FR 3045073 A1 20170616 FR 1562313 A 20151214 1 PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UN LINGOT EN MATÉRIAU SEMI- CONDUCTEUR ENRICHI EN OXYGÈNE ET FOUR DE CRISTALLISATION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention est relative à un procédé de fabrication d'un lingot en matériau semi-conducteur enrichi en oxygène et à un four de cristallisation permettant de former un tel lingot. ÉTAT DE LA TECHNIQUE Le procédé Czochralski (Cz) est une technique couramment employée pour former des lingots en silicium monocristallin. Elle consiste à faire fondre dans un creuset une quantité de silicium, appelée charge ou masse, et à cristalliser le silicium à partir d'un germe monocristallin. Le germe, orienté selon un axe cristallographique du cristal à former, est d'abord trempé dans le bain de silicium fondu. Puis, il est entraîné en rotation et tiré lentement vers le haut. Ainsi, le lingot de silicium solide croît progressivement en se nourrissant du bain. Le bain de silicium fondu contient une importante quantité d'oxygène. Cet oxygène peut provenir du creuset, habituellement formé de quartz ou de silice, car celui-ci se dissout partiellement dans le bain sous l'effet de la température, et/ou de la charge de silicium (i.e. du silicium à l'état solide). Au cours de la cristallisation d'un lingot, la majeure partie de l'oxygène contenu dans le bain (environ 99 %) s'échappe dans l'atmosphère du four de cristallisation, brassé par des flux de gaz inerte. Une faible partie (environ 1 %) de l'oxygène s'incorpore dans le lingot. La quantité d'oxygène incorporée dans le lingot dépend de nombreux paramètres du procédé de tirage, notamment de la vitesse de tirage du lingot, des vitesses de rotation du creuset et du germe, et de la pression dans l'enceinte du four. En dépit du faible taux d'incorporation de l'oxygène dans le lingot, l'oxygène est généralement l'impureté dont la concentration est la plus élevée dans un lingot en 3045073 2 silicium de type Cz (entre 1017 et 2.1018 atomes/cm3). L'oxygène est présent sous forme interstitielle, c'est-à-dire que les atomes d'oxygène occupent des positions interstitielles dans le réseau cristallin du silicium. Si l'oxygène interstitiel n'a pas d'activité électrique ou mécanique de premier ordre, il est par contre très réactif et 5 peut former des défauts qui influent de manière importante sur les propriétés électriques et mécaniques du silicium. A titre d'exemple, à des températures comprises entre 350 °C et 500 °C, l'oxygène interstiel forme des agglomérats appelés Doubles Donneurs Thermiques (DDT) qui modifient la résistivité électrique du silicium en créant des électrons libres. A plus haute température, l'oxygène 10 interstitiel participe à la formation de précipités de silice permettant de piéger des impuretés métalliques présentes dans le silicium. Un effet getter peut ainsi être obtenu. La formation de ces défauts à base d'oxygène est intimement liée à la concentration 15 en oxygène dans le silicium. Par conséquent, il est nécessaire de contrôler la concentration en oxygène dans le silicium pour tirer pleinement avantage de ces défauts, ou au contraire, limiter leur impact dans les dispositifs semi-conducteurs. Pour y parvenir, des procédés de contrôle de la concentration en oxygène dans le 20 lingot ont été développés. La plupart de ces procédés consiste à accentuer ou limiter le phénomène d'incorporation de l'oxygène dans le lingot, en jouant sur les paramètres du procédé de tirage (pression et débit de gaz inerte dans l'enceinte du four, vitesses de rotation du creuset et du germe...). Toutefois, ces procédés modifient de la même manière la vitesse d'incorporation des autres impuretés du 25 silicium, et notamment les impuretés métalliques provenant de la charge de silicium. Ainsi, lorsqu'on augmente la concentration en oxygène dans le lingot, la concentration en impuretés métalliques est également augmentée. Or une concentration en impuretés métalliques élevée peut être préjudiciable pour le fonctionnement des dispositifs semi-conducteurs. En outre, ces procédés sont 30 empiriques et requièrent de nombreux essais avant d'être optimisés. Le brevet US4545849 décrit un procédé pour augmenter la concentration en oxygène d'un lingot dans le but de rendre cette concentration uniforme le long du 3045073 3 lingot. Une pièce de silice (SiO2) de forme toroïdale est fixée au fond du creuset et immergée par le bain de silicium fondu. Cette pièce se dissout sous l'effet de la température et libère l'oxygène qu'elle contient. 