Rev. Phys. Appl. (Paris) 15, 1239-1249 (1980)
DOI: 10.1051/rphysap:019800015070123900

Optimisation des conditions d'élaboration du silicium photovoltaïque par fusion de zone sous plasma

J. Amouroux¹, D. Morvan¹, C. Sauvestre¹, G. Revel², M. Fedoroff² et J.C. Rouchaud<sup>2

1</sup>  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/Seine, France

Abstract
Plasma melting zone technique is a process that permits the direct purification of metallurgical-grade silicon to photovoltaic-grade silicon. This technique consists of placing a bar of silicon under the influence of argon-hydrogen plasma which produces a melted zone, and displacing it along the bar to drain impurities on to the surface and to the end of the bar. An acidic treatment (HF-HNO3) is applied then to eliminate the impurities between each passage of the zone. At the end of the operation a concentration of impurities less than 1 ppm is obtained. It has been proved that mass transfer is independent of the rate of displacement wich is around 40 cm/h, but dependent on the rate of heat transfer. From a fundamental point of view, this technique necessitates the reconsideration of classical mathematic models wich are no longer valied for plasma melting zone processes.

Résumé
La technique de fusion de zone sous plasma est un procédé de purification qui permet d'obtenir un silicium photovoltaïque à partir d'un silicium métallurgique. La méthode consiste à placer un barreau de silicium sous un plasma d'argon-hydrogène, de provoquer ainsi la fusion d'une zone que l'on déplace afin de drainer les impuretés en surface et en queue de barreau. Un décapage de la surface à l'acide (HF-HNO3) permet d'éliminer les impuretés entre chaque passage. En fin de traitement la concentration en impureté est inférieure à 1 ppm. Nous précisons que le transfert de masse est indépendant de la vitesse de déplacement de la zone liquide, qui est voisine de 40 cm/h, mais dépend de la vitesse de transfert de chaleur entre le plasma et le silicium solide. Du point de vue fondamental elle exige de revoir les modèles de purification par fusion de zone classique qui ne s'appliquent plus à la technique 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 -- purification -- mass transfer -- photovoltaic grade Si -- Si manufacture -- Si bar -- Ar+H plasma -- optimisation -- heat transfer rate -- impurity concentration