CH619007A5 - Process and device for the manufacture of preformed single crystals with multiple doping - Google Patents

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la fabrication de monocristaux préformés à dopage multi- 5U pie par la méthode de la goutte pendante.

Le brevet suisse n° 612 596 de la titulaire couvre un procédé de fabrication en continu d'un monocristal de forme prédéterminée consistant à:

(a) placer de la matière servant à fabriquer le monocristal 55 dans un creuset comportant à sa partie inférieure un orifice capillaire ayant une hauteur supérieur ou égale à la hauteur de rétention dans ledit capillaire de ladite matière fondue, à la température et à la pression considérées,

(b) porter ladite matière à une température supérieure à son (l0 point de fusion,

(c) amener un germe cristallin préformé convenablement orienté au contact de la goutte pendante formée à la partie inférieure dudit orifice capillaire,

(d) tirer le germe vers le bas tout en alimentant ladite <,5 matière dans le creuset, de façon à ce que la quantité de matière alimentée par unité de temps soit à tout instant sensiblement égale à la quantité de matière tirée sous forme de monocristal.

(e) enlever à intervalles de temps choisis le monocristal formé,

ainsi qu'un dispositif permettant la fabrication en continu de monocristaux de forme prédéterminée comprenant:

(a) un creuset comportant à sa partie inférieure un orifice capillaire ayant une hauteur supérieure ou égale à la hauteur de rétention dans ledit capillaire de la matière fondue servant à fabriquer le monocristal à la température et à la pression considérées,

(b) un dispositif de chauffage entourant ledit creuset,

(c) un système d'alimentation de la matière servant à fabriquer le monocristal, placé au-dessus dudit creuset,

(d) une enceinte munie d'un dispositif permettant son refroidissement entourant ledit creuset et ledit système d'alimentation et comportant un orifice inférieur permettant le passage du monocristal fabriqué, des orifices permettant la circulation d'un gaz constituant l'atmosphère de travail, et des orifices permettant le passage au système de chauffage,

(e) un système porte germe supportant le germe de monocristal préformé,

(f) un système permettant le déplacement dudit porte germe vers le haut et vers le bas et sa rotation sur lui-même,

(g) un système de régulation reliant la vitesse de traction du monocristal formé à la vitesse d'alimentation de la matière servant à fabriquer le monocristal.

Si la composition de la matière alimentée reste identique en cours de la fabrication on obtient un monocristal ayant une composition identique sur toute sa longueur.

Un objet de la présente invention est d'obtenir des monocristaux ayant une composition différente sur leur longueur.

Selon la présente invention, on fait varier en cours de fabrication la composition de la matière servant à fabriquer le monocristal.

Cette variation de la composition de la matière servant à fabriquer le monocristal est obtenue selon l'invention avec un système d'alimentation multiple comprenant deux ou plusieurs réservoirs alimentant simultanément ou successivement le creuset.

Le procédé de la présente invention consiste donc à:

(a) placer de la matière servant à fabriquer le monocristal, dont la composition varie de façon prédéterminée et réglable, dans un creuset comportant à sa partie inférieure un orifice capillaire ayant une hauteur supérieure ou égale à la hauteur de rétention dans ledite matière fondue, à la température et à la pression considérées,

(b) porter ladite matière à une température supérieure à son point de fusion,

(c) amener un germe cristallin préformé convenablement orienté au contact de la goutte pendante formée à la partie inférieure dudit orifice capillaire,

(d) tirer le germe vers le bas tout en alimentant ladite matière dans le creuset, de façon à ce que la quantité de matière alimentée par unité de temps soit à tout instant sensiblement égale à la quantié de matière tirée sous forme de monocristal,

(e) enlever à intervalles de temps choisis le monocristal formé.

La matière servant à fabriquer le monocristal est alimentée de préférence sous forme de poudre ou de petites billes.

On travaille sous un atmosphère appropriée dépendant de la nature chimique du cristal et du matériau constituant la creuset. On peut travailler par exemple sous azote, sous argon exempt d'oxygène ou bien à l'air.

La pression de travail peut être la pression atmosphérique ou une pression plus réduite. On peut si nécessaire travailler sous un vide pouvant atteindre 10~3 mm Hg.

La température à laquelle on porte la matière servant à fabriquer le monocristal doit être suffisamment supérieure au

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point de fusion de ladite matière pour que cette dernière soit bien fondue.

