Équipe MaCÉPV - Matériaux pour Composants Électroniques et Photovoltaïques

Procédés d’élaboration et de traitement

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Cellules photovoltaïques à différentes étapes de fabrication

Les technologies de fabrication de composants électroniques (cellules photovoltaïques, transistors, circuits intégrés, capteurs ...) font appel à différents procédés élémentaires. Dans le cas des composants à base de silicium, ces procédés vont de la cristallisation du silicium pur à l’encapsulation du composant fini. Ils sont mis en œuvre au cours d’une succession d’étapes, d’autant plus nombreuses que le composant est complexe, et dont certaines peuvent entrer en jeu à plusieurs reprises.

Détail d’un réseau de capteurs à effet Hall orthogonaux

Certains procédés sont eux-mêmes composés de différentes étapes au cours desquelles différents équipements interviennent. Selon leur atmosphère d’utilisation, les équipements du Laboratoire sont décrits dans les pages consacrées à la salle blanche et aux équipements périphériques, tandis que cette rubrique décrit quelques procédés couramment utilisés à l’InESS :

  • la photolithographie
  • le dopage
  • la gravure
  • la métallisation
  • la réalisation d’oxydes thermiques
  • la croissance de nanocristaux


Les demandes émanant d’autres laboratoires ou d’industriels quant à ces procédés sont liées aux équipements auxquels ils recourent. Des informations plus détaillées figurent dans les pages relatives à ces équipements et les demandes peuvent simplement être adressées par courriel.


Photolithographie

La plupart des procédés intervenant lors de la fabrication de composants électroniques (dopage, gravure ...) ne doivent modifier le substrat que dans certaines zones bien délimitées. La photolithographie est l’un des procédés permettant de transférer le motif d’un masque sur un substrat qui est le plus souvent une plaquette de silicium mais peut être un autre matériau, inorganique (oxyde de silicium, germanium ...) ou organique comme dans le cas des cellules photovoltaïques organiques. Les demandes peuvent simplement être adressées par courriel.

La première étape consiste à déposer une couche de résine photosensible sur le substrat à l’aide d’une tournette. Le substrat est ensuite chauffé afin de solidifier la résine. Substrat (à gauche), tournette pour le dépôt de résine photosensible (au milieu) et substrat recouvert d’une couche de résine photosensible (à droite)

Substrat (à gauche), tournette pour le dépôt de résine photosensible (au milieu) et substrat recouvert d’une couche de résine photosensible (à droite)
Mise en place d’un échantillon dans un aligneur de masque pour photolithographie

L’étape suivante consiste à positionner le masque au moyen d’un aligneur. Cette étape est la plus délicate et ceci d’autant plus que le motif à reproduire est fin ou complexe, ou qu’il doit être superposé à d’autres motifs déjà présents sur le substrat.

Substrat recouvert d’une couche de résine photosensible et du masque


À l’alignement du masque succède l’étape d’insolation du substrat par un rayonnement ultraviolet (UV) qui modifie la solubilité de la résine. Les zones exposées de la résine deviennent ainsi plus ou moins solubles que les zones protégées par le masque, selon le type de résine. Dans le cas des résines positives, la zone insolée devient plus soluble. Au contraire, dans le cas des résines négatives la zone insolée devient moins soluble. Les résines dites réversibles peuvent agir soit comme une résine positive, soit comme une résine négative.

Insolation du substrat recouvert de la résine et du masque

Après l’insolation il reste à révéler le motif en trempant le substrat dans un développeur. Ce dernier dissout la résine dans les zones où sa solubilité est la plus grande ce qui laisse le substrat à nu. Dans le cas des résines positives, c’est dans la zone insolée que la résine est dissoute, ce qui donne une image positive du masque. Au contraire, dans le cas des résines négatives c’est dans la zone protégée que la résine est dissoute, ce qui donne une image négative du masque.

Substrat après dissolution dans le cas d’une résine positive (à gauche), substrat après trempage dans le solvant (au milieu) et substrat après dissolution dans le cas d’une résine négative (à droite)

Le substrat est alors prêt pour la phase suivante : dopage par implantation, métallisation, gravure ...

