FR2497837A1 - Perfectionnements aux filieres pour la croissance de cristaux - Google Patents

Abstract

FILIERE POUR FAIRE CROITRE OU "ETIRER" UN CORPS CRISTALLIN RELATIVEMENT MINCE EN FORME DE RUBAN, LADITE FILIERE COMPRENANT UNE PARTIE SUPERIEURE 36 COMPORTANT DEUX PARTIES ALLONGEES 38 SE TERMINANT PAR DES BORDS VERTICAUX ESPACES AU SOMMET DE MANIERE A FORMER ENTRE EUX UNE FENTE, CETTE FENTE AYANT UNE LARGEUR CAPILLAIRE POUR SUPPORTER UNE CERTAINE QUANTITE DE MATIERE EN FUSION ENTRE LESDITS BORDS PENDANT QUE LEDIT CORPS EST ETIRE DE LADITE MASSE DE MATIERE EN FUSION, CARACTERISEE PAR DES RENFLEMENTS 54 FORMES AUX EXTREMITES OPPOSEES DESDITES PARTIES ALLONGEES 38, DE FACON A AUGMENTER L'AIRE DE CHAQUE BORD A CHACUNE DESDITES EXTREMITES AFIN DE SUPPORTER UN SUPPLEMENT DE MATIERE EN FUSION A CHACUNE DE CES EXTREMITES, LESDITS BORDS ETANT PROFILES POUR PRODUIRE UN SUPPLEMENT DE MATIERE EN FUSION AU CENTRE DU SOMMET DE LA FILIERE ET VERTICALEMENT DECALES L'UN PAR RAPPORT A L'AUTRE.

Description

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, aux dis-

positifs pour faire croître ou "étirer" des corps cristallins et concerne plus particulièrement une nouvelle filière capillaire pour la croissance de corps cristallins à partir d'une matière cristalline en fusion, qualifiée ci-après "fonte". Divers appareils et divers procédés existent pour faire croître ou pour "étirer" des corps cristallins. L'un de ces procédés, qualifié "procédé à filière capillaire" utilise le plus souvent un organe formateur capillaire, généralement qualifié dans la technique "filière capillaire", qui est supporté dans une position déterminée par rapport à un creuset contenant la fonte. Le

procédé à filière capillaire peut être exécuté selon diverses techniques.

C'est ainsi, par exemple, que l'une de ces techniques est représentée et dé-

crite dans le brevet américain n' 3 471 266 de Harold E. LaBelle, Jr. intitulé "Growth of Inorganic Filaments", tandis qu'une autre, connue sous le nom de technique de "croissance à alimentation pelliculaire" et qui est généralement désignée en abrégé "procédé EFG" est décrite dans le brevet américain n0 3 595 348 de Harold E. LaBelle, Jr. intitulé "Method of Growing Crystalline Materials", et dans le brevet américain n0 3 687 633 du 29 août 1972 de Harold E. LaBelle,

Jr. et al. intitulé "Apparatus for Growing Crystalline Bodies from the Melt".

Dans le procédé EFG, la forme de la section du corps cristallin est déterminée par le contour externe ou des bords de l'extrémité de l'organe formateur capillaire et plus particulièrement, par l'extrémité supérieure de la filière capillaire. Ce procédé consiste à faire croître ou à "étirer" le corps cristallin à partir d'une pellicule liquide de la matière d'alimentation, interposée entre le corps en train de croître et la surface de l'extrémité supérieure de la filière, le liquide de la pellicule étant remplacé en continu à partir d'une réserve de fonte appropriée contenue dans le creuset, généralement par un ou plusieurs conduits capillaires communiquant avec la filière. Parmi les matières qui peuvent être étirées par ces procédés à filière capillaire, on peut citer certainescorps monocristallins tels que l'alpha-alumine (ou le saphir), la spinelle, le chrysebéryl, le titanate de baryum, le niobate de

lithium, les grenats d'yttrium-aluminium et plus particulièrement, le silicium.

