Les monocristaux ont de nombreuses applications dans l’industrie. Qu’ils soient de silicium, comme en microélectronique, ou d'autres types de matériaux adaptés à des applications lasers, ou des détecteurs… Leur principe de production industrielle est toujours le même : dans un creuset, on fait fondre la matière première. Quand elle est à l’état liquide, on y plonge un ‘germe’ monocristallin qui permet de procéder à une solidification contrôlée, pour obtenir une structure monocristalline dans laquelle tous les atomes sont parfaitement à leur place. La quasi absence de défaut dans sa structure confère au monocristal des propriétés exceptionnelles.
Mais cette méthode de production pose deux problèmes : d’abord, le point de fusion de la matière première ne peut excéder celui de la matière constituant le récipient. Ensuite, la matière première risque d'être contaminée par des résidus du creuset sous l'effet de la chaleur. C’est pour cette raison que les creusets industriels sont constitués de matériaux nobles comme le platine ou l'iridium, dont le coût a été multiplié par 5 en 2019.
Une innovation de rupture
Pour contrer cette hausse exponentielle des prix, Kader Zaidat, chercheur au SIMaP et futur PDG de Krystalix, a, avec son équipe, développé un outil fonctionnant par induction. Le creuset, traversé de champs électromagnétiques, est constitué de doigts métalliques refroidis à l’eau.
« Ainsi, il est possible de porter des matériaux à 3 000 degrés, sans que la température du creuset dépasse 50°C, indique le chercheur à Grenoble INP - UGA.
En plus de résoudre le problème de pollution par le matériau du creuset qui ne chauffe plus, ce procédé permet de chauffer directement la matière, entraînant de ce fait une réduction significative de la consommation énergétique totale du procédé. »
Afin de contrer les turbulences liées au brassage électromagnétique dans le liquide et susceptible de nuire à la bonne formation du monocristal qui nécessite un bain très calme, les scientifiques ont disposé, à l’intérieur du creuset, des aimants permanents créant une sorte de frein magnétique.
« Ainsi, on tue l’écoulement à l’endroit même où il se créée. »
Ce creuset très innovant a permis de réaliser une première mondiale : la production d’un monocristal de silicium de 2 pouces de diamètres en creuset froid. Cette prouesse a valu au projet Krystalix d’entrer en maturation à la SATT Linksium et à la future start-up d’être lauréate du concours i-Lab 2023. Une première levée de fonds devrait être lancée d’ici deux ans, pour financer la construction d’une usine de production.
*CNRS / UGA / Grenoble INP – UGA
