Brevet FR2976594A1 — publié le 20121221

B10379 1 INSTALLATION DE CRISTALLISATION DE SILICIUM Domaine de l'invention La présente invention concerne une installation de cristallisation de silicium. Exposé de l'art antérieur Pour obtenir du silicium d'une pureté adaptée aux techniques photovoltaïques, on cherche souvent à affiner du silicium fabriqué pour des applications métallurgiques, ce silicium pouvant contenir plusieurs pourcents d'impuretés tels que le carbone, le fer, le titane, le bore, le phosphore, etc. Pour cela, on procède généralement successivement à des opérations d'affinage et de cristallisation. Lors d'opérations d'affinage, du silicium est mis à l'état liquide dans un creuset tandis que sa surface supérieure est soumise à un milieu susceptible d'éliminer au moins certaines des impuretés. Couramment, cette surface supérieure est léchée par la flamme d'une torche à plasma comprenant un mélange de gaz adaptés à l'élimination d'impuretés. Lors d'opérations de cristallisation, du silicium est fondu dans un creuset et une surface du creuset est refroidie de façon que le silicium se cristallise progressivement à partir de cette surface, les impuretés tendant à se concentrer dans la phase liquide. Parmi les installations de cristallisation, on B10379 2 distingue des installations dans lesquelles un bloc de silicium est formé en une seule fois et des installations dans lesquelles un tirage est effectué à partir de la face inférieure de façon qu'il demeure en permanence une zone fondue en surface, tandis que du silicium est refourni dans le creuset de cristallisation. Dans les installations de cristallisation, il est souhaitable que le silicium fondu soit soumis à un brassage de sorte que les impuretés ne se concentrent pas à l'interface solide/liquide. La figure 1 représente très schématiquement un exemple particulier d'installation de cristallisation de silicium. Cette installation comprend un creuset comportant par exemple une en-ceinte externe de graphite 1 chemisée par des plaques de quartz (ou silice fondue) 3. Du côté de la face inférieure du creuset est prévue une sole 9 destinée à contrôler la température du fond du creuset. Cette sole repose sur une surface support 10. Il est prévu du côté de la surface supérieure un moyen de chauffage non représenté qui peut être une torche à plasma mais qui peut aussi être tout autre moyen de chauffage inductif ou résis- tif propre à assurer le chauffage de la surface supérieure de la charge 7. L'installation est conçue pour que la face inférieure soit plus froide que la face supérieure et qu'il puisse exister un gradient de température propre à assurer une cristallisation de la charge 7 à partir de la face inférieure, comme cela est schématisé en figure 1 par le trait en pointillés horizontal 11. Il peut en outre être prévu un moyen 5 de brassage électromagnétique de la partie liquide 13 de la charge. Il est par exemple constitué d'un enroulement 5 ou d'enroulements auxiliaires non représentés. Il en résulte un brassage du silicium fondu, schématisé par des flèches 15. L'utilisation telle que décrite ci-dessus d'un champ électromagnétique, pour réaliser un brassage du silicium liquide d'un four de cristallisation à gradient vertical, conduit à des installations et à des réglages complexes. De plus, les moyens B10379 3 de brassage électromagnétique du silicium liquide présentent divers inconvénients. Ils sont peu efficaces dans le cas de creusets de grandes dimensions, par exemple de plus de 50 cm de côté, surtout si ces creusets sont à section carrée : on a alors un faible brassage au centre et dans les coins. Ils perturbent le champ thermique par deux effets : * le refroidissement des bobines de brassage qui doivent être proches du creuset pour être efficaces ; et * la puissance Joule induite dans le silicium liquide, qui est inhomogène et variable au cours de la cristallisation. Cette perturbation du champ thermique modifie la forme du front de solidification, et éventuellement la structure cristalline qui risque de ne plus être colonnaire à colonnes verticales ; des défauts cristallins peuvent alors apparaître et dégrader les performances des cellules solaires résultantes. D'autres moyens ont été proposés pour réaliser le brassage pendant la solidification. - Utilisation d'agitateurs immergés dans le silicium liquide. Ceci présente l'inconvénient évident qu'il n'est pas simple de trouver un matériau constitutif de l'agitateur pouvant résister à la température du silicium liquide et non susceptible, à cette température, de produire des impuretés tendant à diffuser dans ce silicium liquide. - Utilisation d'un bullage d'un gaz neutre, par exemple de l'argon. Ceci est efficace mais complexe à mettre en oeuvre. Ainsi, il existe un besoin pour améliorer les systèmes 30 de brassage dans des installations de cristallisation de silicium. Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un système de brassage d'une installa- 35 tion de cristallisation de silicium comprenant un moyen de B10379 4 brassage compatible avec tout type d'installation, et qui soit particulièrement simple et non polluant pour le silicium. