FR2817560A1 - Creuset et procede pour realiser la croissance de silicium polycristallin a l'aide dudit creuset - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un creuset (10) utilisé pour réaliser la croissance de silicium polycristallin par un procédé de coulée, creuset qui comprend un corps de creuset (11) pour, lors de la fusion d'un silicium (20) à l'état solide, contenir le silicium (20) à l'état fondu; et une monture (12) prévue sur le corps (11) du creuset pour contenir un supplément de silicium sur le silicium chargé dans le corps du creuset.L'invention concerne également un procédé pour réaliser la croissance de silicium polycristallin à l'aide de ce creuset.
Description
La présente invention concerne un creuset ainsi qu'un procédé pour
réaliser la croissance de silicium
polycristallin à l'aide de ce creuset.
La croissance du silicium polycristallin qui est utilisé, par exemple, pour produire des plaquettes carrées destinées à des cellules solaires, est réalisée par un procédé de coulée dans lequel un silicium à l'état solide est fondu puis amené à coaguler. La croissance du silicium polycristallin est traditionnellement réalisée à l'aide d'un creuset comme
celui représenté sur la figure 6.
En référence à cette figure, un creuset
traditionnel 30 est formé de silice (SiO2), par exemple.
Le creuset 30 a des dimensions intérieures et une épaisseur prédéterminées et se présente sous la forme d'un parallélépipède rectangle creux comportant une ouverture au niveau de sa partie supérieure. Ce creuset est obtenu par l'enduction de sa surface intérieure
avec du nitrure de silicium, suivie d'une cuisson.
Le creuset 30 ainsi fabriqué est utilisé pour
réaliser la croissance de silicium polycristallin.
Comme cela est visible sur la figure 6, un silicium 20 à l'état solide est chargé dans le creuset 30. En supposant que le creuset 30 a une dimension intérieure de 70 cm, une épaisseur de 1,5 cm et une hauteur de 48 cm, il est par exemple possible de charger environ 250 kg de silicium 20 à l'état solide dans le creuset 30. Le creuset 30 dans lequel le silicium 20 a été chargé est chauffé dans un four à environ 1420 C, température qui correspond au point de fusion du silicium, pendant environ 4 heures. Le silicium 20 chargé dans le creuset 30 est fondu. Lorsque le silicium 20 chargé dans le creuset 30 est entièrement fondu, comme le montre la figure 7, sa hauteur représente approximativement la moitié de la hauteur du creuset 30. Puis, le silicium 20 à l'état fondu dans le creuset 30 est refroidi pendant environ 15 heures afin d'être coagulé, ce qui permet d'obtenir un lingot de silicium polycristallin 21. Comme cela a été décrit précédemment, le creuset 30 se présente traditionnellement sous la forme d'un parallélépipède rectangle ayant une dimension intérieure prédéterminée. Même si le creuset 30 est rempli de silicium 20 à l'état solide, étant donné qu'il existe de nombreux interstices au sein du silicium 20 à l'état solide, il n'est pas possible de réaliser un chargement efficace du silicium 20 dans le creuset 30. Par conséquent, lorsque le silicium 20 est fondu, son volume dans le creuset 30 est réduit, de sorte que sa hauteur ne représente plus qu'approximativement la moitié de la hauteur du creuset 30. Le lingot de silicium polycristallin coagulé formé n'atteint qu'environ la moitié de la hauteur du creuset
30.
Par exemple, comme cela a été décrit précédemment, lorsque le creuset 30 a une dimension intérieure de cm, une épaisseur de 1,5 cm et une hauteur de 48 cm, on obtient un lingot de silicium polycristallin en forme de parallélépipède rectangle ayant une hauteur de 24 cm seulement. Pour réaliser un lingot de silicium polycristallin ayant une hauteur prédéterminée, il faut donc un creuset ayant une profondeur correspondant à
deux fois la hauteur du lingot.
D'autre part, le silicium 20 à l'état fondu se dilate lorsqu'il est coagulé. Dans ces conditions, par conséquent, le creuset 30 est soumis à des contraintes importantes. Le creuset 30 est traditionnellement formé de silice cuite. Lorsque le creuset 30 est soumis à la température élevée de 1420 C, qui correspond au point de fusion du silicium, étant donné que la silice est cristallisée, la résistance du creuset 30 est réduite de sorte que des fissures sont susceptibles de s'y former. Par conséquent, des fissures apparaissent dans le creuset 30 à chaque fois que le silicium 20 est fondu, puis coagulé, moyennant quoi le creuset 30 risque finalement de devenir inutilisable, ce qui pose
un problème économique.
