FR2570088A1 - Appareil et procede pour faire croitre horizontalement, sans creuset, des cristaux de silicium en feuille - Google Patents
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Abstract
APPAREIL POUR LA CROISSANCE SANS CREUSET D'UN CRISTAL DE SILICIUM EN FEUILLE 50. L'APPAREIL COMPREND UNE CHAMBRE FERMEE C POUR UTILISER UN ESPACE PRATIQUEMENT FERME AYANT UNE ATMOSPHERE INERTE, UN DISPOSITIF DE CHAUFFAGE H POUR FORMER EN CONTINU DU SILICIUM FONDU A PARTIR D'UNE SOURCE 10 DE SILICIUM PRATIQUEMENT PUR DANS CET ESPACE, UN TRANSPORTEUR 36 POUR AMENER VERTICALEMENT LA SOURCE DE SILICIUM 10 VERS LE DISPOSITIF DE CHAUFFAGE 50 POUR FORMER UNE COUCHE FONDUE DE SILICIUM AU SOMMET DE LA SOURCE 10, ET DES EXTRUDEUSES 70, 72, 74 ET 76. IL SE FORME UNE FEUILLE DE CRISTAL DE SILICIUM PRATIQUEMENT EXEMPTE DE DEFAUTS, QUI PEUT ETRE UTILISEE POUR DES MICRO-PLAQUETTES DE MICRO-CIRCUITS OU DES CELLULES SOLAIRES.
Description
APPAREIL ET PROCEDE POUR FAIRE CROITRE HORIZONTALEMENT,
SANS CREUSET, DES CRISTAUX DE SILICIUM EN FEUILLE.
La présente invention concerne un appareil et un procédé pour la croissance continue d'un cristal de silicium en feuille destiné à L'utitisation dans la fabrication de micro-plaquettes dans des circuits de calculateurs, des cellules solaires et autres dispositifs. Le procédé général utilisé pour former un cristal de silicium en feuille consiste à fondre une source de silicium dans un creuset et à tirer la feuille de silicium de la source fondue qui est refroidie et solidifiée. Pour que la croissance de la feuille soit rapide, l'interface solide-liquide doit avoir une surface nettement plus élevée que la section transversale de la feuille. La chaleur de fusion est libérée sur une grande surface et peut être aisément éliminée par rayonnement, convexion ou conduction. Les procédés de croissance de feuilles rapides actuellement disponibles comprennent la croissance par développement d'un ruban horizontal ou la croissance de feuilles de silicium sous un petit angle. Ces procédés consistent à maintenir la masse fondue de silicium dans
un creuset de quartz et à faire croître le ruban latérale-
menrt (à moins d'environ 10 par rapport à l'horizontal)
à partir de la surface de la masse fondue. Des modifica-
teurs thermiques passifs, tels que des râcloirs et des patins froids à gaz inerte, sont utilisés pour essayer de régler l'environnement thermique de la feuille. Les difficultés avec ces techniques et qu'une morphologie de croissance dendritique dégradent la qualité du ruban,
conduisant à un déchet considérable.
D'autres procédés de croissance rapide des feuilles comprennent la couléerotation du liquide sur des surfaces de disques horizontaux ou de roues cylindriques tournant rapidement. Aucun de ces procédés ne s'est révélé entièrement satisfaisant pour la création de cristaux de siLicium en feuilles uniformes qui puissent être utilisées comme substrat pour des micro-plaquettes de calculateur
ou de ceLLuLes-solaires.
Pour réaliser les buts qui précèdent ainsi que d'autres, et conformément aux buts de La présente invention, telle qu'elle est réalisée et décrite dans ces grandes lignes du présent mémoire, l'appareil de l'invention comprend un procédé industriel économique pour former
un cristal de silicium en feuilles continues.
Un autre but général de l'invention est de former un cristal de silicium en feuilles continues pratiquement
exempt de défauts.
Un autre but général est de former le cristal de silicium en feuilles continues au moyen d'un procédé sans creuset. Un but plus particulier de l'invention est de former un cristal de silicium en feuilles continues à
partir d'une baguette de silicium.
