FR3105267A1 - Procédé de solidification par tirage au moyen d’une filière flottante - Google Patents

Abstract

Procédé de solidification par tirage au moyen d’une filière flottante Procédé de fabrication d’un lingot (10) comportant les étapes de :a) fourniture :- d’un creuset (1) contenant un bain (2) comportant un matériau en fusion,- d’une filière (3) flottant sur le bain et comportant un conduit (31) débouchant dans le bain, et- d’un germe (9), de préférence comportant le matériau à l’état solide,b) mise au contact du germe avec le bain contenu dans le conduit, etc) déplacement du germe pour extraire et solidifier le matériau en fusion hors du bain, afin de former le lingot. Figure pour l’abrégé : Fig. 5

Description

Procédé de solidification par tirage au moyen d’une filière flottante

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d’un lingot par croissance cristalline d’un matériau en fusion au contact d’un germe en mouvement. Plus précisément, elle concerne un procédé de croissance cristalline par déplacement du matériau en fusion au travers d’une filière et par cristallisation dudit matériau fondu sortant de la filière au contact du germe.

L’énergie photovoltaïque par captation du rayonnement solaire peut être produite au moyen d’une cellule photovoltaïque fabriquée à partir d’un lingot de silicium, monocristallin ou polycristallin. Un lingot de silicium est généralement produit par solidification de silicium en fusion. Il est ensuite découpé en plaquettes nécessaires à la fabrication des cellules photovoltaïques.

Deux grands types de procédés de production de lingots sont connus.

Un premier type de procédé est dit de «solidification dirigée». Il comporte la solidification, dans un creuset, d’un matériau en fusion au contact d’un germe, généralement fait du même matériau, fixe par rapport au creuset.

Un deuxième type de procédé est dit de «solidification par tirage». Il comporte la mise en contact d’un germe avec un bain contenant un matériau en fusion, puis la solidification du matériau hors du bain en déplaçant le germe par rapport au creuset qui contient le bain. Le lingot croît ainsi progressivement le long de la direction de déplacement du germe, le matériau en fusion étant «tiré» hors du bain.

En particulier, pour maîtriser la forme et la qualité cristalline du lingot, il est connu de tirer le matériau en fusion au travers d’une filière disposée dans le creuset et immobile par rapport au creuset lors du tirage du lingot. La filière alimente en matériau en fusion dans la zone où le lingot est formé et elle détermine en partie la forme du lingot.

FR 2712608 A1 décrit un exemple de procédé, illustré sur la figure 1, mettant en œuvre un creuset 1 contenant un bain 2 de matériau en fusion à solidifier, une filière 3 disposée dans le creuset et qui comporte une ouverture d’alimentation 5 débouchant en partie inférieure du creuset et une ouverture supérieure émergeant du bain. Le matériau en fusion pénètre dans la filière par l’ouverture d’alimentation et, au cours du déplacement d’un germe 9 comme indiqué par la flèche verticale, circule vers l’ouverture supérieure par remontée capillaire et/ou sous l’effet d’une différence de pression entre la surface du bain 2 à l’extérieur de la filière et la position de l’interface de solidification 11 en sortie de la filière. Un lingot 10 est ainsi formé.

US 3,650,703 décrit un procédé de tirage, dite EFG (pour «Edge-defined, Film-fed, Growth» en anglais). Le procédé EFG met en œuvre une filière mouillable par le matériau à solidifier. La filière comporte un ou plusieurs conduits capillaires pour déplacer le matériau en fusion par remontée capillaire entre une ouverture inférieure d’alimentation immergée dans le bain et une ouverture supérieure qui en émerge. Le procédé EFG est adapté à la production de formes simples, telles des tubes et des plaques. Cependant, les lingots obtenus par le procédé EFG ont des dimensions limitées à des sections inférieures à 40 mm x 4 mm et à des longueurs inférieures à 500 mm. En outre, le matériau en fusion mouillant la filière, le procédé est complexe à contrôler pour éviter une solidification parasite du matériau en fusion sur la filière, qui peut dégrader la qualité cristalline du lingot.

US 1978/0958089 décrit un autre procédé, dit «Stepanov», aussi basé sur le principe d’alimentation de la filière par capillarité. Il diffère notamment du procédé EFG en ce que la filière n’est pas mouillée par le matériau en fusion. Le matériau en fusion, dans la filière, forme ainsi un ménisque convexe vu du bain, et le procédé comporte la mise au contact du germe avec le ménisque. Cependant, la forme et les dimensions du conduit capillaire rendent difficile l’observation du ménisque dont la taille peut changer de manière conséquente au cours de la formation du lingot. Or, il est nécessaire de contrôler la hauteur et la forme du ménisque au cours du tirage, par exemple en ajustant la vitesse du déplacement du germe notamment pour prévenir de la rupture du lingot en formation. Par ailleurs, l’épaisseur d’un lingot obtenu par le procédé Stepanov est faible, généralement inférieure à 5 mm.