La présente invention a précisément pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus de l'art antérieur. Ce but est atteint, selon un premier aspect de la présente invention, grâce à un creuset utilisé pour réaliser la croissance de silicium polycristallin par un procédé de coulée, et caractérisé en ce qu'il comprend un corps de creuset pour, lors de la fusion d'un silicium à l'état solide, contenir le silicium à l'état fondu; et une monture prévue sur le corps du creuset pour contenir un supplément de silicium sur le
silicium chargé dans le corps du creuset.
Dans l'un des modes de réalisation de l'invention,
la monture est séparable du corps du creuset.
Dans l'un des modes de réalisation de l'invention, l'espace intérieur de la monture destinée à contenir le silicium augmente progressivement en direction d'une
partie supérieure de celle-ci.
Dans l'un des modes de réalisation de l'invention, une partie inférieure de la monture est insérée dans une partie supérieure du corps du creuset et est
maintenue par celle-ci.
Dans l'un des modes de réalisation de cette invention, le corps du creuset a une taille conçue pour que, lorsque le silicium chargé dans le corps et la monture du creuset est fondu, une surface supérieure du silicium à l'état fondu soit située près de la partie
supérieure du corps du creuset.
Dans l'un des modes de réalisation de l'invention, la monture est formée d'une matière différente de celle du corps du creuset. Dans l'un des modes de réalisation de l'invention, le corps du creuset est formé de silice cuite, tandis que la monture est formée d'une matière contenant du carbone. Dans l'un des modes de réalisation de la présente invention, une rainure est prévue au niveau d'une partie inférieure de la monture, rainure qui s'emboîte sur une partie supérieure du corps du creuset, la monture étant maintenue par emboîtement de la rainure
sur le corps du creuset.
Selon un second aspect de la présente invention, il est proposé un procédé pour réaliser la croissance de silicium polycristallin à l'aide du creuset décrit ci-dessus, procédé qui est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à charger un silicium à l'état solide dans le corps et la monture du creuset; à chauffer le silicium chargé afin de faire fondre celui-ci; et à faire coaguler le silicium à
l'état fondu dans le corps du creuset.
Ainsi, l'invention décrite ici a pour avantage de proposer un creuset à l'aide duquel la croissance de silicium polycristallin peut être réalisée de manière efficace et qui peut être utilisé longtemps et est donc économique, ainsi qu'un procédé permettant de réaliser de manière efficace la croissance de silicium
polycristallin à l'aide de ce creuset.
Ce qui précède, ainsi que d'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortira plus clairement pour l'homme de l'art de la
lecture de la description détaillée suivante de modes
de réalisation préférés donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un creuset selon un premier mode de réalisation de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale du creuset visible sur la figure 1, dans un état dans lequel un lingot de silicium polycristallin est formé; la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un creuset selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 est une vue en coupe transversale du creuset visible sur la figure 3, dans un état dans lequel un lingot de silicium polycristallin est formé; la figure 5 est une vue en coupe transversale d'un creuset selon un troisième mode de réalisation de la présente invention; la figure 6 est une vue en coupe transversale montrant un exemple de creuset traditionnel en fonctionnement; et la figure 7 est une vue en coupe transversale du creuset visible sur la figure 6, dans un état dans
lequel un lingot de silicium polycristallin est formé.
La présente invention va maintenant être décrite à l'aide d'exemples illustratifs en référence aux dessins annexes. En référence à la figure 1 qui représente un creuset 10, selon un premier mode de réalisation de la présente invention, rempli de silicium, le creuset 10 comprend un corps de creuset 11 qui se présente sous la forme d'un parallélépipède rectangle creux comportant une ouverture au niveau de sa partie supérieure, et une monture 12 prévue sur le corps 11 du creuset et qui se présente sous la forme d'une pyramide tronquée inversée. Le corps 11 du creuset est produit de la manière suivante: de la silice (SiO2), par exemple, est façonnée sous la forme d'un parallélépipède rectangle comportant une ouverture au niveau de sa partie supérieure et ayant une dimension intérieure prédéterminée, une épaisseur prédéterminée et une hauteur prédéterminée; la surface intérieure est ensuite revêtue de nitrure de silicium, après quoi une cuisson est réalisée. Le corps 11 du creuset peut avoir, par exemple, une dimension intérieure de 70 cm, une épaisseur de 1,5 cm et une
hauteur de 30 cm.