Un autre but plus particulier de l'invention est de former un cristal de silicium en feuilles continues
en utilisant une bobine de fréquence radio (RF) pour -
chauffer au moins une partie de l'extrémité de la baguette à l'état fondu dans une atmosphère inerte, tandis qu'on fait tourner la baguette et on l'a fait avancer vers la bobine RF. La feuille de silicium est en même temps tirée du silicium fondu à mesure qu'il est refroidi pour former
la feuille continue.
D'autres buts, avantages et caractéristiques nouveaux de l'invention, seront exposés pour une part
dans la description ci-après, et apparaitront pour une
autre part aux spécialistes à l'examen de ce qui suit
ou pourront être appris par la pratique de l'invention.
Le but et les avantages de l'invention peuvent être réalisés et atteints au moyen d'un appareillage et dans des combinaisons que l'on fera sortir particulièrement
dans les revendications annexées.
Le procédé de l'invention est réalisé plus particulièrement au moyen d'un appareil pour La croissance sans creuset d'un cristal de siLicium en feuille0 Cet appareil comprend des moyens pour réaliser un espace pratiquement fermé ayant une atmosphère inerte. Des moyens de chauffage sont prévus pour former en continu
du silicium fondu à partir d'une source de silicium prati-
quement pur dans l'espace. Des moyens sont aussi prévus pour envoyer verticalement la source de silicium vers le système de chauffage pour former une couche fondue de silicium au sommet de la source et des moyens sont prévus pour tirer un cristal de silicium en feuilles continues
à partir de la couche de silicium fondue dans l'espace.
Des dessins annexés, qui sont incorporés à La
description et font partie de celle-ci, illustrent des
modes de réalisation de la présente invention, et en
même temps que la description, servent à expliquer Les
principes de l'invention. Dans les dessins: - la figure 1 est une coupe verticale à travers une chambre ayant une atmosphère contrôlée et contenant un appareil pour réaliser le procédé de cette invention; - la figure 2 est une coupe horizontale agrandie, suivant la ligne II-II de la figure 1, montrant une forme d'une bobine RF utilisée dans l'invention; la figure 3 est une élévation latérale de l'appareil de la figure 2; - la figure 4 est une vue en perspective fragmentaire montrant l'utilisation d'une baguette de graphite pour régler le ménisque à partir du silicium fondu; - - la figure 5 est une vue en perspective fragmentaire semblable à la figure 4, mais montrant l'utilisation d'un anneau mis en cours circuit et ayant une plaque pour régler le ménisque du silicium fondu; - La figure 6 est une vue en perspective fragmentaire,
semblable aux figures 4 et 5, mais montrant l'utilisa-
tion d'une bobine RF secondaire pour régler le ménisque du silicium fondu; - La figure 7 est une coupe fragmentaire, agrandie, verticale, suivant la Ligne VII-VII de la figure 6, montrant les forces de répulsion exercée par la bobine RF secondaire; et - la figure 8 est une vue en perspective fragmentaire, semblable aux figures 4-6, mais montrant une bobine RF
ayant une boucle inversée.
Conformément à L'invention, il est prévu une chambre C dans laquelle L'atmosphère peut être réglé. Une
baguette de silicium 10 est montée sur une colonne dépla-
çable verticalement 12 au moyen d'une pince 14. La colonne 12 s'étend à travers un anneau d'étanchéité 16 dont le
fond 17 de La chambre et supporté de façon à pouvoir tour-
ner dans un palier 18 sur une plaque 20. La colonne 12 et La baguette de silicium 10 fixée sur celle-ci peuvent être mises en rotation au moyen d'un moteur 22 par une pouLie 24, comme le montre La figure. La plaque 20 peut être déplacée verticalement te long de tiges de support, telles que les tiges de support 26 et 28. On comprendra que bien que deux tiges de support seulement aient été présentées, trois ou quatre de ces tiges seraient adéquates pour supporter la chambre 6 au-dessus de la base 30, à
laquelle l'extrémité inférieure des tiges est reliée.
Il est avantageux que la plaque 20 ait des paliers 32 et 34, respectivement, pour faciliter le mouvement de
glissement le long des tiges de support 26 et 28.