L'un des avantages du procédé EFG est qu'il permet de produire des corps ayant des formes déterminées, tels que des rubans plats ou des tubes en commençant avec un germe ou une "amorce" extrêmement simple. Des filières capillaires classiques pour faire croître des corps selon ces procédés sont représentées et décrites dans le brevet américain n0 3 687 633 du 29 août 1972 de LaBelle et al. En bref, ces filières classiques sont généralement en graphite et comprennent un creuset ayant une doublure et contenant la matière en fusion à partir de laquelle le corps doit Utre étiré. Lorsqu'on utilise un four à induction, le creuset est souvent entouré d'une enveloppe ou d'un écran en graphite ou en molybdène par exemple, destine à chauffer le creuset. Les organes formateurs capillaires représentés dans le brevet américain n0 3 687 633 comprennent un couvercle et une ou plusieurs filières quisoit supportent, soit sont supportées par le couvercle. Le couvercle s'ajuste dans le creuset et est placé par rapport à ce dernier de façon que les filières s'étendent à l'intérieur de la doublure du creuset, à travers la plaque de support, en formant à l'extrémité supérieure de la filière une surface de largeur et de

hauteur constantes, pour supporter une pellicule de fonte au-dessus du couvercle.

De cette manière, les filières remplissent à la fois les fonctions de conduits capillaires d'alimentation et d'éléments de formation du corps cristallin. Les filières sont décrites comme étant faites de deux parties principales qui coopèrent pour délimiter le conduit capillaire. Pour la croissance de corps tubulaires, les filières décrites comprennent deux cylindres dimensionnés de

façon à s'ajuster l'un dans l'autre en ménageant entre eux un espace de dimen-

sions capillaires. Les filières tubulaires comportent des moyens faisant partie intégrante des cylindres ou qui en sont séparés pour maintenir ces derniers concentriques. Le cylindre extérieur présente un épaulement extérieur pour supporter le couvercle du creuset. Pour la croissance de corps cristallins, en forme de ruban, les filières comprennent deux éléments plats fixés l'un à l'autre par des rivets ou des goupilles de façon à délimiter une fente de dimensions capillaires par laquelle la fonte peut être aspiîée de la doublure

du creuset vers le sommet de la filière.

Il a été suggéré de former le sommet de la filière d'une pièce avec le

couvercle du creuset. Dans un tel ensemble, les problèmes d'alignement, d'as-

semblage et de tolérances sont moins aigus que ceux que l'on rencontre avec des ensembles à plusieurs pièces, comme ceux décrits dans le brevet américain n0 3 687 633. De plus, cette structure unitaire offre des gradients thermiques plus facilement prévisibles, dont les températures sont plus uniformes et plus isothermes, tout en permettant d'éliminer ou, du moins, d'atténuer le caractère imprévisible et non-répétable des caractéristiques de transfert de chaleur aux interfaces des composants des structures multiples. De plus, dans cet ensemble

unitaire, les filières ont moins tendance à se déformer, l'alignement du som-

met des filières et la position en hauteur de celui-ci par rapport au creuset sont plus précis et assurent des performances plus fiables, par exemple, en

ce qui concerne la répétition des températures du sommet de la filière com-

parativement à une configuration composée.

La forme de réalisation avec un couvercle d'une pièce avec le sommet de la filière s'est révélée utile pour pallier les difficultés que présentent les structures composées correspondantes de la technique antérieure, mais néanmoins, certaines difficultés ont été rencontrées avec ces deux sortes de structures pour faire croître des corps en forme du ruban relativement larges

par le procédé EFG dans une installation chauffée par induction.

Plus précisément, des difficultés ont été rencontrées pour produire, par le procédé EFG, des rubans de silicium dont la largeur est supérieure à environ 25 mm, dans une installation chauffée par induction. C'est ainsi, par o exemple, qu'on se heurte à des difficultés pour amorcer la croissance quand un germe de cristal est mis en contact avec le sommet de la filière. En effet, quand un germe ou une amorce de cristal est mis en contact avec le sommet de la filière, il peut être difficile d'obtenir un ménisque entre le germe et le sommet de la filière sur toute la largeur de celle-ci sans que pour autant le centre de l'amorce s'échauffe de manière excessive et par conséquent, devienne plus mince que la partie restante du corps solide. De plus, quand la croissance du ruban est réalisée, on constate certaines instabilités qui rendent difficile et parfois même empêchent la croissance continue d'un corps cristallin en forme de ruban ayant une épaisseur uniforme. En effet, d'une

