WO2008078043A2 - Procede et installation de fabrication de blocs d'un materiau semiconducteur - Google Patents

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WO2008078043A2
WO2008078043A2 PCT/FR2007/052490 FR2007052490W WO2008078043A2 WO 2008078043 A2 WO2008078043 A2 WO 2008078043A2 FR 2007052490 W FR2007052490 W FR 2007052490W WO 2008078043 A2 WO2008078043 A2 WO 2008078043A2
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semiconductor material
molten
silicon
purified
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Jean-Pierre Del Gobbo
Pascal Rivat
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Efd Induction Sa
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic System
    • H01L31/182—Special manufacturing methods for polycrystalline Si, e.g. Si ribbon, poly Si ingots, thin films of polycrystalline Si
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/037—Purification
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    • Y02E10/546—Polycrystalline silicon PV cells
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of a semiconductor material, in particular silicon, to constitute electric energy production cells by photovoltaic effect. Presentation of the prior art
  • silicon for photovoltaic technology consists essentially scrap Indus ⁇ microelectronics trie because the silicon used for photovoltaic applications may contain a proportion of impurities (of the order of 10 -6) less critical that the level of impurities (10 ⁇ °) generally required in microelectronics.
  • Silicon used in metallurgy may contain several percents of impu ⁇ security interests such as iron, titanium, boron, phosphorus, etc.
  • the present invention aims at providing a plant for manufacturing blocks of a semiconductor material, in particular silicon, having a degree of purity sufficient for direct use for the production of photovoltaic products and / or blocks of semiconductor material having a degree of purity lower than the level required for direct use for the production of photovoltaic products and intended to be treated later to have a degree of purity sufficient for photovoltaic techniques, said installation allowing a complete industrial automation ⁇ automation of such blocks of semiconductor material while being particularly simple and having a c ⁇ ⁇ ment reduced.
  • the present invention further aims a method of manufacturing such blocks of the semiconductor material comprising a reduced number of steps.
  • an aspect of the present invention provides a ⁇ instal lation block manufacturing a semiconductor material, comprising at least one enclosure containing an atmosphere of at least one neutral gas the enclosure comprising a melting system adapted to melt the semiconductor material in a crucible; a purification system adapted to remove impurities from the molten semiconductor material in the crucible; a heat transfer system adapted to cool the crucible base and a heating system of the free surface of the semiconductor material melted and purified by the purification system in the crucible so as to promote the solidification of the melted and purified semiconductor material in the crucible; and a displacement system of the crucible containing the molten semiconductor material ⁇ conductor and purified to the heating system and / or a heating system of the displacement system to the crucible containing the molten and purified semiconductor material.
  • the trans fer system ⁇ heat and the heating system is adapted to promote the segregation of impurities on solidification of the molten and purified semiconductor material in the crucible.
  • the heating system comprises an induction coil and an inductive element that conducts heat.
  • the installation comprises a gas evacuation system resulting from the purification of molten silicon in the crucible.
  • the purification system comprises a plasma torch.
  • the fusion system comprises a lateral induction coil surrounding the side walls of the crucible.
  • an insulating sleeve is interposed between the crucible and the lateral induction coil.
  • the installation comprises a protective screen interposed between the melting system and the purification system and adapted to delimit with a wall of the enclosure a containment volume containing the purification system, the shielding screen having an aperture opposite which is intended to be placed the free surface of the semiconductor material melted by the fusion system during operation of the purification system.
  • Another aspect of the present invention provides a method of manufacturing blocks of a semiconductor material comprising the following steps performed in an enclosure containing an atmosphere of at least one neutral gas comprising filling a crucible with solid semiconductor material; melting the solid semiconductor material; to eliminate impu ⁇ security interests of the molten semiconductor material; moving the crucible containing the molten and purified semiconductor material to a heating system of the free surface of the molten semiconductor material ⁇ conductor and purified and / or moving the heating system to the crucible containing the molten and purified semiconductor material; and cooling the semiconductor material to solidify the melted and purified semiconductor material in the crucible.
  • FIGS. are lateral, partial and schematic sections of an exemplary embodiment of a silicon fabrication plant according to the invention at successive stages of an example of a manufacturing method according to the invention
  • Figure 2 is a schematic sectional view of an element of the manufacturing facility according to the invention
  • Figure 3 is a side sectional, and partial ⁇ matic Route map of another embodiment of a manufacturing facility according to the invention.
  • FIGS. 1A to 1C show an exemplary embodiment of a silicon manufacturing installation 10 comprising a cylindrical enclosure 12, for example with double walls made of stainless steel.
  • An opening 14 is provided through the chamber 12 and makes it possible to communicate the internal volume of the chamber 12 with the outside.
  • the installation 10 comprises a sealed door 16 at the opening 14 to hermetically isolate the internal volume of the enclosure 12.
  • the door 16 for example of the swinging or sliding type, is actuated by a mechanism not shown to release the opening 14 between the enclosure 12 and the outside.
  • a neutral gas or a mixture of neutral gases, for example argon or helium, advantageously at a pressure slightly higher than atmospheric pressure, is maintained, in operation, in the atmosphere. enclosure 12 to prevent the entry of oxygen into the chamber 12.
  • the opening 14 does not directly communicate the chamber 12 with the outside but with a secondary enclosure, not shown, which has an opening that can be sealed and opening onto the outside of the installation 10.
  • Such secondary enclosure then acts as an entry / exit airlock for the introduction or removal of objects in the installation 10.
  • the secondary input / output enclosure then comprises a means for establishing an atmosphere neutral gas in said secondary inlet / outlet enclosure before the opening of the door 16 connecting it to the enclosure 12.
  • the enclosure 12 comprises an elevator 18, constituted for example by a plate 20 able to be displaced in the enclosure 12 in the vertical direction by means of a drive system 22 fixed to the enclosure 12.
  • the elevator 18 is controlled automatically, for example by a pre-stored control program.
  • a crucible 24 is placed on the plate 22. It is, for example, a crucible based on silica or graphite.
  • the crucible 24 may be circular or rectangular based on the shape of the silicon block that is desired.
  • This is, for example, a crucible type hot crucible or cold crucible, consisting, for example, a crucible based on graphite mixed with clay or silicon carbide provided with a internal counter-crucible based on silica.
  • it is a quartz crucible coated inside silicon nitride. It can also be the crucible described in the US patent application 2006/0144326 filed in the names of Appolon Solar, Cyberstar and the Applicant.
  • a sleeve 26 of an insulating material surrounds the side walls of the crucible 24 and rests on the plate 20.
  • the installation 10 comprises a lateral heating system 27 comprising an induction coil 28 side surroun ⁇ rant the sleeve 26 and disposed at a 30 insulating support element resting on the tray 20.
  • the side inductor 28 may comprise a solenoid-shaped hollow tube of a material that is a good electrical conductor, for example copper, a cooling fluid flowing in the tube.
  • the plant 10 includes a lower heat transfer system 32 disposed between the crucible 24 and the tray 20.
  • the lower heat transfer system 32 comprises a lower planar induction coil 34 disposed at an insulating support member 36.
