WO2019122108A1 - Creuset pour la solidification dirigee d'un lingot - Google Patents

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WO2019122108A1
WO2019122108A1 PCT/EP2018/086165 EP2018086165W WO2019122108A1 WO 2019122108 A1 WO2019122108 A1 WO 2019122108A1 EP 2018086165 W EP2018086165 W EP 2018086165W WO 2019122108 A1 WO2019122108 A1 WO 2019122108A1
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WO
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sleeve
ingot
mold
bath
axial direction
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/086165
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English (en)
Inventor
Etienne Pihan
Denis CHAVRIER
Claire AUDOIN
Marion SERASSET
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/003—Heating or cooling of the melt or the crystallised material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/006—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
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    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/007—Mechanisms for moving either the charge or the heater
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B35/002—Crucibles or containers

Definitions

  • the present invention relates to a crucible for the directional solidification of an ingot of a semiconductor such as silicon and germanium.
  • Directed solidification of a silicon ingot suitable for photovoltaic applications is a manufacturing process that implements complex physical, mechanical and thermal phenomena, and coupled to each other. It can be operated by resumption on germs of a molten silicon bath contained in a silica crucible whose inner wall is coated with a non-stick coating of silicon nitride.
  • the crucible is disposed in an enclosure comprising regions formed of graphite and forms, with the non-stick coating and the enclosure, sources of impurities, in particular metals, oxygen, nitrogen and carbon respectively, which diffuse into the molten silicon bath and which degrade the optical and electrical properties of the ingot.
  • Nitrogen is for example known to reduce the transparency in the infrared of silicon as well as the quality of the platelets obtained after cutting the ingot by means of a diamond saw.
  • local temperature variations in the molten silicon bath induce natural convection currents that promote the segregation of impurities at the interface between the solidified silicon and the molten silicon bath.
  • thermomechanical stresses appear during the directional solidification in the ingot of silicon in formation, and result from temperature gradients developing first in the seeds during the melting of the feedstock to form the bath, then between the central and peripheral regions of the ingot being solidified.
  • Such thermomechanical stresses are at the origin of the multiplication of dislocation clusters, forming in particular sub-joints in the ingot, which degrade the electrical properties.
  • the intensity of the thermomechanical stresses can increase as the height of solidified material increases.
  • the intensity of the thermomechanical stresses increases with the width of the ingot. The growth of ingots of high height and wide, economically advantageous, is therefore difficult in practice.
  • the present invention aims to overcome at least one of the aforementioned drawbacks, and proposes a crucible for the directional solidification of an ingot of an ingot material selected from silicon, germanium and mixtures thereof, the crucible comprising:
  • a mold having a mold bottom wall and a mold side wall extending from the mold bottom wall along an axial direction, preferably a vertical one, the mold bottom wall and the mold side wall defining together a cavity for containing the molten ingot material, and a thermally insulating and hollow thermally-holding structure extending in the axial direction and having a structural side wall having a radial surface thermal resistance R r greater than the surface thermal resistance radial R p ⁇ of the mold side wall,
  • the holding structure encircling the mold side wall around the axial direction.
  • the holding structure reduces the radial heat fluxes applied to the ingot and the bath of molten ingot material, thus limiting the development of thermomechanical stresses and associated crystalline defects in the ingot.
  • the bath by mixing the bath as will be detailed later, it is possible to manufacture an ingot of greater height and having a substantially identical crystalline defect density than by means of a crucible of the prior art having a cavity of identical dimensions or to produce an ingot of the same height and of better crystalline quality than an ingot of the prior art.
  • the crucible is adapted to the directed solidification of a silicon ingot.
  • the "axial" direction passes through the respective centroids of the transverse sections, that is to say parallel to radial planes, of the mold.
  • the axial direction is the vertical direction, parallel to the direction of Earth's gravity.
  • a "radial” direction is contained in a plane transverse to the axial direction and intersects the "axial" direction.
  • a "radial" plane is defined by two different radial directions.
  • An axial plane has a direction parallel to the axial direction.
  • the "height" of an element is measured along the axial direction.
  • the "width" of an element is the largest dimension measured in a radial plane.
  • the largest dimension of an ingot or cavity having a cross section in the form of a rectangle is the diagonal of the rectangle.
  • the "radial surface thermal resistance" R th of an axially extending wall is equal to the ratio of the thickness e of the wall, measured in a radial direction normal to one face of the wall, to the thermal conductivity 1 of the material constituent of the wall,
  • the "thickness" of a wall corresponds to the greatest distance between two large opposite faces of the wall, measured in a normal radial direction at least one of the two large faces.
  • the "thermal conductivity" of a material is determined in a temperature range between T f - 500 ° C and T m + 200 ° C, T F being the melting temperature of the ingot material.
  • Thermal conductivity can be measured by applying ASTM 1461 or ASTM C-177. It can also be obtained from publications in the technical field of the invention, such as "Handbooks of thermal thermal conductivity materials properties".
  • the melting temperature of the ingot material is 144.degree.
  • the melting temperature of the ingot material is equal to 938 ° C.
  • the preferred ingot material is silicon.
  • a first piece which "surrounds” or even “belt” a second piece about the axial direction is disposed radially outwardly relative to the second piece.
  • a second part arranged “radially inside” of a first part is such that the distance, measured in a radial direction, which separates it from the axial direction, is smaller than the distance, measured in the radial direction, between the axial direction and the first piece arranged "radially outward".
  • the holding structure is thermally insulating and has a structural side wall extending in the axial direction. In other words, it defines a thermal barrier for radial heat fluxes.
  • the mold side is greater than 2.0, preferably greater than 5.0, preferably greater than 10.0.
  • the radial surface thermal resistance of the structural side wall is greater than 0.010 m 2 .KW, or even greater than 0.020 m 2 .KW 1 or even greater than 0.080 m 2 .KW.
  • the holding structure is formed of a material, homogeneous or composite, having a Young's modulus adapted to maintain the shape of the mold during the directional solidification of the ingot.
  • a Young's modulus adapted to maintain the shape of the mold during the directional solidification of the ingot.
  • the skilled person knows how to implement the methods of measuring a Young's modulus.
  • the Young's modulus can be measured according to ASTM C747 and AS TM C769.
  • “Maintaining the shape of the mold during directional solidification” means that the variation, during the directional solidification, between the width of the mold and the initial width of the mold before directed solidification, measured at 30 ° C, does not exceed 3% of the initial mold width.
  • the mold is heated to a temperature above the glass transition temperature of the silica. Beyond the glass transition temperature, a temporary decrease in the rigidity of the mold is observed.
  • the holding structure prevents the silica mold from being deformed too much due to its softening and the pressure induced by the material contained in the cavity.
  • the mold thus has during the directional solidification a shape substantially identical to that it has at room temperature.
  • the holding structure is still hollow. Preferably, it surrounds the mold side wall over the entire periphery of the mold side wall. In particular, it may have a shape complementary to the mold side wall. It comprises at least one opening opening at one end of the structure and preferably another opening at the opposite end in the axial direction.
  • the holding structure is a tube whose wall preferably has a thickness of between 5 mm and 100 mm, in particular greater than 15 mm.
  • the tube is cylindrical, for example of revolution.
  • the holding structure has a radial section having rectangular internal and external contours, in particular square.
  • the holding structure is coaxial with the mold.
  • the holding structure can be monolithic. Alternatively, it may comprise a plurality of removable structural portions connected to each other, for example by means of angles on which two adjacent structural portions are screwed.
  • the holding structure may have a height of between 100 mm and 1000 mm and a width of between 100 mm and 2200 mm.
  • the height of the structural wall may be greater than the height of the mold wall.
  • the holding structure may be one-piece or be a composite assembly formed of elements made of different materials.
  • the holding structure may consist of a holding sleeve comprising, for more than 80.0% of its mass, a sleeve material having a radial thermal conductivity less than 2.0 Wm ⁇ .K 1 , or even less than 0.5 Wm ⁇ .K 1 .
  • the radial thermal conductivity sleeve material is less than the thermal conductivity of the graphite.
  • the sleeve material is alumina, for example dense, pure and polycrystalline.
  • the alumina has a high modulus of elasticity imparting sufficient rigidity to the holding structure, as well as a low thermal conductivity, of the order of 0.5 Wm ⁇ K 1 at a temperature of 1500 ° C., adapted to isolate the ingot in formation of the radial heat fluxes.
  • the retaining sleeve preferably has a sleeve wall that extends in a direction parallel to the axial direction and seals the mold side wall about the axial direction.
  • the sleeve wall is in contact with the mold side wall.
  • the ratio of the thickness of the sleeve wall to the thickness of the mold side wall is greater than 0.5, preferably greater than 1.0.
  • the holding structure may comprise:
  • a holding sleeve comprising, for more than 50%, preferably for more than 80% of its mass, a rigid sleeve region formed of graphite, and a hollow insulation jacket preferably comprising, for more than 95%, preferably for 100% of its mass, a jacket material having a thermal conductivity lower than the thermal conductivity of the mold material, the holding sleeve and the insulating jacket extending in the axial direction and surrounding the mold side wall around the axial direction, and being preferably coaxial,
  • the holding sleeve being interposed at least partially between the insulation sleeve and the mold, or the insulation sleeve being at least partially interposed between the mold and the holding sleeve.
  • the rigid sleeve region ensures that the mold maintains its shape during the directional solidification of an ingot, while the insulation sleeve forms a thermal barrier to isolate the ingot and ingot material melting radial heat fluxes.
  • the holding sleeve and the insulation sleeve are hollow.
  • the holding sleeve and / or the insulating jacket surround the mold side wall over the entire periphery of the mold side wall.
  • the holding sleeve or the insulating jacket may have a shape complementary to the mold side wall.
  • the holding sleeve and the insulation sleeve each comprise at least one opening opening at one end of the sleeve and preferably another opening at the opposite end in the axial direction.
  • the holding sleeve and / or the insulating jacket are tubes, preferably cylindrical, for example of revolution.
  • the holding sleeve and / or the insulating jacket respectively have a transverse section having rectangular internal and external contours, in particular square.
  • the holding sleeve preferably comprises a sleeve wall, respectively a jacket wall, which extends in a direction parallel to the axial direction.
  • the sleeve wall is of constant thickness, for example between 5 mm and 50 mm.