Enfin, RU 2077616 décrit encore un autre procédé de solidification par tirage d’un lingot, par exemple de saphir, dite NCS (pour «Non Capillary Shaping» en anglais), qui s’affranchit des défauts solides et des bulles formées au niveau du front de solidification par les procédés mettant en œuvre des filières à conduits capillaires. Le procédé NCS repose sur l’acheminement du liquide 15 jusqu’à l’interface de croissance à travers un conduit 17 non capillaire, par le biais d’une filière 19 mouillable. La figure 2 illustre schématiquement les étapes de croissance d’un lingot par le procédé NCS à partir d’un germe 21. Au début a) de la croissance, la surface 23 du bain contenu dans le conduit est au même niveau que la surface 25 du bain contenu hors du conduit. Au contact du germe, le cristal croît jusqu’au bord de la filière au cours de la phase initiale b). Au cours de la phase de tirage c), le niveau de la surface 25 du bain hors du conduit s’abaisse progressivement par rapport à l’ouverture supérieure de la filière. Le bain, pompé par le cristal 27 en formation, monte vers le front de solidification à travers le conduit. Bien que les lingots obtenus par le procédé NCS présentent une plus grande largeur que ceux obtenus par les procédés EFG et Stepanov, leur longueur est toutefois limitée. En effet, la pression s’appliquant sur l’interface de solidification augmentant avec l’augmentation de la différence de niveau entre la surface du bain hors du conduit, peut provoquer la rupture de l’interface de solidification.

Il existe donc un besoin pour s’affranchir des inconvénients précités.

La présente invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient au moyen d’un procédé de fabrication d’un lingot, le procédé comportant les étapes de:
a) fourniture:
- d’un creuset contenant un bain comportant un matériau en fusion,
- d’une filière flottant sur le bain et comportant un conduit débouchant dans le bain, et
- d’un germe, de préférence comportant le matériau à l’état solide,
b) mise au contact du germe avec le bain contenu dans le conduit, et
c) déplacement du germe pour extraire et solidifier le matériau en fusion hors du bain, afin de former le lingot.

De manière avantageuse, la mise en œuvre du procédé selon l’invention peut résulter en un lingot de section plus grande que les lingots obtenus par les procédés EFG ou Stepanov mettant en œuvre des filières à conduit capillaire. En particulier, comme décrit dans la suite du texte, le procédé de l’invention permet de réaliser des lingots de section, dans le plan perpendiculaire à la direction de tirage, avoisinantes celles d’un creuset.

Le bain étant consommé pour former le lingot au cours du déplacement du germe, la filière suit le déplacement de la surface du bain dans le creuset. Ainsi, contrairement aux méthodes de tirage décrites précédemment, la filière est mobile par rapport au creuset au moins au cours de l’étape c) de déplacement du germe. Ainsi, la différence de hauteur entre l’interface de solidification et la surface du bain hors du conduit est sensiblement constante quel que soit le niveau du bain dans le creuset, la filière se déplaçant avec la surface du bain au cours de l’abaissement du niveau du bain pour alimenter la formation du lingot. La pression du liquide s’appliquant sur l’interface de solidification varie donc faiblement au cours de la solidification du lingot. Les risques de rupture au niveau de l’interface de solidification sont ainsi limités. Le procédé selon l’invention permet donc de fabriquer un lingot de taille plus grande que le procédé NCS.

Le procédé selon l’invention peut résulter en un lingot d’un volume sensiblement égal, aux variations liées au changement de phase liquide/solide et aux dilatations thermiques près, au volume de bain contenu dans le creuset. En outre, la faible variation de pression s’appliquant sur l’interface de solidification résulte en un ménisque, initialement formé par interaction du germe sur le bain, qui présente une forme stable au cours de la formation du lingot. La régulation de la vitesse de déplacement du germe à l’étape c) est ainsi facilitée.

Le creuset contient un bain comportant le matériau en fusion. Le matériau peut être choisi parmi le silicium, le germanium, l’oxyde d’aluminium et leurs mélanges. Un bain d’oxyde d’aluminium en fusion est mis en œuvre pour fabriquer un lingot de saphir.

De préférence, le matériau est le silicium.

Le bain comporte de préférence, pour plus de 99,0 %, de préférence pour plus de 99,9 % de sa masse, le matériau en fusion. Il peut comporter des impuretés, notamment des particules infondues. Par « impuretés », on entend les constituants inévitables, introduits involontairement et nécessairement avec la charge de départ pour former le bain.

Le procédé peut comporter, préalablement à l’étape a), une étape de fusion d’une charge de départ solide pour former le bain. L’étape de fusion peut être menée suivant un cycle thermique prédéfini jusqu’à obtention d’une température homogène au sein du bain. La filière peut être disposée sur la charge de départ solide.

La hauteur du bain peut être par exemple supérieure de quelques millimètres à la mi-hauteur du creuset.

La température du bain est supérieure ou égale à la température de fusion du matériau. Par exemple, dans la variante où le matériau est le silicium, la température du bain est supérieure à 1414 °C, par exemple d’environ 1420 °C.