  • the lower coil 34 may comprise a spiral shaped hollow tube of a material that is a good electrical conductor, a cooling fluid flowing in the tube.
  • the system 32 also comprises an intermediate plate 38, called susceptor, made of an inductive material and good conductor of heat, and disposed between the support member 36 and the crucible base 24.
  • the elevator 18 is adapted to move the assembly formed by the crucible 24, the lateral heating system 27 and the lower heat transfer system 32 between a low position and a high position.
  • the plant 10 includes an upper heating system 40 having a planar upper induction coil 42 disposed at a support member 44.
  • the upper heating system 40 also includes an intermediate plate 46, called susceptor, consisting of an inductive and good heat conductor material disposed against the support member 44.
  • the upper coil 42 may comprise a spiral shaped hollow tube of a material which is a good electrical conductor, a cooling fluid flowing in the tube.
  • the upper heating system 40 is movably connected to the enclosure 12 by a drive system, not shown.
  • the drive system makes it possible to move the upper heating system 40 in the horizontal direction between a use position in which the heating system 40 is in line with the crucible 24, the crucible 24 being in the lower position, and a non-use position at which the upper heating system 40 does not interfere with the displacement of the crucible 24 by the elevator 18 between the low position and the high position.
  • An inductive plasma torch 50 is disposed at an upper wall 52 of the chamber 12 in line with the crucible 24.
  • the inductive plasma torch 50 is associated with a reactive gas injector (not shown) such as oxygen, chlorine, nitrogen, etc.
  • the enclosure 12 comprises a feed system, not shown, the crucible 24 pieces of metallurgical silicon, for example in the form of granules. It can be a retractable hopper.
  • the enclosure 12 further comprises an annular protective screen 54 containing a central opening 56 adapted to be displaced in the vertical direction between a low rest position and a high position at which the protection screen 54 is near the upper wall 52 of the enclosure 12 and delimits, with the upper wall 52, a containment volume 58.
  • the protective screen 54 can be moved by the lateral heating system 27 or by any other drive system and can be guided in displacement by a not shown guide system. When the lateral heating system 27 and the protective screen 54 are in the high position, the contents of the crucible 24 are exposed to the plasma torch 50 through the opening 56 of the protective screen 54.
  • the chamber 12 comprises a system 60 for evacuating the volatile compounds present in the confinement volume 58. It is, for example, a hollow tube comprising openings and connected to a suction pump, in order to evacuate volatile solid compounds and compounds which may form in the cooler areas of the containment volume 58.
  • the evacuation system 60 may be cooled by a system of refroi ⁇ disse 62 corresponding, for example, a hollow tube wherein circulates a coolant.
  • the induction coils 28, 34 and 42 are powered by an AC voltage supply system and a cooling liquid supply system adapted to follow the movements of the elevator 18.
  • Figure 1A illustrates a first step in which the elevator 18 is in the down position.
  • the feed system is controlled to pour metallurgical silicon granules into the crucible 24.
  • the upper heating system 40 is then brought into use position, directly above the crucible 24, as shown in FIG.
  • the silicon granules are then melted by feeding the side coil 28 and the upper coil 42 with a medium frequency voltage, for example of the order of a few kilohertz for a crucible 24 of a few hundred millimeters side.
  • the upper heating system 40 provides radiation heating. Indeed, the susceptor 46 is induction heated by the upper coil 42, and emits heat by radiation. Since solid silicon is not very inductive at ambient temperatures, the upper heating system 40 makes it possible to bring the silicon to a sufficient temperature (of the order of 600 ° C.) at which the silicon can be directly heated by induction.
  • the insulating sleeve 26 makes it possible to reduce the lateral heat losses of the crucible 24.
  • the filling of the crucible 24 is progressive, new silicon granules being added when the silicon granules previously poured into the crucible 24 have melted, until the crucible 24 is substantially filled to the brim, the reference 63 designating the surface free of molten silicon bath.
  • the frequency of the supply voltage of the side coil 28 and the upper coil 42 is then decreased to promote a stirring of the molten silicon in the crucible 24.
  • the melting of the silicon can be obtained by means of the plasma torch 50.
  • the upper heating system 40 is in the non-use position and the crucible 24 is raised by the 18 until the pieces of silicon arranged in the crucible 24 are effectively scanned by the plasma torch 50. Once the silicon pieces have reached a sufficient temperature, the rest of the fusion can be achieved only by the lateral heating system 27.
  • the crucible 24 can be returned to the low position so that the upper heating system 40 is brought into the position of use and participates in heating the silicon in the crucible 24.
  • the lower heat transfer system 32 participates in the silicon melting step.
  • the lower coil 34 is powered by a medium frequency voltage, for example of the order of a few kilohertz.
  • the susceptor 38 allows heating of the crucible 24 by radiation.
  • the lower heating system 32 can therefore be used to raise the temperature of the silicon pieces arranged in the crucible 24 in order to heat them thereafter by induction.
  • the lower heat transfer system 32 may be used to heat the silicon chips together with the side heating system 27, the plasma torch 50 or the upper heating system 40.
  • FIG. 1B illustrates the step of purifying the molten silicon in the crucible 24.
  • the upper heating system 40 is brought into the non-use position.
  • the assembly formed by the crucible 24, the lateral heating system 27 and the lower heat transfer system 32 is then raised by the elevator 18 until the free surface 63 of the molten silicon in the crucible 24 is in a position adapted to be effectively scanned by the plasma torch 50.
  • the lateral heating system 27 can cause the protective screen 54 and bring it closer to the upper wall 52. In the high position, the protective screen 54 delimits the confinement volume 58 with the upper wall 52 and the crucible 24.
  • Purification of the molten silicon is then carried out in which different reactive gases are introduced into the plasma.
  • the reactive gases react with impurities present in the liquid silicon to form volatile compounds which are evacuated via the exhaust system 60.
  • the reactive gases also tend to react with the molten silicon to form volatile compounds such as only SiO who must also be evacuated.
  • the shield 54 protects the side heating system 27 during operation of the plasma torch 50 and tends to retain the volatile compounds in the containment volume 58.
  • the shield 54 and the evacuation system 60 are cooled by the cooling system 62 during operation of the plasma torch 50. To prevent unwanted passage of volatile compounds from the containment volume 58 to the rest of the enclosure 12, it is advantageous to provide an overpressure in the chamber 12 with respect to the containment volume 58.
  • a gas curtain further limiting the passage of volatile compounds from the containment volume 58 to the remainder of the enclosure 12.
  • the assembly formed by the crucible 24, the lateral heating system 27 and the lower heat transfer system 32 can be moved by the elevator 18 for adjusting the position of the free surface 63 of the molten silicon contained in the crucible 24 so that the free surface 63 is permanently in a position adapted to be effectively scanned by the plasma torch 50.
  • solid silicon may be added to the crucible 24 during the purification to adjust the level of the molten silicon.
  • FIG. 1C illustrates the step of crystallization of the molten and purified silicon.