  • the sleeve wall may have several external and internal faces.
  • the holding sleeve may comprise a sleeve insulation region formed of a sleeve insulation material selected from a carbon felt, preferably having a density of less than 0.3g.cm 3 , a mineral wool, for example an alumina wool, and an insulating ceramic such as polycrystalline alumina.
  • Carbon felt also called carbon fiber or graphite fiber in the field considered may be rigid, flexible or semi-rigid.
  • the thermal conductivity of the sleeve insulating material is less than the thermal conductivity of the graphite.
  • the thermal conductivity of the sleeve insulating material may be less than 2 Wm ⁇ .K 1 , preferably less than 0.5 W.nfbiC 1 .
  • the holding sleeve may include a sleeve wall having the rigid sleeve region and the sleeve insulation region which each extends across the thickness (e m ) of the sleeve wall.
  • the rigid sleeve region and the sleeve isolation region are superimposed on each other in the axial direction, and are preferably in contact with each other.
  • the rigid sleeve region and the sleeve insulation region preferably have identical sections in a cross-sectional plane to the axial direction.
  • the holding sleeve may include a plurality of rigid sleeve regions and a plurality of sleeve isolation regions, the sleeve conductive regions and the sleeve isolation regions being alternately disposed in the axial direction.
  • one of the sleeve conductive regions and one of the sleeve insulation regions consecutively disposed in the axial direction together define a pattern which is periodically repeated along the axial direction.
  • the ratio of the height of a pattern and the thickness of the sleeve wall may be from 0.1 to 5.0, preferably from 0.3 to 3.0. In particular the height of a pattern may be between 5 mm and 100 mm, preferably between 15 mm and 50 mm.
  • the liner material it is preferably chosen from a carbon felt, a mineral wool, for example an alumina wool, and an insulating ceramic, for example polycrystalline alumina.
  • the thermal conductivity of the liner material is less than the thermal conductivity of the graphite.
  • the thermal conductivity of the liner material may be less than 2.0 Wm .K 4 , preferably less than 0.5 Wm .K 4 .
  • the liner material and the liner insulation material may be the same.
  • the insulation sleeve may comprise a shoulder, for example annular, protruding radially inwards or outwards, the holding sleeve having an end axial face facing, for example in contact, d an axial face of G shoulder.
  • the liner can thus thermally insulate the holding sleeve from an axial heat flow.
  • the shoulder protrudes radially inwards, respectively radially outwardly, and the insulation sleeve is disposed radially outwardly, respectively radially inside the retaining sleeve.
  • the side faces of the holding sleeve and the insulation sleeve are in contact with each other.
  • the insulation sleeve and the holding sleeve are coaxial.
  • the insulation sleeve can be fixed, for example screwed, on the holding sleeve.
  • the insulation jacket has a liner wall whose thickness may be greater than the thickness of the sleeve wall.
  • the thickness of the liner wall is between 5 mm and 50 mm.
  • the crucible comprises a sole disposed in contact with the bottom wall of the mold, preferably formed of graphite, the shoulder being disposed between the sole and the holding sleeve and / or the sleeve insulation region being disposed between the sole and the rigid sleeve region.
  • the shoulder and / or sleeve insulating region thermally insulates the sole of the rigid graphite sleeve region from the axial heat fluxes.
  • the sole can extend in a radial plane.
  • the bottom wall of the mold is in contact with the sole on all of its face opposite to that facing the cavity.
  • the insulation jacket may rest on the hearth or be placed away from the hearth.
  • the holding sleeve is preferably disposed at a distance from the sole.
  • the contact surface between the holding sleeve and the hearth is entirely defined by the sleeve insulating region.
  • the transmission of a heat flow in the axial direction between the sole and the sleeve wall is thus limited.
  • the mold it consists, preferably for more than 90%, preferably for more than 99% of its mass, or even for 100% of its mass by a mold material.
  • a preferred mold material is silica.
  • the mold defines a cavity for containing the molten ingot material.
  • the volume of the cavity may be greater than 10 liters, preferably greater than 100 liters, or even greater than 1000 liters.
  • the cavity may have a radial section of circular contour or preferably rectangular, in particular square.
  • the faces of the mold side wall and mold bottom wall defining the cavity may be covered with a non-stick coating, in particular silicon nitride.
  • the side wall of the mold can define a cylinder of revolution.
  • the lateral wall of the mold may comprise a plurality of mold portions, preferably each having a planar plate shape of constant thickness, defining a hollow tube of rectangular or square section.
  • the distance between two opposite faces of the mold side wall, measured in a direction normal to the walls is between 100 mm and 2000 mm.
  • the invention also relates to a furnace for the directional solidification of an ingot made of an ingot material chosen from silicon, germanium and their mixtures, the furnace comprising the crucible according to the invention and a mixing device configured to mix a bath of molten ingot material, when said bath is contained in the cavity during melting and / or directed solidification of the ingot.
  • the mixing member brews the bath of molten ingot material, which has the effect of renewing the volume of liquid ingot material at the interface between the solidified ingot and the bath , thus improving the segregation of impurities.
  • the mixing member brews the bath of molten ingot material, which has the effect of renewing the volume of liquid ingot material at the interface between the solidified ingot and the bath , thus improving the segregation of impurities.
  • the crucible according to the invention the development of thermomechanical stresses in the ingot is limited.
  • the furnace comprises a control unit configured to control the mixing member, preferably so as to maintain a convexity of the interface between the solidified ingot material and the molten ingot material during directed solidification. ingot.
  • the interface between the solid ingot material in formation and the bath of molten ingot material may be called "solid / liquid" interface.
  • control unit is configured to control the mixing member so that the height of the convex solid / liquid interface is constant over more than 70%, preferably more than 90%, preferably over 95%, or even 100% of the height of the ingot to solidify.
  • a "convex" solid / liquid interface is such that a point of the solid / liquid interface in the central region of the solidifying ingot is located at a higher elevation than a point of the interface in contact with the sidewall of mold.
  • the height of the solid / liquid interface defined as the difference between the elevation of a highest solid / liquid interface point of G and the altitude of a point of the solid / liquid interface at contact of the mold, is less than 3 cm and preferably less than 1 cm.
  • the determination of the position and the shape of the solid / liquid interface is, for example, measured by "probing", that is to say by contacting the ingot in the formation of a submerged quartz rod. in the bath of molten ingot material.
  • the probing of the solid / liquid interface may be performed in different radial positions, for example in the center along the axis of the mold and / or along the wall of the mold, and at different times of the solidification of the ingot.
  • Those skilled in the art can determine the parameters for controlling the control unit so as to obtain the desired shape of the solid / liquid interface, and in particular to maintain the convexity of the solid / liquid interface. For example, it can regulate at least one temperature associated with the bath temperature of molten ingot material, for example the temperature of a furnace upper heating zone, and in a variant where the mixing member is a stirrer to pale, the speed of rotation of the blade of the agitator. Those skilled in the art can further define said parameters for mixing members of different geometry.
  • the mixing member is chosen from a light stirrer, an electromagnetic stirrer and an inert gas blowing nozzle.
  • the mixing member is a pale stirrer having at least one, preferably several blades extending transversely to the axial direction and being rotatable about the axial direction.
  • the pale may be formed of any material resistant to corrosion by the molten ingot material.
  • the pale is constituted, preferably for more than 90% of its mass, by a material selected from graphite, silicon carbide, silicon nitride, silica, preferably by silicon nitride.
  • the mixing member and the mold are preferably coaxial.
  • the mixing member is at least partially disposed in the cavity according to at least one configuration of the oven.
  • the mixing member can be immersed in the bath.
  • the mixing member is movable between first and second opposite extreme positions, and is disposed in the first extreme position at a distance from the bottom wall of the mold of between 20 and 100 mm, and in the second extreme position. at a distance of less than 40 mm from the free surface of the bath at the end of solidification, the distance being measured axially.
  • the control unit is configured so that at least 50%, preferably at least 80% of the duration of the directed solidification, the variation of the shortest distance, measured axially, between the organ mixture and the solid / liquid interface is less than 40 mm. For example, if on average, the shortest distance between the solid / liquid interface is equal to 50 mm, it can thus vary between 30 mm and 70 mm.
  • control unit is configured so that at least 50%, preferably at least 80% of the duration of the directed solidification, the shortest distance, measured axially, between the mixing member and the solid / liquid interface is between 10 mm and 70 mm.
  • the position of the solid / liquid interface can be determined by probing during directional solidification.
  • the cavity contains a bath comprising the molten ingot material, the blade being disposed at a distance less than 40 mm from the free surface of the molten ingot material.
  • the ingot material is silicon.
  • control unit can be configured to maintain a rotational speed of the stirrer to pale less than 100 revolutions per minute, preferably less than 60 revolutions per minute, or even less than 20 revolutions per minute. Beyond a speed of 100 revolutions per minute, the quality of the ingot obtained is degraded.
  • the ratio of the length of the pale, measured radially, to the width of the cavity is less than 0.7.
  • the invention finally relates to a method for manufacturing an ingot made of an ingot material chosen from silicon, germanium and their mixtures, the process comprising at least the steps of:
  • the cavity of the crucible containing a bath comprising or even consisting of the molten ingot material then ii) proceed to the solidification of the ingot from the bath while mixing the bath by means of the mixing member, so as to maintain a convex interface between the solidified ingot material and the bath.
  • the ingot material is silicon.
  • the bath temperature is less than Tf + 20 ° C.
  • the face of the mold bottom wall defining the bottom of the cavity can be paved by means of at least one seed.
  • the paving can be adapted to the production of a multicrystalline ingot, and for example be formed of seeds having a width of less than 10 mm. Alternatively, it may comprise seeds having a width of between 10 mm and 400 mm suitable for the production of a "mono- like" ingot. According to yet another variant, the paving may consist of a single seed to form a monocrystalline ingot.
  • a feedstock containing the ingot material is deposited in the cavity and the feedstock is melted to form the bath.
  • the bath in formation can be mixed by means of the mixing member.
  • the radial heat fluxes in the bath are thus homogenized, which makes it possible to limit the development of a stress gradient in the seeds.