Le mouvement vertical de la plaque 20 est par conséquent de la colonne 12 et de la tige de silicium 10, est réalisé au moyen d'une tige filetée 36 supportée de façon à pouvoir tourner dans des paliers 40 et 42 sur Le fond de la chambre 17 et la base 30, respectivement et s'étendant à travers le raccord fiLeté 38 dans la plaque 20. La tige filetée est mise en rotation au moyen d'un moteur à mouvements réversibles 44 relié à celle-ci au moyen d'une poulie 46 pour commander le mouvement vertical dans les deux directions de la plaque 20 ainsi que de la
colonne 12 et de la baguette de silicium 20.
Une bobine de chauffage RF H est montée fixe au-
dessus de l'extrémité supérieure de la tige 10, qui comprend une bobine 48 s'étendant au-dessus de l'extrémité supérieure de la baguette de silicium 10, pour chauffer celle-ci à L'état fondu afin de former le cristal de silicium en feuilles 50, ainsi qu'il sera décrit plus complètement ci-dessous. La bobine de chauffage H est reliée à l'extérieur oe chambre C par des conducteurs électriques 54 et 56 à un générateur RF (non représenté) fonctionnant à un.e fréquence entre 1 et 4 mhz. Les conducteurs électriques servent également de tuyaux d'arrivée d'eau pour le refroidissement de la bobine de chauffage. Un fil de terre 57 s'étend de la bobine 48 à la paroi de la chambre C. Pour certaines applications, un anneau de mise en
cours-circuit 58 sera prévu, entourant la tige 10 au-
dessous de son extrémité supérieure et il reçoit par l'extérieur de l'eau de refroidissement à travers les tubes 60 et 62. Le but de l'anneau de mise en cours-circuit
sera discuté plus complètement ci-dessous.
Un gaz inerte tel que l'argon, est envoyé dans la chambre C par une conduite 63 à partir d'une alimentation en argon (non représentée). Un supplément de gaz argon peut être envoyé par une buse à gaz 64, constituée de n'importe quelle matière appropriée, telle que Le quartz fondu, laquelle est reliée à une source externe d'argon (non représentée) par la canalisation 66. La buse à gaz 64 refroidit le silicium fondu au fur et à mesure que la cristal en feuille 50 se forme. Cette caractéristique sera décrite plus complètement ci-dessous. L'argon est continuellement purgé à travers la chambre et il sort par l'ouverture d'évacuation de la feuille de silicium 68. Le courant laminaire de l'argon à travers l'ouverture 68 s'effectue à un volume suffisant pour inhiber tout reflux d'air dans la chambre. On a trouvé qu'un débit de 0, 14 à 0,28 m3 par heure est satisfaisant et que la
pression dans la chambre est inférieure à 6,9 kPa au-
dessus de la pression atmosphérique.
La feuille de silicium 50 est tirée à travers l'ouverture d'évacuation 68, par exemple au moyen de
terres de rouleaux espacés 70, 72 et 74, 76, respective-
ment. Ces rouleaux sont mOs par exemple au moyen de moteurs 78 par un système d'entraînement, tel que la courroie d'entraînement 80. On comprendra qu'une courroie d'entraînement similaire puisse également être reliée aux rouleaux 72, mais elle est omise pour la clarté de l'illustration. La feuille de silicium peut être tirée à n'importe quelle vitesse désirée, jusqu'à environ 750 mm par minute. Plus le débit du courant d'argon à travers la buse 64 est rapide, plus la feuille peut être tirée rapidement. De même, moins la puissance RF envoyée à la bobine de chauffage RF H est élevée, plus la vitesse à laquelle la feuille peut être tirée est grande. Le support du rouleau d'entraînement 82 peut être ajusté verticalement, par exemple au moyen de la vis de réglage 84 qui permettra le réglage de l'angle de la feuille de silicium 50 lorsqu'elle a été tirée de la matière fondue à l'extrémité supérieure de la baguette de silicium 10. Le but de ce
réglage sera expliqué plus complètement ci-dessous.