La monture 12 prévue sur le corps 11 est séparable de ce dernier. La monture 12 est fixée de manière concentrique à une partie supérieure du corps 11 du creuset. L'ensemble de la monture 12 a une épaisseur sensiblement uniforme. Les dimensions extérieure et intérieure de la monture 12 augmentent progressivement en direction de la partie supérieure de celle-ci. La dimension extérieure d'une partie inférieure de la monture 12 est inférieure de 1 à 2 cm à la dimension intérieure de la partie supérieure du corps 11 du creuset, afin que la partie inférieure de la monture 12 puisse être insérée dans la partie supérieure du corps
11 du creuset.
La monture 12 est formée d'une matière contenant du carbone, telle que du graphite, et a une forme prédéterminée. La monture 12 est obtenue par l'enduction de sa surface intérieure avec du nitrure de silicium, suivie d'une cuisson. La monture 12 a, par exemple, une dimension intérieure de 65 cm au niveau de sa partie inférieure et une hauteur de 18 cm à partir de celle-ci, et une dimension intérieure de 100 cm et une épaisseur de 1, 5 cm au niveau de sa partie supérieure. En référence à la figure 1, lorsque le creuset 10 doté de la structure ci-dessus est utilisé pour réaliser la croissance de silicium polycristallin, un silicium 20 à l'état solide est chargé dans le corps 11 du creuset et dans la monture 12 fixée au corps 11 du creuset. Dans ce cas, du silicium 20 est chargé par-dessus le silicium 20 présent dans le corps 11 du
creuset.
Lorsque, comme cela a été décrit précédemment, le corps 11 du creuset a une dimension intérieure de cm, une épaisseur de 1,5 cm et une hauteur de 30 cm, et la monture 12 une hauteur de 18 cm, une dimension intérieure de 65 cm au niveau de sa partie inférieure, et une dimension intérieure de 100 cm et une épaisseur de 1,5 cm au niveau de sa partie supérieure, environ 290 kg de silicium 20 à l'état solide sont chargés dans
le corps 11 et la monture 12 du creuset.
Dans ces conditions, l'ensemble du creuset 10 est chauffé dans un four à une température d'environ 1420 C correspondant au point de fusion du silicium, pendant environ 4 heures, afin que tout le silicium 20 contenu dans le creuset 10 soit fondu. Par conséquent, la totalité du silicium 20 à l'état solide contenu dans le corps 11 et la monture 12 du creuset est fondue, comme cela est visible sur la figure 2, et n'est alors plus contenue que dans le corps 11 du creuset, de sorte qu'une surface supérieure du silicium 20 à l'état fondu est proche de la partie supérieure du corps 11 du creuset. Le silicium 20 à l'état fondu est ensuite refroidi en même temps que le corps 11 du creuset pendant environ 15 heures, pour faire coaguler le silicium 20 à l'état fondu dans le corps 11 du creuset. Un lingot de
silicium polycristallin 21 est ainsi obtenu.
Comme cela a été décrit précédemment, le silicium à l'état solide est chargé non seulement dans le corps 11 mais également dans la monture 12 prévue sur ce dernier. Il est possible de charger dans le creuset une plus grande quantité de silicium 20 à l'état solide que lorsque celui-ci est contenu uniquement dans le corps 11 du creuset. La capacité du corps 11 du creuset est conçue pour que, lorsque le silicium chargé dans le corps 11 et la monture 12 est fondu, la totalité du silicium à l'état fondu soit contenue dans le corps 11 du creuset. Par conséquent, sensiblement tout le silicium à l'état fondu est contenu dans le corps 11 du creuset, pour qu'ainsi le lingot de silicium polycristallin 21 coagulé dans le corps 11 du creuset présente la forme d'un parallélépipède
rectangle ayant une hauteur importante.
Conformément à la description précédente,
lorsqu'environ 290 kg de silicium sont chargés dans le creuset 10, on obtient un lingot de silicium polycristallin ayant une hauteur de 28 cm dans le corps 11 du creuset, qui a une dimension intérieure de 70 cm,
une épaisseur de 1,5 cm et une hauteur de 30 cm.