  • the mixing member is a pale stirrer
  • the paddle (s) are introduced into the bath and the bath is started to mix as soon as the depth of the bath, that is to say the distance in the axial direction between the free surface of the bath and the initial charge, is greater than the height of the pale, preferably as soon as the height of the bath is greater than 40 mm
  • the bath is mixed so as to maintain the convexity of the interface between the solidified ingot material and the molten ingot material during the directional solidification of the ingot.
  • the mixing member is controlled so that the height of the convex solid / liquid interface is constant over more than 70%, preferably more than 90%, preferably more than 95% of the height of the ingot to solidify.
  • the mixing member is controlled so that the height of the convex solid / liquid interface is less than 30 mm, preferably less than 10 mm, more than 80%, preferably more than 90%, preferably over 95%, the height of the ingot to be solidified.
  • the mixing member is a light-wave stirrer about the axial direction, and in step ii), the speed of rotation of the light-stirrer is less than 30 rpm. This ensures a sufficient turnover of molten ingot material at the solid / liquid interface to limit the segregation of impurities at said interface while reducing the intensity of the radial heat flux.
  • the speed of rotation is chosen so that the movement of the ingot material within the bath, observed at the free surface of the bath, is from the center of the bath to the mold side wall .
  • the pale can be immersed in the bath and be arranged so that the shortest distance between the pale, measured in the axial direction , and the solid / liquid interface is between 10 mm and 70 mm, preferably between 20 mm and 40 mm.
  • the plume may be immersed in the bath of molten ingot material and be disposed, for more than 70% of the duration of step ii) at a distance from the free surface of the bath, measured according to the axial direction, less than 40 mm, and preferably, the thickness of the pale, measured axially, is less than 20 mm, preferably less than 10 mm.
  • the rotational speed can be modified during step ii), so as to maintain a convex shape of the solid / liquid interface.
  • the ingot obtained at the end of step ii) is such that the ratio of the height of the ingot to the width of the ingot is less than 1.0, preferably less than 0.5.
  • the ingot obtained at the end of step ii) has a height of between 100 mm and 700 mm and a width greater than 300 mm.
  • Figures 1 to 3 show in vertical section different examples of crucibles according to the invention
  • Figure 4 shows a detail of the sleeve wall of Figure 3
  • Figures 5 and 6 show an oven according to the invention.
  • the crucible 5 illustrated in FIG. 1 comprises a mold 10, a sole 15 and a holding structure 18.
  • the mold is formed of silica and comprises a bottom wall of mold 25 extending transversely to an axial direction, vertical V, passing through the centroids of cross sections to the axial direction of the mold. It further comprises a mold side wall 30 of thickness e mo extending in the axial direction from the bottom wall.
  • the side wall and bottom wall of the mold define a cavity 35 adapted to contain a bath of molten ingot material, preferably silicon.
  • the mold rests under the effect of its own weight on the sole, which is formed of graphite.
  • the holding structure 18 of FIG. 1 consists of a hollow monolithic holding sleeve 20 formed of alumina.
  • the support structure comprises a side wall structure 22 of thickness e and height H st st.
  • the structural wall surrounds the side wall of the mold over the entire periphery of the side wall of the mold, around the axial direction.
  • the holding structure is also in contact with the side wall of the mold. It is arranged radially outside the mold. During the directional solidification of an ingot, the mold, which tends to deform radially outwards under the effect of the pressure of the silicon bath is retained by the holding structure. The general shape of the mold is thus preserved.
  • the holding structure forms a thermal barrier isolating the mold 10, and if appropriate the ingot and the bath of molten ingot material that it contains, said radial heat flux.
  • the crucible illustrated in FIG. 2 differs from that illustrated in FIG. 1, in that the holding structure 18 comprises a holding sleeve 20 formed of graphite and an insulating jacket 40 made of a fibrous jacket material, for example of carbon fiber, having a thermal conductivity lower than that of graphite.
  • the holding sleeve 20 has a sleeve wall 24 and defines a rigid sleeve region 75.
  • the insulating jacket has a liner wall 45 extending axially and of thickness e ch and the retaining sleeve 20 has a sleeve side wall 50 of thickness e mc .
  • the insulation sleeve and the retaining sleeve are coaxial with axis V and each have a tubular shape.
  • the insulation sleeve 40 is sandwiched between the mold 10 and the holding sleeve 20. It is in contact with the mold and the holding sleeve. During the melting of the load, the mold tends to deform temporarily. It is retained by the holding structure, and in particular by the graphite holding sleeve. The mold thus substantially retains its shape.
  • the insulation jacket is disposed radially outside the mold and radially inside the holding sleeve.
  • the mold is made of silica and the thickness of the mold wall e mo is equal to 25 mm
  • the insulation jacket is made of carbon fiber and the thickness of the side wall of the jacket e ch is equal to 40 mm
  • the holding sleeve is made of graphite and the thickness of the sleeve wall e mo is equal to 20 mm.
  • the radial surface thermal resistance of the mold wall may be equal to 0.02 m 2 .KW 4 and the radial surface thermal resistance of the structural wall 22, formed by the radial succession of the liner wall 45 and the wall sleeve 24, is equal to 0.04 Wm 3 .K 4 .
  • the insulation sleeve is in contact with the sole 15. It comprises a shoulder 60 projecting radially outwardly, disposed between the holding sleeve 20 and the sole 15.
  • the holding sleeve is thus arranged at a distance of the sole.
  • the holding sleeve has an end axial face 62 facing, for example in contact, an axial face 63 of the shoulder
  • the shoulder forms a thermal barrier limiting the transfer of axial heat flow f c between the sole and the retaining sleeve, both made of graphite, are more thermally conductive than the jacket material. This facilitates the management of heat fluxes applied to the crucible.
  • the height of the shoulder H ep is greater than 5 mm.
  • the sole may include a groove 65 in which the shoulder 60 is housed.
  • the shoulder and the groove are shaped so that the lateral face of the mold bottom wall is arranged facing, in a radial direction, the holding sleeve.
  • the crucible illustrated in FIG. 3 differs from that illustrated in FIG. 1 in that the holding structure 18 is formed of a holding sleeve 20 and an insulation jacket 40 of a fibrous liner material, such as rock wool.
  • the holding sleeve has a sleeve wall 24 which surrounds the entire periphery of the mold side wall around the axial direction. It is also in contact with the side wall 30 of the mold.
  • the insulation liner has a liner wall 45 in contact with the retaining sleeve 20 and which surrounds the entire periphery of the retaining sleeve around the axial direction.
  • the holding sleeve is sandwiched between the mold side wall and the insulation jacket.
  • the holding sleeve has a plurality of sleeve insulation regions 70 formed of carbon felt and a plurality of rigid sleeve regions 75 formed of graphite.
  • the sleeve insulating regions and the rigid sleeve regions have tube portions defined along the axial direction by radial planes Pi, P 2 , P 3 . They are also alternated in the axial direction.
  • a sleeve isolation region is screwed on either side of the axial direction to adjacent rigid sleeve regions.
  • the rigid sleeve regions are fixed, for example screwed, together to give the holding sleeve rigidity adapted to maintain the shape of the mold during the directional solidification of the ingot.
  • a sleeve insulator region and a consecutive sleeve rigid region define a pattern M m which is periodically repeated in the axial direction.
  • the pattern has a height H mm of between 10 mm and 200 mm.
  • the height of a sleeve insulating region H mi is between 5 mm and 100 mm and the height of a rigid sleeve region H m 2 is between 5 mm and 195 mm.
  • the height H mt of the sleeve wall is for example between 100 mm and 1000 mm.
  • the sleeve wall has a thickness e mc , measured in a radial direction, of between 5 mm and 50 mm.
  • the holding sleeve and the insulating jacket rest on the sole.
  • Contact between the holding sleeve and the hearth takes place through the sleeve isolation region 80 disposed at the lower end of the holding sleeve, referred to as the end sleeve region.
  • the contact surface S ms between the holding sleeve and the hearth is defined entirely by the end sleeve region.
  • the end sleeve region formed of a material having a thermal conductivity less than the thermal conductivity of the graphite forming the rigid sleeve region defines a thermal resistance between the rigid graphite sleeve region and the graphite sole.
  • the sleeve end region avoids the propagation along the axial direction of an axial heat flow in the sleeve wall 24 which facilitates the regulation of the radial heat flux imposed on the ingot and material of molten ingot during directed solidification.
  • Figures 5 and 6 show a furnace 180 according G invention at different times of two embodiments of a method of solidification of an ingot.
  • the furnace comprises the crucible 5 illustrated in FIG. 2 and a heat exchanger block 81 for cooling the crucible via the sole.
  • the mold cavity 35 contains a ingot 82 in formation and a bath of molten ingot material 83, separated by a convex solid / liquid interface 84.
  • the crucible rests on the heat exchanger block.
  • the oven further comprises a chamber 90 made of graphite defining an enclosure housing 95 in which the crucible and the heat exchanger block are arranged.
  • the enclosure comprises a base 100 on which rests the heat exchanger unit and a removable cover 105, for example mobile in translation relative to the base in the axial direction.
  • the junction surface between the cover and the base can be arranged in the same plane as the sole 15 in contact with the mold. In this way, by axially moving the lid relative to the base, the introduction and unloading of the crucible in the oven are facilitated.
  • the lid rests on the base so as to isolate the enclosure housing from the outside.
  • the enclosure defines a side wall 110, on which is mounted at least one heating means 115, for example induction, and / or at least one cooling means for respectively heating and / or cooling radially, if appropriate the ingot in formation 82 and the bath of molten ingot material 83.
  • at least one heating means 115 for example induction
  • at least one cooling means for respectively heating and / or cooling radially, if appropriate the ingot in formation 82 and the bath of molten ingot material 83.
  • the heat exchanger block is for example a copper water box in which circulates a heat-transfer liquid, for example water, at a temperature of between 15 ° C. and 40 ° C., to extract heat from the crucible transmitted by the wall. background oven. It ensures the solidification of the ingot material in contact with seeds arranged on the bottom wall of the mold.
  • a heat-transfer liquid for example water
  • the oven comprises a stirrer 185 to pale disposed in the mold cavity.
  • the pale stirrer has blades 190 extending in a radial direction and rotatable about the axial direction.
  • the blades are mounted on an axially extending shaft 195.