Pour chauffer initialement l'extrémité supérieure de la tige de silicium 10 à un température à laquelle sa conductibilité est suffisamment élevée pour un couplage direct à la bobine RF, un système de couplage à disques de
graphite 86 est suspendu au-dessus de la bobine de chauffa-
ge H à partir de la colonne déplaçabLe verticaLement 88 au moyen de fils métalliques de support 90. IL est commode que la colonne 88 puisse glisser par le système d'étanchéité 92 dans la plaque supérieure 94, sur la chambre C. L'extrémité supérieure de la colonne 88 est montée de façon à pouvoir tourner dans un palier 96 d'une plaque 98 déplaçabLe verticalement. La plaque est' supportée sur une pluralité des tiges de supports telles que les tiges de supports 100 et 102 qui s'étendent entre la plaque 94 et la plaque supérieure 104. Bien que deux tiges de supports seulement aient été représentées, on
comprendra que trois ou quatre de celles-ci peuvent commo-
dément être utilisées pour réaliser un support approprié pour la structure. Une tige filetée 106 est supportée de façon à pouvoir tourner dans des paliers 108 et 110 et la
plaque supérieure 94 et la plaque de dessus 104, respec-
tivement. La tige filetée 106 s'étend à travers un raccord fileté 112 dans la plaque 98 et elle est entraînée par un moteur à mouvements réversibles 114 qui est relié à La tige filetée par une poulie 116 pour déplacer verticalement
la plaque 98 ainsi que la colonne 88 et Le disque de sili-
cium 86 suspendu à celles-Ci.
Le fonctionnement de l'appareil de l'invention et le procédé d'une formation d'une feuille de cristaux
de silicium apparaîtront à l'examen des figures 2 et 3.
Comme il a été indiqué précédemment, l'extrémité supérieure de la baguette 10 est chauffée par une bobine de chauffage RF H. La baguette 10 est mise en rotation continue à une vitesse qui peut varier de 3 à 20 tours/minute. Une vitesse de 10 tours/minute s'est révélée très satisfaisante. La bobine de chauffage RF H comprend un élément de bobine 48 ayant la forme générale d'un U qui, dans la figure 2,
a des parties extérieures incurvées 118 et 120, se recour-
bant sur elles-mêmes en formant des coudes aigus 122 et 124, respectivement, et sont unis par une portion centrale droite 126. Le signal de fréquence radio traversant la bobine 48 induit magnétiquement un courant dans le sommet de la baguette de siLicium 10 et la résistance de La baguette au passage du courant donne naissance à de La chaleur qui forme une surface supérieure fondue 128. La partie
du sommet de la baguette qui tourne dans la région renfer-
mée de la bobine, subit un chauffage RF intense amenant l'extrémité supérieure de La baguette à son point de fusion de 1412 C. La partie qui est à l'extérieur de
la région renfermée, n'est pas chauffée de manière active.
Le cristal de. silicium en feuille se développe à partir de cette région de refroidissement, il sera expliqué
plus complètement.
Pour commencer l'opération de formation du cristal de silicium en feuille, une bande d'acier inoxydable 130
est introduite dans la chambre C par l'ouverture d'évacua-
tion 68 par les rouLeaux d'entraînement et le moteur à mouvements réversibles 78. Sur la bande 130 est fixé un court onglet de silicium monocristallin 132, par exemple par les fils 134. Cet onglet est amené en contact avec la surface supérieure fondue 128 de la tige 10 en réglant angulairement le support des rouleaux d'entraînement 82 au moyen de la vis de réglage 84 de façon à abaisser la bande d'ensemencement du silicium inférieure 132 jusqu'au silicium fondu de façon à ce qu'elle y adhère. Au fur et à mesure que la tige 10 tourne, la bande d'acier inoxydable sera tirée de la chambre C en inversant le moteur 78 et du silicium fondu qui adhère à la chambre d'ensemencement 132, se solidifiera en formant une feuille de cristaux de
silicium qui peut être utilisée pour former des micro-
plaquettes, des silices solaires ou autres éléments de circuitsélectronique. Deux effets définissent La partieflanc antérieur de
la feuille des tirages. L'un a de forts gradients de tempé-
rature qui existent entre-la région en dehors de la boucle renfermée de la bobine et la région à l'intérieur de la boucle. L'autre effet est l'abaissement 36 de la surface de la masse fondue en raison de la répulsion RF le long de la section droite 126. Les régions de La masse fondue qui se trouvent immédiatement sous la section 126 de la bobine RF 48, conduisent un courant qui se déplace dans le sens opposé à celui dans la bobine. En raison de cette action, la surface de la masse fondue est libre de se réarranger sous l'action de cette force et elle s'abaisse dans cette région. La masse fondue a un plateau relativement élevé dans la région de refroidissement dans l'ouverture de la portion en forme d'U, o la feuille se solidifie, mais une vallée sous la section droite 126 de la canalisation. Cet effet avec le gradient de température, définit le flanc antérieur de la feuille de cristal de silicium. Le refroidissement de la feuille de cristal peut aussi être amélioré en envoyant de l'argon par la buse
64 à la surface supérieure de la tige adjacente à la sec-
tion de la bobine 126. Ccilame on le voit sur la figure 2, la buse a une forme telle qu'elle fournisse un courant de gaz de refroidissement sur la largeur de la feuille de cristal. Un débit jusqu'à environ 0,14 m3/heure s'est
révélé satisfaisant.