5 Toutefois, ce procédé ne permet pas de maîtriser l'augmentation de la concentration en oxygène au cours de la cristallisation du lingot, puisque la dissolution de la pièce dépend de la température du bain et de la forme de la pièce, toutes les deux figées. RÉSUMÉ DE L'INVENTION 10 L'invention vise à contrôler l'enrichissement en oxygène d'un lingot en matériau semi-conducteur au cours de sa cristallisation. Selon un premier aspect de l'invention, on tend vers cet objectif en prévoyant un 15 procédé de fabrication de lingot comprenant les étapes suivantes : - préparer un bain de matériau semi-conducteur en fusion dans un creuset ayant un axe de symétrie ; - tremper un germe dans le bain de matériau semi-conducteur en fusion ; - cristalliser le lingot à partir du bain de matériau semi-conducteur en fusion, en 20 tirant le germe dans une direction colinéaire à l'axe de symétrie du creuset ; et, pendant l'étape de cristallisation du lingot, l'opération suivante : o plonger dans le bain de matériau semi-conducteur en fusion au moins une partie d'une pièce constituée d'un matériau contenant de l'oxygène, la pièce comprenant au moins un segment d'un anneau, 25 d'axe colinéaire à l'axe de symétrie du creuset. La partie de la pièce plongée dans le bain de matériau semi-conducteur en fusion présente une hauteur qui varie au cours de la cristallisation du lingot, de façon à atteindre une concentration en oxygène cible dans chaque fraction du lingot. 30 Ainsi, comme dans le procédé du brevet US4545849, une pièce de forme annulaire est plongée dans le bain de matériau semi-conducteur en fusion pour réaliser un apport supplémentaire d'oxygène. Cette pièce est constituée d'un matériau qui renferme des atomes d'oxygène, tel que le quartz ou la silice. 3045073 4 A la différence du procédé de l'art antérieur, le procédé de fabrication selon l'invention permet de contrôler l'enrichissement en oxygène du bain, et donc du lingot, en augmentant ou diminuant la surface de contact entre le bain et la pièce 5 contenant l'oxygène. Cette variation de surface est obtenue grâce au fait que la pièce peut être plongée plus ou moins profondément dans le bain. La hauteur de la partie immergée de la pièce, autrement dit la profondeur à laquelle la pièce est plongée dans le bain, dépend de la concentration en oxygène que l'on souhaite atteindre dans la fraction du lingot en cours de cristallisation. 10 De préférence, l'anneau a un diamètre intérieur compris entre 70 % et 95 % du diamètre intérieur du creuset. Autrement dit, la pièce est disposée à la périphérie du creuset, dont l'axe de symétrie correspond à l'axe de tirage du lingot. Ainsi, la pièce n'a qu'un impact limité sur la convection du silicium fondu au centre du creuset, et 15 donc sur la cristallisation du lingot. Avantageusement, la pièce comprend une pluralité de segments d'anneau disposés de façon annulaire (anneau discontinu) autour du lingot ou est formée d'un anneau entier (i.e. anneau continu). Le fait qu'un tel anneau (continu ou discontinu) soit 20 disposé de façon coaxiale autour du lingot en formation préserve l'homogénéité du bain de matériau semi-conducteur en fusion et garantit que la concentration en oxygène est symétrique sur le diamètre du lingot. Dans un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé de fabrication, la section 25 de la pièce présente une pointe dirigée vers le fond du creuset selon une direction parallèle à l'axe de symétrie du creuset. Cette géométrie particulière permet de réduire les perturbations dans le bain de matériau semi-conducteur en fusion, lorsque la pièce s'enfonce dans le bain, et de faire varier l'apport d'oxygène dans le bain progressivement. Le contrôle de la concentration en oxygène dans le lingot est 30 alors plus précis. Selon un développement du premier aspect de l'invention, le procédé de fabrication comporte en outre les étapes suivantes : 3045073 5 déterminer une relation donnant la surface de contact entre la pièce et le bain de matériau semi-conducteur en fusion en fonction de la profondeur à laquelle la pièce est plongée dans le bain ; calculer, pour chaque fraction du lingot, un incrément de concentration en 5 oxygène à apporter pour atteindre la concentration en oxygène cible, compte tenu de la concentration en oxygène de base du lingot ; et déterminer une profondeur à laquelle plonger la pièce lors de la cristallisation de chaque fraction du lingot, à partir de l'incrément de concentration en oxygène correspondant à ladite fraction, de la relation donnant la surface de 10 contact et de la surface de contact entre le creuset et le bain de matériau semi-conducteur en fusion. La concentration en oxygène de base du lingot à enrichir en oxygène est avantageusement déterminée en cristallisant un lingot de référence et en mesurant 15 la concentration en oxygène le long du lingot de référence. Le procédé de fabrication selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : 20 - le creuset et la pièce sont entrainés en rotation pendant l'étape de cristallisation, dans un même sens de rotation et à une même vitesse de rotation ; - le creuset