part, des gradients thermiques peuvent exister le long du sommetdela filière enpro-

duisant des variations dans la croissance du corps en forme de ruban. De plus, le cristal d'amorce peut se détacher prématurément du sommet de la filière, condition qualifiée de "soufflage" quand des perturbations sont transmises par le ruban au sommet de la filière. Ces perturbations peuvent être caussées,

par exemple, par le mécanisme de traction qui tire le corps pendant la crois-

sance, à partir du ménisque liquide de croissance disposé sur le sommet de la filière. Enfin, pendant la croissance ou l'étirage du silicium, du fait que le sommet de la filière est en graphite, du carbure de silicium est dispersé

dans le corps de silicium en forme de ruban, ce qui est manifestement inadmis-

sible alors qu'on s'efforce de faire croître un cristal de silicium aussi pur

que possible afin de produire une matière pouvant être utilisée pour la fabrica-

tion de piles solaires efficaces.

En conséquence, le but général de la présente invention est de réduire sensiblement ou même d'éliminer les inconvénients ci-dessus de la technique

antérieure.

Plus précisément, l'un des buts de la présente invention est de fournir un ensemble filière-creuset perfectionné particulièrement bien adapté pour faire

croître des corps en forme de ruban dont la largeur est supérieure à 25 mm.

Un autre but de la présente invention est de réaliser une filière capillaire perfectionnée pour faire croître des corps en forme de ruban de

qualité supérieure.

La présente invention a également pour but de fournir une filière capillaire perfectionnée: - qui permet de placer plus facilement un germe cristallin sur le sommet de la filière; - qui permet de produire des corps en forme de ruban relativement

larges par le procédé EFG, sans que le centre du germe ou de l'amorce s'échauf-

fe de manière excessive et par conséquent, devienne plus mince que la partie io restante; - dans laquelle un environnement de croissance plus stable est réalisé pour la production de corps en forme de ruban; - qui permet d'obtenir des corps cristallins en forme de ruban ayant une épaisseur relativement uniforme; - dans laquelle le phénomène de "soufflage" est moins susceptible de se produire; et - qui permet de produire des corps de silicium en forme de ruban de haute qualité o le carbure de silicium n'est pratiquement dispersé que d'un côté. L'invention atteint ses buts par une filière capillaire perfectionnée

pour faire croître ou étirer des corps cristallins relativement minces. L'or-

gane formateur capillaire de la filière comprend une extrémité s'étendant vers le haut formée par deux parties allongées coniques s'étendant longitudinalement et se terminant verticalement à leurs bords supérieurs pour supporter une certaine quantité de matière en fusion. Le perfectionnement de l'invention réside dans la combinaison (1) de renflements formés aux extrémités opposées des parties allongées, (2) de bords profilés de sorte que le centre de chacun des bords de la filière soit plus large et soit légèrement plus bas que les extrémités correspondantes de ce bord et (3) d'un bord de la filière disposé

plus bas que l'autre, dans une mesure prédéterminée.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de

la description qui va suivre, en référence au dessin annexé dans lequel:

- la figure I est une vue en perspective d'un mode de réalisation préféré de l'organe formateur canillaire de la présente invention - la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la figure I - la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la figure I - la figure 4 est une vue en plan du mode de réalisation de la figure I en place sur une filière capillaire; et

- la figure 5 est une vue en coupe suivant la ligne 5-5 de la figure 4.

En se référant aux figures I à 5, on voit un organe formateur capillaire pré-

féré 8 qui fait partie de la filière capillaire 10 (laquelle est représentée tout entière sur les figures 4 et 5), cette filière étant destinée à faire

croître des corps pratiquement plats en forme de rubans, et plus particulière-

ment des rubans relativement larges (ayant plus de 25 mm de largeur) en sili-

cium, selon le procédé EFG dans un four électrique à haute fréquence et à in-

duction. Toutefois, on conçoit que d'autres matières peuvent être utilisées et que l'ensemble peut servir à la croissance de corps en forme de rubans plus petits dans d'autres types de fours. Comme on le voit sur les figures 4 et 5, la filière capillaire 8 comporte, de préférence, également un creuset qui se compose d'un élément chauffant 12, du creuset 14 lui-même, et d'un écran (non représenté) pour arrêter les radiations. L'élément 12, qui a une

forme cylindrique, comprend un fond 16 et une paroi latérale cylindrique 18.

