C.1 Les différentes techniques

Type de

substrat

Technique

de

croissance

Epaisseur

(µm)

Surface

active

(cm²)

Rendement

(%) ^{Institut References}

substrat de silicium monocristallin

Mono (SIMOX) CVD 46 4 19,2 Fraunhoffer ISE [HEBLING97]

P+ mono EPL (In) 35 4 18,1 ANU [BLAKERS95]

P+ mono CVD 37 4 17,6 Fraunhoffer ISE [FALLER99]

P+ mono EPL (In/Ga) 30 4 16,4 UNSW [ZHENG96]

P+ Cz CVD 35 96 13,9 Fraunhoffer ISE [REBER04]

P+ SILSO CVD 20 4 13,8 IMEC [VERMEULEN97]

substrat de silicium multicristallin, silicium ruban, silicium UMG ou MG

P+ multi EPL (In/Ga) 50 4 15,4 ANU [BALLHORN98]

recrystallised Si EPL (In) 20 1 13 Samsung [LEE03]

UMG-Si CVD 20 34 12,8 IMEC [DUERINCKX05]

P+ multi CVD 35 21 12,4 Fraunhoffer ISE [BAU03]

UMG-Si EPL (In) 30 3 10 Konstanz U. [PETER02]

P+ SPP ribbon CVD 15 4 8 Fraunhoffer ISE [FALLER98]

MG-Si EPL (CuAl) 30 NREL [WANG96]

Tableau I.5 : Vue d’ensemble sur les rendements atteints à partir de l’approche de croissance

de Si par épitaxie sur substrat bas coût.

II.C Techniques d’épitaxie et mode de croissance

Dans les paragraphes suivants les principales techniques d’épitaxie sont abordées :

l’épitaxie par jet moléculaire (MBE), l’épitaxie en phase vapeur (CVD) et l’épitaxie en phase

liquide (EPL).

II.C.1 Les différentes techniques

II.C.1.aEpitaxie par jet moléculaire (MBE)

L’épitaxie par jet moléculaire (ou MBE pour Molecular Beam Epitaxy) consiste à

évaporer dans une enceinte sous ultravide les atomes de Si, pour les projeter sur un substrat

chauffé entre 400°C et 800°C. La vitesse est contrôlée par le flux d’atomes. Le vide très

poussé de l’ordre de 10-8

- 10^-9 mbar permet d’obtenir des libres parcours moyens très grands

et d’éviter toute contamination du film déposé.

Le dopage in situ est possible grâce au galium ou l’aluminium pour le type P et

l’antimoine pour le type N. Les dopants classiques tels que le phosphore et le bore ne sont pas

utilisés car le contrôle de leur évaporation est difficile. Un dopage complémentaire peut être

réalisé en ajoutant un système d’implantation ionique. Des structures complexes avec

différentes couches et différents dopages, ainsi que des profils très fins sont donc accessibles

avec cette technique.

Les vitesses de croissances comprises entre 0,1 µm.h^-1 et 1 µm.h^-1 sont faibles.

Industriellement, cette technique, très coûteuse, ne concerne que des dispositifs à forte valeur

ajoutée. Elle est concurrente de l’épitaxie en phase vapeur par exemple dans le cas des

semiconducteurs III-V.

II.C.1.bEpitaxie en phase vapeur (VPE ou CVD)

Dans le cas de l’épitaxie du Si en phase vapeur, les gaz précurseurs sont le silane SiH4

ou des composés chlorés : SiCl4 (tétrachlorure de Si), SiHCl3 (trichlorosilane) ou SiH2Cl2