De préférence, le matériau en fusion est non mouillant sur le creuset. Ainsi, le ménisque formé par interaction du bain avec le creuset limite une solidification parasite du matériau qui pourrait être initiée sur le creuset. De préférence, notamment dans la variante où le bain est formé de silicium en fusion, le creuset est en silice, et peut être recouvert de nitrure de silicium.

La filière flotte à la surface du bain. Autrement dit, au moins une portion de la filière émerge de la surface du bain.

La filière comporte un conduit qui débouche dans le bain par une ouverture inférieure et, à son extrémité opposée, par une ouverture supérieure qui émerge du bain. Le conduit peut traverser la filière de part en part dans son épaisseur. Le germe à l’étape b) peut ainsi être engagé dans le conduit pour être mis en contact avec le bain.

De préférence, au moins une partie de la filière est immergée dans le bain. Ainsi, la surface du bain est proche de l’ouverture supérieure du conduit. En particulier, le volume de la portion immergée de la filière peut représenter entre 40 % et 80 %, du volume de la filière.

La flottaison de la filière est le résultat de l’équilibre entre la poussée d’Archimède et le poids réel de la filière. La filière peut être en un matériau présentant une densité inférieure à la densité du bain. En variante, la filière peut être en un matériau plus dense que le bain et comporter des cavités fermées d’un volume adapté à assurer la flottaison de la filière. L’homme du métier sait aisément choisir un matériau et concevoir une filière tout en s’assurant qu’elle flotte sur le bain.

De préférence, la filière est en un matériau présentant une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique du matériau en fusion, les conductivités thermiques étant exprimées à la température du bain. Ainsi, la filière participe avec le creuset à isoler thermiquement le bain, en réduisant les pertes thermiques par rayonnement de la surface du bain. Les conductivités thermiques peuvent être déterminées en utilisant la méthode dite du fil chaud non stationnaire, connue sous l’appellation anglo-saxonne «the non-stationary hot wire method».

Dans la variante où le bain comporte du silicium en fusion, la filière peut présenter une conductivité thermique, à une température de 1420°C inférieure ou égale à 6W.m^-1.K^-1. A la même température, le silicium liquide présente une conductivité thermique de 57 W.m^-1.K^-1(Powellet al., Thermal Conductivity of Selected Materials, National Standard Reference Data Series).

De préférence, la filière comporte pour plus de 99,0 % de sa masse, du quartz. De préférence, la filière est en quartz. En particulier, le quartz est moins dense que le silicium en fusion et n’est pas mouillable par le silicium en fusion à 1420 °C.

La mise en œuvre d’une filière en un tel matériau de plus basse conductivité thermique permet de s’affranchir d’une germination d’une phase solide non désirable à partir de la filière.

En particulier, la filière peut recouvrir plus de 20 % de la surface du bain, en particulier de 30 à 80 % de la surface du bain.

Notamment le contour de la face latérale extérieure de la filière et le contour de la face interne de la paroi du creuset peuvent être homothétiques l’un de l’autre, lorsqu’observés dans un plan perpendiculaire à la surface du bain.

Le contour de la face latérale de la filière et le contour de la paroi interne du creuset peuvent être de formes complémentaires, la distance entre la paroi interne du creuset et la face latérale de la filière étant par exemple comprise entre 0,5 mm et 2,0 mm. Le déplacement de la filière relativement au creuset n’est ainsi pas entravé, tout en assurant une couverture suffisante du bain par la filière. Par exemple, le creuset présente une paroi dont la face interne est cylindrique de révolution et la filière peut présenter une forme d’un disque. La différence entre le diamètre de la face interne de la paroi et le diamètre de la filière est par exemple compris entre 1,0 mm et 4,0 mm. En variante, la face interne peut présenter une section de contour rectangulaire, voire carré et la filière peut être de contour rectangulaire, voire carré respectivement.

De préférence, le matériau en fusion est non mouillant sur la filière. Ainsi, au contact de la filière, la surface du bain est déformée et forme un ménisque, convexe vu du bain, qui s’appuie sur la filière. On évite ainsi que le matériau en fusion ne s’étale sur la partie émergée de la filière, et qu’une solidification parasite ne s’y développe pouvant dégrader la qualité du lingot.

De préférence, le matériau en fusion présente un angle de contact avec la filière supérieur ou égal à 70°, en particulier compris entre 90° et 110°, et plus particulièrement d’environ 90°. L’angle de contact est mesuré classiquement selon la méthode dite de la goutte sessile. Comme illustré sur la figure 4, l’angle de contact θ entre un liquide et un solide est l’angle dièdre formé par la face du solide sur laquelle une goutte du liquide est déposée, et le demi-plan tangent à la surface de la goutte le long de la ligne de contact entre le solide et la goutte.

De préférence, la filière présente une forme générale d’une plaque plane. La plaque présente une face supérieure non immergée, autrement dit émergée du bain et une face inférieure immergée dans le bain, le conduit s’étendant entre les faces inférieure et supérieure et débouchant de part et d’autre sur les faces inférieure et supérieure.