et la pièce sont constitués du même matériau contenant de l'oxygène ; 25 - le diamètre du lingot est compris entre 20 % et 45 % du diamètre intérieur du creuset. Un deuxième aspect de l'invention concerne un four de cristallisation permettant de contrôler la concentration en oxygène dans un lingot en matériau semi-conducteur 30 lors de sa fabrication. Ce four comporte les éléments suivants : - un creuset ayant un axe de symétrie et destiné à contenir un bain de matériau 3045073 6 semi-conducteur en fusion ; et - un système de tirage du lingot à partir du bain de matériau semi-conducteur en fusion, dans une direction colinéaire à l'axe de symétrie du creuset ; et - une pièce constituée d'un matériau contenant de l'oxygène, ladite pièce 5 comprenant au moins un segment d'un anneau, d'axe colinéaire à l'axe de symétrie du creuset. En outre, le creuset et la pièce sont montés de façon à pouvoir exécuter un mouvement relatif de translation parallèlement à l'axe de symétrie du creuset. 10 De préférence, l'anneau a un diamètre intérieur compris entre 70 % et 95 % du diamètre intérieur du creuset. Dans un mode de réalisation préférentiel du four de cristallisation, la pièce est montée mobile en translation parallèlement à l'axe de symétrie du creuset. 15 Avantageusement, la pièce est en outre montée en rotation autour de l'axe de symétrie du creuset. Enfin, le four peut comprendre en outre un bouclier thermique disposé autour de 20 l'axe de symétrie du creuset et monté mobile en translation parallèlement à l'axe de symétrie du creuset au moyen d'un système de translation. La pièce en forme d'anneau est alors avantageusement fixée sur le système de translation de l'écran thermique. 25 BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : 30 - les figures 1A et 1B illustrent un procédé de fabrication de lingot faisant intervenir une pièce riche en oxygène, d'après un premier aspect de l'invention ; 3045073 7 - la figure 2 représente une géométrie particulière de pièce riche en oxygène utilisée dans un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé de fabrication ; - la figure 3 est une vue de coupe transversale d'un four de cristallisation selon 5 un deuxième aspect de l'invention ; - les figures 4 à 7 illustrent un exemple de mise en oeuvre du contrôle de la concentration en oxygène au moyen de la pièce riche en oxygène, d'après le procédé de fabrication de l'invention. lo Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'AU MOINS UN MODE DE RÉALISATION 15 Les figures 1A et 1B représentent schématiquement des étapes d'un procédé de fabrication d'un lingot en matériau semi-conducteur enrichi en oxygène. Ces figures illustrent plus particulièrement la manière dont est réalisé le contrôle de la concentration en oxygène dans le lingot. 20 Lors d'une première étape illustrée à la figure 1A, on prépare tout d'abord un bain 10 de matériau semi-conducteur en fusion. Une charge solide de matériau semiconducteur, par exemple du silicium, est disposée dans un creuset 11, puis fondue. Le creuset 11 a globalement la forme d'un cylindre fermé à une extrémité par un fond et présente un axe de symétrie z vertical. 25 Le creuset 11 constitue une première source d'oxygène vis-à-vis du bain de silicium 10, puisqu'il est habituellement formé de silice (SiO2) ou de quartz. Le quartz est un matériau qui contient principalement de la silice, avec des traces de différents éléments ou composés tels que Al, Li, B, Fe, Mg, Ca, Ti, Rb, Na et OH. Sous l'effet 30 de la température, le creuset 11 se dissout lentement dans le bain de silicium 10, à une vitesse de l'ordre de 1 pg/cm2/s. Le bain de silicium 10 incorpore ainsi l'oxygène et les éventuelles autres impuretés contenus dans le matériau du creuset 11. La charge solide de silicium peut aussi contenir des impuretés, dont des métaux et de 3045073 8 l'oxygène. A l'étape de la figure 1 B, après fusion complète de la charge de silicium, un germe cristallin 13 est trempé dans le bain 10 au centre du creuset 11. Cette opération a 5 pour effet d'amorcer la cristallisation d'un lingot 14 à partir du silicium en fusion. Puis, la cristallisation du lingot 14 se poursuit en éloignant le germe 13 du creuset 11 dans la direction de l'axe z, comme illustrée sur la figure 1 B. Ainsi, l'axe de symétrie z du creuset correspond également à l'axe de tirage du lingot 14. 10 Le procédé de fabrication prévoit l'utilisation, au cours de l'étape de cristallisation, d'une deuxième source d'oxygène afin d'augmenter la concentration en oxygène du bain de silicium 10. Cette deuxième source est de préférence constituée d'une pièce 12 en forme d'anneau, comme illustré sur la figure 1B. Alternativement, la pièce 12 peut comprend seulement une partie ou segment d'un anneau, voire 15 plusieurs segments d'un même anneau disposé autour de l'axe z. Ainsi, la pièce 12 peut être en forme d'anneau continu (figure 1 B) ou discontinu (non représenté) lorsque plusieurs segments d'anneau sont disposés de façon annulaire. Le creuset 11 et la pièce 12 sont coaxiaux, c'est-à-dire que l'axe de l'anneau est confondu avec l'axe de symétrie z du creuset. 