EP0053150A1 - Verfahren zur herstellung einer dünnen schicht mit gerichteter struktur, vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens und durch diese verfahren hergestellte produkte - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer dünnen schicht mit gerichteter struktur, vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens und durch diese verfahren hergestellte produkte

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EP0053150A1
EP0053150A1 EP81901530A EP81901530A EP0053150A1 EP 0053150 A1 EP0053150 A1 EP 0053150A1 EP 81901530 A EP81901530 A EP 81901530A EP 81901530 A EP81901530 A EP 81901530A EP 0053150 A1 EP0053150 A1 EP 0053150A1
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Definitions

  • La presente invention a pour object un proceede de fabrication d'une couche mince à structure orientée, und di positive de mise en oeuvre de ce opia, etc que les // cicutica .
  • the figure 1 is a coupe in the extension of a line of fabrication double de photopiles au silicon, or la couche mince is deposited by immersion de two bands continues in the silicon fondu.
  • La figure 2 is a coupe in an elevation of a line of fabrication semi-continue de photopiles au silicon on plaques empilées, la couche mince is deposited by decomposition chimique.
  • the figure 3 is a coupe in the extension of a line of fabrication continue de photopiles au silicon or la couche mince is depo See par evaporation sous vide.
  • Le irritable intestinal deformation is an installation of fabrication continue de photopiles à Vietnamese d'une bande de verre 70 sortant d'une unite de fabrication continue non représ entée parts qu'un four à bain supportive fondu.
  • La bande subit un umble par une discharge to65ée par l'bmwde 76,arrient une metalisation par Vaporisation d'aluminium selon un quadrillage qui constituera l' beachde collectrice school de la photopile, le verre constituant à la exert le support et une excellente protection against the intemperies.
  • racking metallisation in quadrillage is se par une rampe de metallisation 77, coaxiale à un masque a journeyé cylindrique 78 don't la rotation est synchronized Malawi de la bande.
  • Un diaphragme à fente 79 workede la quality de l'image du quadrillage deposited sur la bande de verre.
  • La bande passes control sous a rampe de metallization par evaporation 83, or eile recoit, selon des register gas, a couche continue d'aluminium qui constituera l'electrode collectrice arrière de la photopile.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE COUCHE MINCE A STRUCTURE ORIENTEE,
DISPOSITIF POUR LA MISE EN OE VRE DΕ CE PROCEDE ET PRODUITS OBTENUS .
La presente invention a pour objet un procede de fabrication d'une couche mince à structure orientée, un di positif de mise en oeuvre de ce procédé ainsi que les produits obtenus.
On sait que le type de photopile dont on attend le meilleur rendement et le plus bas prix est constitue d'une plaque de silicium ayant recu sur sa face avant, exposee à la lumière, un apport d'atomes etrangers qui créent une jonction electrique faisant apparaitre des charges électriques quand eile est eclairée. Malheureusement, cet effet photo-electrique ne semble pouvoir être obtenu avec des rendements acceptables que si la structure cristalline de la plaque de silicium est orientée, ce qui est generalement obtenu par elaboration au four de monocristaux ou de polycristaux Orientés, qui sont ensuite tranchés en rondelles minces a grands frais et au prix de pertes notables, par suite de la dureté et de la fragilite du silicium. II en résulte un prix de revient éleve peu compatible avec la generalisation des pbotopiles au silicium pour la production d'énergie électrique à un prix concurrentiel avec les autres sources d'énergie.
II est connu que les procédés de fabrication des photopiles les plus économiques sont à rechercher dans l'emploi de couches minces de silicium déposées notamment par évaporation sous vide, par décomposition chimique en phase gazeuse ou par fusion, sur un support de moindre prix, disposé de préférence en bände continue ou semi-cont inue. Malheureusement, les moyens actuellement connus fournissent des couches de silicium à structure non orien tée qui donnent des rendements électriques tres bas.
