans cette portion, le gradient thermique vertical imposé entraîne 15 une cristallisation dirigée et verticale de l'ensemble de la matière. Cette dernière est alors incapable, au vu de la dimension de la filière de rejeter hors de la phase solide les impuretés présentes en phase liquide. 20 Objet de l'invention L'objet de l'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et en particulier de fournir un dispositif et un procédé de fabrication de plaques de matériau cristallin par cristallisation dirigée, qui soit plus facile à mettre en 25 oeuvre et dont le rejet des impuretés dans la phase liquide soit plus important. Ce but est atteint par le fait que le creuset comporte sur sa surface extérieure, à proximité immédiate de la fente, des moyens 30 électromagnétiques de création, au moins au niveau de la fente, de forces de répulsion magnétiques sur le matériau en phase liquide, les moyens électromagnétiques étant parcourus par un courant alternatif dont la fréquence est comprise entre 10kHz et 300kHz. [)escription sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente une vue schématique, en coupe, d'un mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention. la figure 2 représente une vue de face de la fente du dispositif selon la 15 figure 1. la figure 3 représente une vue schématique, en coupe, d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif selon l'invention. la figure 4 représente un agrandissement de la figure 3, centrée sur la fente et les moyens électromagnétiques de création de forces 20 magnétiques. Description d'un mode préférentiel de l'invention 25 Comme dans la demande PCT/FR2006/002349, le dispositif représenté sur les figure 1 et 2, comporte un creuset 1 ayant un fond 2 et des parois latérales 3. Le creuset 1 comporte une fente 4 latérale disposée horizontalement en partie inférieure de la paroi latérale 3 de droite sur la figure 1. Le creuset 1 est partiellement rempli d'un matériau en phase liquide 30 5, La fente 4 est en communication avec l'atmosphère 7 entourant le creuset 1; généralement constituée par un gaz neutre, comme l'argon. Une plaque 8 de matériau cristallin, obtenue par cristallisation dirigée du matériau au sein du creuset 1, est tirée à travers la fente 4. Le matériau cristallin est, par exemple du silicium, du germanium, de l'arséniure de gallium... Classiquement, le gradient thermique à l'intérieur du creuset 1 est vertical, la température diminuant du haut du creuset 1 vers le fond 2. Ainsi, la solidification du matériau à l'intérieur du creuset 1 entraîne la formation de joints de grains perpendiculaires à la plaque 8 de matériau en phase solide. Cette configuration est avantageuse pour une utilisation dans io des dispositifs photovoltaïques. La cristallisation dirigée du matériau à lieu préférentiellement au niveau du fond 2 du creuset 1 et le matériau en phase solide formant la plaque 8 est retiré du bain à travers la fente 4, au fur et à mesure de sa solidification par 15 tout moyen de préhension approprié non représenté sur la figure 1. La régulation thermique au sein du creuset 1, est réalisée par tout moyen connu de façon à maintenir, stable et vertical, le gradient thermique au sein clu creuset 1. 20 Comme illustré sur la figure 3, le creuset 1 peut être avantageusement couplé à un système de chauffage 9, situé préférentiellement au-dessus du creuset 1, et à un système d'extraction de calories 10, situé préférentiellement sous le creuset 1, afin de maintenir le gradient thermique 25 sensiblement vertical. Le gradient thermique est, dans le creuset 1, sensiblement perpendiculaire à l'interface de solidification. Le système d'extraction de calories 10 régule le flux de chaleur extrait sous le matériau en cours de solidification et la répartition du flux de chaleur selon la distance à la fente 4. Le système d'extraction de calories 10 est, par exemple, un 30 transfert de chaleur par rayonnement à travers un fond 2, transparent, du creuset 1. Comme illustré sur la figure 3, les parois latérales 3 du creuset 1 sont avantageusement couplées à un isolant thermique 11. Cet isolant thermique 11 est préférentiellement placé à l'extérieur du creuset 1 