20 La pièce 12 est plongée dans le bain de silicium 10 à une profondeur h qui varie au cours de la cristallisation, en fonction de la concentration en oxygène que l'on souhaite atteindre dans chaque zone ou fraction du lingot. Plus la pièce 12 est plongée profondément dans le bain 10, plus la surface de contact entre la pièce et le 25 bain est grande et plus l'apport en oxygène dans le bain 10 est important. Comme l'oxygène du bain 10 est ensuite incorporé dans le lingot 14, ce dernier contiendra une quantité plus importante d'oxygène. En d'autres termes, la variation de la profondeur h permet de moduler l'augmentation de la concentration en oxygène dans le lingot. 30 La pièce 12 peut être partiellement ou totalement immergée selon les besoins en oxygène. La profondeur h correspond à la distance entre la surface du bain de silicium 10 et l'extrémité inférieure de la pièce 12 située sous la surface du bain. 3045073 9 Jusqu'à ce que l'extrémité supérieure de la pièce 12 soit également immergée, la profondeur h équivaut à la hauteur de la partie immergée de la pièce. On désigne par « hauteur » la dimension mesurée parallèlement à l'axe de symétrie z du creuset. De préférence, l'extrémité supérieure de la pièce 12 ne descend pas en dessous de la 5 surface du bain 10. La pièce 12 est avantageusement formée du même matériau que le creuset 11, et de préférence en silice ou quartz. Ces matériaux sont préférés, car ils contiennent de faibles quantités d'impuretés indésirables (i.e. autres que l'oxygène). La 10 concentration en impuretés métalliques est par exemple de l'ordre de 10 ppm (partie par million) dans le quartz d'un creuset. En outre, la surface de la pièce plongée dans le bain est faible au regard de la surface de contact existant entre le creuset et le bain liquide. La concentration en impuretés autres que l'oxygène ajoutée par la pièce 12 est donc négligeable. 15 Malgré sa position à la surface du bain 10, la pièce 12 n'interfère pas de façon significative dans la cristallisation du lingot 14, grâce au fait que le diamètre intérieur de l'anneau est avantageusement compris entre 70 % et 95 % du diamètre intérieur du creuset 11. La pièce 12 se trouve ainsi éloignée du lingot 14, en périphérie du 20 creuset 11. A titre de comparaison, le diamètre du lingot 14 est généralement compris entre 20 % et 45 % du diamètre intérieur du creuset. Par exemple, le diamètre extérieur du creuset 11 vaut 508 mm (soit 20"), le diamètre intérieur du creuset 11 est égal à 488 mm, le diamètre intérieur de l'anneau est égal à 360 mm et le diamètre des lingots pouvant être cristallisés dans ce creuset est compris entre 25 152,4 mm et 228,6 mm (6"-9"). La forme annulaire (continue ou discontinue) de la pièce 12 permet de préserver l'homogénéité du bain de silicium 10, notamment en ce qui concerne la concentration en oxygène. Le profil de la concentration en oxygène sur le diamètre du lingot 14 est 30 alors symétrique. Cette forme permet également à pièce 12 de tourner autour de l'axe z sans créer trop de remous dans le bain. La pièce 12 présente avantageusement une symétrie de révolution par rapport à 3045073 10 l'axe z. Sa section est alors constante sur toute la circonférence de l'anneau. Dans l'exemple des figures 1A et 1 B, cette section est rectangulaire car l'anneau est un cylindre droit et creux. Un anneau de section carré ou ronde (i.e. un tore) est également possible. 5 La figure 2 représente une autre géométrie, particulièrement avantageuse, de la pièce 12, utilisée dans un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé de fabrication. L'anneau possède ici, dans chacun des demi-plans séparés par l'axe z, une section présentant une pointe 20. Cette pointe 20 est dirigée vers le fond du 10 creuset selon une direction 21 parallèle à l'axe z. Grâce à cette pointe, la pièce 12 occasionne peu de remous lorsqu'elle pénètre dans le bain de silicium en fusion. Cela permet également d'augmenter la concentration en oxygène du bain de façon progressive, au fur et à mesure que la ponte s'enfonce dans le bain. L'apport d'oxygène peut ainsi prendre toute une plage de valeurs entre 0, lorsque la pointe 15 s'apprête à rentrer dans le bain, et une valeur maximale, lorsque la pièce 12 est entièrement plongée dans le bain. La section de la pièce 12 peut également comprendre plusieurs pointes dirigées vers le fond du creuset, par exemple en dents de scie. 20 Comme illustrée sur la figure 2, la section de l'anneau est de préférence un triangle isocèle dont le sommet principal constitue l'extrémité