L' invention a pour objet de fournir un mode de traitement des couches deposees ou en cours de dépôt, de maniere a donner à leur structure une orientation preferentielle ameliorant le rendemeilt' electrique, tout en conservant les avantages de fabrication économique des couches minces déposées sur un support de moindre prix et, de préférence, selon un procédé continu ou semicontinu. Ce mode de traitement, qui est particulièrement avantageux pour la fabrication de photopiles au silicium, peut selon l'invention etre applique ä la fabrication d'autres photopiles que les photopiles au silicium et d'autres produits que les photopiles, notamment les transistors ou appareils analogues et, d'une facon plus generale, de tous les produits comportant une couche ä structure orientee, quelle que soit la raison pour laquelle on souhaite que cette couche ait une structure orientée
Pour celà le procédé est caractérise en ce qu'il comporte au moins un dispositif agencé pour déposer uns couche mince sur un support et au moins un dispositif agencé pour engendrer un champ magnétique et/ou électrique appliqué sur la couche mince pendant son depôt et/ou son refroidissement, ce champ etant susceptible de créer des directions priviiegiées de structuration orientée.
Trois formes d'exécution sont décrites ci-après à titre d'exemple et en référence au dessin annexé dans lequel :
La figure 1 est une coupe en élévation d'une ligne de fabrication double de photopiles au silicium, ou la couche mince est déposée par immersion de deux bandes continues dans le silicium fondu.
La figure 2 est une coupe en élévation d'une ligne de fabrication semi-continue de photopiles au silicium sur plaques empilées, la couche mince est déposée par decomposition chimique.
La figure 3 est une coupe en élévation d'une ligne de fabrication continue de photopiles au silicium où la couche mince est depo sée par évaporation sous vide.
Le dispositif représenté sur la figure 1 comporte une enceinte 1 où est réalisé un vide élevé souhaitable, non seulement pour la protection de la couche mince de silicium au sortir du bain, mais aussi pour les opérations complément aires de fabrication des photopiles. Dans cette enceinte un creuset 2 contient du silicium fondu. Son chauffage est assuré par des moyens connus, tels que l'induction en haute fréquence produite par des enroulements 3. D'autres modes de chauffage tels que des résistances 4 peuvent être employés à la place ou en même temps que le chauffage par induction. Le creuset présente en son fond une fente 5 laissant pénétrer deux bandes 6 et 7 animées d'un mouvement ascendant continu. Bien que, pour la clarté du dessin, un certain jeu ait été représenté entre les bandes et la fente, ce jeu est en réalité aussi réduit que possible afin d'éviter les fuites de silicium fondu et aussi la penetration de silicium entre les deux bandes. Une etanchéité acceptable est d'autant plus facilement obtenue que la viscosité du silicium fondu est assez élevée et que le mouvement ascendant des bandes raméne dans le creuset le peu de silicium qui pourrait suinter le long des bandes.
Les bandes sont constituées de métal résistant a la température de fusion du silicium ou d'autres corps, de préférence conducteurs, tels que le carbone qui peut encore être utilise à l'état fibreux charge de graphite.
Les bandes sont fournies par deux bobines 8 et 9 et guidées par deux rouleaux 10 et 11 afin de pénétrer dans la fente exactement selon son plan axial. Deux rouleaux 12 et 13 ou des broches fixes placées à la sprtie du bain essorent le silicium fondu et maintiennent les bandes serrées l'une contre l'autre pendant la traversée du bain, de maniere a eviter que le silicium liquide ne s'introduise entre elles. Tous ces rouleaux sont constitués de matiére réfractaire et peu conductrice de la chaleur, teile que la silice. Ils présentent une grande longueur de maniere à ce que leurs paliers d'extrémité se trouvent soustraits aux hautes températures du creuset. En traversant le bain de silicium fondu, les bandes se couvrent sur leurs faces extérieures d'une couche de silicium dont l'épaisseur peut être ajustée par la variation de la vitesse ascen dante des bandes, la température du bain et le serrage des rouleaux d'essorage. L'emploi de deux bandes dos a dos, qui sont ensuite séparées , permet d' éviter le gaspillage de silicium qui résulterait du revêtement d'une bande unique sur ses deux faces, alors qu'une photopile ne comporte normalement qu'une seule fa active.
Les bandes sont ensuite écartées l'une de l'autre par une lame 14 constituée d'un matériau réfractaire et en meme temps conducteur de 1 ' électricité tel que certains métaux ou certains refractaires contenant du graphite. Cette lame sert, d'une part, à éviter que les deux bandes ne se trouvent soudées par le silicium fondu qui adhere à leurs bo.rds; d'autre part, eile constitue l'une d électrodes nécessaires à l'application d'un champ électrique à la couche de silicium en cours de refroidissement. L'autre électrode est constituée de part et d'autre des bandes par deux plaques metalliques 15 et 16 entourées d'écrans isolants 18 et 19 qui permettent d'utiliser des hautes tensions sans risques d'amorgage de decharges.
