Chapitre V : Le procédé de purification de silicium par plasma couplé à un
V- 2-2-2. Essais expérimentaux d’arrêt du brassage
Pour juger du rôle du brassage un essai a été réalisé en coupant l’induction électromagnétique durant un traitement O2 et H2 (Figure V-21 et Figure V-22). L’arrêt de l’induction provoque l’effondrement du dôme de silicium puis la hausse progressive du niveau de silicium car le silicium solidifie par le bas (densité liquide du silicium 2,5 ; densité solide du silicium 2,3). Il s’ensuit une augmentation de volume qui entraîne la variation d’un autre paramètre important : la distance torche-surface du silicium.
200000 250000 300000 350000 400000 15:00 15:05 15:10 15:15 15:20 15:25 15:30 temps Si (cps) 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 B (cps) Si B O2= 0,5L/min Pind = 24 kW O2= 0,5L/min Pind = 0 kW O2= 0,5L/min Pind = 24 kW
Figure V-21 Evolution des concentrations de B et Si dans les gaz de sortie lors d’un arrêt suivi d’une reprise du brassage électromagnétique.
Lorsque l’induction du creuset est coupée (Figure V-21) à 15:07 plusieurs phases apparaissent successivement. Ces phases sont attribuées soit à la température du bain soit à la distance torche-silicium, soit au non renouvellement de la couche limite de diffusion.
- De 15:07 à 15:13, le signal du bore baisse brutalement de 30%, puis baisse progressivement. Dans le même temps, le signal du silicium augmente d’abord soudainement puis de façon progressive.
L’élévation du signal du silicium après l’arrêt de l’induction traduit une élévation de la température à la surface du silicium et donc de la volatilisation thermique. En effet la diminution de la distance torche-silicium est le seul autre paramètre favorable à l’évaporation du silicium. Or cette distance torche-silicium augmente brutalement suite à l’effondrement du dôme de silicium, lors de l’arrêt de l’induction. Le plasma chauffe donc rapidement la surface du silicium, car l’absence de brassage empêche l’homogénéisation de la température du bain. L’augmentation progressive de la température du silicium en surfacepeut donc en partie expliquer l’augmentation
du signal du silicium entre 15:07 à 15:13. Pour cette partie on occulte la solidification du silicium dans le creuset qui entraîne une diminution de la distance torche-silicium.
Concernant le bore, l’exploitation du signal est plus complexe. L’arrêt de l’induction entraîne simultanément trois phénomènes qui vont tous dans le sens d’une baisse de l’évaporation :
- L’augmentation de la température entraîne une baisse du coefficient d’activité du bore dans le silicium (Figure IV-8) ce qui se traduit par une diminution de l’évaporation du bore.
- L’abaissement du dôme de silicium conduit à l’augmentation de la distance torche silicium, ce qui diminue l’efficacité de la réaction d’évaporation du bore.
- L’apport de bore à la surface s’effectue uniquement par diffusion, la concentration en bore dans le bain n’est plus homogène en l’absence de brassage électromagnétique. Le transfert de matière du bore à la surface du bain peut ainsi limiter la réaction.
- De 15:13 à 15:18, les signaux du bore et du silicium suivent une évolution différente. Le signal du silicium augmente toujours, mais le signal du bore a désormais tendance à augmenter. Ces deux tendances sont aussi observées (Figure V-22).
D’après la courbe du signal du silicium, la présence d’un autre phénomène que l’élévation de la température de la surface du bain expliquerait cette évolution. Dans l’hypothèse d’un quasi équilibre thermique en surface après 6 minutes d’arrêt d’induction. L’augmentation du signal du silicium serait vraisemblablement due à la réduction de la distance torche-silicium.
En ce qui concerne le signal du bore, l’exploitation est plus ardue que pour le silicium. Dans l’hypothèse d’un quasi équilibre thermique, le signal de bore augmente lorsque le transport du bore à la surface n’est pas limitant. En effet la distance torche silicium étant plus faible, la concentration en espèces réactives à la surface du plasma est plus importante.
- Lorsque l’induction électromagnétique redémarre à 15:18, les signaux de bore et de silicium retrouvent rapidement leur valeur initiale.
A 15:18, deux de nos trois principaux paramètres reprennent leur valeur initiale, la température du bain, et le transport de matière à la surface. La chute brutale du signal du silicium est sûrement due à la diminution de la température de la surface. A 15:19 le signal du silicium est plus élevé qu’initialement (à 15:08) la distance torche silicium est peut être la cause de cette variation. Le rapport bore sur silicium est ensuite quasi constant dans les gaz.
Température à la surface du bain
L’augmentation de la température à la surface du bain a pu être démontrée de manière indirecte, le silicium est traité avec plus d’oxygène (de 0.87 l/min à 1.53 l/min) sans former de couche de silice (Figure V-22). Or la pression partielle d’oxygène admissible à la surface du silicium est directement corrélable avec la température du silicium liquide (figure V-21).
D’après la courbe p(O2) = f(T) (Figure IV-19), la surchauffe du silicium serait de l’ordre de 100°C, même si la température n’est pas homogène sur toute la surface, car en bordure de creuset le silicium se solidifie.
Figure V-22 Arrêt et reprise du brassage électromagnétique.
La mesure de la température de surface du silicium est désormais indispensable pour attribuer l’effet de l’arrêt de l’induction au transfert de masse ou à l’élévation température du silicium. Néanmoins d’après la Figure V-22, il semblerait que la réaction plasma limite davantage la cinétique d’élimination du bore que le transfert de masse. En effet à 11:48 le signal du bore est plus élevé que le signal ICP initial, alors qu’il n’y a plus de brassage depuis 15 min.
300000 350000 400000 450000 500000 550000 11:30 11:35 11:40 11:45 11:50 11:55 12:00 hh:mm Si (cps) 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 B (cps) Si B H2=5,5 L/min O2= 0,87 L/min Pind = 23 kW H2=5,5 L/min O2= 0,87 L/min Pind = 0 kW H2=5,5 L/min O2= de 0,87 à 1,53 L/min Pind = 0 kW H2=5,5 L/min O2= 0,87 L/min Pind = 0 kW H2=5,5 L/min O2= 0,87 L/min Pind = 23 kW H2=5,5 L/min O2= 0 L/min Pind = 23 kW temps
Le brassage électromagnétique joue donc un rôle important sur la thermique du silicium. En absence de brassage la température à la surface du silicium n’est pas homogène. La surchauffe au niveau du jet du plasma ralentit la cinétique d’élimination du bore. De plus, sans brassage électromagnétique, il serait quasi impossible d’obtenir des conditions expérimentales stables.