  • the agitator further comprises a motor 200 for driving the blades in rotation around and in translation along the axial axis. The blades are thus rotatable about the axial direction V, and are arranged coaxially with the mold.
  • the light stirrer is electrically connected to a control unit 205 configured to control the motor so that the motor operates the blades at a speed of rotation of the blades and a speed of movement of the predetermined blades.
  • the blades can be immersed in the bath of molten ingot material and be disposed, for more than 90% of the duration of the ingot solidification step, at a distance Di of the free surface 210 of the bath, measured in the axial direction, less than 40 mm as shown in Figure 6.
  • the distance Di is the shortest distance between the free surface of the bath and the pale.
  • the free surface corresponds to the surface of the bath in contact with the surrounding atmosphere of the oven.
  • the blades of the stirrer can be immersed in the bath of molten ingot material and be disposed, for more than 70% of the duration of the solidification step of the ingot, so that the shortest distance D r between the blades, measured in the axial direction, and the solid / liquid interface 84 is less than 70 mm, preferably less than 40 mm.
  • the speed of rotation of the blades is less than 30 rpm.
  • the mixture of the bath of molten ingot material contained in the crucible according to the invention by means of the stirring paddle homogenizes the temperature of the bath and limits the formation of crystalline defects in the ingot as well as the segregation of the carbon at the same time. solid / liquid interface.
  • the invention makes it possible to maintain a convex interface of low height EL / , for example less than 3 cm.
  • the invention improves the segregation of impurities in the ingot and reduces the internal stresses causing the development of crystalline defects in the ingot.

Abstract

Creuset pour la solidification dirigée d'un lingot en un matériau de lingot choisi parmi le silicium, le germanium et leurs mélanges, comportant : un moule comportant une paroi de fond de moule et une paroi latérale de moule s'étendant depuis la paroi de fond de moule le long d'une direction axiale, la paroi de fond de moule et la paroi latérale de moule définissant ensemble une cavité pour contenir le matériau de lingot en fusion, et une structure de maintien thermiquement isolante et creuse s'étendant selon la direction axiale et comportant une paroi latérale de structure présentant une résistance thermique surfacique radiale Rth str supérieure à la résistance thermique surfacique radiale Rth pm de la paroi latérale de moule, la structure de maintien ceinturant la paroi latérale de moule autour de la direction axiale.

Description

CREUSET POUR LA SOLIDIFICATION DIRIGEE D’UN LINGOT
La présente invention concerne un creuset pour la solidification dirigée d’un lingot d’un semi-conducteur tel que le silicium et le germanium.
La solidification dirigée d’un lingot de silicium adapté aux applications photovoltaïques est un procédé de fabrication qui met en œuvre des phénomènes physiques, mécaniques et thermiques complexes, et couplés les uns aux autres. Elle peut être opérée par reprise sur germes d’un bain de silicium en fusion contenu dans un creuset de silice dont la paroi interne est revêtue d’un revêtement anti-adhérent en nitrure de silicium. Le creuset est disposé dans une enceinte comportant des régions formées de graphite et forme avec le revêtement anti-adhérent et l’enceinte des sources d’impuretés, notamment de métaux, d’oxygène, d’azote et de carbone respectivement, qui diffusent dans le bain de silicium en fusion et qui dégradent les propriétés optiques et électriques du lingot. L’azote est par exemple connu pour réduire la transparence dans l’infrarouge du silicium ainsi que la qualité des plaquettes obtenues après découpe du lingot au moyen d’une scie diamantée. En outre, les variations locales de température au sein du bain de silicium en fusion induisent des courants de convection naturelle qui favorisent la ségrégation des impuretés au niveau de l’interface entre le silicium solidifié et le bain de silicium en fusion.
Par ailleurs, des contraintes thermomécaniques apparaissent au cours de la solidification dirigée dans le lingot de silicium en formation, et résultent de gradients de température se développant d’abord dans les germes au cours de la fusion de la charge de départ pour former le bain, puis entre les régions centrale et périphérique du lingot en cours de solidification. De telles contraintes thermomécaniques sont à l’origine de la multiplication d’amas de dislocations, formant notamment des sous joints dans le lingot, qui dégradent les propriétés électriques. De plus, l’intensité des contraintes thermomécaniques peut augmenter à mesure que la hauteur de matériau solidifié augmente. En outre, pour une hauteur de lingot fixée, l’intensité des contraintes thermomécaniques augmente avec la largeur du lingot. La croissance de lingots de grande hauteur et de grande largeur, avantageuse économiquement, s’avère donc difficile en pratique. La présente invention vise à pallier à au moins l’un des inconvénients précités, et propose un creuset pour la solidification dirigée d’un lingot en un matériau de lingot choisi parmi le silicium, le germanium et leurs mélanges, le creuset comportant :
un moule comportant une paroi de fond de moule et une paroi latérale de moule s’étendant depuis la paroi de fond de moule le long d’une direction axiale, de préférence verticale, la paroi de fond de moule et la paroi latérale de moule définissant ensemble une cavité pour contenir le matériau de lingot en fusion, et une structure de maintien thermiquement isolante et creuse s’étendant selon la direction axiale et comportant une paroi latérale de structure présentant une résistance thermique surfacique radiale R^r supérieure à la résistance thermique surfacique radiale Rp ^ de la paroi latérale de moule,
la structure de maintien ceinturant la paroi latérale de moule autour de la direction axiale.
Au cours de la solidification dirigée du lingot, la structure de maintien réduit les flux de chaleurs radiaux s’appliquant sur le lingot et sur le bain de matériau de lingot en fusion, limitant ainsi le développement de contraintes thermomécaniques et des défauts cristallins associés dans le lingot. Par exemple, en mélangeant le bain comme cela sera détaillé par la suite, il est possible de fabriquer un lingot de plus grande hauteur et présentant une densité de défauts cristallins sensiblement identique qu’au moyen d’un creuset de l’art antérieur présentant une cavité de dimensions identiques ou de réaliser un lingot de même hauteur et de meilleure qualité cristalline qu’un lingot de l’art antérieur.
De préférence, le creuset est adapté à la solidification dirigée d’un lingot de silicium.
La direction « axiale » passe par les barycentres respectifs des sections transverses, c’est-à-dire parallèles à des plans radiaux, du moule. De préférence, la direction axiale est la direction verticale, parallèle à la direction de la gravité terrestre.
Une direction « radiale » est contenue dans un plan transverse à la direction axiale et intersecte la direction « axiale ».
Un plan « radial » est défini par deux directions radiales différentes. Un plan axial comporte une direction parallèle à la direction axiale.
La « hauteur » d’un élément est mesurée selon la direction axiale. La « largeur » d’un élément est la plus grande dimension mesurée dans un plan radial. Par exemple, la plus grande dimension d’un lingot ou d’une cavité ayant une section transverse en forme de rectangle, est la diagonale du rectangle.
La « résistance thermique surfacique radiale » Rth d’une paroi s’étendant axialement est égale au rapport de l’épaisseur e de la paroi, mesurée selon une direction radiale normale à une face de la paroi, sur la conductivité thermique l du matériau constitutif de la paroi,
Figure imgf000005_0001
L’ « épaisseur » d’une paroi correspond à la plus grande distance entre deux grandes faces opposées de la paroi, mesurée selon une direction radiale normale à une moins l’une des deux grandes faces.
La « conductivité thermique » d’un matériau est déterminée dans une plage de températures comprise entre Tf - 500°C et Tf+ 200°C, T f êtant la température de fusion du matériau de lingot. La conductivité thermique peut être mesurée par application des normes ASTM 1461 ou ASTM C-177. Elle peut aussi être obtenue de publications du domaine technique de l’invention, telles que « Handbooks of materials properties thermal conductivity ». En particulier, dans une variante où le matériau de lingot comporte plus de 99,9 % de silicium, la température de fusion du matériau de lingot est égale à l4l4°C. Selon une autre variante où le matériau de lingot comporte plus de 99,9 % de germanium, la température de fusion du matériau de lingot est égale à 938°C.
Le matériau de lingot préféré est le silicium.
Une première pièce qui « entoure », voire qui « ceinture », une deuxième pièce autour de la direction axiale est disposée radialement à l’extérieur par rapport à la deuxième pièce. Une deuxième pièce disposée « radialement à l’intérieur » d’une première pièce est telle que la distance, mesurée selon une direction radiale, qui la sépare de la direction axiale, est inférieure à la distance, mesurée selon la direction radiale, entre la direction axiale et la première pièce disposée « radialement à l’extérieur ».
La structure de maintien est thermiquement isolante et comporte une paroi latérale de structure s’étend selon la direction axiale. Autrement dit, elle définit une barrière thermique pour les flux de chaleur radiaux.
Rth
De préférence, le rapport de la résistance thermique surfacique radiale de la paroi latérale de structure sur la résistance thermique surfacique radiale de la paroi latérale de moule est supérieur à 2,0, de préférence supérieur à 5,0, de préférence supérieur à 10,0.
De préférence, la résistance thermique surfacique radiale
Figure imgf000006_0001
de la paroi latérale de structure est supérieure à 0,010 m2.K.W , voire supérieure à 0,020 m2.K.W 1 voire supérieure à 0,080 m2.K.W .
De préférence, la structure de maintien est formée d’un matériau, homogène ou composite, présentant un module de Young adapté au maintien de la forme du moule au cours de la solidification dirigée du lingot. L’homme du métier sait mettre en œuvre les méthodes de mesure d’un module de Young. Par exemple, lorsque le matériau comporte du graphite, le module de Young peut être mesuré selon les normes ASTM C747 et AS TM C769. Par « maintien de la forme du moule au cours de la solidification dirigée », on considère que la variation, au cours de la solidification dirigée, entre la largeur du moule et la largeur initiale du moule avant solidification dirigée, mesurée à 30°C, n’excède pas 3 % de la largeur initiale du moule. Par exemple, dans une variante préférée où le moule est formé de silice, pour mettre en œuvre la solidification dirigée d’un lingot de silicium, le moule est chauffé à une température supérieure à la température de transition vitreuse de la silice. Au-delà de la température de transition vitreuse, une diminution temporaire de la rigidité du moule est observée. Ainsi, la structure de maintien évite que le moule en silice ne se déforme trop sous l’effet de son ramollissement et de la pression induite par le matériau contenu dans la cavité. Le moule présente ainsi au cours de la solidification dirigée une forme sensiblement identique à celle qu’il présente à température ambiante.