  • the assembly formed by the crucible 24, the side heater 27 and the lower heat transfer system 32 is brought into the low position by the ele ⁇ vateur 18 at the end of the purification step.
  • the upper heating system 40 is then brought into the use position vertically above the crucible 24.
  • the upper heating system 40 is used to heat the molten silicon on the side of the free surface 63.
  • the susceptor 46 ensures that the temperature the upper face 63 of the silicon remains as homogeneous as possible.
  • the lower heat transfer system 32 is then used as a cooling system by circulating a coolant in the lower coil 34 which is not powered by an alternating voltage.
  • the susceptor 38 ensures that the temperature of the bottom of the crucible 24 remains as homogeneous as possible.
  • the side coil 28 of the side heating system 27 may not be powered by an alternating voltage during the crystallization phase.
  • the insulating sleeve 26 allows to minimize heat losses at the side walls of the crucible 24.
  • a progressive solidification of the silicon contained in the crucible 24 from the base of the crucible 24 to the free surface 63 of the silicon by controlling the solidification front of the silicon which corresponds in this case sen ⁇ sibly to a plane parallel to the base of the crucible 24 and which progresses from the base of the crucible 24 to the free surface 63. It then promotes the segregation of impurities in the liquid phase of the silicon during solidification, the impurities being trapped at the surface free of the solid silicon block obtained. It is furthermore possible to promote the segregation of impurities trapped in the first portion of silicon which solidifies at the base of the crucible 24.
  • the shape of the solidified silicon block depends on the inner shape of the crucible 24.
  • a crucible 24 having a rectangular base is preferably used to obtain a parallelepipedic silicon block.
  • Such crystal ⁇ lisation step is advantageously carried out when it is desired to obtain a silicon block whose purity is suf ficient ⁇ for direct use for the manufacture of photovoltaic products and that the silicon used for filling crucible 24 has a degree of purity such that a solidification without segregation of impurities of the melted and purified silicon would not obtain a silicon block having a degree of purity sufficient for direct use for the manufacture of photovoltaic products.
  • the crucible 24 containing the solidified silicon body is removed from the enclosure 12.
  • the lower heat transfer system 32 may be replaced by a system refroi ⁇ datorium comprising a sole on which is deposited crucible 24.
  • the sole is made of a material that is a good conductor of heat and is cooled by a cooling fluid circulating in conduits passing through the soleplate.
  • the lower heat transfer system 32 may be used for heating the base of the crucible 24 during the crystallization step, for example at a temperature below the solidification temperature of the silicon.
  • the lower induction coil 34 may be powered by an alternating voltage during the crystallization step.
  • the solidi fication ⁇ silicon can be achieved without necessarily favor a particular increase in the solidi fication front ⁇ silicon contained in the crucible 24. This can be obtained when the solidification of the silicon is carried out by using only the lower heat transfer system 32 without using the upper heating system 40. Segregation of the impurities in the silicon block is then not obtained.
  • Such a crystallization process can be used to obtain a silicon block whose degree of purity is sufficient for direct use in the manufacture of photovoltaic products by using silicon for filling the crucible 24 having a degree of of sufficient purity so that the solidification without segregation of impurities of the melted and purified silicon allows to obtain directly a silicon block having a degree of purity sufficient for the manufacture of photovoltaic products.
  • the silicon used for filling the crucible 24 has a degree of purity such as solidification without segregation impurities of the melted and purified silicon does not make it possible to obtain a silicon block having a degree of purity sufficient for direct use for the manufacture of photovoltaic products, the silicon block obtained is unsuitable for direct use for photovoltaic techniques . However, such a block can be subsequently remelted to provide a silicon block suitable for producing photovoltaic products.
  • the coils Induc ⁇ 28, 34, 42 are replaced by a network of heating resistances.
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of the evacuation system 60.
  • the evacuation system 60 comprises a hollow main tube 64 that substantially follows the outline of the crucible 24.
  • the main tube 64 has a square shape or rectangular which surrounds an inner region 66.
  • the main tube 64 comprises openings 68 disposed on the side of the inner region 66, and which are, in this example, distributed to the four corners of the main tube 64.
  • Secondary tubes 70 connect the main tube 64 to a suction pump not shown.
  • four secondary tubes 70 are provided, a secondary tube 70 communicating with the main tube 64 between two openings 68. Diagrammatically shown by arrows 71 the direction of circu ⁇ tion of the gases when the evacuation system 60 is Operating.
  • Such an example of distribution of the openings 68 and the secondary tubes 70 advantageously ensures that the evacuation system 60 continues to function properly even if a portion of the main tube 60 closes in operation.
  • FIG. 3 is a partial and schematic sectional view of another embodiment of the installation 10.
  • the protective screen 54 is not present.
  • a containment piece 72 surrounds the plasma torch 50 and includes an inner side wall 74 which delimits a internal opening 76 in the extension of the plasma torch 50.
  • the inner side wall 74 is extended by a substantially flat bottom wall 78 which extends vis-à-vis the crucible 24.
  • the crucible 24 and the confinement part 72 define a working volume 80 communicating with the remainder of the enclosure 12 at its periphery.
  • the evacuation system 60 is provided at the periphery of the working volume 80.
  • the arrow lines 82 schematically represent the direction of flow of the gases in the working volume 80 during the purification step.
  • the crucible 24 is not completely filled with the molten silicon so that the upper edge of the crucible 24 forms an obstacle 84 to the flow of gas.
  • the gases resulting from the purification of the silicon extend laterally to the free surface 63 of the molten silicon from the center towards the periphery of the free surface 63, rise while meeting the obstacle 84 and are folded towards the center of the free surface 63 by the lower wall 78 of the containment room 72. There is then observed a formation of substantially closed loop circulation in the useful volume 80, a portion of the gas still escaping to the exhaust system 60.
  • the same upper heating system 40 can then be used by several facilities 10, the upper heating system 40 can be moved from one facility to another.
  • the upper heating system 40 is fixed relative to the chamber 12.
  • the elevator 18 is further adapted to move the crucible 24, when it is in position. position in the horizontal direction to bring it under the upper heating system 40 during the crystallization step and possibly ⁇ lement during the melting step.
  • a good heat-conducting inductive element is inserted between the lateral coil 28 and the insulating sleeve 26.
  • the lateral coil 28 can then be powered by an alternating voltage so as to inductively heat the inductive element which emits heat by radiation. This makes it possible to compensate for the lateral heat losses of the crucible 24.
  • the present invention has many advantages.
  • the installation 10 can have a particularly simple structure and a small footprint.
  • the movements of the crucible 24 are reduced to the maximum since only a vertical displacement of the crucible 24 is made (and possibly a hori ⁇ zontal displacement) while the silicon is melted.
  • the shape of the crucible 24 may furthermore be simplified since it is not necessary to provide a molten silicon pour spout.
  • the present invention has been described in the context of silicon fabrication for photovoltaic techniques. It is clear that it also applies to any type of semiconductor material that can be used for producing photovoltaic cells.
  • Such materials ⁇ semi conductors are, for example, gallium arsenide (GaAs) or germanium (Ge).
  • the present invention is susceptible of various variations and modifications which will be apparent to those skilled in the art.