Lorsqu'il coagule, le silicium 20 à l'état fondu se dilate. Le corps 11 du creuset subit par conséquent des contraintes importantes. Lorsque le corps 11 formé de silice cuite est soumis à une température élevée de 1420 C correspondant au point de fusion du silicium, étant donné que la silice est cristallisée, la résistance du corps 11 du creuset diminue de sorte que des fissures sont susceptibles de se former dans le
corps 11.
En revanche, la monture 12 est séparable du corps 11 et est formée d'une matière différente de celle de ce dernier, telle qu'un graphite cuit contenant du carbone. La monture 12 ne risque pas d'être affectée par la dilatation du silicium 20, lors de la coagulation de celui-ci dans le corps 11 du creuset, ce qui évite ainsi une détérioration de la monture 12. Par conséquent, même si des fissures apparaissent dans le corps 11 et rendent celui-ci inutilisable, seul le corps 11 est remplacé, la monture 12 pouvant être réutilisée de manière répétée. Ceci se traduit par une économie, puisque pour obtenir un lingot de taille similaire il faut un creuset plus petit que celui utilisé traditionnellement. Il suffit donc de remplacer
un creuset plus petit.
En référence maintenant à la figure 3 qui représente un deuxième mode de réalisation du creuset de la présente invention, ce creuset 10 comprend un corps de creuset 11 semblable à celui du creuset 10 de la figure 1 et une monture 12 séparable qui possède une structure différente de celle de la monture 12
représentée sur la figure 1.
La monture 12 se présente ici sous la forme d'un parallélépipède rectangle ayant des dimensions intérieure et extérieure semblables à celles du corps 11. Une partie supérieure et une partie inférieure de la monture 12 sont ouvertes. La monture 12 a une épaisseur uniforme dans le sens vertical, excepté en ce
qui concerne sa partie inférieure.
Une rainure 12a est prévue sur tout le périmètre de la partie inférieure de la monture 12, rainure 12a qui s'emboîte sur la partie supérieure du corps 11 du creuset. Lorsque la rainure 12a est emboîtée sur la partie supérieure du corps 11, la monture 12 est
maintenue de manière concentrique sur ce dernier.
Comme la monture 12 représentée sur la figure 1, la monture 12 de ce deuxième mode de réalisation est
formée de graphite et présente une forme prédéterminée.
Cette monture 12 est obtenue par l'enduction de sa surface intérieure avec du nitrure de silicium, suivie
d'une cuisson.
Dans le creuset 10 doté de cette structure, le corps 11 a des dimensions semblables à celles du corps 11 du creuset 10 de la figure 1, et la monture 12 a une dimension intérieure de 70 cm et une épaisseur de 1,5 cm, semblables à celles du corps 11. La monture 12
a, par exemple, une hauteur de 22 cm.
En référence à la figure 3, lorsque le creuset 10 ainsi conçu est utilisé pour réaliser la croissance de silicium polycristallin, la rainure 12a prévue au niveau de la partie inférieure de la monture 12 est emboîtée sur la partie supérieure du corps 11 afin que la monture 12 soit maintenue sur ce dernier. Dans cet état, du silicium 20 à l'état solide est chargé dans le corps 11 et la monture 12. Lorsque le creuset 10 possède les dimensions indiquées ci-dessus, environ 250 kg de silicium 20 à l'état solide sont chargés dans
le corps 11 et la monture 12.
L'ensemble du creuset 10 est ensuite chauffé dans un four à une température d'environ 1420 C pendant environ 4 heures, afin que tout le silicium 20 contenu dans le creuset 10 soit fondu. Par conséquent, la totalité du silicium 20 à l'état solide, contenu dans le corps 11 et la monture 12 est fondue, comme on peut le voir sur la figure 4, et n'est alors contenue que dans le corps 11, de sorte qu'une surface supérieure du silicium 20 à l'état fondu est proche de la partie
supérieure du corps 11 du creuset.
Puis, le silicium 20 à l'état fondu est refroidi pendant environ 15 heures, afin d'être coagulé dans le corps 11 du creuset. Ainsi, un lingot de silicium
polycristallin 21 est obtenu.
