4.4 Procédés de collage et résultats sur Si et matériaux III-V
4.4.5 Courbure, contraintes et résistance mécanique des membranes
Une courbure est visible sur l'ensemble Kapton + couche mince cristalline après soulèvement sur des feuilles de Kapton d'épaisseur 25 et 50 µm mais n'est pas visible sur les feuilles de Kapton plus épaisses de 125 µm. L'ensemble est incurvé vers la feuille de Kapton (voir Figure 4.13.a). Cette courbure n'est visible que sur les échantillons avec une membrane de semi-conducteur III-V soulevée.
En eet, une légère courbure est visible sur les feuilles de Kapton après métal- lisation, mais dans le sens inverse de celle observée après collage et soulèvement. La courbure des feuilles de Kapton sans membrane ne change pas, même après un recuit à 180 ◦C et l'application localisée d'une force de 4 MPa a n de simuler un
collage. Ce résultat con rme que la courbure provient de la diérence de coe cient de dilatation thermique entre la couche mince de III-V et la feuille de Kapton.
Le rayon de courbure peut être mesuré en utilisant un pro lomètre mécanique. Cette mesure a été réalisée sur diérents échantillons comme le montre la Figure 4.13.d. Les échantillons sont composés d'une membrane d'InP ou de GaAs, respec- tivement de 120 nm et 970 nm d'épaisseur, voir Figure 4.13b et c, reportée sur des feuilles de Kapton de 25, 50 ou 125 µm d'épaisseur ou bien sur une feuille de Pyralux. On peut remarquer que le rayon de courbure (qui est l'inverse de la courbure) est plus petit sur les feuilles de Kapton de 25 µm que sur celles de 50 µm, pour les 2 types de structures. La diminution de l'épaisseur des feuilles de Kapton ou bien de celle des membranes semi-conductrices entraîne une augmentation de la compliance de celles-ci. La diérence des coe cients de dilatation thermique entre le Kapton et les matériaux III-V (20.10−6 K−1 à comparer avec 4,6.10−6 K−1) entraîne l'apparition
Figure 4.13 a) Photo d'une couche mince cristalline reportée sur une feuille Kapton de 25 µm d'épaisseur ; schémas des structures de couches minces cristallines reportées sur une feuille de Kapton b) structure InP 0,12 µm et c) structure GaAs 1 µm, d) rayons de courbure mesurés pour des couches minces reportées sur des feuilles de Kapton de 25, 50 et 125 µm d'épaisseur et de Pyralux de 25 µm d'épaisseur. Seule la couche mince reportée sur la feuille de Kapton de 125 µm présente des craquelures.
relaxée. Lorsque les feuilles sont plus minces, la contrainte est relaxée par l'apparition de la courbure. Cependant, pour des feuilles de Kapton plus épaisses, la contrainte ne peut pas être relaxée par la courbure. Elle se relaxe alors par la fracture du matériau le plus cassant qui est, dans notre cas, la membrane semi-conductrice. Cette relaxation se fait donc par l'apparition de motifs de cordes de téléphone et de craquelures à la surface de l'échantillon comme observé sur la Figure 4.9.
4.5 Pré-isolation des cellules solaires
A n d'accélérer le soulèvement des membranes, il est envisageable de réaliser l'étape d'isolation des cellules avant le collage pour créer des canaux de diusion au sein du matériau [Mieda 2015]. L'autre avantage attendu est de pouvoir éviter l'application d'une courbure aux échantillons pour le soulèvement de surfaces plus importantes [Geum 2016]. La Figure 4.14 décrit le procédé ELO utilisant une étape de pré-isolation.
En utilisant l'ajout d'acétone comme média à la place de l'eau, des mem- branes ont pu être soulevées de gaufres de 2 pouces de GaAs en seulement 20 min [Geum 2016]. Ce faible temps de sous-gravure ne peut cependant être obtenu que
Figure 4.14 Schéma du procédé de fabrication d'une couche pré-patternée, reportée et soulevée [Mieda 2015].
sur des motifs de tailles micrométriques (620x670 µm2). En augmentant la taille de
ces motifs, les temps de sous-gravure seront alors augmentés. Ainsi, Wu et al. [Wu 2014] ont réalisé le soulèvement d'une gaufre 2 pouces en 5 h avec des motifs de 5x5 mm2.
La technique d'isolation la plus répandue est la découpe à la scie (ou saw dicing ). Elle n'est pas utilisable dans notre cas, car elle ne permet pas de régler la profondeur d'isolation avec la précision nécessaire. L'objectif est de réaliser une isolation comprise entre -50 et -150 nm par rapport à la couche sacri cielle, a n de se situer dans la couche d'InP de protection. Les 2 autres techniques les plus standard pour réaliser l'isolation des cellules sont l'isolation par voie humide (gravure chimique) et l'isolation par voie sèche (gravure plasma).