  • the purification of the molten silicon can be carried out by any suitable means.
  • a system for injecting reactive gas bubbles directly into the molten silicon can be used.
  • the enclosure 12 may have a shape different from the cylindrical shape.
  • the enclosure 12 may have a parallelepipedal or spherical general shape.

Abstract

L'invention concerne une installation (10) de fabrication de blocs d'un matériau semiconducteur, comprenant au moins une enceinte (12) contenant une atmosphère de gaz neutre, l'enceinte comprenant un système de fusion (27, 32, 40) adapté à faire fondre le matériau semiconducteur dans un creuset (24); un système de purification (50) adapté à éliminer des impuretés du matériau semiconducteur fondu dans le creuset; un système de transfert thermique (32) adapté à refroidir la base du creuset et un système de chauffage (40) de la surface libre (63) du matériau semiconducteur fondu et purifié dans le creuset de façon à favoriser la solidification du matériau semiconducteur; et un système de déplacement (18) du creuset (24) contenant le matériau semiconducteur fondu et purifié jusqu'au système de chauffage et/ou un système de déplacement du système de chauffage jusqu'au creuset contenant le matériau semiconducteur fondu et purifié.

Description

PROCEDE ET INSTALLATION DE FABRICATION DE BLOCS D'UN MATERIAU
SEMICONDUCTEUR
Domaine de l' invention
La présente invention concerne la fabrication d'un matériau semiconducteur, notamment du silicium, pour constituer des cellules de production d'énergie électrique par effet photovoltaïque . Exposé de l'art antérieur
Actuellement, le silicium destiné aux techniques photo- voltaïques est essentiellement constitué des rebuts de l'indus¬ trie microélectronique, car le silicium utilisé pour des applications photovoltaïques peut contenir une proportion d'impuretés (de l'ordre de 10~6) moins critique que le niveau d'impuretés (10~°) généralement requis en microélectronique.
Il serait souhaitable de disposer d'une autre source de silicium pour produire du silicium adapté aux produits photovoltaïques. En particulier, les rebuts de l'industrie microélectrique tendent à devenir insuffisants pour satisfaire les besoins des techniques photovoltaïques .
Actuellement, on cherche à affiner le silicium fabriqué pour des applications métallurgiques pour obtenir du silicium d'une pureté adaptée aux techniques photovoltaïques. Le silicium utilisé en métallurgie peut contenir plusieurs pourcents d'impu¬ retés telles que le fer, le titane, le bore, le phosphore, etc.
Le brevet FR 2 869 028 au nom de la Demanderesse décrit un procédé et une installation de fabrication de blocs d'un matériau semiconducteur, notamment du silicium, présentant un degré de pureté suffisant pour une utilisation directe pour la réalisation de produits photovoltaïques. Bien qu'une telle installation fonctionne de façon tout à fait satisfaisante, elle est relativement complexe et présente un encombrement important. Résumé de l'invention
La présente invention vise à proposer une installation de fabrication de blocs d'un matériau semiconducteur, notamment du silicium, présentant un degré de pureté suffisant pour une utilisation directe pour la réalisation de produits photovoltaïques et/ou de blocs du matériau semiconducteur ayant un degré de pureté inférieur au niveau requis pour une utilisation directe pour la réalisation de produits photovoltaïques et destinés à être traités ultérieurement pour présenter un degré de pureté suffisant pour les techniques photovoltaïques, ladite installation permettant une fabrication industrielle complè¬ tement automatisable de tels blocs du matériau semiconducteur tout en étant particulièrement simple et présentant un encombre¬ ment réduit.
La présente invention vise en outre un procédé de fabrication de tels blocs du matériau semiconducteur comprenant un nombre d'étapes réduit.
Pour atteindre tout ou partie de ces objets ainsi que d'autres, un aspect de la présente invention prévoit une instal¬ lation de fabrication de blocs d'un matériau semiconducteur, comprenant au moins une enceinte contenant une atmosphère d'au moins un gaz neutre, l'enceinte comprenant un système de fusion adapté à faire fondre le matériau semiconducteur dans un creuset ; un système de purification adapté à éliminer des impuretés du matériau semiconducteur fondu dans le creuset ; un système de transfert thermique adapté à refroidir la base du creuset et un système de chauffage de la surface libre du matériau semiconducteur fondu et purifié par le système de purification dans le creuset de façon à favoriser la solidification du matériau semiconducteur fondu et purifié dans le creuset ; et un système de déplacement du creuset contenant le matériau semi¬ conducteur fondu et purifié jusqu'au système de chauffage et/ou un système de déplacement du système de chauffage jusqu'au creuset contenant le matériau semiconducteur fondu et purifié.
Selon un exemple de réalisation, le système de trans¬ fert thermique et le système de chauffage sont adaptés à favoriser la ségrégation d'impuretés lors de la solidification du matériau semiconducteur fondu et purifié dans le creuset.
Selon un exemple de réalisation, le système de chauffage comprend une bobine d'induction et un élément inductif conducteur de la chaleur.
Selon un exemple de réalisation, l ' installation comprend un système d'évacuation des gaz issus de la purification du silicium fondu dans le creuset.
Selon un exemple de réalisation, le système de purification comprend une torche à plasma.
Selon un exemple de réalisation, le système de fusion comprend une bobine d'induction latérale entourant les parois latérales du creuset.
Selon un exemple de réalisation, un manchon isolant est interposé entre le creuset et la bobine d'induction latérale.
Selon un exemple de réalisation, l'installation comprend un écran de protection s ' interposant entre le système de fusion et le système de purification et adapté à délimiter avec une paroi de l'enceinte un volume de confinement contenant le système de purification, l'écran de protection comportant un orifice en vis-à-vis duquel est destinée à être placée la surface libre du matériau semiconducteur fondu par le système de fusion lors du fonctionnement du système de purification.
Un autre aspect de la présente invention prévoit un procédé de fabrication de blocs d'un matériau semiconducteur comprenant les étapes suivantes réalisées dans une enceinte contenant une atmosphère d'au moins un gaz neutre consistant à remplir un creuset du matériau semiconducteur solide ; à faire fondre le matériau semiconducteur solide ; à éliminer des impu¬ retés du matériau semiconducteur fondu ; à déplacer le creuset contenant le matériau semiconducteur fondu et purifié jusqu'à un système de chauffage de la surface libre du matériau semi¬ conducteur fondu et purifié et/ou déplacer le système de chauffage jusqu'au creuset contenant le matériau semiconducteur fondu et purifié ; et à refroidir le matériau semiconducteur pour solidifier le matériau semiconducteur fondu et purifié dans le creuset. Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'exemples de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : les figures IA à IC sont des coupes latérales, partielles et schématiques d'un exemple de réalisation d'une installation de fabrication de silicium selon l'invention à des étapes successives d'un exemple de procédé de fabrication selon 1 ' invention ; la figure 2 est une coupe schématique de dessus d'un élément de l'installation de fabrication selon l'invention ; et la figure 3 est une coupe latérale, partielle et sché¬ matique d'un autre exemple de réalisation d'une installation de fabrication selon l'invention. Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes réfé¬ rences aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments de l'installation qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux différentes figures. Les figures IA à IC représentent un exemple de réalisation d'une installation 10 de fabrication de silicium comprenant une enceinte 12 cylindrique, par exemple à parois doubles en inox. Une ouverture 14 est prévue au travers de l'enceinte 12 et permet de faire communiquer le volume interne de l'enceinte 12 avec l'extérieur. L'installation 10 comprend une porte étanche 16 au niveau de l'ouverture 14 pour isoler hermétiquement le volume interne de l'enceinte 12. La porte 16, par exemple du type battante ou coulissante, est actionnée par un mécanisme non représenté permettant de libérer l'ouverture 14 entre l'enceinte 12 et l'extérieur.