inférieure de la pièce 12. La base du triangle isocèle constitue alors la face supérieure de la pièce 12. L'angle a au sommet principal du triangle détermine à quel rythme augmente la concentration 25 en oxygène du bain lorsque la pièce 12 s'enfonce dans le bain. En effet, plus cet angle a est grand, plus la surface de contact entre la pièce 12 et le bain de silicium augmente rapidement avec h. Il est avantageusement compris entre 10° et 150°. Par exemple, si le diamètre moyen de l'anneau Ri est égal à 21,5 cm et le diamètre intérieur de l'anneau R2 est égal à 18 cm, l'augmentation de la surface de contact par 30 cm de la hauteur h est de 542 cm2 pour un angle a de 10° et de 2087 cm2 pour un angle a de 150°. La géométrie triangulaire rend linéaire (en première approximation) l'augmentation 3045073 11 de la concentration en oxygène du bain avec la profondeur h. En effet, la quantité ajoutée d'oxygène dans la partie du lingot en cours de cristallisation est proportionnelle à la surface de contact entre la pièce et le bain, elle-même proportionnelle à la hauteur h de la partie immergée de la pièce 12. Enfin, la forme 5 triangulaire permet de balayer une large plage de surface de contact, et donc d'atteindre avec une seule pièce des valeurs élevées de la concentration en oxygène dans le bain. La figure 3 représente en vue de coupe transversale un four de cristallisation 30 lo configuré pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication des figures 1A et 1 B. Ce four de cristallisation 30 contient, dans une enceinte 31 appelée « cuve », le creuset 11 destiné à recevoir la charge de silicium et un dispositif de chauffage 32 permettant de faire fondre cette charge de silicium pour former le bain de silicium 10. 15 Le creuset 11 est fixé à un support 33, qui peut être entrainé en rotation autour de l'axe z, par exemple à une vitesse de 8 tours/min. Un contre-creuset 34 peut être disposé entre le creuset 11 et son support 33. Le dispositif de chauffage 32 peut notamment comprendre une pluralité de résistances thermiques disposées en regard des flancs et du fond du creuset 11. 20 Les parois intérieures de l'enceinte 31 peuvent être recouvertes d'un matériau isolant thermiquement 35, afin de réduire la dissipation thermique vers l'extérieur du four 30. De façon classique, le four 30 comprend un système de tirage 36 de lingot à partir de 25 la charge fondue de silicium. Ce système de tirage 36, dont une partie seulement est représentée sur la figure 3, permet d'amener un germe 13 en contact avec le bain de silicium 10 et de tirer ce germe selon l'axe z, afin d'extraire du bain un lingot 14 en silicium cristallin. Le système de tirage 36 peut en outre entraîner le germe 13 et le lingot 14 en rotation autour de l'axe z, par exemple à une vitesse de 10 tours/min. 30 Le four 30 comprend également la pièce 12 en forme d'anneau ou de segment(s) d'anneau. La pièce 12 est disposée dans le creuset 11 autour de l'axe z et destinée à enrichir le bain de silicium 10 en oxygène, comme cela a été décrit en relation avec 3045073 12 les figures 1A et 1B. Le creuset 11 et la pièce 12 sont en mouvement relatif de translation selon l'axe z. Dans un mode de réalisation préférentiel du four, la pièce 12 est montée en 5 translation parallèlement à l'axe z. Elle est donc mobile par rapport à l'enceinte 31 du four 30. Le creuset 11 peut également être mobile et monté en translation parallèlement à l'axe z, afin de compenser l'abaissement de la surface du bain 10. De cette façon, la cristallisation du lingot a toujours lieu à la même hauteur dans le four 30, dans une zone où la température du bain est parfaitement maîtrisée. 10 La pièce mobile 12 est fixée à un système de translation 37, qui occupe la partie supérieure du four. Ce système de translation 37 comporte par exemple des tiges en graphite animées d'un mouvement vertical, par exemple par une vis sans fin. Les tiges en graphite s'étendent jusqu'au creuset 11 et ont une extrémité fixée à la 15 pièce 12. Le four de cristallisation 30 peut être équipé d'un bouclier thermique 38 pour faire écran à la chaleur rayonnante émise par le bain de silicium 10. Ce bouclier 38 est généralement monté en translation par rapport à l'enceinte 31 du four, parallèlement 20 à l'axe de symétrie z du creuset 11. Dans un mode de réalisation du four non représenté sur les figures, la pièce 12 de forme annulaire est avantageusement fixée au système de translation du bouclier thermique 38. La pièce 12 est alors mise en mouvement par ce même système. On 25 peut ainsi faire l'économie du système de translation 37, prévu spécifiquement pour la pièce 12, sans pour autant renoncer à l'élévation progressive du creuset 11. Au cours de la cristallisation, le creuset 11 et le lingot 14 sont entrainés en rotation dans des sens contraires. La pièce 12 peut être