PROCESS FOR THE NON-POLLUTING PRODUCTION OF SOLID SILICON FROM FINELY DIVIDED SILICON

Abstract: 1. Non contaminating process for the manufacture of massive silicon from divided silicon, characterized in that : silicon in divided form is introduced into a crucible the silicon is heated with a plasma until it melts, the extent of the molten zone being controlled to retain a thickness of unmelted silicon in contact with the crucible heating is stopped, cooling is allowed to take place and the block of massive silicon produced is then recovered.

Description: PROCEDE DE FABRICATION NON POLLUANT DE SILICIUM MASSIF A PARTIR DE SILICIUM DIVISE La présente invention concerne un procédé de fabrication non polluant de silicium massif à partir de silicium divisé. Elle a trait plus particulièrement à la tabricatiân de silicium massif à partir de silicium en poudre ou en copeaux. Le silicium est un matériau très utilise dans l'industrie électronique des semi-conducteurs. Dans la fabrication des tranches de silicium, une partie importante du matériau est perdue sous forme de copeaux lors du sciage du barreau ; il existe par ailleurs, des procédés de production de silicium comme celui décrit dans la demande européenne EP 010cl268 au nom de la Demanderesse qui conduisent à ltobtention de silicium en poudre. I1 serait intéressant de disposer d'un procédé de fusion non polluante du silicium divisé provenant notamment de ces sources, afin de pouvoir utiliser ou réutiliser le silicium massif obtenu en ayant conservé la pureté du silicium divisé de départ : ceci constitue un besoin auquel se propose de répondre la présente invention. I1 est connu de tondre du silicium dans des creusets en graphite chautfés par les parois. Cette fusion est trés polluante car il y a formation de carbure de silicium trés gënant. I1 a été proposé dans la demande internationale PCT WO 84/00156 de fondre le silicium dans un creuset en graphite et de se servir de la couche de carbure de silicium comme revêtement protecteur. Cette solution n'est toutefois que partielle car il se produit quand même une pollution du silicium fondu au cours de l'opération. Il est également connu de tondre le silicium dans des creusets en quartz chauffés par les parois par exemple tel que décrit dans la demande européenne EP 55310. Dans ce cas, il se produit une perte importante de matière due à l'adhésion du silicium sur le quartz. Par ailleurs, ce procédé se révéle peu économique car il faut généralement changer le creuset en quartz très pur apurés peu d'opérations. On doit ajouter que ces procédés de fusion sont décrits pour la fusion de silicium à l'état massique ou semi-massique aucun d'eux n' ayant posé le problème de la fusion non polluante de silicium en poudre en particulier. Ainsi, jusqu'S présent, ni les procédés de fusion, ni les dispositifs de chauffage, ni le silicium de départ n'étaient adaptés pour répondre au besoin que vise à combler la présente ir.vention. En effet, un des buts que se propose la présente invention est de fournir un procédé non polluant pour la fusion de silicium à l'état divisé, ce procédé étant simple et otune mise en oeuvre oiLee. Ce but est atteint, selon l'invention, par l'utilisation comme v ven de chauttage permettant d'obtenir la fusion de silicium divise, d un jet de plasma ultra pur et par la réalisation d'une épaisseur de silicium non tondu au contact du creuset3 grâce au contrÏle de la zone tondue par le plasma. La présente invention concerne en effet un procédé de tabrica- tion non polluant de silicium massif à partir de silicium divisé, caracterisé en ce que - on introduit le silicium sous forme divisée dans un creuset - on chauffe le silicium par un plasma jusqu'à Sa fusion en contrôlant ltétendue de la zone fondue pour conserver une épaisseur de silicium non tondu au contact du creuset - on arrête le chauffage et on laisse refroidir puis on récupère le bloc de silicium massif obtenu. Selon le procédé de l'invention, le silicium est mis en oeuvre sous forme divisee : poudre, granulés, copeaux, etc... Le procédé peut être utilisé pour du silicium de qualité métallurgique, mais il prend davantage d'intérêt lorsque le silicium est pur et qu'il doit etre fondu en conservant une haute pureté. Selon le procédé de l'invention, la chaleur nécessaire à la fusion du silicium est apportée par un jet de plasma ultra-pur par exemple un plasma dont le gaz plasmagène est l'argon, produit de préférence par induction. Les plasmas inductifs ont une vitesse de gaz taible en sortie de torche, ce qui rend leur utilisation selon l'invention plus aisée que les plasmas d'arc car on peut approcher la sortie d'une torche inductive plus près drun creuset contenant par exemple de la poudre sans risquer Irenvolement de la poudre. Par ailleurs, ils permettent d'éviter tout risque de pollution par des électrodes. Comme générateur de plasma inductif, on peut, par exemple, mettre en oeuvre selon l'invention le dispositif décrit dans le brevet français nO 2 438 499. On contrôle l'étendue de la zone fondue par le temps de traitement sur une zone d'impact donnée, la zone d'impact du plasma correspondant à la section du plasma ; le temps de traitement est en particulier tonction de la puissance du plasma, du débit du gaz plasmagène, de la granulométrie du silicium divisé et de la distance du creuset par rapport à la sortie de la torche à plasma. On peut ainsi conserver une épaisseur de silicium non fondu au contact du creuset. Cette pellicule de silicium divisé conduit mal la chaleur ; elle diminue donc les pertes calorifiques et empeche la diffusion des impuretés provenant des parois du creuset dans le silicium fondu en limitant la température du creuset. L'épaisseur de cette pellicule de silicium divisé est généralement comprise entre lmm et 20mm. Lorsque l'on a opéré la fusion du silicium dans la zone désirée, on arrëte le chauffage, on laisse refroidir puis on récupère le bloc de silicium massif obtenu dont la pureté est identique a celle du silicium divisé de départ. Le procédé selon l'invention va maintenant être décrit en faisant référence a une mise en oeuvre dans un dispositif tel que celui présenté à la figure 1. Le creuset (1) contenant le silicium divise (ó) peut ëtre déplacé horizontalement par rapport à la torche a plasma (7) de façon à agrandir la zone d'impact du plasma et à traiter ainsi une grande quantité de produit. Le creuset peut également être déplacé verticalement. Ceci permet, par exemple, de préchauffer le silicium divise i une certaine distance de la sortie de torche, là où les gaz chauds ont perdu de la vitesse, et on évite ainsi l'envolement de poudre qui peut apparaitre sur la poudre trés fine à température ambiante. Dès que la poudre a depassé une certaine température, dépendant de la pureté du silicium, elle devient plus cohésive et on peut alors rapprocher le creuset de la sortie de la torche à plasma et profiter ainsi des hautes températures. L'enceinte (2) entourant le creuset peut être purgée de l'air qu'elle contient et maintenue, sous atmosphère d'argon, pour éviter les réactions du silicium avec l'oxygène et l'azote de l'air. Le gaz plasmagène lui-méme a un effet d'inertage qui protège la zone d impact du plasma. Le plasma est produit par induction d'un courant haute fréquence produit par le générateur et circulant dans les spires (3) cul entourent un tube de quartz (4) dans lequel est injecté le gaz plasmagène (). Le tube de quartz, et donc le plasma, sont dirigés vers le bas, verticalement ou selon un axe faisant un angle avec la verticale. Le temps pendant lequel on laisse agir le plasma sans déplacer le creuset, détermine la profondeur de la zone fondue. Ce temps est à régler suivant les besoins en fonction de la puissance du plasma, 'du débit argon plasmagène, de la granulométrie du silicium divisé et de a distance du creuset par rapport à la sortie de la torche à plasma. Ud déplace le creuset un nombre de fois et dans les directions ,écessaires à la fusion du silicium pour obtenir un bloc de la forse souhaitée : barreau, cube, plaque etc...tout en conservant une épaisseur de silicium non tondu au contact des parois du creuset. Après arrêt du plasma, ou simplement éloignement du creuset du plasma, or laisse le creuset retroidir sous atmosphére inertes d'argon par exemple, puis on démoule le bloc de silicium massif obtenu. EWLE Le plasma est obtenu dans un tube de quartz de diamètre 44 mm, avec une puissance de 12 kW et un débit d'argon de 15 Nljmn addi tion-e de 0,5 Nl/wn d'hydrogène, à pression atmosphèrique. L'addition d'hydrogène (8) est destinée à augmenter la température du plasma et sa puissance calorifique, mais n'est pas obligatoire. Environ 10 grasses de silicium en poudre de granulométrie intérieure à 40 pu sont placés dans un creuset cylindrique en quartz de Z,) cm de diamètre. En 20 à 30 mn, la poudre est fondue sur une épaisseur de 5 mm en plaçant le creuset à une distance de 0,5 à 1 cm de la sortie du tube de quartz. On recueille après retroidissement sous atmosphère d'argon en bloc de silicium massif dont la pureté est quasiment identique à celle de la poudre de départ comme le prouve le tableau ci-après dans lequel les teneurs sont indiquées en ppm par rapport à Si en poids (les signes 4 ou < représentant les limites de détections). IMPURETES IMPURETES DANS IMPURETES DANS LE BLOC SILICIUM EN POUDRE DE SILICIUM MASSIF Mo # 0,05 4 0,05 W < 0,5 < 0,5 Zn #0,05 # 0,05 Ni 0,07 0,07 Bi < 0,5 < 0,5 Co 4 0,05 # 0,05 In < 0,5 < 0,5 Ta < 0,5 < 0,5 Mn < 0,05 < 0,05 Fe 0,35 0,30 Cr 0,06 0,04 Mg 0,10 0,07 V # 0,05 # 0,05 Ga < 0,5 ( 0,5 Cu < 0,05 < 0,05 Ti < 0,05 < 0,05 Ca 0,51 0,40 Al 0,20 0,20 Na 0,26 0,20 Li < 0,05 < 0,05