Une atmosphère d'un gaz neutre, ou d'un mélange de gaz neutres, par exemple de l'argon ou de l'hélium, de façon avantageuse à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique, est maintenue, en fonctionnement, dans l'enceinte 12 pour éviter la pénétration d'oxygène dans l'enceinte 12.
Selon une variante, l'ouverture 14 ne fait pas directement communiquer l'enceinte 12 avec l'extérieur mais avec une enceinte secondaire, non représentée, qui comporte une ouverture pouvant être fermée hermétiquement et débouchant sur l'extérieur de l'installation 10. Une telle enceinte secondaire joue alors le rôle d'un sas d'entrée/sortie pour l'introduction ou le retrait d'objets dans l'installation 10. L'enceinte secondaire d'entrée/sortie comprend alors un moyen pour établir une atmosphère du gaz neutre dans ladite enceinte secondaire d'entrée/sortie avant l'ouverture de la porte 16 la reliant à l'enceinte 12.
L'enceinte 12 comprend un élévateur 18, constitué par exemple d'un plateau 20 susceptible d'être déplacé dans l'enceinte 12 selon la direction verticale par l'intermédiaire d'un système d'entraînement 22 fixé à l'enceinte 12. L'élévateur 18 est commandé automatiquement, par exemple par un programme de commande prémémorisé.
Un creuset 24 est disposé sur le plateau 22. Il s'agit, par exemple, d'un creuset à base de silice ou de graphite. Le creuset 24 peut être à base circulaire ou rectangulaire selon la forme du bloc de silicium que l'on souhaite obtenir. Il s'agit, par exemple, d'un creuset du type creuset chaud ou creuset froid, constitué, par exemple, d'un creuset à base de graphite mélangé à de l'argile ou à base de carbure de silicium pourvu d'un contre-creuset intérieur à base de silice. Selon un autre exemple, il s'agit d'un creuset en quartz revêtu à l'intérieur de nitrure de silicium. Il peut également s ' agir du creuset décrit dans la demande de brevet US 2006/0144326 déposée aux noms de Appolon Solar, de Cyberstar et de la Demanderesse. Un manchon 26 d'un matériau isolant entoure les parois latérales du creuset 24 et repose sur le plateau 20.
L'installation 10 comprend un système de chauffage latéral 27 comprenant une bobine d'induction latérale 28 entou¬ rant le manchon 26 et disposée au niveau d'un élément de support 30 isolant reposant sur le plateau 20. La bobine d'induction latérale 28 peut comprendre un tube creux en forme de solénoïde d'un matériau qui est un bon conducteur électrique, par exemple le cuivre, un fluide de refroidissement circulant dans le tube.
L'installation 10 comprend un système de transfert thermique inférieur 32 disposé entre le creuset 24 et le plateau 20. Le système de transfert thermique inférieur 32 comprend une bobine d'induction inférieure plane 34 disposée au niveau d'un élément de support 36 isolant. La bobine inférieure 34 peut comprendre un tube creux en forme de spirale d'un matériau qui est un bon conducteur électrique, un fluide de refroidissement circulant dans le tube. Le système 32 comprend également une plaque intermédiaire 38, appelée suscepteur, constituée d'un matériau inductif et bon conducteur de la chaleur, et disposée entre l'élément de support 36 et la base du creuset 24.
L'élévateur 18 est adapté à déplacer l'ensemble formé par le creuset 24, le système de chauffage latéral 27 et le système de transfert thermique inférieur 32 entre une position basse et une position haute. L'installation 10 comprend un système de chauffage supérieur 40 comportant une bobine d'induction supérieure plane 42 disposée au niveau d'un élément de support 44. Le système de chauffage supérieur 40 comprend également une plaque intermédiaire 46, appelée suscepteur, constituée d'un matériau inductif et bon conducteur de la chaleur, disposée contre l'élément de support 44. La bobine supérieure 42 peut comprendre un tube creux en forme de spirale d'un matériau qui est un bon conducteur électrique, un fluide de refroidissement circulant dans le tube .
Le système de chauffage supérieur 40 est relié de façon mobile à l'enceinte 12 par un système d'entraînement, non représenté. Le système d'entraînement permet de déplacer le système de chauffage supérieur 40 selon la direction horizontale entre une position d'utilisation à laquelle le système de chauffage 40 est à l'aplomb du creuset 24, le creuset 24 étant en position basse, et une position de non utilisation à laquelle le système de chauffage supérieur 40 ne gène pas le déplacement du creuset 24 par l'élévateur 18 entre la position basse et la position haute.
Une torche à plasma inductif 50 est disposée au niveau d'une paroi supérieure 52 de l'enceinte 12 à l'aplomb du creuset 24. La torche à plasma inductif 50 est associée à un injecteur de gaz réactifs (non représenté) tels que de l'oxygène, du chlore, de l'azote, etc.
L'enceinte 12 comprend un système d'alimentation, non représenté, du creuset 24 en morceaux de silicium métallurgique, par exemple sous la forme de granules. Il peut s'agir d'une trémie escamotable.
L'enceinte 12 comprend en outre un écran de protection 54, de forme annulaire, contenant une ouverture centrale 56, adapté à être déplacé selon la direction verticale entre une position basse de repos et une position haute à laquelle l'écran de protection 54 est à proximité de la paroi supérieure 52 de l'enceinte 12 et délimite, avec la paroi supérieure 52, un volume de confinement 58. L'écran de protection 54 peut être déplacé par le système de chauffage latéral 27 ou par tout autre système d'entraînement et peut être guidé en déplacement par un système de guidage non représenté. Lorsque le système de chauffage latéral 27 et l'écran de protection 54 sont en position haute, le contenu du creuset 24 est exposé à la torche à plasma 50 par l'ouverture 56 de l'écran de protection 54.
L'enceinte 12 comprend un système 60 d'évacuation des composés volatils présents dans le volume de confinement 58. Il s'agit, par exemple, d'un tube creux comprenant des ouvertures et relié à une pompe d'aspiration, afin d'évacuer les composés volatils et les composés solides qui pourraient se former dans les zones froides du volume de confinement 58. Le système d'évacuation 60 peut être refroidi par un système de refroi¬ dissement 62 correspondant, par exemple, à un tube creux dans lequel circule un liquide de refroidissement.
