FR2976594A1

FR2976594A1 - Installation, useful for crystallization of silicon that is present in molten state in crucible e.g. hot and cold crucibles, comprises unit for imparting periodic oscillation motion to crucible so as to ensure mixing of the molten silicon

Info

Publication number: FR2976594A1
Application number: FR1155278A
Authority: FR
Inventors: Kader Zaidat; Terrail Couvat Yves Du; Yves Delannoy
Original assignee: Institut Polytechnique de Grenoble
Current assignee: Institut Polytechnique de Grenoble
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-12-21

Abstract

The silicon crystallization installation comprises a unit for imparting a periodic oscillation motion to a crucible so as to ensure mixing of molten silicon (3). The molten silicon has an interface with solidified silicon. The crucible has a lateral dimension of >= 1 m.

Description

B10379 1 INSTALLATION DE CRISTALLISATION DE SILICIUM B10379 1 SILICON CRYSTALLIZATION INSTALLATION

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 Field of the Invention The present invention relates to a silicon crystallization plant. DISCLOSURE OF THE PRIOR ART To obtain silicon of a purity adapted to photovoltaic techniques, it is often sought to refine silicon manufactured for metallurgical applications, this silicon may contain several percent impurities such as carbon, iron, carbon, titanium, boron, phosphorus, etc. For this, one proceeds successively to refining operations and crystallization. During refining operations, silicon is placed in the liquid state in a crucible while its upper surface is subjected to a medium capable of removing at least some of the impurities. Commonly, this upper surface is licked by the flame of a plasma torch comprising a mixture of gases adapted to the removal of impurities. In crystallization operations, silicon is melted in a crucible and a crucible surface is cooled so that silicon crystallizes progressively from that surface, the impurities tending to concentrate in the liquid phase. Among the crystallization plants, one 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. 2 distinguishes installations in which a block of silicon is formed at one time and installations in which a draw is made from the underside so that it remains permanently a melted zone at the surface, while silicon is refurnished in the crucible of crystallization. In crystallization plants, it is desirable that the molten silicon be stirred so that the impurities do not concentrate at the solid / liquid interface.

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 FIG. 1 very schematically represents a particular example of a silicon crystallization installation. This installation comprises a crucible comprising, for example, an external enclosure of graphite 1 lined with quartz plates (or fused silica) 3. On the bottom side of the crucible is provided a hearth 9 intended to control the temperature of the bottom of the crucible. crucible. This sole rests on a support surface 10. There is provided on the side of the upper surface a not shown heating means which may be a plasma torch but which may also be any other means of inductive or resistive heating capable of providing the heating the upper surface of the load 7. The installation is designed so that the lower face is cooler than the upper face and that there can exist a temperature gradient suitable for ensuring crystallization of the load 7 from the lower face, as shown schematically in Figure 1 by the dashed horizontal line 11. It may further be provided a means 5 electromagnetic stirring of the liquid portion 13 of the load. It consists for example of a winding 5 or auxiliary windings not shown. This results in a stirring of the molten silicon, represented diagrammatically by arrows 15. The use as described above of an electromagnetic field, for mixing the liquid silicon of a vertical gradient crystallization furnace, leads to complex installations and settings. In addition, the means 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 3 electromagnetic stirring of liquid silicon have various disadvantages. They are not very effective in the case of large crucibles, for example of more than 50 cm of side, especially if these crucibles are with square section: one then has a weak brewing in the center and in the corners. They disturb the thermal field by two effects: * the cooling of the coils that must be close to the crucible to be effective; and * Joule power induced in liquid silicon, which is inhomogeneous and variable during crystallization. This disturbance of the thermal field changes the shape of the solidification front, and possibly the crystalline structure which may no longer be columnar vertical columns; crystalline defects may then appear and degrade the performance of the resulting solar cells. Other means have been proposed for carrying out the stirring during the solidification. - Use of agitators immersed in liquid silicon. This has the obvious disadvantage that it is not easy to find a constituent material of the stirrer that can withstand the temperature of liquid silicon and not susceptible, at this temperature, to produce impurities tending to diffuse in this liquid silicon . - Use of a bubbling of a neutral gas, for example argon. This is effective but complex to implement. Thus, there is a need to improve brewing systems in silicon crystallization plants. SUMMARY An object of an embodiment of the present invention is to provide a brewing system of a silicon crystallization plant comprising a B10379 means.