Pour ne pas ajouter d'étape de photolithographie au procédé global, l'idéal est de réaliser une gravure auto-alignée, c'est à dire en utilisant le dépôt métallique qui servira pour le collage comme masque pour la gravure. Plusieurs procédés de gravure et plusieurs masques ont été testés et sont décrits en annexe. Le procédé suivant a été retenu :
Photolithographie (motifs carrés de 3,5x3,5 mm2)
Dépôt Cr/Pt/Au/Ti (25/10/250/50 nm) par évaporation canon à électrons Dépôt SiO2 par pulvérisation
Soulèvement (lift-o)
Isolation par gravure chimique humide ou par gravure plasma CH4/H2
Gravure du SiO2 et du Ti dans une solution BOE pendant 30 s
Il s'ensuit le soulèvement des couches et la n de la fabrication des cellules solaires. Le titane est utilisé comme couche d'accroche entre l'or et le dioxyde de silicium, ce dernier servant de masque de gravure grâce à sa forte résistance aux gravures envisagées.
L'isolation par gravure chimique humide a été réalisée en utilisant une alter- nance d'une solution H3PO4 :H2O2 pour la gravure de l'InGaAs et d'une solution
HCl :H2O pour les couches d'InP, d'InAlAs et d'AlAs. La gravure plasma est réa-
lisée en utilisant la même gravure que pour les mésas réalisées pour les mesures de vitesses de sous-gravure Les surfaces après toutes ces étapes ne montraient pas de signe particulier de rugosi cation. La gravure par plasma permet d'obtenir des tranchées avec des ancs très verticaux comparés à la gravure chimique humide. De plus, la gravure chimique humide peut entraîner l'apparition de trous dus à l'in l- tration de la solution dans le masque. La Figure 4.15 présente les images obtenues au microscope optique et à l'AFM sur les surfaces d'or après isolation, ainsi que celles d'un échantillon ayant seulement reçu un dépôt Cr/Pt/Au (25/10/250 nm).
Figure 4.15 Images réalisées au microscope optique et à l'AFM 5x5 µm2 sur les
surfaces d'or après pré-isolation ou juste après évaporation (référence).
On remarque une légère augmentation de la rugosité de surface après les traite- ments de pré-isolation plasma et chimique humide. Celle-ci reste cependant beau-
coup plus faible que celle du Kapton et ne devrait donc pas poser de problème pour réaliser le collage par thermocompression.
Eectivement les tests de collage réalisés après pré-isolation montrent des résul- tats similaires à ceux réalisés sans pré-isolation. Il est alors possible de plonger les échantillons dans une solution de HF a n d'en soulever les couches minces cristal- lines. La même limitation au niveau de la taille des échantillons est visible sur les échantillons pré-isolés comparés aux échantillons collés pleine plaque. Il semble donc qu'il n'est pas possible de décoller des échantillons de plus de 8x8 mm2. La limitation
de cette sous-gravure pourrait être liée au dépôt de résidus solides dus à la réaction de sous-gravure. En eet, un dépôt est visible dans les canaux prédécoupés aussi bien sur la feuille de Kapton que sur le substrat après soulèvement (Figure 4.16).
Ce résultat indique que la courbure du superstrat est indispensable pour assurer que le canal de diusion reste ouvert tout au long du procédé de gravure humide, la pré-isolation n'étant pas su sante pour garantir une diusion constante jusqu'au front de gravure. La réduction de la taille des cellules et/ou l'élargissement du canal de pré-isolation (espace entre les cellules) pourraient permettre d'améliorer cette diusion et faciliter le soulèvement de plus grandes surfaces. L'élargissement des ca- naux entraînerait cependant une perte supplémentaire de surface utile sur la gaufre. Dans la littérature, des soulèvements sur substrats 2 pouces (GaAs) ont été réalisés en pré-isolant des composants de 500x500 µm2[Geum 2016]. Des cellules de 5x5 mm2
ont aussi été soulevées par ce procédé, mais en permettant l'accès de la solution par le dessus des échantillons et non pas seulement par les côtés [Wu 2014]).
Figure 4.16 Images réalisées par microscopie optique sur : a) la membrane reportée sur Kapton après soulèvement, b) le substrat pré-isolé après soulèvement et c) la membrane soulevée après nettoyage chimique NH4OH :H2O2 :H2O (1 :1 :50) pendant
5 min.
Le dépôt observé dans les canaux de sous-gravure doit être le même que celui qui est visible sur les membranes après soulèvement. Ce dépôt semble en tout cas être un des facteurs bloquant la sous-gravure à partir d'une certaine distance. Ce dépôt peut être nettoyé de façon e cace avec la solution NH4OH :H2O2 :H2O (1 :1 :50)
pendant 5 min comme le montre la Figure 4.16.c).
solution gravant les résidus) pourrait être utilisé. Ce procédé risque cependant de diminuer l'e cacité de la solution HF et/ou réduire la sélectivité chimique entre la couche sacri cielle et les couches soulevées. L'épaisseur de la couche sacri cielle pourrait aussi jouer un rôle dans cet arrêt de gravure. Dans notre cas, il est cepen- dant di cile d'augmenter l'épaisseur de la couche sacri cielle sans introduire des défauts structuraux dans les couches actives. Malgré ce résultat un peu décevant, on remarque une accélération de la sous-gravure sur les membranes pré-isolées. Il faut en eet 120 min pour soulever une membrane de 8x8 mm2 contre plus de 160
min pour une membrane sans pré-isolation. Cette voie reste donc intéressante pour diminuer le temps de sous-gravure qui impacte beaucoup le coût nal du procédé complet [Ward 2016].