Les bobines d'induction 28, 34 et 42 sont alimentées par un système de fourniture d'une tension alternative et un système de fourniture d'un liquide de refroidissement adaptés à suivre les déplacements de l'élévateur 18.
Les étapes d'un exemple de procédé de fabrication du silicium selon l'invention vont maintenant être décrites en relation aux figures IA à IC.
La figure IA illustre une première étape dans laquelle l'élévateur 18 est en position basse. Le système d'alimentation est commandé pour verser des granules de silicium métallurgiques dans le creuset 24. Le système de chauffage supérieur 40 est alors amené en position d'utilisation, à l'aplomb du creuset 24, comme cela est représenté en figure IA.
Les granules de silicium sont alors fondus en alimentant la bobine latérale 28 et la bobine supérieure 42 par une tension à fréquence moyenne, par exemple de l'ordre de quelques kilohertz pour un creuset 24 de quelques centaines de millimètres de côté. Le système de chauffage supérieur 40 assure un chauffage par radiation. En effet, le suscepteur 46 est chauffé par induction par la bobine supérieure 42, et émet de la chaleur par radiation. Le silicium solide étant peu inductif aux températures ambiantes, le système de chauffage supérieur 40 permet d'amener le silicium à une température suffisante (de l'ordre de 6000C) à laquelle le silicium peut directement être chauffé par induction. Le manchon isolant 26 permet de réduire les pertes thermiques latérales du creuset 24.
Le remplissage du creuset 24 est progressif, de nouveaux granules de silicium étant ajoutés lorsque les granules de silicium précédemment versés dans le creuset 24 ont fondu, jusqu'à ce que le creuset 24 soit pratiquement rempli à ras bord, la référence 63 désignant la surface libre du bain de silicium fondu. La fréquence de la tension d'alimentation de la bobine latérale 28 et de la bobine supérieure 42 est alors diminuée pour favoriser un brassage du silicium fondu dans le creuset 24.
Selon une variante de l ' invention, la fusion du silicium peut être obtenue par l'intermédiaire de la torche à plasma 50. Dans ce cas, le système de chauffage supérieur 40 est en position de non utilisation et le creuset 24 est surélevé par l'élévateur 18 jusqu'à ce que les morceaux de silicium disposés dans le creuset 24 soient balayés efficacement par la torche à plasma 50. Une fois que les morceaux de silicium ont atteints une température suffisante, le reste de la fusion peut être réalisé seulement par le système de chauffage latéral 27. En outre, le creuset 24 peut être ramené en position basse de façon que le système de chauffage supérieur 40 soit amené en position d'utilisation et participe au chauffage du silicium dans le creuset 24.
Selon une autre variante, le système de transfert thermique inférieur 32 participe à l'étape de fusion du silicium. Pour ce faire, la bobine inférieure 34 est alimentée par une tension à fréquence moyenne, par exemple de l'ordre de quelques kilohertz. Le suscepteur 38 permet un chauffage du creuset 24 par radiation. Le système de chauffage inférieur 32 peut donc être utilisé pour élever la température des morceaux de silicium disposés dans le creuset 24 afin de pouvoir les chauffer par la suite par induction. Le système de transfert thermique inférieur 32 peut être utilisé pour chauffer les morceaux de silicium conjointement avec le système de chauffage latéral 27, la torche à plasma 50 ou le système de chauffage supérieur 40.
La figure IB illustre l'étape de purification du silicium fondu dans le creuset 24. Pour ce faire, le système de chauffage supérieur 40 est amené en position de non utilisation. L'ensemble formé par le creuset 24, le système de chauffage latéral 27 et le système de transfert thermique inférieur 32 est alors surélevé par l'élévateur 18 jusqu'à ce que la surface libre 63 du silicium fondu dans le creuset 24 soit dans une position adaptée pour être balayée efficacement par la torche à plasma 50. Lors du mouvement ascendant, le système de chauffage latéral 27 peut entraîner l'écran de protection 54 et le rapprocher de la paroi supérieure 52. En position haute, l'écran de protection 54 délimite le volume de confinement 58 avec la paroi supérieure 52 et le creuset 24.
La purification du silicium fondu est alors réalisée dans laquelle différents gaz réactifs sont introduits dans le plasma. Les gaz réactifs réagissent avec des impuretés présentes dans le silicium liquide de façon à former des composés volatils qui sont évacués par l'intermédiaire du système d'évacuation 60. Les gaz réactifs tendent également à réagir avec le silicium fondu pour former des composés volatils tels que SiO qui doivent également être évacués. L'écran de protection 54 protège le système de chauffage latéral 27 lors du fonctionnement de la torche à plasma 50 et tend à retenir les composés volatils dans le volume de confinement 58. L'écran de protection 54 et le système d'évacuation 60 sont refroidis par le système de refroidissement 62 lors du fonctionnement de la torche à plasma 50. Pour éviter tout passage indésirable de composés volatils depuis le volume de confinement 58 vers le reste de l'enceinte 12, il est avantageux de prévoir une surpression dans l'enceinte 12 par rapport au volume de confinement 58. On peut prévoir, en outre, au niveau de l'écran de protection 54, un rideau gazeux limitant encore davantage le passage de composés volatils depuis le volume de confinement 58 vers le reste de l'enceinte 12. Au cours de la purification, l'ensemble formé par le creuset 24, le système de chauffage latéral 27 et le système de transfert thermique inférieur 32 peut être déplacé par l'élévateur 18 pour ajuster la position de la surface libre 63 du silicium fondu contenu dans le creuset 24 pour que la surface libre 63 se trouve en permanence dans une position adaptée pour être balayée efficacement par la torche à plasma 50. En outre, du silicium solide peut être ajouté dans le creuset 24 au cours de la purification pour ajuster le niveau du silicium fondu.
La figure IC illustre l'étape de cristallisation du silicium fondu et purifié. L'ensemble formé par le creuset 24, le système de chauffage latéral 27 et le système de transfert thermique inférieur 32 est amené en position basse par l'élé¬ vateur 18 à la fin de l'étape de purification. Le système de chauffage supérieur 40 est alors amené en position d'utilisation à l'aplomb du creuset 24. Le système de chauffage supérieur 40 est utilisé pour chauffer le silicium fondu du côté de la surface libre 63. Le suscepteur 46 assure que la température de la face supérieure 63 du silicium reste la plus homogène possible.
Le système de transfert thermique inférieur 32 est alors utilisé comme système de refroidissement en faisant circuler un liquide de refroidissement dans la bobine inférieure 34 qui n'est pas alimentée par une tension alternative. Le suscepteur 38 assure que la température du fond du creuset 24 reste la plus homogène possible.
La bobine latérale 28 du système de chauffage latéral 27 peut ne pas être alimentée par une tension alternative pendant la phase de cristallisation. Le manchon isolant 26 permet de réduire au maximum les pertes thermiques au niveau des parois latérales du creuset 24.