également entrainée en rotation, de 30 préférence dans le même sens de rotation et à la même vitesse que le creuset 11. Il n'y alors plus de mouvement relatif de rotation entre le creuset 11 et la pièce 12. Cela permet de minimiser les flux du silicium en fusion à la périphérie du creuset, ces flux étant susceptibles d'atteindre le centre du creuset et d'altérer la cristallisation du 3045073 13 lingot 14. L'enrichissement du bain 10 au moyen de la pièce 12 s'effectue par deux mécanismes simultanés : d'une part par diffusion de l'oxygène au sein du matériau 5 de la pièce 12 puis incorporation dans le bain de silicium 10, et d'autre part, par dissolution du matériau de la pièce 12. Toutefois, le coefficient de diffusion de l'oxygène dans le quartz ou la silice est si faible (typiquement 0,2 pm par heure dans la silice vitreuse) que le mécanisme par diffusion est négligeable devant le mécanisme par dissolution. 10 L'enrichissement en impureté (tel que l'oxygène) d'un bain de silicium par dissolution du creuset a déjà été étudié. Par exemple, l'article [« The accuracy of the standard resistivity-concentration conversion practice estimated by measuring the segregation coefficient of boron and phosphorous in Cz-Si », A. Giannattasio et al., Phys. Status 15 Solidi A, Volume 208, Issue 3, 2011], enseigne que le gradient temporel de la concentration en oxygène [0i] du bain (i.e. la variation de la concentration [0i] par unité de temps) causé par la dissolution d'un creuset en quartz s'écrit de la façon suivante : Clé [Oi] NA = Y CICfC dt moV c 20 où yc est la vitesse de dissolution du creuset dans le bain de silicium en fusion (en g/s/cm2), Ec est la surface de contact entre le creuset et le bain (en cm2), fc la fraction massique d'oxygène dans le quartz (sans unité), NA la constante d'Avogadro (en mol-1), mo la masse molaire de l'oxygène (en g/mol) et V le volume du bain de silicium (en cm3). 25 Par analogie, le gradient temporel de la concentration en oxygène [0i] du bain causé par la dissolution de la pièce 12 dans le bain s'écrit : d[Oi]fNA = YPIPP dt moV P où yp est la vitesse de dissolution de la pièce 12 dans le bain (en g/s/cm2), El) est la 3045073 14 surface de contact entre la pièce et le bain (en cm2) et fp la fraction massique d'oxygène dans la pièce (sans unité). Par conséquent, le gradient temporel « total » de la concentration en oxygène [Oi] du 5 bain, correspondant aux contributions cumulées du creuset et de la pièce 12, s'écrit : d[011 NA , dt = mov 0/P1P fP + Y cIc fc) (1) La surface de contact El) entre la pièce 12 et le bain de silicium est une fonction de la profondeur h. Par conséquent, pour déterminer à chaque instant au cours de la cristallisation à quelle profondeur h la pièce 12 doit être plongée dans le bain, le 10 procédé de fabrication peut comprend une étape de calcul de la surface de contact El). La surface Ep est calculée pour chaque fraction fs du lingot, à partir d'une concentration en oxygène cible [Oi]tg(fs) souhaitée pour cette fraction. La fraction fs 15 du lingot est la hauteur relative du lingot. Elle représente une position longitudinale dans le lingot et s'exprime habituellement entre 0% et 100 %. La concentration en oxygène cible [0i]tg(fs) est la concentration en oxygène que l'on souhaite atteindre dans une fraction fs du lingot. Elle est, de préférence, convertie en 20 un pourcentage x de la concentration en oxygène de base de cette même fraction, c'est-à-dire en valeur relative. Par « concentration en oxygène de base », on entend la concentration en oxygène du lingot obtenue en l'absence de la pièce 12, à creuset, charge de silicium et recette de tirage identiques. Ainsi, pour augmenter de x % (x peut être supérieur à 100 si on veut plus que doubler la concentration en 25 oxygène) la concentration en oxygène de base de lingot, la contribution de la pièce 12 dans l'augmentation de la concentration en oxygène [Oi] doit être égale à x % de la contribution du creuset, d'où : x Yplp fp 100 Ycicfc soit : 3045073 15 fc E - x yc E (2). P 100 yp fp c Dans le cas où la pièce 12 est constituée du même matériau que le creuset, la relation (2) ci-dessus se simplifie sous la forme suivante : X IP - 100 1C 5 On constate donc que le fait d'utiliser le même matériau pour le creuset et la pièce 12 simplifie les calculs et évite d'avoir à déterminer les paramètres yc, yp, fc et fp. Connaissant la valeur de x pour chaque fraction fs du lingot et la surface de contact 10 Ec entre le creuset et le bain, la surface de contact Ep entre la pièce en anneau et le bain peut être calculée en utilisant la relation (2') (ou (2) lorsque les matériaux du creuset et de la pièce sont différents). La surface de contact Ec entre le creuset et le bain dépend logiquement de la géométrie de creuset et du volume de la charge fondue de silicium. 