La structure de maintien est encore creuse. De préférence, elle entoure la paroi latérale de moule sur toute la périphérie de la paroi latérale de moule. En particulier, elle peut avoir une forme complémentaire de la paroi latérale de moule. Elle comporte au moins une ouverture débouchant à une extrémité de la structure et de préférence une autre ouverture à l’extrémité opposée selon la direction axiale.
De préférence, la structure de maintien est un tube, dont la paroi présente de préférence une épaisseur comprise entre 5 mm et 100 mm, notamment supérieure à 15 mm. De préférence, le tube est cylindrique, par exemple de révolution. De préférence, la structure de maintien présente une section radiale présentant des contours interne et externe rectangulaires, notamment carrés. De préférence, la structure de maintien est coaxiale avec le moule.
La structure de maintien peut être monolithique. En variante, elle peut comporter une pluralité de portions de structure amovibles liées les unes aux autres, par exemple au moyen de cornières sur lesquelles deux portions de structure adjacentes sont vissées.
La structure de maintien peut présenter une hauteur comprise entre 100 mm et 1000 mm et une largeur comprise entre 100 mm et 2200 mm. En particulier, la hauteur de la paroi de structure peut être supérieure à la hauteur de la paroi de moule.
La structure de maintien peut être monobloc ou être en ensemble composite formé d’éléments constitués de matériaux différents.
Selon un premier mode de réalisation, la structure de maintien peut consister en un manchon de maintien comportant, pour plus de 80,0 % de sa masse, un matériau de manchon présentant une conductivité thermique radiale
Figure imgf000007_0001
inférieure à 2,0 W.m^.K 1, voire inférieure à 0,5 W.m^.K 1. De préférence, la conductivité thermique radiale
Figure imgf000007_0002
du matériau de manchon est inférieure à la conductivité thermique du graphite. De préférence, le matériau de manchon est de l’alumine, par exemple dense, pure et polycristalline. L’alumine présente un module d’élasticité élevé conférant une rigidité suffisante à la structure de maintien, ainsi qu’une faible conductivité thermique, de l’ordre de 0,5 W.m ^K 1 à une température de l500°C, adaptée à isoler le lingot en formation des flux de chaleur radiaux.
Le manchon de maintien comporte de préférence une paroi de manchon qui s’étend selon une direction parallèle à la direction axiale et ceinture la paroi latérale de moule autour de la direction axiale. De préférence, la paroi de manchon est au contact de la paroi latérale de moule. De préférence, le rapport entre l’épaisseur de la paroi de manchon sur l’épaisseur de la paroi latérale de moule est supérieur à 0,5, de préférence supérieur à 1,0.
Selon un deuxième mode de réalisation, la structure de maintien peut comporter :
- un manchon de maintien comportant pour plus de 50 %, de préférence pour plus de 80 % de sa masse, une région rigide de manchon formée de graphite, et - une chemise d’isolation creuse comportant, de préférence pour plus de 95 %, de préférence pour 100 % de sa masse, un matériau de chemise présentant une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique du matériau de moule, le manchon de maintien et la chemise d’isolation s’étendant selon la direction axiale et ceinturant la paroi latérale de moule autour de la direction axiale, et étant de préférence coaxiaux,
le manchon de maintien étant intercalé au moins partiellement entre la chemise d’isolation et le moule, ou la chemise d’isolation étant au moins partiellement intercalée entre le moule et le manchon de maintien.
Au sein de la structure de maintien, la région rigide de manchon assure que le moule maintienne sa forme au cours de la solidification dirigée d’un lingot, alors que la chemise d’isolation forme une barrière thermique pour isoler le lingot et le bain de matériau de lingot en fusion des flux de chaleur radiaux.
Le manchon de maintien et la chemise d’isolation sont creux. De préférence, le manchon de maintien et/ou la chemise d’isolation entourent la paroi latérale de moule sur toute la périphérie de la paroi latérale de moule. Le manchon de maintien ou la chemise d’isolation peut avoir une forme complémentaire de la paroi latérale de moule. Le manchon de maintien et la chemise d’isolation comportent chacun au moins une ouverture débouchant à une extrémité du manchon et de préférence une autre ouverture à l’extrémité opposée selon la direction axiale.
De préférence, le manchon de maintien et/ou la chemise d’isolation sont des tubes, de préférence cylindriques, par exemple de révolution.
De préférence, le manchon de maintien et/ou la chemise d’isolation présentent respectivement une section transverse présentant des contours interne et externe rectangulaires, notamment carrés.
Le manchon de maintien, respectivement la chemise d’isolation, comporte de préférence une paroi de manchon, respectivement une paroi de chemise, qui s’étend selon une direction parallèle à la direction axiale. De préférence, la paroi de manchon est d’épaisseur constante, par exemple comprise entre 5 mm et 50 mm. La paroi de manchon peut présenter plusieurs faces externes et internes. Le manchon de maintien peut comporter une région d’isolation de manchon formée d’un matériau d’isolation de manchon choisi parmi un feutre de carbone, de préférence présentant une densité inférieure à 0,3g.cm 3, une laine minérale, par exemple une laine d’alumine, et une céramique isolante telle que G alumine polycristalline.
Le feutre de carbone, également dénommé fibre carbone ou fibre graphite dans le domaine considéré peut être rigide, souple ou semi-rigide.
De préférence, la conductivité thermique du matériau d’isolation de manchon est inférieure à la conductivité thermique du graphite.
En particulier, la conductivité thermique du matériau d’isolation de manchon peut être inférieure à 2 W.m^.K 1, de préférence inférieure à 0,5 W.nfbiC1.
Le manchon de maintien peut comporter une paroi de manchon comportant la région rigide de manchon et la région d’isolation de manchon qui s’étendent chacune de part en part de l’épaisseur (em) de la paroi de manchon.
De préférence, la région rigide de manchon et la région d’isolation de manchon sont superposées l’une à l’autre selon la direction axiale, et sont de préférence au contact l’une de l’autre.
La région rigide de manchon et la région d’isolation de manchon présentent de préférence des sections identiques, selon un plan de coupe transversal à la direction axiale.
Dans une variante, le manchon de maintien peut comporter une pluralité de régions rigides de manchon et une pluralité de régions d’isolation de manchon, les régions conductrices de manchon et les régions d’isolation de manchon étant disposées en alternance selon la direction axiale. De préférence, une des régions conductrices de manchon et une des régions d’isolation de manchon consécutivement disposées selon la direction axiale définissent ensemble un motif qui est répété périodiquement le long de la direction axiale. Le rapport de la hauteur d’un motif et l’épaisseur de la paroi de manchon peut être compris entre 0,1 et 5,0, de préférence comprise entre 0,3 et 3,0. En particulier la hauteur d’un motif peut être comprise entre 5 mm et 100 mm, de préférence entre 15 mm et 50 mm.
En ce qui concerne le matériau de chemise, de préférence, il est choisi parmi un feutre de carbone, une laine minérale, par exemple une laine d’alumine, et une céramique isolante, par exemple l’alumine polycristalline. De préférence, la conductivité thermique du matériau de chemise est inférieure à la conductivité thermique du graphite.
En particulier, la conductivité thermique du matériau de chemise peut être inférieure à 2,0 W.m .K4, de préférence inférieure à 0,5 W.m .K4.
Le matériau de chemise et le matériau d’isolation de manchon peuvent être identiques.
Par ailleurs, la chemise d’isolation peut comporter un épaulement, par exemple annulaire, faisant saillie radialement vers l’intérieur ou vers l’extérieur, le manchon de maintien présentant une face axiale d’extrémité en regard, par exemple au contact, d’une face axiale de G épaulement. La chemise peut ainsi isoler thermiquement le manchon de maintien d’un flux de chaleur axial.
De préférence, l’ épaulement fait saillie radialement vers l’intérieur, respectivement radialement vers l’extérieur, et la chemise d’isolation est disposée radialement à l’extérieur, respectivement radialement à l’intérieur du manchon de maintien.
De préférence, les faces latérales du manchon de maintien et de la chemise d’isolation sont en contact l’une de l’autre.
De préférence, la chemise d’isolation et le manchon de maintien sont coaxiaux.
La chemise d’isolation peut être fixée, par exemple vissée, sur le manchon de maintien.
La chemise d’isolation comporte une paroi de chemise dont l’épaisseur peut être supérieure à l’épaisseur de la paroi de manchon. De préférence, l’épaisseur de la paroi de chemise est comprise entre 5 mm et 50 mm.
De préférence, le creuset comporte une sole disposée au contact de la paroi de fond de moule, de préférence formée de graphite, l’ épaulement étant disposé entre la sole et le manchon de maintien et/ou la région d’isolation de manchon étant disposée entre la sole et la région rigide de manchon. Ainsi, l’ épaulement et/ou la région d’isolation de manchon isolent thermiquement la sole de la région rigide de manchon formée de graphite des flux de chaleur axiaux. La sole peut s’étendre dans un plan radial. De préférence, la paroi de fond de moule est en contact avec la sole sur l’intégralité de sa face opposée à celle en regard de la cavité.
La chemise d’isolation peut reposer sur la sole ou être disposée à distance de la sole. De préférence, dans une variante où la région du manchon de maintien située en regard de la sole est formée de graphite, le manchon de maintien est de préférence disposé à distance de la sole.
De préférence, la surface de contact entre le manchon de maintien et la sole est définie entièrement par la région isolante de manchon. La transmission d’un flux de chaleur selon la direction axiale entre la sole et la paroi de manchon est ainsi limitée.
En ce qui concerne le moule, il est constitué, de préférence pour plus de 90 %, de préférence pour plus de 99 % de sa masse, voire pour 100 % de sa masse par un matériau de moule. Un matériau de moule préféré est la silice.
Le moule définit une cavité pour contenir le matériau de lingot en fusion. Le volume de la cavité peut être supérieur à 10 litres, de préférence supérieur à 100 litres, voire supérieur à 1000 litres.
La cavité peut présenter une section radiale de contour circulaire ou de préférence rectangulaire, notamment carré.
Les faces des paroi latérale de moule et paroi de fond de moule définissant la cavité peuvent être recouvertes d’un revêtement anti-adhérent, notamment en nitrure de silicium.