Claims: REVENDICATIONS I. Procédé de fabrication non polluant de silicium massif à partir de silicium divisé, caractérisé en ce que - on introduit le silicium sous forme divisée dans un creuset - on chauffe le silicium par un plasma jusqu' la fusion en controlant l'étendue de la zone fondue pour conserver une épaisseur de silicium non tondu au contact du creuset - on arrete le chauffage et on laisse refroidir puis on récupère le bloc de silicium massif obtenu. 2. Procédé salon la revendication 1 caractérisé en ce que le plasma est un plasma inductif dont le gaz plasmagène est de préférence l'argon. 3. Procéde selon la revendication 1 caractérisé en ce que le controle de l'étendue de la zone fondue est eftectué en contrôlant le temps de traitement sur une zone d'impact donnée, ledit temps de traitement étant tonction de la puissance du plasma, du débit du gaz plasmagène, de la granulooeétrie du silicium divisé et de la distance du creuset par rapport au plasma. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épaisseur de silicium non fondu au contact du creuset est comprise entre iii et 2t)-i.

Inventors: JACUBERT, SERGE, TUGAYE, ANNE, VERDIER, JEAN-MICHEL
Applicants: RHONE-POULENC SPECIALITES CHIMIQUES
Application year: 1985
Main classification: C01B33
IPC codes: C01B33, B01J6, C22B9