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel système de brassage adapté à des installations de cristallisation de silicium de grandes dimensions. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel système de brassage permettant de conserver dans l'installation de cristallisation de silicium une interface liquide/solide plane. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une installation de cristallisation, dans laquelle du silicium est présent à l'état fondu dans un creuset, comprenant des moyens propres à impartir au creuset un mouvement périodique d'oscillation de façon à assurer un brassage du silicium fondu. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le silicium fondu présente une interface avec du silicium solidifié. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 20 le creuset est un creuset chaud. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le creuset est un creuset froid. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le creuset a des dimensions latérales de l'ordre du mètre, ou 25 plus. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 30 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente très schématiquement une installation classique de cristallisation de silicium ; et la figure 2 représente très schématiquement une installation de cristallisation de silicium selon un mode de 35 réalisation de la présente invention. B10379 Description détaillée La figure 2 représente une installation qui reprend sensiblement les mêmes éléments que ceux illustrés en figure 1, désignés par les mêmes références. Une différence essentielle 5 entre les deux installations est que, dans l'installation de la figure 2, il n'est pas prévu de moyen de brassage électromagnétique du silicium liquide. L'ensemble de l'installation, au lieu d'être monté directement sur un support 10, est monté sur ce support par l'intermédiaire d'un système apte à assurer la mise en oscillation du creuset et donc du liquide qu'il contient. Ce système de mise en oscillation comprend par exemple un pivot 21 directement ou indirectement solidaire du creuset, monté par l'intermédiaire d'un élément 22 sur le support 10. Selon la forme de l'installation, le pivot pourra être constitué d'une barre transverse sur toute la longueur de la partie centrale de la face inférieure de l'installation ou pourra comprendre des pivots distincts montés par exemple au niveau des deux extrémités d'une ligne transversale de l'installation. D'un côté de la ligne définie par le pivot est prévu un moyen de ressort 24 et, de l'autre côté, est prévue une tige pousseuse 25 liée, par l'intermédiaire d'un excentrique 26, à l'arbre d'un moteur 27 monté sur le support. Ainsi, quand le moteur tourne, l'ensemble de l'installation est mis en vibration. De préférence, la fréquence des oscillations est comprise dans une plage de 0,1 à 100 hertz. Bien entendu, la représentation de la figure 2 est extrêmement schématique, et la prévision d'un ressort, d'une part, et d'un moteur associé à un excentrique, d'autre part, ne constitue qu'un exemple de moyen mécanique pour assurer la mise en vibration de l'installation. D'autres moyens pourront être prévus par l'homme de l'art, et notamment seront adaptés à la dimension de l'installation et à son poids. Par exemple, le ou les pivots pourront correspondre à des rotules prévues sur des canalisations de fluide de refroidissement. B10379 6 Le mode de réalisation de la figure 2 est par exemple adapté à une installation dans laquelle le creuset a des dimensions latérales de l'ordre du mètre, ou plus, et une hauteur de l'ordre de 30 cm. D'autre part, on comprendra que le système de mise en oscillation du creuset pourra être adapté à tout type d'installation, bien que présenté ici dans le cadre d'un creuset chaud à fond fixe. Selon le type d'installation, divers éléments de 10 l'installation seront liés au creuset dans son mouvement d'oscillation. Avec la mise en oscillation décrite ici, on obtient un brassage du silicium liquide compatible avec tout type d'installation, adapté à des installations de cristallisation de 15 silicium de grandes dimensions et permettant de conserver dans l'installation de cristallisation de silicium une interface liquide/solide plane. REVENDICATIONS1. Installation de cristallisation, dans laquelle du silicium est présent à l'état fondu dans un creuset, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (21-27) propres à impartir au creuset un mouvement périodique d'oscillation de façon à assurer un brassage du silicium fondu. 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle le silicium fondu présente une interface avec du silicium solidifié. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, dans 10 laquelle le creuset est un creuset chaud. 4. Installation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le creuset est un creuset froid. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le creuset a des dimensions latérales 15 de l'ordre du mètre, ou plus.