Comme dans le premier mode de réalisation, le silicium 20 à l'état solide est chargé non seulement dans le corps 11 mais également dans la monture 12 prévue sur le corps 11 du creuset. Ceci permet de charger dans le creuset 10 une quantité de silicium 20 plus importante que lorsque ce dernier n'est chargé que dans le corps 11. Par conséquent, le lingot de silicium polycristallin 21 résultant a la forme d'un parallélépipède rectangle ayant une hauteur importante
(24 cm, par exemple).
La résistance du creuset 10 est également réduite lorsque le corps 11 formé de silice cuite est soumis à une température élevée, de sorte que des fissures sont susceptibles de se former dans le creuset 10. En revanche, la monture 12 séparable du corps 11 du creuset ne risque pas d'être détériorée. Par conséquent, même si le corps 11 du creuset devient inutilisable, la monture 12 peut être réutilisée de
manière répétée.
Il est à noter que, bien que dans le creuset 10 représenté sur la figure 1, la partie inférieure de la monture en forme de pyramide tronquée 12 soit insérée dans la partie supérieure du corps 11, il est possible, comme cela est visible sur la figure 5 qui représente un troisième mode de réalisation de l'invention, de prévoir au niveau de la partie inférieure de la monture 12, sur tout le périmètre de celle-ci, une rainure 12a qui s'emboîte sur la partie supérieure du corps 11 du creuset. Dans ce cas, la monture 12 est maintenue sur le corps 11 par emboîtement de sa rainure 12a sur celui-ci. Comme cela a été décrit précédemment, dans le creuset de la présente invention, une monture est prévue sur le corps du creuset afin que du silicium puisse être maintenu sur le silicium chargé dans le corps du creuset, pour qu'ainsi une quantité importante de silicium à l'état fondu puisse être contenue dans le corps du creuset et qu'un lingot de silicium polycristallin de taille importante puisse être obtenu par un procédé de coulée. En outre, la monture est séparable du corps du creuset et est formée d'une matière différente de celle de ce dernier, matière qui augmente la résistance de la monture. Par conséquent, même lorsque le corps du creuset devient inutilisable, la monture peut continuer à être utilisée de manière
répétée, d'o une économie.
Bien que la description précédente ait porté sur
des modes de réalisation préférés de la présente invention, celle-ci n'est bien entendu pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés ici, et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses variantes et modifications
sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Claims (9)
1. Creuset utilisé pour réaliser la croissance de silicium polycristallin par un procédé de coulée, caractérisé en ce qu'il comprend: un corps de creuset (11) pour, lors de la fusion d'un silicium (20) à l'état solide, contenir le silicium (20) à l'état fondu; et une monture (12) prévue sur le corps (11) du creuset (10) pour contenir un supplément de silicium
sur le silicium chargé dans le corps du creuset.
2. Creuset selon la revendication 1, caractérisé en ce que la monture (12) est séparable du corps (11)
du creuset (10).
3. Creuset selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace intérieur de la monture (12) destinée à contenir le silicium augmente progressivement en direction d'une partie supérieure de celle-ci.
4. Creuset selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie inférieure de la monture (12) est insérée dans une partie supérieure du corps (11) du
creuset (10) et est maintenue par celle-ci.
5. Creuset selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (11) a une taille conçue pour que, lorsque le silicium chargé dans le corps (11) et la monture (12) du creuset est fondu, une surface supérieure du silicium (20) à l'état fondu soit située près de la partie supérieure du corps (11) du creuset
(10).
6. Creuset selon la revendication 2, caractérisé en ce que la monture (12) est formée d'une matière
différente de celle du corps (11) du creuset (10).
7. Creuset selon la revendication 6, caractérisé en ce que le corps (11) du creuset (10) est formé de silice cuite, tandis que la monture (12) est formée
d'une matière contenant du carbone.
8. Creuset selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une rainure (12a) est prévue au niveau d'une partie inférieure de la monture (12), rainure (12a) qui s'emboîte sur une partie supérieure du corps (11) du creuset (10), la monture (12) étant maintenue par emboîtement de la rainure (12a) sur le corps (11) du creuset.
9. Procédé pour réaliser la croissance de silicium polycristallin à l'aide d'un creuset (10) selon l'une
quelconque des revendications précédentes, caractérisé
en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: charger un silicium (20) à l'état solide dans le corps (11) et la monture (12) du creuset (10); chauffer le silicium chargé pour faire fondre celui-ci; et faire coaguler le silicium (20) à l'état fondu
dans le corps (11) du creuset.
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