15 La surface de contact El) entre la pièce 12 et le bain est une fonction de la profondeur h, qui peut être déterminée en prenant en compte la géométrie de la pièce. Par exemple, dans le cas de la pièce 12 représentée sur la figure 2, la surface de contact El) (h) vaut : 20 Ep (h) = 47cR1h -1 + f R1 - R2 2 ,i. H ) où Ri est le diamètre moyen de l'anneau, R2 est le diamètre intérieur de l'anneau et H la hauteur totale de la pièce en forme d'anneau. Cette formule mathématique permet de déterminer la profondeur h(fs) correspondant 25 à la cristallisation d'une fraction fs du lingot, à partir de la surface de contact Ep(fs) précédemment calculée pour cette fraction. (2') 3045073 16 En injectant la formule de Zp(h) ci-dessus dans la relation (2') (ou (2) lorsque les matériaux du creuset et de la pièce sont différents), on obtient directement la fonction h(fs) : x h(fs) 100 4n-R1 - .11 + (R1 - R22 H l 1c (fs) (3) 5 On s'affranchit ainsi du calcul de la surface de contact Ep entre la pièce 12 et le bain pour déterminer la profondeur h(fs). Les figures 4 à 7 représentent un exemple de mise en oeuvre des étapes pour déterminer la profondeur h à laquelle plonger la pièce de la figure 2 lors de la 10 cristallisation d'un lingot A enrichi en oxygène. Dans cet exemple, le lingot A est tiré selon la méthode Czochralski en utilisant un creuset de 50 cm de diamètre (intérieur) et une charge de silicium de 60 kg environ. La figure 4 montre une courbe 40 de la concentration en oxygène de base [Oi]s le 15 long du lingot A enrichi en oxygène, c'est-à-dire la concentration en oxygène de base [Oi]s pour différentes fractions fs du lingot A. La concentration en oxygène de base [Oi]s est, de préférence, déterminée en cristallisant un lingot de référence B, puis en mesurant la concentration en oxygène [Oi] le long de ce lingot de référence. Le lingot de référence B est cristallisé dans les mêmes conditions que le lingot A 20 enrichi en oxygène, sauf qu'aucune pièce 12 n'est introduite dans le bain de silicium en fusion. Le creuset, la charge de silicium et les paramètres de tirage utilisés pour cristalliser le lingot de référence B sont identiques à ceux utilisés pour cristalliser le lingot A. La concentration en oxygène [Oi] peut être mesurée par spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier appliquée à l'échelle du lingot entier (« Wholerod 25 FTIR » en anglais). Ainsi, en seulement deux opérations, respectivement de tirage et de mesure, on détermine la concentration en oxygène de base de tous les lingots qui seront cristallisés en suivant la même recette de tirage. Le procédé de fabrication selon 30 l'invention ne demande donc pas une expérimentation longue et coûteuse pour être 3045073 17 mise en oeuvre, à la différence de certains procédés de l'art antérieur. La courbe 40 de la figure 4 peut être appelée « profil longitudinal » de la concentration en oxygène de base [Oi]s, en référence au fait que les mesures de la 5 concentration en oxygène sont réparties sur l'axe longitudinal du lingot de référence B. Sur la figure 4, on a également représenté le profil longitudinal 41 de la concentration en oxygène « cible » [Oi]tg(fs) visée pour le lingot A. La figure 5 représente, en fonction de la fraction fs du lingot, le pourcentage x de la 10 concentration en oxygène de base [Oi]s nécessaire pour atteindre le profil cible 41 de la concentration en oxygène [Oi]tg(fs) du lingot A. Le pourcentage x est calculé à partir de la différence entre les profils [Oi]tg(fs) et [Oi]s(fs) de la figure 4, d'après la formule suivante : x(f,) = 100 [On s (f,) 15 La figure 6 représente les variations de la surface de contact Ec entre le creuset et le bain de silicium au cours de la cristallisation du lingot A, compte tenu du diamètre du creuset (50 cm) et de la masse de silicium utilisée (60 kg). 20 Enfin, la profondeur h de la pièce riche en oxygène est calculée pour chaque fraction du lingot A en utilisant la relation (4) ci-dessus, à partir des valeurs de x et de Ec représentées sur les figures 5 et 6 respectivement. La pièce présente dans cet exemple une hauteur totale H égale à 11 cm, un diamètre moyen Ri égal à 21,5 cm et un diamètre intérieur R2 égal à 18 cm. 25 La figure 7 représente le résultat du calcul de la profondeur h. Grâce au procédé de fabrication qui vient d'être décrit, il donc possible d'obtenir un lingot en silicium cristallin ayant une concentration en oxygène selon un profil 30 particulier. A titre d'exemple, on peut souhaiter uniformiser la concentration en oxygène dans le lingot (soit un profil [Oi]tg(fs) constant) ou, comme cela est [on tg (f,) - [oi], (fs) 3045073 18 représenté sur la figure 4, disposer d'une concentration en oxygène particulièrement élevée en tête de lingot (fs REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un lingot (14) en matériau semi-conducteur