La paroi latérale du moule peut définir un cylindre de révolution. Selon une variante préférée, la paroi latérale du moule peut comporter une pluralité de portions de moule, de préférence présentant chacune une forme de plaque plane d’épaisseur constante, définissant un tube creux de section rectangulaire ou carrée. De préférence, la distance entre deux faces opposées de la paroi latérale de moule, mesurée selon une direction normale aux parois est comprise entre 100 mm et 2000 mm.
L’invention concerne encore un four pour la solidification dirigée d’un lingot en un matériau de lingot choisi parmi le silicium, le germanium et leurs mélanges, le four comportant le creuset selon l’invention et un organe de mélange configuré pour mélanger un bain de matériau de lingot en fusion, lorsque ledit bain est contenu dans la cavité au cours de la fusion et/ou la solidification dirigée du lingot.
Au cours de la solidification dirigée du lingot, l’organe de mélange brasse le bain de matériau de lingot en fusion, ce qui a pour effet de renouveler le volume de matériau de lingot liquide auprès de l’interface entre le lingot solidifié et le bain, améliorant ainsi la ségrégation des impuretés. En outre, par un choix adapté des conditions de mélange, au moyen du creuset selon l’invention, le développement de contraintes thermomécaniques dans le lingot est limité.
De préférence, le four comporte une unité de commande configurée pour commander l’organe de mélange, de préférence de sorte à maintenir une convexité de l’interface entre le matériau de lingot solidifié et le matériau de lingot en fusion au cours de la solidification dirigée du lingot.
Par la suite, par souci de concision, l’interface entre le matériau de lingot solide en formation et le bain de matériau de lingot en fusion pourra être dénommée interface « solide/liquide ».
De préférence, l’unité de commande est configurée pour commander l’organe de mélange de sorte que la hauteur de l’interface solide/liquide convexe soit constante sur plus de 70 %, de préférence sur plus de 90 %, de préférence sur plus de 95 %, voire sur 100 % de la hauteur du lingot à solidifier.
Une interface solide/liquide « convexe » est telle qu’un point de l’interface solide/liquide dans la région centrale du lingot en solidification est situé à une altitude plus élevée qu’un point de l’interface au contact de la paroi latérale de moule. De préférence, la hauteur de l’interface solide/liquide, définie comme la différence entre l’altitude d’un point de G interface solide/liquide la plus élevée et l’altitude d’un point de l’interface solide/liquide au contact du moule, est inférieure à 3 cm et préférentiellement inférieure à 1 cm.
L’homme du métier sait modéliser et mesurer l’évolution de la position et de la forme de l’interface solide/liquide au cours de la solidification dirigée du lingot dans le four. La détermination de la position et de la forme de l’interface solide/liquide est, par exemple, mesurée par « palpage », c’est-à-dire par mise en contact avec le lingot en formation d’une canne en quartz immergée dans le bain de matériau de lingot en fusion. Le palpage de l’interface solide/liquide peut être réalisé en différentes positions radiales, par exemple au centre le long de l’axe du moule et/ou le long de la paroi du moule, et à différents instants de la solidification du lingot.
L’homme du métier sait déterminer les paramètres pour commander l’unité de commande de manière à obtenir la forme souhaitée de l’interface solide/liquide, et notamment pour maintenir la convexité de l’interface solide/liquide. Par exemple, il peut réguler au moins une température associée à la température de bain de matériau de lingot en fusion, par exemple la température d’une zone de chauffe supérieure du four, et dans une variante où l’organe de mélange est un agitateur à pâle, la vitesse de rotation de la pale de l’agitateur. L’homme du métier sait en outre définir lesdits paramètres pour des organes de mélange de géométrie différente.
De préférence, l’organe de mélange est choisi parmi un agitateur à pâle, un agitateur électromagnétique et une buse de soufflage d’un gaz inerte. De préférence, l’organe de mélange est un agitateur à pâle comportant au moins une, de préférence plusieurs pâles s’étendant transversalement à la direction axiale et étant mobiles en rotation autour de la direction axiale.
La pâle peut être formée de tout matériau résistant à la corrosion par le matériau de lingot en fusion. De préférence, la pâle est constituée, de préférence pour plus de 90 % de sa masse, par un matériau choisi parmi le graphite, le carbure de silicium, le nitrure de silicium, la silice, de préférence par du nitrure de silicium.
Afin d’homogénéiser la température du bain, l’organe de mélange et le moule sont de préférence coaxiaux.
De préférence, l’organe de mélange est au moins partiellement disposé dans la cavité selon au moins une configuration du four. Ainsi, lorsque la cavité contient le bain de matériau de lingot en fusion, l’organe de mélange peut être immergé dans le bain.
De préférence, l’organe de mélange est mobile entre des première et deuxième positions extrêmes opposées, et est disposé dans la première position extrême à une distance de la paroi de fond de moule comprise entre 20 et 100 mm, et dans la deuxième position extrême à une distance inférieure à 40 mm de la surface libre du bain en fin de solidification, la distance étant mesurée axialement. Selon une variante préférée, l’unité de commande est configurée pour qu’au moins pendant 50 %, de préférence au moins 80 % de la durée de la solidification dirigée, la variation de la plus courte distance, mesurée axialement, entre l’organe de mélange et l’interface solide/liquide soit inférieure à 40 mm. Par exemple, si en moyenne, la plus courte distance entre l’interface solide/liquide est égale à 50 mm, elle peut ainsi varier entre 30 mm et 70 mm. De préférence, l’unité de commande est configurée pour qu’au moins pendant 50 %, de préférence au moins 80 % de la durée de la solidification dirigée, la plus courte distance, mesurée axialement, entre l’organe de mélange et l’interface solide/liquide est comprise entre 10 mm et 70 mm. Comme détaillé ci-dessus, la position de l’interface solide/liquide peut être déterminée par palpage au cours de la solidification dirigée.
Dans un mode de réalisation, la cavité contient un bain comportant le matériau de lingot en fusion, la pâle étant disposée à une distance inférieure à 40 mm de la surface libre du matériau de lingot en fusion.
De préférence, le matériau de lingot est le silicium.
Par ailleurs, l’unité de commande peut être configurée pour maintenir une vitesse de rotation de l’agitateur à pâles inférieure à 100 tours par minutes, de préférence inférieure à 60 tours par minutes, voire inférieure à 20 tours par minutes. Au-delà d’une vitesse de 100 tours par minutes, la qualité du lingot obtenu est dégradée.
De préférence, le rapport de la longueur de la pâle, mesurée radialement, sur la largeur de la cavité est inférieure à 0,7.
L’invention concerne enfin un procédé de fabrication d’un lingot en un matériau de lingot choisi parmi le silicium, le germanium et leurs mélanges, le procédé comportant au moins les étapes consistant à :
i) disposer d’un four selon l’invention, la cavité du creuset contenant un bain comportant, voire constitué par, le matériau de lingot en fusion, puis ii) procéder à la solidification du lingot à partir du bain tout en mélangeant le bain au moyen de l’organe de mélange, de sorte à maintenir une interface convexe entre le matériau de lingot solidifié et le bain.
De préférence, le matériau de lingot est le silicium.
De préférence, la température du bain est inférieure à Tf+20°C. Préalablement à l’étape i), on peut paver la face de la paroi de fond de moule définissant le fond de la cavité au moyen d’au moins un germe. Le pavage peut être adapté à la production d’un lingot multicristallin, et par exemple être formé de germes présentant une largeur inférieure à 10 mm. En variante, il peut comporter des germes présentant une largeur comprise entre 10 mm et 400 mm adaptés à la production d’un lingot « mono- like ». Selon encore une autre variante, le pavage peut consister en unique germe pour former un lingot monocristallin.
De préférence, préalablement à l’étape i), on dépose une charge de départ comportant le matériau de lingot dans la cavité et on fond la charge de départ pour former le bain. En particulier, au cours de la fusion de la charge de départ, on peut mélanger, au moyen de l’organe de mélange, le bain en formation. On homogénéise ainsi les flux de chaleur radiaux dans le bain, ce qui permet de limiter le développement d’un gradient de contraintes dans les germes. De préférence, dans la variante où l’organe de mélange est un agitateur à pâles, on introduit la ou les pâles dans le bain et on commence à mélanger le bain dès que la profondeur du bain, c’est-à-dire la distance selon la direction axiale entre la surface libre du bain et la charge de départ, est supérieure à la hauteur de la pâle, de préférence dès que la hauteur du bain est supérieure à 40 mm
De préférence, à l’étape ii), on mélange le bain de sorte à maintenir la convexité de l’interface entre le matériau de lingot solidifié et le matériau de lingot en fusion au cours de la solidification dirigée du lingot. De préférence, on commande l’organe de mélange de sorte que la hauteur de l’interface solide/liquide convexe soit constante sur plus de 70 %, de préférence sur plus de 90 %, de préférence sur plus de 95 % de la hauteur du lingot à solidifier. De préférence, on commande l’organe de mélange de sorte que la hauteur de l’interface solide/liquide convexe soit inférieure à 30 mm, de préférence inférieure à 10 mm, sur plus de 80 %, de préférence sur plus de 90 %, de préférence sur plus de 95 %, de la hauteur du lingot à solidifier.
De préférence, l’organe de mélange est un agitateur à pâle rotative autour de la direction axiale, et à l’étape ii), la vitesse de rotation de l’agitateur à pâle est inférieure à 30 tours par minutes. On assure ainsi un renouvellement suffisant en matériau de lingot en fusion au niveau de l’interface solide/liquide pour limiter la ségrégation des impuretés au niveau de ladite interface tout en réduisant l’intensité des flux de chaleur radiaux. De préférence, à l’étape ii), la vitesse de rotation est choisie pour que le mouvement du matériau de lingot au sein du bain, observé à la surface libre du bain, s’effectue du centre du bain vers la paroi latérale de moule.
Selon une variante de mise en œuvre, pendant plus de 50 % de la durée de l’étape ii), la pâle peut être immergée dans le bain et être disposée de sorte que la plus courte distance entre la pâle, mesurée selon la direction axiale, et l’interface solide/liquide est comprise entre 10 mm et 70 mm, de préférence comprise entre 20 mm et 40 mm.