(dichlorosilane). Les gaz précurseurs pour le dopage sont généralement le diborane (B2H6) et

la phosphine (PH₃) pour l’introduction respective de bore et de phosphore. Il s’agit de fournir

suffisamment d’énergie pour décomposer le gaz au-dessus du substrat et ainsi provoquer le

dépôt et l’arrangement des atomes. On distingue plusieurs types de réacteur suivant la

méthode d’excitation énergétique mais aussi suivant la pression de travail. Ainsi on peut

appeler APCVD (pour Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition), un réacteur dans

lequel la croissance a lieu à pression atmosphérique. Les vitesses de dépôt sont plus élevées

que dans un réacteur travaillant à basse pression dit LPCVD (pour Low Pressure CVD). Dans

ces types de réacteurs la méthode de chauffage est principalement l’induction magnétique ou

la dissipation par effet joule à travers des résistances. Un apport complémentaire d’énergie par

plasma est possible, on parle alors de réacteur PECVD (pour Plasma Enhancement CVD). Ce

type de machine permet de travailler à plus basse température. On citera également la

méthode RTCVD (pour Rapid Thermal CVD) où le chauffage est assuré par des lampes

halogènes.

La CVD est une technologie mûre et bénéficie d’une longue durée d’expertise dans le

domaine de la microélectronique. Cette technique de dépôt est très répandue dans l’industrie

et il existe de nombreuses études pour des applications PV. Les vitesses de croissance peuvent

être élevées, quelques microns par minute pour des températures très hautes (1000-1200°C)

suivant le gaz précurseur utilisé [LEMITI09]. Les dépôts sont reproductibles et homogènes

tant au niveau de l’épaisseur que sur le contrôle du dopage. L’uniformité de l’épaisseur et du

dopage sont de l’ordre de quelques % sur des surfaces supérieures à 200 mm². En réalité, les

spécifications pour le domaine de la microélectronique, en termes d’homogénéité, sont

beaucoup plus sévères que pour le PV, où une uniformité de 10% est probablement suffisante.

Cependant l’épitaxie en phase vapeur présente un certain nombre d’inconvénients. Le

choix du précurseur oriente inévitablement la technique d’épitaxie. Il conditionne également

la température de travail. Ainsi le silane, inflammable à l’air, requiert des précautions

particulières et impose des équipements à basse pression. Le trichlorosilane, liquide à pression

atmosphérique, pose des contraintes vis-à-vis de la corrosion et de la condensation des

vapeurs dans les canalisations. La température d’épitaxie dans ce cas est proche de 1150°C.

Mais l’inconvénient principal concerne le rendement du procédé. Il est défini comme

le rapport entre le nombre de moles de Si dans la couche épitaxiée et le nombre de moles de

Si introduit dans le réacteur. Ce rendement de conversion chimique est très faible,

typiquement de 13% [GRAU13].

II.C.1.c Epitaxie en phase liquide (EPL)

L’épitaxie en phase liquide est une technique qui repose sur le contrôle de l’équilibre

thermodynamique de la phase liquide-solide basée sur la solubilité d’un soluté (dans notre

cas, le Si) dans un solvant métallique (etain, indium, cuivre, aluminium, gallium,…).

Son principe repose sur le fait que la solubilité d’un soluté dilué dans un solvant est une

fonction croissante de la température ce qui permet de réaliser la croissance de ce même

composant en dessous de sa température de fusion.

La force motrice de cristallisation est définie par la capacité à sursaturer le soluté dans le

solvant métallique conduisant à sa précipitation et à sa cristallisation sur le substrat de

croissance. La solidification du Si peut donc être contrôlée par le refroidissement du solvant

saturé en Si.

Le principe de fonctionnement et les paramètres de contrôle de cette technique de

dépôt sont détaillés dans la troisième partie de ce chapitre.

L’EPL est la technique concurrente de la CVD concernant l’épitaxie du Si. De nombreux

chercheurs se sont tournés vers cette voie pour la production de cellules solaires pendant

plusieurs années. En effet, en plus de sa simplicité, cette technique présente de nombreux

avantages, qui font de cette technique un bon choix:

- Le taux de croissance est élevé pour des températures inférieures à 1000°C : des

vitesses de croissance d’environ 1 µm/min peuvent être atteintes entre 700 et 900°C ce

qui peut être 10 à 100 fois plus rapide que l’épitaxie par jet moléculaire ou l’épitaxie

en phase vapeur dans cette gamme de température.