Le fond et les parois latérales de l'élément chauffant peuvent être d'une pièce, comme représenté, ou bien peuvent être séparés. L'élément chauffant 12 est ouvert au sommet et sa paroi cylindrique présente un épaulement annulaire intérieur 20 à courte distance de son extrémité supérieure. Le creuset 14, qui a également une forme cylindrique, comprend un fond 22 et une paroi latérale cylindrique 24 et est ouvert à son extrémité supérieure. Les dimensions du creuset 16 sont calculées pour qu'il puisse se loger dans l'élément chauffant 14, sa paroi de fond 22 venant reposer sur le fond 16 de l'élément 12, tandis que sa paroi latérale 24 s'emboîte dans la paroi latérale cylindrique 18 de l'élément 12, l'extrémité supérieure ouverte du creuset venant se placer sous

l'épaulement annulaire 20 de ce dernier.

L'organe capillaire 8 représenté sur le dessin est adapté pour faire croître ou "étirer" des corps plats en forme de ruban à partir d'une matière

en fusion ou d'une "fonte" contenue dans le creuset 14. Dans le mode de réalisa-

tion préféré représenté, l'organe 8 se présente sous la forme d'un couvercle d'une pièce avec la partie supérieure 28 de la filière et avec, au moins un élément d'alimentation capillaire 30, définissant une alimentation capillaire

ces deux éléments étant en graphite.

L'organe 28 est, de préférence, fait d'une pièce formée et dimensionnée de façon à venir reposer et à être supporté sur l'épaulement annulaire 20 de l'élément chauffant 12. Comme on le voit, la face inférieure 32 de l'organe

28 est pratiquement plate. La face supérieure 34 de l'organe 28, qui est égale-

ment platesupporte une pointe filière 36 s'étendant vers le haut. Comme on le voit clairement sur les figures 2 et 4, la pointe 36 se compose de deux parties coniques allongées 38 s'étendant le long d'une partie, au moins d'un diamètre

de la face supérieure 34 et qui sont reliées à leurs extrémités opposées 40.

Les parties allongées 38 se terminent, à une certaine distance de leurs bords supérieurs 42 de façon à ménager une fente 44. De préférence la fente 44 a une largeur uniforme et des dimensions capillaires, c'est-àdire, environ

0,3-0,4 mm. Comme on le voit sur la figure 3, la fente 44 s'étend partielle-

ment le long de la partie supérieure de chaque extrémité 40 de la pointe 36 de la filière, de façon à former un rebord incurvé 45 partant de l'extrémité pour descendre jusqu'au point d'intersection avec le bord vertical 46 de la fente 44. La fente traverse l'organe 28 jusqu'à sa surface de fond 32. De préférence, la fente 44 présente un dégagement à la surface 32 afin de produire

un évidement 48 dans lequel l'organe capillaire 30 s'ajuste étroitement.

L'évidement 48 forme avec la fente 42 un épaulement 50 qui s'étend autour de

l'intersection de l'évidement et de la fente.

Conformément aux principes de la présente invention, les bords supé-

rieurs 42 des éléments allongés 38 de la pointe 36 sont profilés. De préférence,

chacun des bords est limité par une surface cylindrique dont le centre de cour-

bure est situé directement au-dessus de chaque bord, le long d'une bissectrice perpendiculaire à ce bord, de sorte que les extrémités opposées 40 de chaque bord 42 sont pratiquement à la m8me hauteur, tandis que le centre 52 de chaque

bord est situé légèrement au-dessous de ses extrémités 40. Le rayon de cour-

bure des deux bords est le meme et est, de préférence, approximativement de l'ordre de onze fois la longueur de ce bord. Pour donner un exemple, nullement limitatif, lorsqu'on fait croître un ruban ayant une largeur de 58,4 mm, on