Selon une autre variante, la pâle peut être immergée dans le bain de matériau de lingot en fusion et être disposée, pendant plus de 70 % de la durée de l’étape ii) à une distance de la surface libre du bain, mesurée selon la direction axiale, inférieure à 40 mm, et de préférence, l’épaisseur de la pâle, mesurée axialement, est inférieure à 20 mm, de préférence inférieure à 10 mm.
Par ailleurs, la vitesse de rotation peut être modifiée au cours de l’étape ii), de sorte à maintenir une forme convexe de l’interface solide/liquide.
De préférence, le lingot obtenu à la fin de l’étape ii) est tel que le rapport de la hauteur du lingot sur la largeur du lingot est inférieur à 1,0, de préférence inférieur à 0,5. De préférence, le lingot obtenu à la fin de l’étape ii) présente une hauteur comprise entre 100 mm et 700 mm et une largeur supérieure à 300 mm.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et du dessin annexé dans lequel :
les figures 1 à 3 représentent en coupe verticale différents exemples de creusets selon l’invention,
la figure 4 représente un détail de la paroi de manchon de la figure 3, et les figures 5 et 6 représentent un four selon l’invention.
Dans les différentes figures, des références identiques sont utilisées pour désigner des organes identiques ou analogues. Par ailleurs, dans les figures, les proportions des éléments constitutifs des creusets et fours n’ont pas été nécessairement respectées. Par ailleurs, par souci de clarté, certains éléments peuvent être représentés à distance les uns des autres alors qu’ils ne le sont pas en pratique.
Le creuset 5 illustré sur la figure 1 comporte un moule 10, une sole 15 et une structure de maintien 18. Le moule est formé de silice et comporte une paroi de fond de moule 25 s’étendant transversalement à une direction axiale, verticale V, passant par les barycentres des sections transverses à la direction axiale du moule. Il comporte en outre une paroi latérale de moule 30 d’épaisseur emo s’étendant selon la direction axiale à partir de la paroi de fond. Les paroi latérale et paroi de fond du moule définissent une cavité 35 adaptée à contenir un bain de matériau de lingot en fusion, de préférence du silicium. Le moule repose sous l’effet de son poids propre sur la sole, qui est formée de graphite.
La structure de maintien 18 de la figure 1 consiste en un manchon de maintien 20 monolithique, creux et formé d’alumine. La structure de maintien comporte une paroi de structure latérale 22 d’épaisseur est et de hauteur Hst. La paroi de structure ceinture la paroi latérale du moule sur toute la périphérie de la paroi latérale du moule, autour de la direction axiale. La structure de maintien est par ailleurs au contact de la paroi latérale du moule. Elle est disposée radialement à l’extérieur du moule. Lors de la solidification dirigée d’un lingot, le moule, qui tend à se déformer radialement vers l’extérieur sous l’effet de la pression du bain de silicium est retenu par la structure de maintien. La forme générale du moule est ainsi conservée.
En outre, lorsqu’un flux de chaleur radial fk est appliqué au creuset, la structure de maintien forme une barrière thermique isolant le moule 10, et le cas échéant le lingot et le bain de matériau de lingot en fusion qu’il contient, dudit flux de chaleur radial.
Le creuset illustré sur la figure 2 diffère de celui illustré sur la figure 1, en ce que la structure de maintien 18 comporte un manchon de maintien 20 formé de graphite et une chemise d’isolation 40 en un matériau de chemise fibreux, par exemple de la fibre carbone, présentant une conductivité thermique inférieure à celle du graphite. Le manchon de maintien 20 présente une paroi de manchon 24 et définit une région rigide de manchon 75.
La chemise d’isolation comporte une paroi de chemise 45 s’étendant axialement et d’épaisseur ech et le manchon de maintien 20 comporte une paroi latérale de manchon 50 d’épaisseur emc.
La chemise d’isolation et le manchon de maintien sont coaxiaux d’axe V et présentent chacun une forme tubulaire. La chemise d’isolation 40 est prise en sandwich entre le moule 10 et le manchon de maintien 20. Elle est au contact du moule et du manchon de maintien. Au cours de la fusion de la charge, le moule tend à se déformer temporairement. Il est retenu par la structure de maintien, et notamment par le manchon de maintien en graphite. Le moule conserve ainsi sensiblement sa forme.
La chemise d’isolation est disposée radialement à l’extérieur du moule et radialement à l’intérieur du manchon de maintien. Ainsi, la propagation d’un flux de chaleur radial, aisément conduit au travers du manchon de maintien en graphite, est ralentie par la chemise d’isolation.
Par exemple, le moule est en silice et l’épaisseur de la paroi de moule emo est égale à 25 mm, la chemise d’isolation est en fibre carbone et l’épaisseur de la paroi latérale de chemise ech est égale à 40 mm, et le manchon de maintien est constitué de graphite et l’épaisseur de la paroi de manchon emo est égale à 20 mm. La résistance thermique surfacique radiale de la paroi de moule peut être égale à 0,02 m2.K.W4 et la résistance thermique surfacique radiale de la paroi de structure 22, formée par la succession radiale de la paroi de chemise 45 et de la paroi de manchon 24, est égale à 0,04 W.m 3.K4.
Par ailleurs, la chemise d’isolation est au contact de la sole 15. Elle comporte un épaulement 60 faisant saillie radialement vers l’extérieur, disposé entre le manchon de maintien 20 et la sole 15. Le manchon de maintien est ainsi disposé à distance de la sole. En particulier, le manchon de maintien présente une face axiale d’extrémité 62 en regard, par exemple au contact, d’une face axiale 63 de l’ épaulement
Ainsi, l’ épaulement forme une barrière thermique limitant le transfert des flux de chaleur axiaux fc entre la sole et le manchon de maintien, qui tous deux en graphite, sont plus conducteurs thermiquement que le matériau de chemise. On facilite de cette façon la gestion des flux de chaleurs appliqués au creuset. De préférence, la hauteur de l’ épaulement Hep est supérieur à 5 mm.
Comme cela est illustré sur la figure 2, la sole peut comporter une gorge 65 dans laquelle l’ épaulement 60 est logé. L’ épaulement et la gorge sont conformées de sorte que la face latérale de la paroi de fond de moule est disposée en regard, selon une direction radiale, du manchon de maintien.
Le creuset illustré sur la figure 3 diffère de celui illustré sur la figure 1 en ce que la structure de maintien 18 est formée d’un manchon de maintien 20 et d’une chemise d’isolation 40 en un matériau de chemise fibreux, tel que de la laine de roche. Le manchon de maintien comporte une paroi de manchon 24 qui ceinture toute la périphérie de la paroi latérale du moule, autour de la direction axiale. Il est par ailleurs au contact de la paroi latérale 30 du moule.
La chemise d’isolation comporte une paroi de chemise 45 au contact du manchon de maintien 20 et qui ceinture toute la périphérie du manchon de maintien, autour de la direction axiale.
Dans l’exemple de la figure 3, le manchon de maintien est pris en sandwich entre la paroi latérale de moule et la chemise d’isolation.
Comme observé plus en détail sur la figure 4, le manchon de maintien comporte une pluralité de régions d’isolation de manchon 70 formées de feutre de carbone et une pluralité de régions rigides 75 de manchon formées de graphite. Les régions d’isolation de manchon et les régions rigides de manchon présentent des formes de portions de tubes délimitées le long de la direction axiale par des plans radiaux Pi, P2, P3. Elles sont en outre alternées selon la direction axiale. Une région d'isolation de manchon est vissée de part et d’autre de la direction axiale à des régions rigides de manchon adjacentes. Par ailleurs, les régions rigides de manchon sont fixées, par exemple vissées, entre elles pour conférer au manchon de maintien une rigidité adaptée au maintien de la forme du moule lors de la solidification dirigée du lingot. Une région d’isolation de manchon et une région rigide de manchon consécutives définissent un motif Mm qui est répété périodiquement selon la direction axiale. Le motif présente une hauteur Hmm comprise entre 10 mm et 200 mm. De préférence, la hauteur d’une région d’isolation de manchon Hmi est comprise entre 5 mm et 100 mm et la hauteur d’une région rigide de manchon Hm2 est comprise entre 5 mm et 195 mm. La hauteur Hmt de la paroi de manchon est par exemple comprise entre 100 mm et 1000 mm.
La paroi de manchon présente par ailleurs une épaisseur emc, mesurée selon une direction radiale, comprise entre 5 mm et 50 mm.
Par ailleurs, le manchon de maintien et la chemise d’isolation reposent sur la sole. Le contact entre le manchon de maintien et la sole s’effectue par l’intermédiaire de la région d'isolation de manchon 80 disposée à l’extrémité inférieure du manchon de maintien, dite région de manchon d’extrémité. La surface de contact Sms entre le manchon de maintien et la sole est définie entièrement par la région de manchon d’extrémité. La région de manchon d’extrémité, formée d’un matériau présentant une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique du graphite formant la région rigide de manchon définit une résistance thermique entre la région rigide de manchon en graphite et la sole en graphite. De cette façon, la région d’extrémité de manchon permet d'éviter la propagation le long de la direction axiale d'un flux de chaleur axial dans la paroi de manchon 24 ce qui facilite la régulation des flux thermiques radiaux imposés au lingot et matériau de lingot en fusion lors de la solidification dirigée.
Les figures 5 et 6 représentent un four 180 selon G invention à différents instants de deux modes de mise en œuvre d’un procédé de solidification d’un lingot.
Le four comporte le creuset 5 illustré sur la figure 2 et un bloc échangeur thermique 81 pour refroidir le creuset par l’intermédiaire de la sole. La cavité du moule 35 contient un lingot 82 en formation et un bain de matériau de lingot en fusion 83, séparés par une interface solide/liquide 84 convexe. Le creuset repose sur le bloc échangeur thermique.