- La ségrégation d’impuretés (rejet dans la phase liquide) permet d’éviter

l’accumulation d’impuretés électriquement actives dans la couche épitaxiée et permet

de contrôler le dopage des couches lorsqu’un élément dopant est ajouté dans le bain.

- Les conditions de croissance proches de l’équilibre thermodynamique avec une faible

sursaturation comparée aux autres méthodes d’épitaxie et le coefficient de diffusion

élevé du Si dans le bain métallique permettent d’obtenir des couches de meilleure

qualité structurale avec une densité de défauts d’un ordre de grandeur plus faible que

le substrat [D’ASARO69]. Wagner et al. ont démontré que les couches minces

polycristallines déposées par EPL présentaient une meilleure durée de vie des porteurs

minoritaires et une plus grande longueur de diffusion que les couches minces déposées

par CVD. Ils associent cela au fait que la densité des dislocations et le taux de

recombinaison au niveau des joints de grains sont plus faibles pour les couches

épitaxiées par EPL [WAGNER97]. Cependant ces résultats sont à contraster avec les

résultats de Fave et al. qui montrent que les caractéristiques électriques sont similaires

pour des couches déposées sur substrat poreux par EPL ou par CVD [FAVE04].

- Cette technique est la plus adaptée pour l’épitaxie latérale ELO et pour produire des

Néanmoins, l’EPL a été écartée ces dernières années au profit d’autres technologies

d’épitaxie. En effet, le caractère de croissance proche de l’équilibre et de faible sursaturation

peut devenir très contraignant : la germination sur un substrat non Si ou sur les défauts d’un

substrat de Si est très difficile, ce qui conduit à des couches hétérogènes, voire discontinues.

D’autre part, lorsque la croissance est réalisée sur un ruban de Si multicristallin

[WAGNER95] ou sur substrat de Si obtenu à partir de poudres frittées de Si [WEBER95],

l’épaisseur de la couche épitaxiée est souvent plus faible au niveau des joints de grains que

dans la région intragrain car la plus haute énergie associée à ce type de défaut « empêche » ou

« retarde » la croissance à proximité de celui-ci, comme illustré sur la figure I.14. Dans les

régions où la couche épitaxiée est beaucoup plus mince, l’émetteur N+

peut être en contact

avec le substrat et conduire à un court-circuit diminuant de ce fait le facteur de forme de la

cellule. L’augmentation de la vitesse de refroidissement offre une certaine amélioration

comme le démontrent Steiner et al. ou Weber et al. [STEINER95, WEBER95], cependant si

la vitesse de refroidissement est trop importante, la croissance est plus facettée et la

morphologie de surface est très rugueuse. Ceci est dû à une anisotropie de la croissance

suivant l’orientation cristalline des grains.

Un autre inconvénient de l’EPL est qu’il faut pouvoir assurer une vitesse de croissance

constante, une température et un gradient de température homogène sur toute la surface du

substrat pendant la phase de refroidissement [CAPPER07].

Afin de mieux comprendre la morphologie et l’aspect de surface des couches épitaxiées

sur substrat multicristallin, les modes de croissance sont discutés dans le paragraphe suivant

en fonction de la méthode de croissance et donc de la force motrice de la cristallisation qui

dépend de la sursaturation et de la température du procédé.

Figure I.14: Couche mince de Si par EPL avec un bain In/Ga sur substrat multicristallin :

observation de la section transversale de la couche et du substrat au MEB au niveau d’un joint

de grains (à gauche, d’après [BALLHORN98]), et schéma de la morphologie typique d’une

couche de Si par EPL sur un substrat multicristallin avec une illustration du problème de

croissance au niveau des joints de grains (à droite, d’après [POORTMANS06]).

Dans le document Croissance de couches minces de silicium pour applications photovoltaïques par epitaxie en phase liquide par évaporation du solvant (Page 48-52)