B.2 Procédure expérimentale

Après avoir pesé les éléments du système et nettoyé les substrats et le solvant par voie

humide, ces derniers sont introduits dans un creuset revêtu de carbone pyrolytique et le

substrat de croissance est placé sur la nacelle, elle aussi revêtue. L’ensemble est introduit dans

le four.

Les schémas du procédé et du profil de température en fonction du temps sont

présentées sur les figures II.18 et II.19. Le cycle commence par une purge d’argon hydrogéné

(Ar/H2(2,5%) BIP), afin d’éliminer l’oxygène et les diverses impuretés présentes dans l’air.

Le cycle de chauffe démarre sous vide secondaire pour atteindre un palier de température de

300°C (> T°Cfusion Sn et T°Cfusion In) où une seconde purge d’argon hydrogéné de l’enceinte

est effectuée. La montée en température s’effectue sous vide secondaire avec une vitesse de

20°C/min. Avant l’étape de croissance, le bain est saturé sous flux d’argon hydrogéné jusqu’à

ce que l’équilibre thermodynamique dans le bain soit atteint (voir chapitre IV, partie I.A.1).

La pression dans le four est maintenue à 30 mbar pour éviter l’évaporation du solvant pendant

l’étape de saturation.

Avant d’introduire la nacelle dans le bain, elle est mise en contact avec la surface du

bain pendant 30 min pour éviter une variation brutale de la température du bain lors de son

introduction. Puis la nacelle et le substrat de croissance sont introduits dans le bain et le flux

d’argon hydrogéné est maintenu pendant 15 min. La hauteur initiale du bain au-dessus du

substrat est alors de 6 mm et la surface libre du bain est de 7,1 cm² (ϕ_creuset= 30mm).

L’enceinte est ensuite mise sous vide secondaire (4 10-5

mbar) afin que le cycle de

croissance commence. Pendant l’étape de croissance, le solvant se condense sur les parois du

feutre et la partie haute de la nacelle, plus froides. A la fin de la croissance, la nacelle et le

substrat sont retirés du bain avant l’étape de refroidissement. Et le solvant restant à la surface

du substrat est éjecté en effectuant une rotation manuelle de la canne d’insertion sur laquelle

est fixée la nacelle (Figure II.18).

Il est également possible de réaliser une croissance épitaxiale du Si par EPL avec ce

dispositif. L’intérêt est de valider le dispositif expérimental et de mener une étude

comparative entre les techniques de dépôt d’EPL et d’EPLES. Le principe du procédé et le

profil thermique sont identiques (Figure II.18) sauf pour l’étape de croissance où le bain est

refroidi sous flux d’Ar hydrogéné à une vitesse de refroidissement de 0,5°C.min-1

.

Figure II.18: Schéma de principe décrivant les différentes étapes de la procédure

expérimentale pour l’EPLES du Si: phase de saturation, phase de croissance et phase de

refroidissement.

Figure II.19 : Profil thermique en fonction du temps dans le cas de l’EPL (en rouge) et de

l’EPLES (en bleu).

V Conclusion

Dans ce chapitre, les critères physiques pour le choix du solvant, du creuset, et de

l’ambiance gazeuse ont été définis, ce qui a permis de concevoir le dispositif expérimental.

Sur les huit solvants, sélectionnés comme candidats potentiels, trois solvants ont été

identifiés pour élaborer des couches minces Si par EPLES dans la gamme de température

comprise entre 920 et 1200°C et dans les gammes de pressions accessibles sous vide primaire

(5 10^-3 mbar) et secondaire (5 10^-4 mbar). Il s’agit de l’Sn, de l’In et du Cu.

Le Ga, l’Al et le Sb sont écartés car leur solubilité dans le Si solide est trop élevée pour le

type d’application visée. Le Ga et le Sb pourront être ajoutés dans les bains métalliques pour

le dopage des couches épitaxiées. Le Te présente des critères physiques adéquat pour

l’EPLES du Si, mais il est éliminé car la manipulation de ce solvant représente un risque trop

grand pour la santé. Enfin, le Zn est le premier solvant étudié dans les travaux précédant le

lancement de cette thèse. Il semblait être le solvant idéal, mais le critère de mouillage fait

défaut à 900°C et il est difficile de contrôler le flux d’évaporation du solvant sous pression

atmosphérique au-delà de cette température. Les travaux sur ce solvant n’ont pas été

poursuivis dans le cadre de cette thèse.

Les calculs thermodynamiques et les expériences de gouttes posées avec le système

Sn-Si démontrent que le choix des conditions atmosphériques est limité par la condition de

réduction de la silice par le monoxyde de Si. Dans le four expérimental, la mouillabilité des

solvants sélectionnés sur le substrat de Si sera garantie sous vide secondaire ou sous flux

ArBIP avec 2,5% d’H2 pour une température de fonctionnement égale ou supérieure à 920°C.

Les manipulations à plus basse température nécessitent l’utilisation d’un gaz hydrogéné avec

100% H2 et/ou l’ajout d’un agent réducteur tel que l’Al dans le bain métallique.

Si le fait de travailler à hautes températures et à basses pression représente un

avantage pour la désoxydation des substrats et des solvants, cela peut devenir une contrainte

dans le choix du creuset. En effet, dans le cas d’un creuset en graphite, une infiltration

réactive du bain Sn-Si par la formation du SiC est observée à 1170°C. Un revêtement en

carbone pyrolytique peut être utilisé pour limiter l’infiltration du bain à travers le creuset en

graphite, mais ce dépôt doit être très dense. Une autre alternative consiste à choisir un autre

matériau moins réactif avec le Si tel que le BN ou l’Al₂O₃. Cependant la contamination des

couches épitaxiées par ces creusets est trop importante par rapport au type d’applications

visées. En revanche, le creuset BN, qui se sépare facilement du bain, peut permettre une

caractérisation plus aisée et est conservé pour la compréhension du procédé EPLES.

Enfin, le dispositif et la procédure expérimentale pour le nettoyage des substrats et la

croissance de Si par EPLES sous vide secondaire ont été présentés. Le dispositif se

caractérise par la séparation des étapes de saturation, de croissance et de refroidissement et

l’utilisation d’un substrat pour la saturation du bain et un autre pour la croissance. Ainsi, il

devrait être simple de caractériser la morphologie et les propriétés électriques des couches

avec ce dispositif.

Avant de présenter les résultats expérimentaux obtenus grâce à ce dispositif, le

modèle analytique de croissance de Si par EPLES est développé dans le chapitre suivant. Ce

chapitre va permettre de modéliser les flux de matière dans le bain, de déterminer le régime

limitant la croissance et d’évaluer les vitesses de croissance que l’on peut atteindre sur la

gamme de températures étudiée (920-1200°C) en fonction des différents solvants. Ainsi, il

sera plus facile de comprendre le choix des paramètres expérimentaux utilisés dans le

chapitre IV et d’interpréter les résultats.

Chapitre III : Description et

Dans le document Croissance de couches minces de silicium pour applications photovoltaïques par epitaxie en phase liquide par évaporation du solvant (Page 108-112)