On obtient ainsi un solidification progressive du silicium contenu dans le creuset 24 depuis la base du creuset 24 jusqu'à la surface libre 63 du silicium en contrôlant le front de solidification du silicium qui correspond dans ce cas sen¬ siblement à un plan parallèle à la base du creuset 24 et qui progresse depuis la base du creuset 24 jusqu'à la surface libre 63. On favorise alors la ségrégation d'impuretés dans la phase liquide du silicium au cours de la solidification, les impuretés étant piégées au niveau de la surface libre du bloc de silicium solide obtenu. On peut favoriser par ailleurs la ségrégation d'impuretés qui sont piégées dans la première portion de silicium qui se solidifie à la base du creuset 24. Il suffit alors de retirer une couche superficielle en surface du bloc de silicium, et éventuellement à la base du bloc de silicium, pour obtenir un bloc de silicium adapté à la réalisation de produits photovoltaïques . La forme du bloc de silicium solidifié dépend de la forme intérieure du creuset 24. On utilise alors de préférence un creuset 24 à base rectangulaire pour obtenir un bloc de silicium parallélépipédique. Une telle étape de cristal¬ lisation est avantageusement mise en oeuvre lorsqu'on souhaite obtenir un bloc de silicium dont le degré de pureté est suf¬ fisant pour une utilisation directe pour la fabrication de produits photovoltaïques et que le silicium de base utilisé pour le remplissage du creuset 24 a un degré de pureté tel qu'une solidification sans ségrégation d'impuretés du silicium fondu et purifié ne permettrait pas d'obtenir un bloc de silicium ayant un degré de pureté suffisant pour une utilisation directe pour la fabrication de produits photovoltaïques. Une fois complè¬ tement solidifié, le creuset 24, contenant le bloc de silicium solidifié, est retiré de l'enceinte 12.
A titre de variante, le système de transfert thermique inférieur 32 peut être remplacé par un système de refroi¬ dissement comprenant une semelle sur laquelle est déposée le creuset 24. La semelle est constituée d'un matériau bon conducteur de la chaleur et est refroidie par un fluide de refroidissement circulant dans des conduites traversant la semelle.
Selon une autre variante, le système de transfert thermique inférieur 32 peut être utilisé pour chauffer la base du creuset 24 pendant l'étape de cristallisation, par exemple à une température inférieure à la température de solidification du silicium. Pour ce faire, la bobine d'induction inférieure 34 peut être alimentée par une tension alternative pendant l'étape de cristallisation. En chauffant davantage la surface libre 63 du silicium par rapport à la base du creuset 24, on obtient un gradient de températures dans le silicium fondu contenu dans le creuset 24 entraînant une solidification progressive du silicium contenu dans le creuset 24 depuis la base du creuset 24 jusqu'à la surface libre 63 du silicium.
Selon une autre variante de l'invention, la solidi¬ fication du silicium peut être réalisée sans nécessairement favoriser une progression particulière du front de solidi¬ fication du silicium contenu dans le creuset 24. Ceci peut être obtenu lorsque la solidification du silicium est réalisée en utilisant seulement le système de transfert thermique inférieur 32 sans utilisation du système de chauffage supérieur 40. On n'obtient pas alors de ségrégation des impuretés dans le bloc de silicium. Un tel procédé de cristallisation peut être mis en oeuvre pour l'obtention d'un bloc de silicium dont le degré de pureté est suffisant pour une utilisation directe pour la fabrication de produits photovoltaïques en utilisant du silicium pour le remplissage du creuset 24 ayant un degré de pureté suffisant de sorte que la solidification sans ségrégation d'impuretés du silicium fondu et purifié permette d'obtenir directement un bloc de silicium ayant un degré de pureté suffisant pour la fabrication de produits photovoltaïques. Dans le cas où le silicium utilisé pour le remplissage du creuset 24 a un degré de pureté tel qu'une solidification sans ségrégation d'impuretés du silicium fondu et purifié ne permet pas d'obtenir un bloc de silicium ayant un degré de pureté suffisant pour une utilisation directe pour la fabrication de produits photovoltaïques, le bloc de silicium obtenu est impropre à une utilisation directe pour des techniques photovoltaïques. Toutefois, un tel bloc peut être ultérieurement refondu pour fournir un bloc de silicium adapté à la réalisation de produits photovoltaïques .
Selon une variante de l'invention, les bobines d'induc¬ tion 28, 34, 42 sont remplacées par un réseau de résistances chauffantes.
La figure 2 est une coupe schématique de dessus du système d'évacuation 60. Le système d'évacuation 60 comprend un tube principal creux 64 qui épouse sensiblement le contour du creuset 24. Dans le présent exemple, le tube principal 64 a une forme carrée ou rectangulaire qui entoure une région interne 66. Le tube principal 64 comprend des ouvertures 68 disposées du côté de la région interne 66, et qui sont, dans le présent exemple, réparties aux quatre coins du tube principal 64. Des tubes secondaires 70 relient le tube principal 64 à une pompe d'aspiration non représentée. De façon avantageuse, quatre tubes secondaires 70 sont prévus, un tube secondaire 70 communiquant avec le tube principal 64 entre deux ouvertures 68. On a représenté schématiquement par des flèches 71 le sens de circu¬ lation des gaz lorsque le système d'évacuation 60 est en fonctionnement. Un tel exemple de répartition des ouvertures 68 et des tubes secondaires 70 permet avantageusement d'assurer que le système d'évacuation 60 continue à fonctionner correctement même si une portion du tube principal 60 se bouche en fonctionnement .
La figure 3 est une coupe partielle et schématique d'un autre exemple de réalisation de l'installation 10. Selon cet exemple de réalisation, l'écran de protection 54 n'est pas présent. Une pièce de confinement 72 entoure la torche à plasma 50 et comprend une paroi latérale interne 74 qui délimite une ouverture interne 76 dans le prolongement de la torche à plasma 50. La paroi latérale interne 74 se prolonge par une paroi inférieure 78 sensiblement plane qui s'étend en vis-à-vis du creuset 24. Lorsque l'ensemble formé par le creuset 24, le système de chauffage latéral 27 et le système de transfert thermique inférieur 32 est amené en position haute, le creuset 24 et la pièce de confinement 72 délimitent un volume utile 80 communiquant avec le reste de l'enceinte 12 à sa périphérie. Le système d'évacuation 60 est prévu à la périphérie du volume utile 80. Les lignes fléchées 82 représentent schématiquement le sens de circulation des gaz dans le volume utile 80 lors de l'étape de purification. Dans le présent exemple de réalisation, le creuset 24 n'est pas complètement rempli par le silicium fondu de sorte que le bord supérieur du creuset 24 forme un obstacle 84 à la circulation de gaz. Les gaz issus de la purification du silicium s'étendent latéralement à la surface libre 63 du silicium fondu du centre vers la périphérie de la surface libre 63, s'élèvent en rencontrant l'obstacle 84 et sont rabattus vers le centre de la surface libre 63 par la paroi inférieure 78 de la pièce de confinement 72. On observe alors à formation d'une circulation sensiblement en boucle fermée dans le volume utile 80, une partie des gaz s 'échappant néanmoins vers le système d'évacuation 60. Il n'y a donc pas ou peu de pollution du reste de l'enceinte 12 par les gaz issus de la purification du silicium fondu. En outre, une légère aspiration des gaz neutres de l'enceinte dans le volume utile 80 peut se produire. Un tel exemple de réalisation permet de façon avantageuse de faciliter le réglage de la position du creuset 24 par rapport à la torche à plasma 50 étant donné que l'étanchéité du volume utile 80 n'a pas à être assurée.