Le four comporte en outre une enceinte 90 en graphite définissant un logement d’enceinte 95 dans lequel le creuset et le bloc échangeur thermique sont disposés. L’enceinte comporte une base 100 sur laquelle repose le bloc échangeur thermique et un couvercle 105 amovible, par exemple mobile en translation par rapport à la base selon la direction axiale. En particulier, la surface de jonction entre le couvercle et la base peut être disposée dans le même plan que la sole 15 au contact du moule. De cette façon, en déplaçant axialement le couvercle par rapport à la base, l’introduction et le déchargement du creuset dans le four sont facilités. Dans une configuration de fermeture du four, le couvercle repose sur la base de sorte à isoler le logement d’enceinte de l’extérieur. En particulier, l’enceinte définit une paroi latérale 110, sur laquelle est monté au moins un moyen de chauffage 115, par exemple à induction, et/ou au moins un moyen de refroidissement pour respectivement chauffer et/ou refroidir radialement, le cas échéant, le lingot en formation 82 et le bain de matériau de lingot en fusion 83.
Le bloc échangeur thermique est par exemple une boîte à eau en cuivre dans lequel circule un liquide caloporteur, par exemple de l’eau, à une température comprise entre l5°C et 40°C, pour extraire la chaleur du creuset transmise par la paroi de fond de four. Il assure la solidification du matériau de lingot au contact de germes disposés sur la paroi de fond de moule.
Le four comporte un agitateur 185 à pâles disposé dans la cavité du moule. L’agitateur à pâle comporte des pâles 190 s’étendant selon une direction radiale et mobiles en rotation autour de la direction axiale. Les pâles sont montées sur un arbre 195 s’étendant axialement. L’agitateur comporte en outre un moteur 200 pour entraîner les pâles en rotation autour et en translation le long de l’axe axial. Les pâles sont ainsi mobiles en rotation autour de la direction axiale V, et sont disposées coaxialement au moule.
L’agitateur à pâles est relié électriquement à une unité de commande 205 configurée pour commander le moteur de sorte que le moteur actionne les pâles selon une vitesse de rotation des pâles et une vitesse de déplacement des pâles prédéterminées.
Selon un mode de mise en œuvre du procédé, les pâles peuvent être immergées dans le bain de matériau de lingot en fusion et être disposées, pendant plus de 90 % de la durée de l’étape de solidification du lingot, à une distance Di de la surface libre 210 du bain, mesurée selon la direction axiale, inférieure à 40 mm comme illustré sur la figure 6. La distance Di est la plus courte distance entre la surface libre du bain et les pâles. La surface libre correspond à la surface du bain au contact de l’atmosphère environnante du four.
Selon une variante de mise en œuvre illustrée sur la figure 5, les pâles de l’agitateur peuvent être immergées dans le bain de matériau de lingot en fusion et être disposées, pendant plus de 70 % de la durée de l’étape de solidification du lingot, de sorte que la plus courte distance Dr entre les pâles, mesurée selon la direction axiale, et l’interface solide/liquide 84 est inférieure à 70 mm, préférentiellement inférieur à 40 mm.
De préférence, quelle que soit la variante mise en œuvre, la vitesse de rotation des pâles est inférieure à 30 tours par minute.
Le mélange du bain de matériau de lingot en fusion contenu dans le creuset selon l’invention au moyen de l’agitateur à pâles homogénéise la température du bain et limite la formation de défauts cristallins dans le lingot ainsi que la ségrégation du carbone à l’interface solide/liquide.
En outre, comme cela est observé sur les figures 5 et 6, l’invention permet de maintenir une interface convexe de faible hauteur EL/, par exemple inférieure à 3 cm. Comme cela apparaît à présent, l’invention améliore la ségrégation des impuretés dans le lingot et réduit les contraintes internes à l’origine du développement de défauts cristallins dans le lingot.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples fournis à titre illustratif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Creuset (5) pour la solidification dirigée d’un lingot en un matériau de lingot choisi parmi le silicium, le germanium et leurs mélanges, le creuset comportant :
un moule (10) comportant une paroi de fond de moule (25) et une paroi latérale de moule (30) s’étendant depuis la paroi de fond de moule le long d’une direction axiale (V), de préférence verticale, la paroi de fond de moule et la paroi latérale de moule définissant ensemble une cavité (35) pour contenir le matériau de lingot en fusion, et
une structure de maintien (18) thermiquement isolante et creuse s’étendant selon la direction axiale et comportant une paroi latérale de structure (22) présentant une résistance thermique surfacique radiale
Figure imgf000023_0001
supérieure à la résistance thermique surfacique radiale Rp ^ de la paroi latérale de moule,
la structure de maintien ceinturant la paroi latérale de moule autour de la direction axiale.
2. Creuset selon la revendication 1, dans lequel la structure de maintien est formée d’un matériau, homogène ou composite, présentant un module de Young adapté au maintien de la forme du moule au cours de la solidification dirigée du lingot.
3. Creuset selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel le
R
rapport - jj- de la résistance thermique surfacique radiale de la paroi latérale de structure sur
^ pm
la résistance thermique surfacique radiale de la paroi latérale de moule est supérieur à 2,0, de préférence supérieur à 5,0, de préférence supérieur à 10,0.
4. Creuset selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure de maintien consiste en un manchon de maintien (20) comportant, pour plus de 80,0 % de sa masse, un matériau présentant une conductivité thermique radiale
Figure imgf000023_0002
inférieure à 2 W.m^.K 1, de préférence de l’alumine.
5. Creuset selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la structure de maintien comporte
un manchon de maintien (20) comportant pour plus de 50 %, de préférence pour plus de 80 % de sa masse, une région rigide de manchon (75) formée de graphite, et - une chemise d’isolation (40) creuse comportant, de préférence pour plus de 90 %, de préférence pour 100 % de sa masse, un matériau de chemise présentant une conductivité thermique inférieure à la conductivité thermique du moule,
le manchon de maintien (20) et la chemise d’isolation (40) s’étendant selon la direction axiale et ceinturant la paroi latérale de moule autour de la direction axiale, et étant de préférence coaxiaux,
le manchon de maintien étant intercalé au moins partiellement entre la chemise d’isolation et le moule, ou la chemise d’isolation étant au moins partiellement intercalée entre le moule et le manchon de maintien.
6. Creuset selon la revendication précédente, dans lequel le matériau de chemise est choisi parmi un feutre de carbone, une laine minérale, par exemple une laine d’alumine, une céramique isolante telle que l’alumine polycristalline, et leurs mélanges.
7. Creuset selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la chemise d’isolation comporte un épaulement (60), par exemple annulaire, faisant saillie radialement vers l’intérieur ou vers l’extérieur, le manchon de maintien présentant une face axiale d’extrémité (62) en regard, par exemple au contact, d’une face axiale (63) de G épaulement.
8. Creuset selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel le manchon de maintien comporte une région d’isolation (70) de manchon formée d’un matériau d’isolation de manchon choisi parmi un feutre de carbone, une laine minérale, par exemple une laine d’alumine, une céramique isolante telle que alumine polycristalline, et leurs mélanges.
9. Creuset selon la revendication précédente, dans lequel le manchon de maintien comporte une paroi de manchon (24) comportant la région rigide (75) de manchon et la région d’isolation (70) de manchon qui s’étendent chacune de part en part de l’épaisseur (emc) de la paroi de manchon.
10. Creuset selon l’une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel la région rigide de manchon et la région d’isolation de manchon sont superposées l’une à l’autre selon la direction axiale, et de préférence au contact l’une de l’autre.
11. Creuset selon l’une quelconque des revendications 7 à 10, comportant une sole (15) disposée au contact de la paroi de fond de moule, de préférence formée de graphite, l’épaulement (60) étant disposé entre la sole et le manchon de maintien et/ou la région d’isolation de manchon étant disposée entre la sole et la région rigide de manchon.
12. Creuset selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le rapport de la hauteur de la cavité sur la largeur de la cavité est inférieur à 1,0, de préférence inférieur à 0,5.
13. Four (180) pour la solidification dirigée d’un lingot en un matériau de lingot choisi parmi le silicium, le germanium et leurs mélanges, le four comportant le creuset (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes et un organe de mélange configuré pour mélanger un bain (83) de matériau de lingot en fusion, lorsque ledit bain est contenu dans la cavité (35), notamment au cours de la fusion d’une charge de départ pour former le bain ou au cours de la solidification dirigée du lingot.
14. Four selon la revendication précédente, comportant en outre une unité de commande (205) configurée pour commander l’organe de mélange de sorte à maintenir une convexité de l’interface (84) entre le lingot (82) solidifié et le bain (83) au cours de la solidification dirigée du lingot.
15. Four selon l’une quelconque des revendications 13 et 14, dans lequel l’organe de mélange est un agitateur à pâle comportant au moins une pâle (190) s’étendant transversalement à la direction axiale et étant mobile en rotation autour de la direction axiale et étant mobile axialement entre deux positions extrêmes, l’organe de mélange étant disposé dans la cavité du four selon au moins une des positions extrêmes.
16. Procédé de fabrication d’un lingot en un matériau de lingot choisi parmi le silicium, le germanium et leurs mélanges, le procédé comportant au moins les étapes consistant à
i) disposer d’un four (180) selon l’une quelconque des revendications 13 à 15, la cavité (35) du creuset contentant un bain (83) comportant, voire constitué par, le matériau de lingot en fusion, puis
ii) procéder à la solidification du lingot à partir du bain tout en mélangeant le bain au moyen de l’organe de mélange (190), de sorte à maintenir une interface (84) convexe entre le matériau de lingot solidifié et le bain.
17. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel préalablement à l’étape i), on dépose une charge de départ comportant le matériau de moule dans la cavité et on fond la charge de départ pour former le bain et on mélange le bain en formation au moyen de l’organe de mélange.
18. Procédé selon l’une quelconque des revendications 16 et 17 dépendante de la revendication 15, dans lequel à l’étape ii), la vitesse de rotation de l’agitateur à pale est inférieure à 30 tours par minutes
19. Procédé selon l’une quelconque des revendications 16 à 18 dépendante de la revendication 15, dans lequel la pâle est immergée dans le bain et est disposée, pendant plus de 90 % de l’étape ii) à une distance (Di) de la surface libre (210) du bain, mesurée selon la direction axiale, inférieure à 40 mm.
20. Procédé selon l’une quelconque des revendications 16 à 19 dépendante de la revendication 15, dans lequel pendant plus de 50 % de la durée de l’étape ii), la pâle est immergée dans le bain et est disposée de sorte que la plus courte distance (Dr) entre la pâle et l’interface liquide/solide (84), mesurée selon la direction axiale, est inférieure à 70 mm, préférentiellement inférieure à 40 mm.
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