comprenant les étapes suivantes : - préparer un bain (10) de matériau semi-conducteur en fusion dans un creuset (11) ayant un axe de symétrie (z) ; - tremper un germe (13) dans le bain de matériau semi-conducteur en fusion ; - cristalliser le lingot (14) à partir du bain de matériau semi-conducteur en fusion, en tirant le germe dans une direction colinéaire à l'axe de symétrie (z) du creuset (11) ; et, pendant l'étape de cristallisation du lingot, l'opération suivante : o plonger dans le bain (10) de matériau semi-conducteur en fusion au moins une partie d'une pièce (12) constituée d'un matériau contenant de l'oxygène, la pièce comprenant au moins un segment d'un anneau, d'axe colinéaire à l'axe de symétrie (z) du creuset (11) ; procédé caractérisé en ce que ladite au moins une partie de la pièce (12) plongée dans le bain (10) de matériau semi-conducteur en fusion présente une hauteur (h) qui varie au cours de la cristallisation du lingot (14), de façon à atteindre une concentration en oxygène cible ([0i]tg) dans chaque fraction du lingot. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'anneau a un diamètre intérieur compris entre 70 % et 95 % du diamètre intérieur du creuset (11). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la pièce (12) comprend une pluralité de segments d'anneau disposés de façon annulaire autour du lingot (14). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la pièce (12) est formée d'un anneau entier. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la section de la pièce (12) présente une pointe (20) dirigée vers le fond du creuset (11) selon une direction (21) parallèle à l'axe de symétrie (z) du creuset. 3045073 20 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre les étapes suivantes : déterminer une relation donnant la surface de contact (Ep) entre la pièce (12) 5 et le bain (10) de matériau semi-conducteur en fusion en fonction de la profondeur (h) à laquelle la pièce (12) est plongée dans le bain ; calculer, pour chaque fraction (fs) du lingot (14), un incrément (x) de concentration en oxygène à apporter pour atteindre la concentration en oxygène cible ([0i]tg), compte tenu de la concentration en oxygène de base 10 ([Oi]s) du lingot ; et déterminer une profondeur (h) à laquelle plonger la pièce (12) lors de la cristallisation de chaque fraction du lingot (14), à partir de l'incrément (x) de concentration en oxygène correspondant à ladite fraction, de la relation donnant la surface de contact (Ep) et de la surface de contact (E,) entre le 15 creuset (11) et le bain (10) de matériau semi-conducteur en fusion. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la concentration en oxygène de base ([Oi]s) du lingot (14) est déterminée en cristallisant un lingot de référence (B) et en mesurant la concentration en oxygène [0i] le long du lingot de référence (B). 20 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le creuset (11) et la pièce (12) sont entrainés en rotation pendant l'étape de cristallisation, dans un même sens de rotation et à une même vitesse de rotation. 25 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le creuset (11) et la pièce (12) sont constitués du même matériau contenant de l'oxygène. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le matériau contenant de l'oxygène est le quartz ou la silice. 30 11. Four de cristallisation d'un lingot (14) en matériau semi-conducteur comprenant : - un creuset (11) ayant un axe de symétrie (z) et destiné à contenir un bain (10) de matériau semi-conducteur en fusion ; et 3045073 21 - un système de tirage (36) du lingot à partir du bain de matériau semiconducteur en fusion, dans une direction colinéaire à l'axe de symétrie (z) du creuset (11) ; caractérisé en ce qu'il comporte une pièce (12) constituée d'un matériau contenant 5 de l'oxygène, ladite pièce (12) comprenant au moins un segment d'un anneau, d'axe colinéaire à l'axe de symétrie (z) du creuset (11), et en ce que le creuset (11) et la pièce (12) sont montés de façon à pouvoir exécuter un mouvement relatif de translation parallèlement à l'axe de symétrie (z) du creuset. 10 12. Four selon la revendication 11, dans lequel la pièce (12) est montée mobile en translation parallèlement à l'axe de symétrie (z) du creuset (11). 13. Four selon l'une des revendications 11 et 12, dans lequel la pièce (12) est montée en rotation autour de l'axe de symétrie (z) du creuset (11). 14. Four selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, comprenant en outre un bouclier thermique (38) disposé autour de l'axe de symétrie (z) du creuset (11) et monté mobile en translation parallèlement à l'axe de symétrie du creuset au moyen d'un système de translation. 15. Four selon la revendication 14, dans lequel la pièce (12) est fixée sur le système de translation de l'écran thermique (38). 15 20