sur toute la surface délimitée par les parois latérales 3. De cette façon, il n'y a pas de perte de chaleur sur les parois latérales 3 et le gradient thermique est maintenu sensiblement vertical. L'interface de solidification du matériau, sensiblement perpendiculaire au gradient thermique, se situe dans la partie inférieure du creuset 1, préférentiellement à proximité du fond 2 du creuset 1. Cette position est ajustée au moyen du gradient thermique au sein du creuset 1. L'épaisseur de la plaque 8 ainsi obtenue est essentiellement définie par la répartition thermique au sein du creuset 1 et par la vitesse de tirage de la plaque 8 hors du creuset 1. La vitesse de tirage de la plaque 8 est située, de préférence, dans la gamme 0,5 ù 10 mètres/minute. La hauteur de la fente 4 est choisie supérieure à l'épaisseur de la plaque 8, de façon à éviter tout accrochage mécanique et toute solidification parasite 20 lors de la sortie de la plaque 8 à travers la fente 4. Le dispositif comporte, de plus, au moins un inducteur 6 à l'extérieur du creuset 1, contre la paroi latérale 3, à proximité immédiate de la fente 4. L'inducteur 6 constitue un mode de réalisation préférentiel de moyens 25 électromagnétiques de création de forces magnétiques 6. L'inducteur 6 est parcouru par un courant alternatif ayant une fréquence comprise entre 10kHz et 300kHz et une intensité, de préférence, comprise entre 100A et 3000A. l'inducteur 6 créé ainsi des forces de répulsion magnétiques sur le matériau en phase liquide 5. 31D L'inducteur 6 peut être disposé au-dessus ou au-dessous de la fente 4. Dans le mode particulier de réalisation de la figure 1, deux inducteurs 6 sont disposés de part et d'autre de la fente 4. Comme illustré plus en détail sur la figure 4, l'interface entre le matériau en phase liquide 5 et l'atmosphère 7 a la forme d'un ménisque 12. Les forces de répulsion magnétiques produites par l'inducteur 6, n'ayant d'effet que sur le matériau en phase liquide 5, l'inducteur 6 permet de contrôler la position du ménisque 12. Ce dernier est préférentiellement situé à l'intérieur de la fente 4, de façon à interdire toute sortie du matériau en phase liquide 5 à travers la fente 4 sans perturber la cristallisation du matériau en phase liquide 5 à l'intérieur du creuset 1. Les forces de répulsion magnétiques créées par l'inducteur 6 sont ajustées de sorte que la répulsion du matériau en phase liquide 5 ait lieu au niveau de la fente 4, au-dessus de la plaque 8. Des forces de répulsion agissent également entre les bords de la plaque 8 et chaque extrémité latérale. Le matériau en phase liquide 5 est ainsi maintenu à l'intérieur du creuset 1. L'amplitude du courant dans l'inducteur 6 est déterminée en fonction de la pression hydrostatique du matériau en phase liquide 5 dans le creuset 1 et de la distance entre l'inducteur 6 et le ménisque 12. La section de l'inducteur 6 est choisie de manière à concentrer au mieux les forces de répulsion sur le ménisque 12. Un exemple de réalisation du dispositif met en oeuvre un inducteur 6 concentrant les courants à environ 5mm du ménisque 12. Cet inducteur permet la rétention dans le creuset d'une hauteur de silicium de 5cm, lorsqu'il est parcouru par un courant de 900A à une fréquence de 30Khz. La fente 4 présente une largeur de 75mm et une hauteur de 3mm.30 L'inducteur 6 provoque, de plus, un effet de brassage du matériau en phase liquide 5 près de la fente 4. II créé des boucles de recirculation du matériau en phase liquide 5, qui entraînent les impuretés provenant de l'interface de solidification dans l'ensemble du matériau en phase liquide 5. L'accumulation des impuretés près de la phase solide est aussi réduite en comparaison à l'art antérieur dû à la présence d'un front de solidification plus étendu. L'effet cle brassage est favorisé par l'utilisation d'un courant dans l'inducteur dans la gamme des basses fréquences, par exemple, de l'ordre de 50Hz. Le dispositif comporte donc, de préférence, des moyens pour superposer à la fréquence comprise entre 10kHz et 300Khz une fréquence favorisant le brassage dans le matériau en phase liquide 5. Dans une variante de réalisation, deux inducteurs 6 sont