La vitesse de traction du germe vers le bas est habituellement comprise entre 10 et 500 mm/h

Le dispositif de la présente invention comprend: s

(a) un creuset comportant à sa partie inférieure un orifice capillaire ayant une hauteur supérieure ou égale à la hauteur de rétention dans ledit capillaire de la matière fondue servant à fabriquer le monocristal à la température et à la pression considérées, m

(b) un dispositif de chauffage entourant ledit creuset,

(c) un système d'alimentation multiple de la matière servant à fabriquer le monocristal, placé au-dessus dudit creuset et comprenant au moins deux réservoirs indépendants,

(d) une enceinte munie d'un dispositif permettant son i -■ refroidissement entourant ledit creuset et ledit système d'alimentation et comportant un orifice inférieur permettant le passage du monocristal fabriqué, des orifices permettant la circulation d'un gaz constituant l'atmosphère de travail, et des orifices permettant le passage au système de chauffage, ;u

(e) un système porte germe supportant le germe de monocristal préformé,

(f) un système permettant le déplacement dudit porte germe vers le haut et vers le bas et sa rotation sur lui-même,

(g) un système de régulation reliant la vitesse de traction du 25 monocristal formé à la vitesse d'alimentation de la matière servant à fabriquer le monocristal.

Le creuset est constitué d'un matériau chimiquement inerte vis-à-vis de la matière servant à fabriquer le monocristal à la température de travail. m

L'enceinte est constituée par tout matériau approprié, par exemple en quartz. Elle peut également être métallique. L'enceinte doit être refroidie dans certains cas, notamment pour la fabrication de monocristaux d'alumine et de silicium. Le refroidissement peut être effectué par tout moyen convenable, par *■* exemple l'enceinte peut être munie d'une chemise dans laquelle on fait circuler de l'eau de refroidissement.

La section de l'orifice capillaire a une forme adaptée à la forme désiré de la section du monocristal, elle est par exemple circulaire pour un monocristal sous forme de fil et rectangulaire 4« pour un monocristal sous forme de plaque.

Le système de chauffage est constitué par tout dispositif adéquat, par exemple un appareil de chauffage à résistance ou bien un appareil de chauffage à induction haute fréquence doté de spires adaptées à la forme et au matériau du creuset, travail- 45 lant à 20 à 500 KHz pour assurer le couplage avec les matériaux de creuset et développant jusqu'à 50 Kw.

Le système d'alimentation multiple permet d'obtenir au bas du capillaire un liquide de composition variable et réglable à 50 volonté.

Il faut noter que la faible quantité de matière fondue mise en jeu : quelques cm3, permet d'obtenir un changement net du dopage du cristal fabriqué correspondant à la variation de la composition. 53

On peut donc obtenir ainsi des monocristaux avec des dopages ou des compositions différentes sur leur longueur. Par exemple, on peut obtenir un cristal de silicium en bande de type N sur une partie de sa longueur, puis de type P simplement en ayant deux réservoirs chacun rempli des poudres de silicium (l(, dopées convenablement pour donner, l'une du silicium P, l'autre du silicium N.

On peut obtenir également un cristal à dopage variant sur toute sa longueur selon un programme déterminé à l'avance.

Par exemple, on peut obtenir un rubis pour laser avec un ,,5 dopage en chrome augmentant progressivement et linéairement depuis le début, de la partie cristallisée jusqu'à l'extrémité déterminée par l'arrêt de la cristallisation.

On installe un premier système d'alimentation en poudre A1203 dopée en Cr203 de telle façon que l'on obtienne 200 ppm en poids de Cr par rapport à A1203 dans le cristal. On installe un second système d'alimentation en poudre A1203 beaucoup plus fortement dopée en Cr203.

Durant la cristallisation, le programme des deux alimentations est agencé pour les opérations suivantes:

- on démarre avec la première alimentation. Le début du cristal contient 200 ppm Cr/Al203,

- progressivement, on met en fonctionnement la seconde alimentation pour que la teneur en chrome augmente linéairement. On prend soin que la quantité globale de poudre A1203 amenée dans le creuset reste constante, c'est-à-dire qu'on diminue le débit de la première autant que l'on augmente le débit de la seconde,

- on arrive à la fin de la cristallisation à obtenir un cristal contenant par exemple 1000 ppm de Cr/Al203.

On peut obtenir le même résultat avec deux alimentations, l'une chargée en poudre A1203 pure, l'autre en poudre Al203-Cr203 et en programmant leur mélange d'une façon appropriée.

La présente invention qui permet l'obtention de propriétés chimiques et/ou physiques variables sur un même support monocristallin, sans jonction physique d'aucune sorte, trouve de nombreuses applications, notamment en électronique.

Les exemples suivants illustrent l'invention.

Exemple 1

Fabrication d'un monocristal en saphir et en rubis

Le creuset est en iridium, de volume total 20 cm3, percé dans sa partie inférieure d'un conduit capillaire de section rectangulaire 1X15 mm. Le creuset est enfermé dans une enceinte balayée par un courant d'argon sans oxygène. Grâce à un premier réservoir distributeur on alimente le creuset par des billes d'alumine pure monocristallines de diamètre 0,05 à 0,1 mm, ou par une poudre d'alumine a pure de 5 à 50p. de diamètre. On porte le creuset à une température de 2075 ± 10° C (point de fusion de l'alumine a=2050° C) à l'aide d'un générateur haute fréquence travaillant à 20 KHz et développant en permanence une puissance de 20 Kw. Une fois la goutte formée à la partie inférieure du conduit capillaire, on met en contact avec elle une plaque mince monocristalline préalablement orientée de dimensions 1X15 mm, qui sert de germe et, une fois la goutte collée à ce germe, on commence à tirer le germe vers le bas à la vitesse de 30 mm/heure. On alimente en même temps le creuset en alumine à la vitesse de 18 g/h. Après 10 minutes de tirage, on obtient une plaque mince de saphir, d'environ 1X15 mm en une section rectangulaire et de 50 mm de longueur.