La filière peut notamment présenter une épaisseur inférieure à 3 mm, notamment comprise entre 2,0 et 3,0 mm, l’épaisseur de la portion immergée de la filière étant comprise entre 1,5 mm et 2,5 mm. Ainsi, la pression appliquée sur l’interface de solidification, qui est liée à la différence de hauteur entre la surface du bain hors du conduit et ladite interface, est faible tout au long de l’étape c).

Par ailleurs, notamment pour réduire la pression s’appliquant sur l’interface de solidification au cours du déplacement du germe à l’étape c), l’ouverture inférieure par laquelle le conduit débouche dans le bain est disposée à une profondeur, mesurée à partir de la surface du bain, inférieure ou égale à 3 mm, de préférence inférieure ou égale à 2 mm.

La face supérieure de la filière peut être perpendiculaire à la direction de déplacement du germe. De préférence, la face inférieure de la filière, en regard du fond du creuset, et le fond du creuset sont de formes complémentaires. Ainsi, lorsque la filière entre en contact avec le fond du creuset, aucun reliquat du bain n’est contenu entre la filière et le creuset. En particulier, la face inférieure de la filière et le fond du creuset peuvent être plans.

Pour faciliter le déplacement de la filière relativement au creuset au cours de l’étape c), le creuset peut être muni, sur sa face interne, d’un ou plusieurs moyens de guidage et la filière peut comporter une ou plusieurs rainures respectivement qui sont engagées dans les reliefs de guidage. La filière est ainsi guidée par exemple en translation par rapport au creuset.

Le moyen de guidage peut être un rail fixé sur la paroi interne du creuset, ou un relief formé sur la face interne de la paroi du creuset.

Le conduit peut être usiné, notamment percé, dans la filière. En variante, la filière peut être moulée au moyen d’un moule comportant un relief pour former le conduit.

Le conduit est de préférence prismatique, et notamment cylindrique. Il peut présenter une section transverse à son axe longitudinal ayant un contour fermé de forme variée, qui est de préférence choisie pour définir la forme du lingot produit à l’étape c). En particulier, ledit contour peut être polygonal, notamment rectangulaire, notamment carré, ou circulaire. En particulier, en fin d’étape c), la forme de la section transverse du lingot, observée selon la direction de déplacement du germe, peut être homothétique, voire complémentaire de la forme du contour du conduit. Un contour rectangulaire, voire carré, est ainsi préféré pour former un lingot destiné à être découpé pour former des plaquettes pour cellules photovoltaïques. La perte de matière au cours de la découpe ultérieure du lingot pour former les plaquettes est ainsi limitée.

Le conduit peut s’évaser entre les faces inférieure et supérieure de la filière etvice versa. Il peut notamment présenter une forme générale tronconique ou en tronc de pyramide. Une forme de conduit qui s’évase peut être obtenue en chanfreinant le bord entre la face latérale du conduit et l'une des faces inférieure et supérieure de la filière. Une forme de conduit qui s’évase peut modifier la forme de l’interface entre le bain et la filière. En outre, au cours du déplacement du germe, elle facilite le maintien de la face latérale du conduit dans une plage de températures optimales du fait de la faible épaisseur locale de la filière. La probabilité de germination parasite sur la filière est ainsi réduite.

De préférence, l’axe longitudinal du conduit est parallèle à, voire confondu avec, la direction de déplacement du germe et/ou l’axe longitudinal du creuset.

L’axe longitudinal du creuset désigne la ligne joignant l’ensemble des barycentres des sections transversales du creuser. Il peut être un axe de symétrie du creuset.

De préférence, l’axe longitudinal du conduit, la direction de déplacement du germe et l’axe longitudinal du creuset sont verticaux.

Le diamètre du conduit peut être compris entre 30 et 80 mm. Le «diamètre» du conduit est le diamètre du plus petit cercle circonscrit au contour d’une section transverse à l’axe longitudinal du conduit.

La filière peut comporter un unique conduit, de préférence ménagé au centre de la filière pour assurer une symétrie thermique.

En variante, elle peut comporter une pluralité de conduits.

La surface du bain couverte par le ou les conduits peut être comprise entre 5 à 50 % de la surface du bain.

Les conduits peuvent être identiques les uns aux autres. En particulier, ils peuvent être disposés régulièrement selon une direction d’espacement. Les conduits peuvent notamment être disposés parallèlement à la direction de leur plus grande dimension et espacés, de préférence régulièrement, selon la direction de leur plus faible dimension.

De préférence, chaque conduit peut être capillaire et présenter une forme d’une fente. La longueur et la largeur de la fente correspondent de préférence à la longueur ou à la largeur, et à l’épaisseur respectivement d’une plaquette pour cellule photovoltaïque. Par exemple, la longueur de la fente est comprise entre 157 et 162 mm, et la largeur de la fente est comprise entre 150 µm et 190 µm.

Le germe est cristallin et présente une relation d’épitaxie avec le matériau à l’état solide.