Comme il a été décrit ci-dessus, la tige peut être déplacée vers le haut par le moteur à mouvements réversibles 44 de la figure 1. La vitesse à laquelle elle se déplace dépend de la largeur de la feuille, de son épaisseur et de la vitesse de croissance ainsi que du diamètre de la baguette de silicium. Si la feuille a une largeur W, une épaisseur T et une vitesse de croissance V, une baguette d'alimentation ayant un diamètre D doit être déplacée vers le haut à une vitesse S pour maintenir des conditions de croissance continues en régime permanent:
S 4WTV
rD2 Il est envisagé que lorsqu'on utilise une pièce de silicium ayant un diamètre de 48 à 50 mm, la largeur de la feuille ce cristal de silicium serait de l'ordre de 18 mm. Au fur et à mesure que la feuille de silicium est tirée de la surface fondue 128, il se forme un ménisque 138 dans la région de traction, que l'on observe mieux dans la figure 3. Ce ménisque à tendance à s'écouler sur le côté de la baguette et à provoquer des défauts sur
la surface inférieure de la feuille de cristal de silicium.
Dans le mode de réalisation de la figure 4, il est prévu
une tige de graphite 140 au-dessous de la feuille de cris-
tal de silicium 50 au ménisque, et elle est munie d'une gaine de quartz 142 qui sert de support au ménisque et qui permet à la feuille d'être tirée de la surface 128 sans déformations ni défauts dans la feuille. Les conducteurs 144 et 146 s'étendent à partir des extrémités opposées de la tige de graphite 140 et sont reliées à une source variable appropriée de courant alternatif ou continu pour chauffer la tige de graphite à une température de 1 000 à
1 500 C.
Un autre concept pour supporter le ménisque est représenté dans la figure 5, dans laquelle un anneau de mise en cours-circuit 58' comprend un bloc de cuivre usiné 148 qui supporte le ménisque 138 tout à fait de la même
manière que la tige de quartz 140. Le bloc 148 est refroi-
di par de l'eau circulant à travers l'anneau de mise en cours-circuit 58'. Dans ce mode de réalisation, une bobine de chauffage RF H' est prévue, laquelle a un élément d'enroulement 48' avec une plaque conductrice plane 150
fixée au bas de celle-ci par exemple par brasure ou souda-
ge, pour répartir la chaleur de manière plus régulière à la surface supérieure fondue 128 de la tige de silicium 10. Dans le mode de réalisation de la figure 6, la force de répulsion créée par une bobine RF est utilisée pour supporter le ménisque. Dans cette disposition, une bobine RF 152, qui a un diamètre beaucoup plus faible que la bobine RF 48', s'étend autour de la feuille de
cristal de silicium 50, avec sa partie inférieure adjacen-
te au ménisque, de façon à Le repousser avec une force de répulsion le soulevant de telle sorte que la probabilité de formation de défauts au bas de la feuille 50 au fur et à mesure qu'elle est tirée de la surface fondue 128 diminue. L'effet de la force de répulsion crée par la
bobine 152 peut être vu dans la figure 7.