prévus, respectivement, parcourus par des courants de fréquences différentes. Un premier inducteur est alors alimenté par un courant ayant une fréquence visant à assurer le brassage du matériau en phase liquide 5, préférentiellement dans la gamme de basses fréquences, de l'ordre de 50Hz. L'autre inducteur est parcouru par un courant ayant une fréquence comprise entre 10kHz et 300 kHz pour assurer la répulsion du matériau en phase liquide 5. Cette action simultanée peut également être réalisée, par un seul inducteur, par exemple, par une modulation de fréquence, une surmodulation en amplitude etc. A la sortie de la fente 4, la plaque 8 de matériau cristallin est constituée exclusivement de phase solide. En effet, le matériau en phase liquide 5 est repoussé à l'intérieur du creuset 1 par l'inducteur 6. La plaque 8 est alors autosupportée dès la sortie du creuset. Il est, de préférence, prévu une mise en contact du matériau en phase liquide 5 avec un germe de cristallisation lors du démarrage de la solidification. Le germe de cristallisation est, de préférence, mis en contact avec le ménisque 12 afin de permettre le démarrage de la cristallisation selon des orientations prédéterminées. Des centres de nucléations / germinations, par exemple, constitués par des points froids localisés, peuvent être ajoutés au niveau de l'interface entre le fond 2 du creuset 1 et le matériau en phase liquide 5 pour faciliter le début de la cristallisation. Dans le mode de réalisation particulier représenté à la figure 3, un dispositif de traitement 13, notamment thermique, est couplé au creuset 1 au sortir de la fente 4. Ce dispositif autorise le suivi d'un profil prédéfini de la cinétique de refroidissement de la plaque 8. Ce profil permet une réduction des contraintes mécaniques et de la densité de défauts cristallins. De plus, le dispositif 13 peut servir à préchauffer le germe de cristallisation utilisé au démarrage de la solidification. Revendications 11. Dispositif de fabrication d'une plaque (8) de matériau cristallin par cristallisation dirigée d'un matériau en phase liquide (5) dans un creuset (1) rnuni d'un fond (2), de parois latérales (3) et d'au moins une fente (4) horizontale formée dans une partie inférieure d'une paroi latérale (3), dispositif caractérisé en ce que le creuset (1) présente, sur sa surface extérieure, à proximité immédiate de la fente (4), des moyens électromagnétiques (6) de création, au moins au niveau de la fente (4), de forces de répulsion magnétiques sur le matériau en phase liquide (5), lesdits moyens électromagnétiques (6) étant parcouru par un courant alternatif dont la fréquence est comprise entre 10kHz et 300kHz. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques de création de forces magnétiques (6) sont situés au-dessus de la fente (4). 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les 20 moyens électromagnétiques de création de forces magnétiques (6) sont situés au-dessous de la fente (4). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques de création de forces 25 magnétiques (6) comportent au moins un inducteur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de superposition d'une fréquence favorisant le brassage du matériau en phase liquide (5). 9 30 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fréquence favorisant le brassage est de l'ordre de 50Hz. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques de création de forces magnétiques (6) sont parcourus par un courant dont l'intensité est comprise entre 100A et 3000A. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de production et de maintien d'un gradient thermique dans le matériau perpendiculairement au fond (2) du creuset (1). 9. Procédé de fabrication d'une plaque (8) de matériau cristallin par cristallisation dirigée d'un matériau en phase liquide (5) dans un creuset (1) d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des forces magnétiques de répulsion sont appliquées, au niveau de la fente (4), sur le matériau en phase liquide (5), pour la solidification du matériau en phase liquide (5) ayant lieu sur le fond (2) du creuset (1), pour empêcher la fuite du matériau en phase liquide (5). 2'0