Le germe comporte de préférence le même matériau, à l’état solide, que celui contenu, en fusion, dans le bain. Il comporte de préférence pour plus de 99,90 %, voire pour plus de 99,99 % de sa masse, le matériau à l’état solide. Par exemple, il comporte pour plus de 99,90 % de sa masse du silicium à l’état solide et le bain contient du silicium en fusion.

Le germe est de préférence monocristallin. Il peut notamment présenter une orientation <100> ou <110> parallèle à sa direction de déplacement.

Le germe peut présenter une section transverse à la direction longitudinale du conduit qui est de forme homothétique de la forme de la section transverse du conduit. Le germe présente de préférence une section transverse à l’axe du conduit dont l’aire est inférieure, de préférence plus de deux fois, voire plus de cinq fois inférieure à l’aire de la section transverse du conduit. Ainsi, le ménisque qui s’appuie sur le germe à l’étape b) et sur le lingot en formation à l’étape c) est aisément observable, ce qui facilite le pilotage du déplacement du germe.

En variante, le germe peut avoir une forme complémentaire du conduit. Ainsi, considérés isolément hors du bain, le germe peut coulisser dans le conduit et être guidé par le conduit.

Le germe peut présenter une section transverse à la direction longitudinale du conduit dont l’aire est inférieure à l’aire de la section transverse du conduit.

Dans la variante où la filière comporte une pluralité de conduits, l’étape a) peut comprendre la fourniture d’un nombre de germes égal au nombre de conduits. Les germes peuvent être montés sur un support commun. En variante, l’étape a) peut comporter un unique germe, mis en contact avec chaque zone du bain contenue dans un conduit correspondant.

A l’étape b), le germe peut être mis en contact avec le bain en l’engageant dans le conduit.

En variante, le conduit peut être capillaire, c’est-à-dire que la plus petite dimension de la section transverse du conduit, par exemple sa largeur, est inférieure au diamètre capillaire du matériau en fusion sur la filière. Le matériau en fusion remonte ainsi par capillarité dans le conduit et fait saillie de la portion émergée, notamment de la face supérieure, de la filière. Le germe peut alors être mis en contact avec la portion émergée du bain contenu dans le conduit, sans être engagé dans le conduit.

Dans la variante où plusieurs germes sont fournis à l’étape a), chaque germe peut être déplacé en translation d’une même distance par rapport au creuset et à la filière pour être mis en contact avec le bain à travers l’ouverture de l’un des conduits correspondants.

Le germe peut être positionné, lors de sa mise en contact avec le bain liquide, au centre du conduit.

Le germe peut être approché de la surface du bain à une vitesse inférieure à 1 mm.min^-1, jusqu’à entrer en contact avec le bain. A l’étape b), au moins une portion de la surface du bain s’étendant entre la filière et le germe est déformée sous l’effet des propriétés de mouillage du bain sur le germe.

En particulier, le germe peut être mis en contact avec le bain de manière à former en fin d’étape b) un ménisque, de préférence convexe vu du bain, qui s’appuie sur le germe.

De préférence, notamment dans la variante où le matériau est le silicium, le ménisque, qui s’appuie sur le germe, présente une hauteur, mesurée par rapport à la surface du bain, supérieure ou égale à 5 mm, en particulier comprise entre 5 et 7 mm, notamment être d’environ 7 mm.

De préférence, le ménisque qui s’appuie sur le germe fait saillie verticale de la portion émergée de la filière en fin d’étape b), de préférence d’au moins 5,0 mm. En particulier, la filière peut présenter une face supérieure plane et le ménisque qui s’appuie sur le germe peut faire saillie verticale de la face supérieure, de préférence d’au moins 4,0 mm.

Afin de maintenir le ménisque formé à l’étape b):
- dans la variante où le bain contient, voire consiste en du silicium en fusion, la température du bain est de préférence comprise entre 1416 et 1420 °C,
- dans la variante où le bain contient, voire consiste en du germanium en fusion, la température du bain est de préférence comprise entre 940 et 945 °C, et
- dans la variante où le bain contient, voire consiste en de l’alumine en fusion, la température du bain est de préférence comprise entre 2055 et 2060 °C.

Une telle température est suffisamment basse pour éviter la rupture du ménisque, c’est-à-dire la décohésion entre le germe et le bain, et suffisamment élevée pour éviter la solidification du matériau sur la filière.

A l’étape c), le lingot est formé progressivement en éloignant le germe du bain. Le déplacement du germe est par exemple opéré du bas vers le haut. Le matériau en fusion est ainsi extrait du bain et solidifie au contact du germe qui est plus froid que le bain.

La vitesse de déplacement du germe peut être comprise entre 0,10 mm.min^-1et 1,50 mm.min^-1.

De préférence, le lingot croît par épitaxie du matériau sur le germe. Le lingot obtenu en fin d’étape c) est de préférence monocristallin. Par «lingot monocristallin», on entend que le lingot présente une zone monocristalline représentant plus de 95,0 %, voire plus de 99,0 % de son volume.