Une alternative à la bobine de chauffage RF H" est représentée à la figure 8, et elle comprend un élément de bobine 48" d'o on fait partie intégrante une boucle supplémentaire ou extérieure 154 s'étendant autour
de l'extérieur de l'élément de bobine intérieure 48".
Avec cette disposition, le courant de fréquence radio dans la boucle externe 154 et le courant qui t'induit dans la région du ménisque 138 sont dans des sens opposés, provoquant ici encore une force de support répulsive sur
le ménisque semblable à celle représentée dans la figure 7.
De même, l'élément de bobine intérieur 48" peut être réalisé avec une plaque plane 150" pour augmenter encore
la répartition de -la chaleur sur le sommet de la baguette.
Claims (10)
1. Appareil pour la croissance sans creuset d'un cristal de silicium en feuille (50), caractérisé par:
- une chambre fermée (C) pour utiliser un espace pratique-
ment fermé ayant une atmosphère inerte; - un dispositif de chauffage (H) pour former en continu du silicium fondu à partir d'une source (10) de silicium pratiquement pur dans cet espace; - un transporteur (36) pour amener verticalement la source de silicium (10) vers le dispositif de chauffage (50)
pour former une couche fondue (128) de silicium au som-
met de la source (10); et - des extrudeuses (70, 72, 74 et 76) pour tirer un cristal de silicium en feuille continue (50) de la couche de
silicium fondu (128) dans cet espace.
2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage (H) est une bobine (RF).
3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la source de silicium (10) est sous la forme d'une baguette d'alimentation et en ce que le transporteur (36) est une tige filetée (36) pour faire tourner la
baguette d'alimentation (10).
4. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les extrudeuses (70, 72, 74 et 76) sont des rouleaux d'alimentation pour tirer le cristal en feuilles
(50) en continu du silicium fondu.
5. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé par la chambre fermée (C) pour réaliser l'atmosphère inerte, l'appareil étant en outre caractérisé en ce qu'il comprend un injecteur (64) pour former une atmosphère d'argon autour
du silicium fondu.
6. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé
en ce qu'il comporte en outre, un anneau de mise en cours-
circuit (54) pour limiter le chauffage de la source de
silicium (10) au-dessous de la couche de silicium fondu (128).
7. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé par un ménisque (138) du silicium fondu créé par les extrudeuses (70, 72, 74 et 76), l'appareil étant en outre caractérisé en ce qu'il comprend un système de réglage pour réguler la forme du ménisque (138), le système de réglage comprenant: - un bloc refroidi (148) pour supporter le ménisque (138)
à mesure que le silicium fondu est tiré du silicium fon-
du; - la bobine RF(H) pour le support à répulsion du ménisque (138) à mesure que le silicium fondu est tiré du silicium fondu; et - une tige de graphite chauffé électriquement (140) ayant une gaine de quartz (142) pour supporter le ménisque
(138) à mesure que du silicium fondu est tiré de la sour-
ce fondue (128).
8. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est une bobine (RF H)
ayant une forme irrégulière pour chauffer une région loca-
Lisée du sommet de la tige (10) et, fournissant en excès
pour les extrudeuses (70, 72, 74 et 76) à la région restan-
te du sommet de la tige (10), de telle sorte que le cristal de silicium en feuilles (50) est formé au fur et à mesure que le silicium fondu commence à se refroidir en raison de La rotation de la baguette (10), pour déplacer le silicium
fondu de la région localisée à la région restante.
9. Appareil suivant La revendication 8, caractérisé en ce que la bobine RF(H) a une forme générale en forme d'U.
10. Procédé pour former en continu un cristal de siLicium en feuille (50) à partir d'une baguette (10) de silicium pratiquement pur, le procédé étant caractérisé en ce que: - on chauffe l'extrémité d'une baguette de silicium (10) pour former une couche fondue (128) sur celle-ci dans une atmosphère inerte; - on fait tourner Le tube (10) au fur et à mesure qu'il est chauffé; et - on tire un cristaL de siLicium en feuilLe continue (50) à partir de La couche fondue.
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