obtient de bons résultats avec des bords dont le rayon de courbure est d'en-

viron 635 mm. Il est à remarquer qu'en formant une surface profilée à chaque bord des parties allongées coniques 38, comme représenté, le centre 52 de

chaque bord est plus large le long de ce bord, sa largeur diminuant progressive-

ment à partir du centre 52 vers les extrémités 44, de sorte qu'il supporte une plus grande quantité de fonte, comparativement au bord plat rectiligne de la technique antérieure. Ce supplément de fonte compense les points chauds qui se forment dans la région centrale au cours de la croissance d'un germe et en

conséquence, constitue un surplus de matière qui évite un amincissement indé-

sirable dans la région centrale.

De plus, à chaque extrémité 40 de chaque partie allongée conique 38 est prévu un renflement 54. Les renflements 54 font, de préférence, partie intégrante des parties 38. Le renflement 54 a la forme d'un coin et est relié à la partie 38 correspondante près de la face supérieure 34 du couvercle, et

est incliné suivant un angle plus aigu que le reste de la partie 38 et se ter-

mine près du bord supérieur 42, dont il fait partie, de façon à créer une plus grande surface à ce bord. Un trou 56, également de dimensions capillaires, dont le diamère est plus grand que celui de la fente 44,est prévu dans cette dernière du bord supérieur 44 au rebord 45, entre les renflements 54 de sorte qu'un excès de fonte est également fourni aux extrémités du germe pendant qu'il pousse, augmentant ainsi la stabilité et diminuant les risques d'expulsion par soufflage. Enfin, conformément à la présenteinvention, comme on le voit clairement sur les figures 2 et 5, la surface profilée de l'un des bords 44 est légèrement

plus basse que celle de l'autre, entre les renflements opposés 54 des extré-

mités. La conséquence de l'utilisation des bords décalés 44, lorsqu'on fait croître un ruban de silicium entre ces bords et lorsque ces derniers sont en graphi est que le carbure de silicium ne se disperse pratiquement que d'un côté du

corps en train de croître, notamment, du côté du bord le plus bas.

L'élément capillaire 30 de l'organe formateur capillaire 8 est, de préférence, un élément rectangulaire plat présentant une fente 60 qui s'étend le long du bord supérieur 62 et des bords latéraux 64. La fente 60 s'arrête à courte distance du bord inférieur 66. De préférence, le bord supérieur 62 est

plus mince, de façon à produire un épaulement 68 sur les côtés opposés de l'élé-

ment 30. Le bord supérieur 42 de l'élément 30 s'ajuste étroitement dans l'en-

coche 44 et vient s'appliquer contre l'épaulement 50 de l'organe supérieur 28, les deux parties 28 et 30 étant convenablement maintenues en place, par exemple, par une goupille 72. La longueur de l'élément 30 est calculée pour qu'il s'ajuste correctement dans l'encoche 44 et pour qu'il soit tenu en place par la goupille 72, l'élément 30 s'abaissant à l'intérieur du creuset 14 et se terminant, à son bord inférieur 66, près de ou contre la paroi de fond 22 du creuset 14. La fente 60 communique avec la fente 44. Plus précisément, les fentes 60 et 44 sont

alignées et ont, de préférence, les mêmes dimensions capillaires afin de per-

mettre à la matière en fusion de couler du creuset 14 dans l'élément 30. La largeur précise des fentes 60 et 44 est fonction, en partie, au moins de la nature de la matière cristalline que l'on veut faire croître. Cette largeur 23 est choisie pour que la fonte contenue dans le creuset 14, et dont le niveau s'élève au-dessus du bord inférieur 66 et de la base de la fente 60, Juisse être aspirée le long de l'élément 30 à travers la fente 60 et par la fente 44 et de l'organe 28/puisse parvenir aux bords profilés 42 par un effet capillaire, en formant une masse suffisante de matière en fusion le long des bords 42 de la filière, pendant qu'un corps cristallin est étiré ce ces bords, selon des

principes universellement connus.