De préférence, afin d’assurer une croissance homogène du lingot, la vitesse de déplacement du germe est adaptée de manière à maintenir, au cours de l’étape c), la forme, en particulier la hauteur, du ménisque formé en fin d’étape b) entre le germe et le bain. Elle est de préférence adaptée pour qu’au cours de l’étape c), la plus grande variation, en valeur absolue, de la hauteur relative dudit ménisque est inférieure à 7 mm, la hauteur relative du ménisque à un instanttétant égale à la différence entre la hauteur du ménisque à l’instanttet la hauteur du ménisque au début de l’étape c).

De préférence, l’interface de solidification entre le bain et le lingot en formation est distante de la filière au cours du déplacement du germe. En particulier, dans la variante où la filière n’est pas mouillée par le matériau en fusion, le ménisque formé par interaction du bain avec la filière prévient d’une solidification parasite qui pourrait être initiée à partir des parois de la filière.

Par ailleurs, en fin d’étape c), plus de 90 %, voire plus de 95 %, mieux plus de 99 % du volume du bain à l’étape a) est solidifié dans le lingot. Le procédé selon l’invention présente un rendement élevé à la différence des procédés de l’art antérieur, notamment des procédés EFG et Stepanov, pour lesquels une portion du liquide est contenue dans la filière en fin de solidification, sur une hauteur égale à la hauteur initiale du bain dans le creuset.

Le procédé selon l’invention peut être mis en œuvre au moyen d’un four conventionnel de cristallogenèse équipé d’une tête de tirage pour déplacer le germe relativement au creuset. Le bain liquide peut être chauffé par induction ou par un chauffage résistif.

L’étape c) de solidification du lingot par déplacement du germe peut comporter:
- une phase d’affinage, consistant à faire croître un cristal cylindrique, de diamètre inférieur ou égal à celui du germe, de façon à éliminer les dislocations présentent au niveau du germe ou qui apparaissent au moment de la mise en contact, et/ou
- une phase d’élargissement, consistant à augmenter progressivement la taille du lingot en formation pour atteindre le bord du conduit, et/ou
- une phase de formation du corps principal du lingot, au cours de laquelle le cristal peut croître en conservant la forme définie par la forme du conduit.

Le germe peut être soumis à un mouvement de rotation sur lui-même autour d’axe parallèle à l’axe longitudinal du creuset au cours de la phase d’affinage. De préférence, le germe n’est pas soumis à un mouvement de rotation au cours de l’étape d’élargissement.

Par ailleurs, l’étape c) peut être pilotée au moyen d’un programme de pilotage comportant des instructions exécutées par le processeur d’un ordinateur. Les instructions peuvent comporter les instants de déclenchement des phases précitées, les températures de consigne des moyens de chauffage du four pour chacune des phases.

En fonction de la sensibilité du lingot aux chocs thermiques, l’étape de fin du tirage peut être opérée en augmentant rapidement la vitesse de déplacement du germe ou en diminuant ladite vitesse tout en réchauffant progressivement le bain, afin de diminuer le diamètre du lingot dans la zone proximale de l’interface de solidification jusqu’à décohésion du lingot avec le bain liquide.

L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’aide du dessin annexé, dans lequel:

la figure 1 est issue de FR 2712608 A1 et représente schématiquement la mise en œuvre d’un procédé classique de solidification par tirage au travers d’une filière, conformément à l’art antérieur,

la figure 2 illustre schématiquement les étapes du procédé NCS,

la figure 3 représente schématiquement, en perspective et en coupe selon un plan longitudinal médian, un creuset contenant un bain, une filière et un germe pour un exemple de mise œuvre du procédé selon l’invention,

la figure 4 est une coupe à plans sécants d’un agrandissement de la figure 3, et

la figure 5 représente, de manière schématique et partielle, en coupe longitudinale, l’étape de mise en contact du germe au cours de la fabrication d’un lingot selon un exemple de mise en œuvre du procédé de l’invention,

la figure 6 représente, de manière schématique et partielle, en coupe longitudinale, l’étape de formation du lingot par déplacement du germe, et

la figure 7a représente, de manière schématique, en vue du dessus, un exemple de filière et les figures 7b et 7c illustrent en vue longitudinale, un exemple de mise en œuvre du procédé au moyen de la filière de la figure 7a.

Dans les figures, les échelles et proportions des différents éléments n’ont pas été respectées, par souci de clarté du dessin.

La description qui suit est donnée en référence au tirage d’un lingot de silicium.

Il est entendu que le procédé de l’invention peut être mis en œuvre pour la réalisation d’un lingot en d’autres matériaux, par exemple en saphir ou en germanium, sous forme monocristalline ou polycristalline.

Sur les figures 3 à 6, les références de la figure 1 sont utilisées pour désigner les composants communs pour la mise en œuvre du procédé de l’art antérieur et du procédé selon l’invention.