De façon générale, on peut disposer plusieurs instal¬ lations 10 telles que décrites précédemment les unes à côté des autres. Ceci permet de façon avantageuse de mettre en commun les systèmes d'alimentation des bobines d'induction 28, 34, 42, les systèmes d'alimentation des torches à plasma 50, les systèmes d'évacuation 60, etc. pour réduire encore davantage le coût de fonctionnement de chaque installation 10. En outre, un même système de chauffage supérieur 40 peut alors être utilisé par plusieurs installations 10, le système de chauffage supérieur 40 pouvant être déplacé d'une installation à une autre.
Selon une variante de l'invention, le système de chauffage supérieur 40 est fixe par rapport à l'enceinte 12. Dans ce cas, l'élévateur 18 est, en outre, adapté à déplacer le creuset 24, lorsque celui-ci est en position basse, selon la direction horizontale pour l'amener sous le système de chauffage supérieur 40 lors de l'étape de cristallisation et éventuel¬ lement lors de l'étape de fusion.
Selon une autre variante de 1 ' invention, pendant l'étape de solidification du silicium fondu et purifié dans le creuset 24, un élément inductif bon conducteur de la chaleur est inséré entre la bobine latérale 28 et le manchon isolant 26. La bobine latérale 28 peut alors être alimentée par une tension alternative de façon à chauffer par induction l'élément inductif qui émet de la chaleur par radiation. Ceci permet de compenser les pertes thermiques latérales du creuset 24.
La présente invention comporte de nombreux avantages .
Premièrement, les étapes de fusion, de purification et de cristallisation étant réalisées dans une même enceinte, les déplacements du creuset 24 étant en outre réduits au minimum, l'installation 10 peut avoir une structure particulièrement simple et un encombrement réduit.
Deuxièmement, les déplacements du creuset 24 sont réduits au maximum puisque seul un déplacement vertical du creuset 24 est réalisé (et éventuellement un déplacement hori¬ zontal) alors que le silicium est fondu. En particulier, il n'y a pas d'étape de versement du silicium fondu et purifié du creuset 24 vers un autre creuset. On limite ainsi les étapes de manipulations du silicium fondu qui sont toujours délicates à mettre en oeuvre. La forme du creuset 24 peut en outre être simplifiée puisqu'il n'est pas nécessaire de prévoir un bec de versement du silicium fondu.
La présente invention a été décrite dans le cadre de la fabrication de silicium destiné aux techniques photo- voltaïques. Il est clair qu'elle s'applique également à tout type de matériau semiconducteur pouvant être utilisé pour la réalisation de cellules photovoltaïques. De tels matériaux semi¬ conducteurs sont, par exemple, l ' arséniure de gallium (AsGa) ou le germanium (Ge) .
Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la purification du silicium fondu peut être réalisée par tout moyen adapté. En particulier, un système d'injection de bulles de gaz réactifs directement dans le silicium fondu peut être utilisé. De plus, l'enceinte 12 peut avoir une forme différente de la forme cylindrique. A titre d'exemple, l'enceinte 12 peut avoir une forme générale parallélépipédique ou sphérique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation (10) de fabrication de blocs d'un matériau semiconducteur, comprenant au moins une enceinte (12) contenant une atmosphère d'au moins un gaz neutre, l'enceinte comprenant : un système de fusion (27, 32, 40) adapté à faire fondre le matériau semiconducteur dans un creuset (24) ; un système de purification (50) adapté à éliminer des impuretés du matériau semiconducteur fondu dans le creuset ; un système de transfert thermique (32) adapté à refroidir la base du creuset et un système de chauffage (40) de la surface libre (63) du matériau semiconducteur fondu et puri¬ fié par le système de purification dans le creuset de façon à favoriser la solidification du matériau semiconducteur fondu et purifié dans le creuset ; et un système de déplacement (18) du creuset (24) conte¬ nant le matériau semiconducteur fondu et purifié jusqu'au système de chauffage et/ou un système de déplacement du système de chauffage jusqu'au creuset contenant le matériau semi¬ conducteur fondu et purifié.
2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle le système de transfert thermique (32) et le système de chauffage (40) sont adaptés à favoriser la ségrégation d'impu¬ retés lors de la solidification du matériau semiconducteur fondu et purifié dans le creuset (24) .
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le système de chauffage (40) comprend une bobine d'induc¬ tion (42) et un élément inductif (46) conducteur de la chaleur.
4. Installation selon l'une quelconque des revendi¬ cations précédentes, dans laquelle le système de transfert thermique (32) comprend une bobine d'induction (34) et un élément inductif (38) conducteur de la chaleur.
5. Installation selon l'une quelconque des revendi¬ cations précédentes, comprenant un système d'évacuation (60) des gaz issus de la purification du silicium fondu dans le creuset (24).
6. Installation selon l'une quelconque des revendi¬ cations précédentes, dans laquelle le système de purification (50) comprend une torche à plasma (50) .
7. Installation selon l'une quelconque des revendi¬ cations précédentes, dans laquelle le système de fusion (27) comprend une bobine d'induction latérale (28) entourant les parois latérales du creuset (24) .
8. Installation selon la revendication 7, dans laquelle un manchon isolant (26) est interposé entre le creuset (24) et la bobine d'induction latérale (28).
9. Installation selon l'une quelconque des revendi¬ cations précédentes, comprenant un écran de protection (54) s ' interposant entre le système de fusion (27, 32) et le système de purification (50) et adapté à délimiter avec une paroi (52) de l'enceinte (12) un volume de confinement (58) contenant le système de purification, l'écran de protection comportant un orifice (56) en vis-à-vis duquel est destinée à être placée la surface libre (63) du matériau semiconducteur fondu par le système de fusion lors du fonctionnement du système de puri¬ fication.
10. Procédé de fabrication de blocs d'un matériau semi¬ conducteur comprenant les étapes suivantes réalisées dans une enceinte (12) contenant une atmosphère d'au moins un gaz neutre : remplir un creuset (24) du matériau semiconducteur solide ; faire fondre le matériau semiconducteur solide ; éliminer des impuretés du matériau semiconducteur fondu ; déplacer le creuset contenant le matériau semi¬ conducteur fondu et purifié jusqu'à un système de chauffage (40) de la surface libre (63) du matériau semiconducteur fondu et purifié et/ou déplacer le système de chauffage jusqu'au creuset contenant le matériau semiconducteur fondu et purifié ; et refroidir le matériau semiconducteur pour solidifier le matériau semiconducteur fondu et purifié dans le creuset.
PCT/FR2007/052490 2006-12-13 2007-12-12 Procede et installation de fabrication de blocs d'un materiau semiconducteur WO2008078043A2 (fr)

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