Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 15, Numéro 7, juillet 1980
Page(s) 1229 - 1238
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:019800015070122900
Rev. Phys. Appl. (Paris) 15, 1229-1238 (1980)
DOI: 10.1051/rphysap:019800015070122900

Mise au point d'une technique de fusion de zone sous plasma appliquée à la préparation du silicium photovoltaïque

D. Morvan1, J. Amouroux1 et G. Revel2

1  Laboratoire de Génie Chimique, E.N.S.C.P., 11, rue Pierre-et-Marie-Curie, 75231 Paris Cedex 05, France
2  Laboratoire de Radioactivation, Centre d'Etude de Chimie Métallurgique, 15, rue Georges Urbain, 94400 Vitry sur Seine, France


Abstract
The most important methods of silicon purification involve physico-chemical techniques of separation. They yield an ultrapure metal but its cost price is not compatible with photovoltaic application. The zone melting process used, consists in the displacement of a melted zone metal under an argon hydrogen plasma. The melted zone is then characterized by a vertical gradient of concentration and temperature which drains impurities towards the upper surface of the bar. Moreover the displacement of the zone between the head and the tail of the bar ensures a horizontal drainage of impurities towards the latter end. This technique has been used with success for the purification of the metallurgical silicon bar : it reduces the iron concentration from 3 500 ppm to 1 ppm and this can be achieved at any speed of displacement between 20 and 40 cm/h. The segregation of the metals is caused by the process of drainage towards the tail of the bar, whilst the plasma eliminates the metallic and metalloïdic impurities having high vapor pressure (e.g.) S, P, C, O, Mn... Here by we are proposing a theoretical model that accounts for the large difference between classic zone melting and that which uses plasma technique.


Résumé
Le procédé utilisé consiste à déplacer une zone de silicium liquide le long d'un barreau horizontal. La fusion du silicium est obtenue par un plasma d'argon-hydrogène ; dans la zone liquide existe un gradient de température et de concentration dans le sens vertical qui provoque le drainage des impuretés à la surface du barreau. Le déplacement de la zone de la tête vers la queue du barreau assure un drainage des impuretés, toutes directes, vers la queue du barreau. Nous avons mis cette technique au point qui permet la purification du silicium métallurgique : la concentration en fer passe de 3 500 ppm à 1 ppm pour des vitesses de déplacement comprises entre 20 et 40 cm/h. La purification du silicium est le fait d'une part du drainage des impuretés en queue de barreau, d'autre part de l'élimination par le plasma des impuretés métalliques et métalloïdiques ayant une haute tension de vapeur, par exemple S, P, C, O, Mn... A partir de ces bases, nous proposons un modèle théorique qui met en évidence la grande différence entre la fusion de zone classique et celle qui utilise le chauffage par plasma.

PACS
5275 - Plasma devices and applications.
6170W - Impurity concentration, distribution, and gradients.
8110H - Zone melting and zone refining.

Key words
crystal purification -- elemental semiconductors -- plasma applications -- silicon -- zone melting -- plasma melting zone -- separation -- ultrapure metal -- zone melting process -- metalloidic impurities -- photovoltaic Si preparation -- Si purification -- Si bar -- physicochemical technique -- Ar+H plasma -- Fe concentration -- concentration gradient -- temperature gradient -- metallic impurities