A l’étape a) du procédé, on dispose d’un creuset 1 d’axe longitudinal X vertical. Le creuset contient un bain 2 et une filière 3 qui flotte sur le bain. La filière est une plaque plane, ayant la forme d’un disque, présentant des faces supérieure 40 et inférieure 41 respectivement émergée du bain et immergée dans le bain. La filière est en outre pourvue d’un conduit 31 ménagé au centre de la filière, qui s’étend selon l’axe X. Le conduit illustré sur la figure 3 est de section carrée dont le côté a est par exemple égal à 157 mm

Dans une variante non représentée, l’aire couverte par l’ouverture supérieure et/ou par l’ouverture inférieure du conduit peut représenter plus de 90 % de l’aire de la surface 48 du bain, de manière à produire un lingot dont l’aire de la section transverse est proche de l’aire de la section transverse du creuset. Par exemple, un tel lingot préformé de section carrée de côté supérieur à 50 cm peut être découpé pour former un germe unique pour paver le fond d’un creuset pour la fabrication d’un autre lingot de silicium par un procédé de solidification dirigée par reprise sur germe.

Le creuset est de forme cylindrique et présente par exemple une section transverse à l’axe X de diamètre interne D_ccompris entre 130 et 135 mm. Par ailleurs, le contour de la face latérale 60 extérieure de la filière et le contour de la face interne 61 de la paroi du creuset étant homothétiques l’un de l’autre, lorsqu’observés dans un plan perpendiculaire à la surface du bain.

Dans l’exemple illustré, la filière 3 est en quartz. Le quartz est moins dense que le silicium en fusion et flotte sur le silicium. A 1420 °C, une filière dense en quartz présente environ 80% de son volume émergé du silicium en fusion. En outre, le silicium en fusion ne mouille pas le quartz, si bien qu’un ménisque 45 convexe vu du bain se forme à l’interface entre le bain de silicium en fusion et la filière en quartz, réduisant la probabilité de germination d’une phase de silicium solide sur la filière. Enfin, le quartz est thermiquement plus isolant que le silicium en fusion, sa conductivité thermique étant plus faible, si bien que la filière isole thermiquement le bain de l’extérieur. En limitant le refroidissement de la surface 48 du bain, la faible conductivité thermique de la filière participe à la réduction de la probabilité de solidification parasite du matériau sur la filière qui peut dégrader la qualité du lingot.

Par ailleurs, afin de limiter la pression de liquide s’appliquant au cours du tirage du lingot sur l’interface de solidification, la filière présente une épaisseur e qui est de préférence inférieure à 3 mm. Par exemple, dans l’exemple illustré, l’épaisseur de la filière est par exemple égale à 3 mm et l’épaisseur de la portion immergée i est d’environ 2 mm, si bien que la face supérieure de la filière affleure du bain d’environ 1 mm.

En outre, la filière présente une forme complémentaire de la face interne de la paroi latérale du creuset. Ainsi, hormis le conduit, elle recouvre intégralement le bain liquide pour isoler thermiquement le bain. De préférence, afin d’assurer aisément son déplacement selon l’axe X avec l’abaissement du niveau du bain, la face interne de la paroi latérale du creuset est distante, par exemple d’un jeu d compris entre 0,5 mm et 2 mm de la filière.

Par ailleurs, on dispose d’un germe 9 de silicium monocristallin, présentant une forme d’une barre cylindrique, dont la section transverse à l’axe X est d’aire plus faible que l’aire de l’ouverture supérieure du conduit.

Le germe est engagé dans le conduit par l’ouverture supérieure 52 jusqu’à ce qu’une face 47 du germe atteigne l’ouverture inférieure 53 du conduit et est mise en contact avec le bain. Comme illustré sur la figure 5, la mise en contact du germe avec le bain résulte en la formation d’un ménisque 7, convexe vu bain qui s’appuie sur le germe.

Le silicium en fusion solidifie au contact du germe le long d’une interface de solidification 11. Le germe est ensuite déplacé vers le haut pour entraîner le bain à son contact, comme illustré sur les figures 3 à 5.

Il est ensuite procédé, comme illustré sur la figure 6, à la formation du lingot de silicium par déplacement du germe 9 suivant la direction X.

Après une phase d’élargissement, le lingot 10 présente une section transverse à l’axe X de contour homothétique, et notamment complémentaire, de la section transverse à l’axe X du conduit. La surface du bain est déformée et le ménisque 7 s’établit alors dans le bain entre la filière et le lingot.

La filière flottant sur le bain, la distance p entre l’interface de solidification 11 et la surface 48 du bain hors du conduit est sensiblement constante au cours de l’étape de déplacement du germe. La ménisque 7 est ainsi stable au cours de cette étape. En particulier, sa hauteur h, mesurée entre la face supérieure de la filière et l’interface de cristallisation, est avantageusement constante, d’environ 7 mm pendant la durée du tirage du corps du lingot de silicium. En particulier, la vitesse de déplacement du germe peut être régulée au cours de la formation pour maintenir la hauteur h constante.

Par ailleurs, le silicium en fusion ne mouillant pas le quartz, l’interface de solidification 11 est distante de la filière 3, limitant ainsi la germination parasite d’une phase solide sur la filière.