A ce moment là, on arrête l'alimentation en alumine pure et, simultanément, on alimente le creuset par un second réservoir distributeur qui contient de la poudre d'alumine a dopé avec 500 parties par million de chrome par rapport au poids d'alumine. On continue à tirer la plaque à la même vitesse et au bout de 10 minutes, la plaque a une longueur totale de 100 mm.

Cette plaque est transparent, monocristalline, avec la première partie incolore et la seconde rose, avec une zone de séparation des 2 parties de quelques milimètres qui passe progressivement de l'incolore au rose.

Exemple 2

Fabrication d'un monocristal en Si de type N et P

Le creuset est en carbure de silicium fritté, de volume total 20 cm3 avec un conduit capillaire de section rectangulaire 1X15 mm. Le creuset, avec le système d'alimentation, est contenu dans une enceinte en quartz balayé par un courant d'argon sans oxygène. On alimente le creuset en poudre de silicium de haute pureté dopé en bore, de granulométrie 0,1 à 1 mm et on porte à

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une température de 1500° C ± 10° C (point de fusion de Si: 470° C) grâce à un générateur haute fréquence travaillant à 300 KHz et développant en permanence une puissance de 10 Kw. On met au contact de la goutte qui s'est formée à l'extrémité inférieure du conduit capillaire une plaque de silicum orientée qui sert de germe de dimensions 1X15 mm, et on colle la goutte à ce germe. On commence à tirer le germe vers le bas à la vitesse de 50 cm/heure et, en même temps,.on alimente le creuset à la vitesse moyenne de 19 g/h en poudre de silicium. Après 10 minutes de tirage, on obtient une plaque de silicium de section 1X15 mm environ et de longueur de 75 mm environ.

A ce moment là, on arrête l'alimentation en poudre de silicium dopée en bore et, simultanément, on alimente le creuset par un second réservoir distributeur qui contient de la poudre de silicium dopée au phosphore. On continue à tirer la plaque à la , même vitesse et au bout de 10 minutes, la plaque atteint une longueur totale de 150 mm. Cette plaque est monocristalline avec une première partie dopée au bore (type P) et une seconde partie dopée au phosphore (type N). La zone de séparation des deux parties est de quelques mm pendant lesquels on passe du m dopage au bore au dopage au phosphore.

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Claims (2)

619 007 2 REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication en continu d'un monocristal préformé à dopage multiple, caractérisé en ce qu'il consiste à:

(a) placer de la matière servant à fabriquer le monocristal,

dont la composition varie de façon prédéterminée et est réglable 5 au cours du processus, dans un creuset comportant à sa partie inférieure un orifice capillaire ayant une hauteur supérieur ou égale à la hauteur de rétention dans ledit capillaire de ladite matière fondue, à la température et à la pression considérées,

(b) porter ladite matière à une température supérieure à son m point de fusion,

(c) amener un germe cristallin préformé convenablement orienté au contact de la goutte pendante formée à la partie inférieure dudit orifice capillaire.

(d) tirer le germe vers le bas tout en alimentant ladite 15 matière dans le creuset, de façon à ce que la quantité de matière alimentée par unité de temps soit à tout instant sensiblement égale à la quantité de matière tirée sous forme de monocristal,

(e) enlever à intervalles de temps choisis le monocristal formé.

2. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend:

(a) un creuset comportant à sa partie inférieure un orifice capillaire ayant une hauteur supérieure ou égale à la hauteur de rétention dans ledit capillaire de la matière fondue servant à 25 fabriquer le monocristal à la température et à la pression considérées,

(b) un dispositif de chauffage entourant ledit creuset,

(c) un système d'alimentation multiple de la matière servant

à fabriquer le monocristal, placé au-dessus dudit creuset et 3» comprenant au moins deux réservoirs indépendants,

(d) une enceinte munie d'un dispositif permettant son refroidissement entourant ledit creuset et ledit système d'alimentation et comportant un orifice inférieur permettant le passage du monocristal fabriqué, des orifices permettant la 15 circulation d'un gaz constituant l'atmosphère de travail, et des orifices permettant le passage au système de chauffage,

(e) un système porte germe supportant le germe de monocristal préformé,

(f) un système permettant le déplacement dudit porte germe 40 vers le haut et vers le bas et sa rotation sur lui-même,

(g) un système de régulation reliant la vitesse de traction du monocristal formé à la vitesse d'alimentation de la matière servant à fabriquer le monocristal.