Contrairement à ce que laissent supposer les schémas précédents, les flancs du motif ne sont pas rigoureusement verticaux après le développement. Dans le cas des résines positives et négatives, différents effets tels que l’ombre du masque sur la résine, le décentrage de la source lumineuse, et le fait que les zones superficielles de la résine reçoivent plus d’UV que les zones plus profondes, conduisent à des flancs légèrement inclinés comme l’illustre le schéma de gauche.

Flancs du motif dans le cas d’une résine positive ou négative (à gauche) et dans le cas d’une résine réversible (à droite)


Les résines réversibles permettent d’obtenir un motif avec des flancs plus inclinés (voir le schéma de droite) moyennant un procédé un peu plus complexe. Les premières étapes sont les mêmes que pour les résines positive ou négative : dépôt de la résine, alignement du masque et insolation. Le substrat est ensuite recuit puis exposé à une nouvelle insolation mais cette fois avec un masque sans motif pour insoler toute la surface. Ces résines agissent comme une résine positive après la première insolation et comme une résine négative après la seconde insolation. Elle sont principalement utilisées avant le dépôt de contacts métalliques lorsque un effet d’ombrage important est recherché.

Dopage

Les propriétés des semi-conducteurs dépendent de la quantité de porteurs de charges (électrons et trous) qu’ils contiennent. Le dopage consiste à introduire des atomes d’un autre élément dans le semi-conducteur, ce qui apporte un excès d’électrons (dopage de type N) ou de trous (dopage de type P) et rend ainsi le semi-conducteur électriquement actif.

On distingue deux procédés de dopage qui sont le dopage par diffusion et le dopage par implantation ionique. Les demandes peuvent simplement être adressées par courriel.

Principaux dopants du silicium


Dopage par diffusion

Pour le dopage par diffusion, une pâte dopante est déposée sur le substrat à l’aide d’une tournette. Ce dépôt est suivi d’un recuit dans un four pour que les atomes de dopants pénètrent dans le substrat et s’y répartissent.


Principe du dopage par diffusion
Dépôt d’une pâte dopante au phosphore (à gauche) et accès à l’un des fours de recuit de la salle blanche (à droite)


Dopage par implantation ionique

Dans le dopage par implantation ionique, les dopants ionisés sont accélérés dans un champ électrique. Ils acquièrent ainsi une énergie suffisante pour pénétrer en profondeur dans le substrat. Il est ensuite nécessaire d’effectuer un recuit dans un four afin de réparer les dégâts causés par l’implantation.

Chambre d’implantation et pupitre de commande de l’implanteur 200 keV (à gauche), principe du dopage par implantation ionique (à droite) et four de recuit Carbolite (en bas))

Gravure

La gravure a pour but d’enlever de la matière à la surface d’un substrat. Le plus souvent ce n’est que dans certaines zones que la matière doit être enlevée, de sorte que la gravure est généralement précédée par une étape de photolithographie ou de sérigraphie.

On distingue deux procédés de gravure :

  • la gravure sèche, ou gravure plasma, où ce sont les ions d’un plasma qui arrachent les atomes du substrat. Elle est réalisée au moyen d’un réacteur plasma.
  • la gravure humide, ou gravure chimique qui consiste à tremper l’échantillon dans une solution composée d’un acide et d’un solvant, en général de l’eau. L’acide grave le substrat en dissolvant la matière par une réaction chimique. Le type d’acide à utiliser dépend de la nature du substrat. La vitesse de gravure dépend de la concentration de la solution et de la température.

Les demandes peuvent simplement être adressées par courriel.

Substrat recouvert du masque de résine avant (en haut) et après (en bas) gravure

Métallisation

Quel que soit le composant électronique qui est à fabriquer, le processus implique une ou plusieurs étapes de métallisation, ne serait-ce que pour le dépôt des contacts.

Les différentes techniques de métallisation sont :

  • l’évaporation thermique qui utilise un évaporateur à effet Joule
  • l’évaporation par canon à électrons
  • la sérigraphie
  • la pulvérisation cathodique (ou "sputtering")

Le Laboratoire possède un équipement de pulvérisation cathodique, une sérigraphieuse, ainsi que cinq évaporateurs dont certains permettent également de déposer des couches de matériau isolant. Les demandes peuvent simplement être adressées par courriel.

Contact arrière d’une cellule photovoltaïque