Au cours du tirage, le niveau du bain de silicium fondu diminue, la filière flottante accompagne l’abaissement du niveau du bain liquide et est animée d’un mouvement de translation vertical descendant dans un sens opposé au sens de déplacement du germe. La différence de hauteur p, le long de la direction X, entre la face supérieure de la filière et la surface du bain liquide 21, est ainsi sensiblement constante, par exemple d’environ 1 mm, tout au long de la formation du lingot.

L’exemple de mise en œuvre du procédé de la figure 7 diffère de l’exemple illustré sur les figures 3 à 6 en ce que la filière comporte une pluralité de canaux, chacun présentant une forme d’une fente de section rectangulaire. Les canaux sont formés parallèlement à leur longueur L et espacés régulièrement les uns des autres selon une direction Y parallèle à leur largeur l.

Chaque conduit peut présenter une largeur l comprise entre 100 µm et 500 µm et/ou une longueur comprise entre 15,7 cm et 16,2 cm. Notamment, la largeur d’un conduit peut être inférieure au diamètre capillaire du matériau en fusion sur la filière. Ainsi, le matériau en fusion peut remonter dans le conduit par capillarité jusqu’à l’ouverture supérieure du conduit et en faire saillie selon l’axe X.

Le germe orienté 9 présente une section transverse à l’axe X de forme complémentaire au contour de la face interne de la paroi latérale du creuset. Le germe est mis en contact avec le bain liquide qui affleure de la surface supérieure de la filière par chacun des conduits capillaires.

La formation des lingots germés sur chaque partie du bain affleurant des conduits respectifs est ensuite amorcée en déplaçant le germe avec une vitesse de déplacement inférieure à 0,5 mm.min^-1jusqu’à atteindre un régime stationnaire. La forme du ménisque capillaire peut ainsi induire une forme homothétique à chaque lingot.

Le silicium en fusion en refroidissant lors du déplacement du germe solidifie ainsi sous la forme de plaquettes 10 préformées en silicium. Avantageusement, de telles plaquettes préformées peuvent être utilisées directement, ou après rectification, pour l’élaboration de cellules photovoltaïques.

Le procédé selon l’exemple illustré s’affranchit ainsi d’une étape supplémentaire de découpe et de la perte de matière correspondante.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation et aux exemples décrits ci-dessus.

Claims (15)

1. Procédé de fabrication d’un lingot (10), le procédé comportant les étapes de:
   a) fourniture:
   - d’un creuset (1) contenant un bain (2) comportant un matériau en fusion,
   - d’une filière (3) flottant sur le bain et comportant un conduit (31) débouchant dans le bain, et
   - d’un germe (9), de préférence comportant le matériau à l’état solide,
   b) mise au contact du germe avec le bain contenu dans le conduit, et
   c) déplacement du germe pour extraire et solidifier le matériau en fusion hors du bain, afin de former le lingot.
2. Procédé selon la revendication 1, le matériau étant choisi parmi le silicium, le germanium, l’oxyde d’aluminium et leurs mélanges, de préférence le silicium.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, l’ouverture inférieure (53) par laquelle le conduit débouche dans le bain étant immergée à une profondeur, mesurée à partir de la surface du bain, inférieure ou égale à 3 mm, de préférence inférieure ou égale à 2 mm.
4. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la filière présentant une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique du matériau en fusion.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la filière recouvrant plus de 20 % de la surface du bain, en particulier de 30 à 80 % de la surface du bain.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le matériau en fusion étant non-mouillant sur la filière, et présentant notamment un angle de contact avec la filière supérieur ou égal à 70°, en particulier compris entre 90° et 110°, et plus particulièrement d’environ 90°.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la filière comportant, pour plus de 99,0 % de sa masse, du quartz.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le germe étant en contact avec le bain de manière à former en fin d’étape b) un ménisque (7), de préférence convexe vu du bain, qui s’appuie sur le germe.
9. Procédé selon la revendication précédente, selon lequel, en fin d’étape b), le ménisque fait saillie verticale de la portion émergée de la filière, de préférence d’au moins 5,0 mm.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 et 9, le ménisque (7) présentant en fin d’étape b) une hauteur, mesurée par rapport à la surface du bain, supérieure ou égale à 5 mm, en particulier comprise entre 5 et 7 mm, notamment d’environ 7 mm.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, la vitesse de déplacement du germe étant adaptée de manière à maintenir, au cours de l’étape c), la hauteur du ménisque (7) formé en fin d’étape b).
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’interface de solidification (11) entre le bain et le lingot en formation étant distante de la filière au cours du déplacement du germe.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le contour de la face latérale (60) extérieure de la filière et le contour de la face interne (61) de la paroi du creuset étant homothétiques l’un de l’autre, lorsqu’observés dans un plan perpendiculaire à la surface du bain.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la forme de la section transverse du lingot, en fin d’étape c), observée selon la direction de déplacement du germe, étant homothétique, voire complémentaire de la forme du contour du conduit.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la filière flottante comportant plusieurs conduits capillaires ayant chacun une forme d’une fente, et de préférence répartis régulièrement selon une direction.