La filière à extrémités profilées et renflées décrite ci-dessus consti-

tue un système perfectionné pour la croissance de corps cristallins, en parti-

culier, de rubans de silicium ayant une largeur relativement grande, c'est-à-

dire, supérieure à 25 mm. En premier lieu, le fait d'amorcer la croissance avec un germe cristallin qui est amené en contact avec le sommet de la filière est beaucoup plus facile en évitant que le centre du germe s'échauffe de manière excessive et par conséquent, devienne plus mince que la partie restante du corps solide. Quand la croissance du ruban est réalisée, une plus grande sta-

bilité est offerte par la présente invention. Un gradientthermique plus uni-

forme est établi le long du sommet de la filière. Du fait que la croissance

est ainsi plus stable, le "soufflage" est moins susceptible de se produire.

Enfin, quand la filière est en graphite et est utilisée pour faire pousser des cristaux de silicium, moins de carbure de silicium est dispersé vers le

côté du cristal par celui des deux bords 42 qui est le plus élevé.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation représenté et décrit, sans sortir pour autant du

cadre de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Filière pour faire croître ou "étirer un corps cristallin relative-

ment mince en forme de ruban, ladite filière comprenant une partie supérieure (36) comportant deux parties allongées (38) se terminant par des bords verticaux espacés (42) au sommet de manière à former entre eux une fente (44), cette fente ayant une largeur capillaire pour supporter une certaine quantité de matière en fusion entre lesdits bords pendant que ledit corps est étiré de ladite masse de matière en fusion, caractérisée par des renflements (54) formés aux extrémités opposées desdites parties allongées (38), de façon à augmenter l'aire de chaque bord (42) à chacune desdites extrémités afin de supporter un supplément de matière en fusion à chacune de ces extrémités, lesdits bords (42) étant profilés pour produire un supplément de matière en fusion au centre

du sommet de la filière et verticalement décalés l'un par rapport à l'autre.

2. Filière selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits bords (42) sont profilés de telle manière que la surface supérieure, au centre de chacun desdits bords (42) entre lesdits renflements (54), est disposée verticalement sous la surface correspondante produite par les renflements (54)

dudit bord (42).

3. Filière selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits bords (42) sont profilés pour produire une surface cylindrique qui est plus large au centre, entre les extrémités correspondantes dudit bord et dont l'aire

décroît progressivement en direction des renflements (54).

4. Filière selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit corps cristallin en forme de ruban est en silicium et en ce que le rapport

du rayon de courbure de chacune desdites surfaces cylindriques et de la lar-

geur dudit ruban est de l'ordre de 11/1.

5. Filière selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites parties allongées sont contre-percées à un diamètre plus grand que ladite fente

(44) à chaque extrémité de cette fente (44) entre les renflements (54) corres-

pondants.

6. Filière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le corps

cristallin en forme de ruban est en silicium et en ce que la longueur de la-

dite fente (44) est d'au moins 25 mm.

7. Filière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle com-

prend un creuset (14) destiné à contenir une certaine quantité de matière en fusion, des moyens (28) pour supporter ladite filière par rapport audit creuset et des moyens (30) pour transporter ladite matière en fusion dudit creuset (14) vers ladite filière, pendant que ledit corps est étiré de ladite masse de

matière en fusion.

8. Filière selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens

pour supporter ladite filière sont un couvercle (28).

9. Filière selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit

couvercle (28) et ladite filière sont d'une pièce.

10. Filière selon la revendication 9. caractérisée en ce que le moyens pour transporter la matière en fusion comprennent un élément capillaire (30)

qui s'étend dudit couvercle (28) jusque dans ledit creuset (14).

Il. Filière selon la revendication 10, caractérisee en ce que ledit organe capillaire (30) est un élément rectangulaire plat comportant une fente s'étendant jusqu'au bord supérieur (42) et aux bords latéraux de celui-ci, ledit couvercle (28) présentant des encoches ou un évidement (48) pour recevoir le bord supérieur dudit élément capillaire (30), la fente (60) de l'élément capillaire (30) communiquant avec la fente (44) formée entre les éléments

allongés (36).