3.3 Résultats
3.3.3 Si en présence de SiC
Ces expériences ont été réalisées dans les mêmes conditions opératoires que les expériences
en présence d'azote. Une seule expérience, réalisée avant les expériences avec l'azote, a pu
être eectuée dans de bonnes conditions, c'est à dire avec une forte surfusion initiale du
silicium (>300K). Les autres expériences donnent des résultats plus ou moins inattendus et
seront présentées. Les précipités apparaissent aussi en surface dans la zone morte du champ
de vitesse et cela pour les mêmes raisons que celles citées précédemment.
3.3.3.1 Surfusion de germination du silicium
0 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16
Concentration CH
4(10
−5mol)
Surfusion (K)
Figure 3.28: Inuence du nombre de moles de CH
4injectés sur la surfusion de germination
du silicium.
Nous avons maintenu un échantillon de silicium pur en sustentation pendant un temps
suf-samment long de façon à ce que la concentration en oxygène dissous deviennent négligeable.
Les surfusions obtenues sur cet échantillon de silicium pur sont de 300K. L'incorporation
dans l'enceinte de 1,8.10
−5mol de CH
4pour un temps de réaction de 600s , a montré une
chute de la surfusion à12K±1,5Ket ceci pour six cycles. Cette expérience a été répétée avec
deux ajouts successifs de1,8.10
−5mol deCH
4sur le même échantillon et a permis d'obtenir
une surfusion de 6K ±1K et 5K ±1K. Ceci signie que la quantité globale de carbone,
en équilibre avec le silicium, présente dans l'enceinte aux diérentes étapes du procédé était
de 1,8 puis 3,6 puis 5,4.10
−5mol de CH
4. On observe ainsi que la concentration en CH
4a une inuence direct sur la surfusion. Les mesures de concentrations en carbone dissous
n'ont pas pu être réalisées sur cet échantillon mais des analyses ultérieures, eectuées sur
des échantillons dont le mode opératoire et la masse sont identiques, dénissent qu'un ajout
de1,8.10
−5mol équivaut à une concentration en carbone dissous de 25ppmw±5ppmw (les
tests ont été réalisés sur trois échantillons diérents). Cependant l'ajout de CH
4n'est pas
linéaire avec la concentration en carbone dissous (Fig. 3.9), les analyses qui ont été réalisées
ne nous permettent pas, pour l'instant, de conclure sur les concentrations plus élevées. On
peut tout de même tracer en gure 3.28 la variation de la surfusion en fonction du nombre de
mole deCH
4en équilibre avec leSien sachant que l'ajout de1,8.10
−5mol deCH
4équivaut
à une concentration en carbone de 25ppmw±5ppmw.
3.3.3.2 Cas particuliers
Un échantillon dont la surfusion initiale du silicium pur est comprise entre40K et70K
a montré une surfusion de 280K reproductible sur deux cycles lorsque nous avons ajouté
4,4.10
−5mol de CH
4comme nous pouvons le voir sur le tableau 3.6.
Tableau 3.6: Résultats obtenus sur l'échantillon 091004C
Surfusion Si pur (en K) SurfusionSi après ajout de
4,4.10
−5mol deCH
4(en K)
66 283
69 290
Cette observation qui est en contradiction avec les analyses précédentes pourrait
s'expli-quer par la complexation du carbone avec une impureté présente dans le silicium dans des
conditions stoechiométriques. L'annihilation des ces impuretés par le carbone en un composé
n'ayant pas d'action sur la germination serait une explication possible de ce phénomène,
un exemple similaire serait un laitier. An de parfaire cette observation une analyse GDMS
(Annexe E.1) a été réalisée sur 1,3% en masse de l'échantillon, elle a montré la présence
des impuretés suivantes : Al(0,4ppmw), P (0,26ppmw), Cl(1,2ppmw), Ca(1,6ppmw),
T i(0,18ppmw)et Ge(1,5ppmw). Ces valeurs sont tout de même diciles à exploiter étant
donné que la masse analysée (40mg) est relativement faible si on la compare à la faible
ho-mogénéité de l'échantillon. Tout de même il est important de noter que la concentration en
carbone mesuré est de33ppmw±5ppmw. Cette valeur, qui est du même ordre de grandeur
que celle obtenue sur l'échantillon présenté à la gure 3.28, montre bien que nous sommes en
présence d'un phénomène particulier.
Nous avons essayé de reproduire cette expérience et cela dans les mêmes conditions
opé-ratoires sans succès. Nous avons tout de même noté au cours d'expériences où la surfusion
initiale du silicium est plus faible, une légère augmentation de la surfusion de germination
après avoir injecté du carbone. Atteindre ces conditions d'équilibre furent sûrement un
ha-sard ; si cette théorie d'équilibre stoechiométrique est juste, il aurait fallut quelques ppmw
supplémentaires de carbone pour former duSiC et par conséquent diminuer la surfusion.
3.3.3.3 Relation entre le nombre de mole de CH
4introduit et le carbone
dissous
Nous avons fait varier le nombre de moles de carbone dans l'enceinte et avons eectué
des analyses post-mortem de concentration en carbone dissous. Les échantillons de silicium
ont été maintenu à 1650°C pendant 10min et les résultats sont données à la gure 3.29.
Les valeurs données pour les échantillons dont la concentration est de 33 et 59ppmw sont
légèrement sur-estimées, en eet, leur masse de silicium est inférieure à celle des échantillons
à25 et93ppmwdont les masses sont respectivements 2,49, 1,91, 3,19 et3,1g.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
n
CH 4(10
−5moles)
Concentration en C (ppmw)
Figure 3.29: Inuence du nombre de moles deCH
4injectés sur la concentration en carbone
dissous.
On observe un comportement linéaire signiant que la réactionSi
(l)+CH
4(g)SiC
(s)+
2H
2(g)est une réaction d'ordre zéro. Des analyses complémentaires avec une masse identique
sont nécessaires pour conrmer cette tendance.
3.3.3.4 Morphologie
Les morphologies typiques du SiC observées sont de type facettées dont les dimensions
varient de quelques microns à plusieurs microns. Les identications Raman montrent qu'il
s'agit du polytype3C−SiC suite à la réaction chimique entre le méthane et le silicium.
Figure 3.30: Morphologie des précipités de 3C−SiC observés à la surface du silicium.
La gure 3.30 montre des précipités de SiC situés à la surface du silicium, ceux-ci sont
maintenus à l'interface liquide-gaz comme nous l'avons vu précédemment dans le cas du
Si
3N
4. On constate cependant des dicultés de mouillage du SiC par le Si contrairement
à ce que l'on pourrait attendre, étant donné que θ
Si/SiC' 30°. Ce comportement pourrait
s'expliquer par la présence d'oxygène dissous mais des analyses plus poussées doivent être
envisagées an d'observer plus en détails l'interface entre le SiC et le Si. Il est possible que
la courbure que l'on observe ne reète pas la courbure proche de l'interface, c'est à dire à
quelques nanomètres.
3.4 Conclusions sur les expériences réalisées avec le
Dans le document
Étude expérimentale et numérique de la précipitation d'impuretés et de la formation des grains dans le silicium photovoltaïque
(Page 130-134)