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. 4 brewing compatible with any type of installation, and which is particularly simple and non-polluting for silicon. An object of an embodiment of the present invention is to provide such a brewing system suitable for large silicon crystallization plants. An object of an embodiment of the present invention is to provide such a stirring system for maintaining in the silicon crystallization plant a liquid / solid plane interface. Thus, an embodiment of the present invention provides a crystallization plant, in which silicon is present in the melt in a crucible, comprising means for imparting to the crucible a periodic oscillation movement so as to ensure stirring of the molten silicon. According to one embodiment of the present invention, the molten silicon has an interface with solidified silicon. According to one embodiment of the present invention, the crucible is a hot crucible. According to one embodiment of the present invention, the crucible is a cold crucible. According to one embodiment of the present invention, the crucible has lateral dimensions of the order of one meter, or more. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other objects, features, and advantages will be set forth in detail in the following non-limiting description of particular embodiments in connection with the accompanying drawings in which: FIG. schematically a conventional silicon crystallization plant; and FIG. 2 very schematically shows a silicon crystallization plant according to an embodiment of the present invention.

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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. DETAILED DESCRIPTION FIG. 2 represents an installation that includes substantially the same elements as those illustrated in FIG. 1, designated by the same references. An essential difference between the two installations is that, in the installation of FIG. 2, there is no provision for electromagnetic stirring means for the liquid silicon. The entire installation, instead of being mounted directly on a support 10, is mounted on this support by means of a system adapted to ensure the oscillation of the crucible and therefore the liquid contained therein . This oscillation system comprises for example a pivot 21 directly or indirectly secured to the crucible, mounted via an element 22 on the support 10. Depending on the form of the installation, the pivot may consist of a transverse bar along the entire length of the central portion of the lower face of the installation or may comprise separate pivots mounted for example at the two ends of a transverse line of the installation. On one side of the line defined by the pivot is provided a spring means 24 and, on the other side, is provided a push rod 25 connected, via an eccentric 26, to the shaft of a motor 27 mounted on the support. Thus, when the engine is running, the entire installation is vibrated. Preferably, the oscillation frequency is in the range of 0.1 to 100 Hz. Of course, the representation of Figure 2 is extremely schematic, and the provision of a spring on the one hand, and a motor associated with an eccentric, on the other hand, is only one example of mechanical means to ensure the vibration of the installation. Other means may be provided by those skilled in the art, and in particular will be adapted to the size of the installation and its weight. For example, the pivot or pivots may correspond to ball joints provided on cooling fluid pipes.

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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. The embodiment of FIG. 2 is for example suitable for an installation in which the crucible has lateral dimensions of the order of one meter, or more, and a height of the order of 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. On the other hand, it will be understood that the system of oscillation of the crucible can be adapted to any type of installation, although presented here in the context of a hot crucible fixed bottom. Depending on the type of installation, various elements of the installation will be connected to the crucible in its oscillation movement. With the oscillation described here, we obtain a mixing of liquid silicon compatible with any type of installation, suitable for large silicon crystallization plants and to maintain in the silicon crystallization plant a liquid interface / solid plane.

Claims

REVENDICATIONS1. Crystallization plant, in which silicon is present in the molten state in a crucible, characterized in that it comprises means (21-27) capable of imparting to the crucible a periodic oscillation movement so as to ensure mixing molten silicon.

2. Installation according to claim 1, wherein the molten silicon has an interface with solidified silicon.

3. Installation according to claim 1 or 2, wherein the crucible is a hot crucible.

4. Installation according to claim 1 or 2, wherein the crucible is a cold crucible.

5. Installation according to any one of claims 1 to 4, wherein the crucible has lateral dimensions of the order of one meter, or more.