La solidification et/ou le ref roidissement de la co'uche mince de silicium dont les bandes sont revêtues se produit donc pendant que ce corps est soumis à un champ électrique intense, ce qui privilégie une direction de solidification et aboutit à une structure orientée qui subsiste après refroidissement.
Les bandes passent ensuite devant deux rampes 20 et 21 d'où elles recoivent une addition d'atomes étrangers dont la presence à la surface de la couche de silisium crée une jonction électrique presentant des proprietes de photo-électricité, ceci selon des moyens connus.
Les bandes passent ensuite devant deux rampes de metallisation 22 et 23, destinées à munir leur face avant, selon des procédés connus, d'une couche et/ou d'un quadrillage metalliques laissant passer la lumière et servant d'électrodes collectrices avant . Ce quadrillage est obtenu dans les procédés discontinus par interposition d'un masque ajoure. Pour la fabrication continue decrite les masques places entre les rampes de met allisation et les bandes sont constitués par deux cylindres ajoures 24 et 25, dont les generatrices sont paralleles aux rampes et qui tournent ä une vitesse synchronisee avec la vitesse ascendante des bandes, de maniere a ce que l'image du quadrillage qu'ils projettent sur les bandes en mouvement soit immobile par rapport aux bandes. Deux diaphragmes lineaires 26 et 27 améliorent la finesse de l'image.
Les bandes passent ensuite devant deux rampes 28 et 29 qui déposent à la surface des couches sensibles un revêtement de protection transparent, ceci selon des moyens connus et vont s'enrouler sur deux bobines 30 et 31.
Le dispositif représente sur la figure 2 comporte une enceinte 41 dans laquelle est realisé par des moyens connus un vide élevé, nécessaire à la plupart des opérations de fabrication des photopiles. Un magasin émetteur 42 contient un empilage de plaques 43 par exemple en verre, plaques destinées ä devenir le support des couches minces constituant la photopile proprement dite. Un jeu de verins 44 assure l'elevation de l'empilage de plaques au für et à mesure de leur envoi vers la ligne de fabrication. Un jeu de verins 45 pousse chaque plaque à son tour vers la ligne de fabrication, lui fournissant une succession de plaques jointives avançant a vitesse constante et se comportant comme une bände continue.
Les différents postes de la ligne de fabrication sont placés dans des chambres disposées successivement en aval du magasin émetteur. Ces chambres, dont les atmosphères presentent des differences de composition et de pression, sont separées par des sas à chicanes 46 laissant passer les plaques avec un certain jeu. Ces sas sont eux-mêmes relies aux pompes à vides primaires ou secondaires. Etant donne les pressions tres basses qui règnent dans toutes ces chambres, de tels sas sont suffisants éviter tout échange gazeux notable entre les chambres.
Les plaques entrent d'abord dans la chambre 47 , maintenue sous un vide élevé. Cette chambre comporte un dispositif de métalli sation par évaporation d'aluminium fondu, qui dépose sur le ver re une couche mince continue d'aluminium qui constituera l'électrode arrière de la photopile. Afin de pouvoir placer le creuset contenant. l'aluminium fondu au dessus des plaques, elles-mêmes reposant par gravité sur le fond de la chambre, on utilise un creuset constitue d'un dessus plein 64 et d'un dessous finement ajouré 65 dont les perforations sont suffisamment petites pour que l'aluminium liquide y soit retenu par effet de tension superficielle, tout en émettant vers le bas et vers le bas seulement des vapeurs à faible tension, qui vont se déposer sur la plaque en dessous. Le chauffage du creuset est assuré par la circulation d'un courant électrique entre ses deux extrémités.
Le creuset incandescent provoque un certain échauffement de la surface des plaques, échauffement complété par des resistances chauffantes 49 placées dans le sas a la sortie de la chambre 47.
Les plaques passent ensuite dans la chambre 48, maintenue sous une pression très faible de silane SiH4 renouvelé par circulation. Au contact de la surface chaude de la plaque recouverte d'aluminium, le silane se décompose en hydrogene qui s'écoule dans la circulation gazeuse et en silicium qui se dépose sur la plaque. Selon des procédés connus, cette decomposition est accélérée par la présence d'électrodes 50 aliment ée s en baute tension et/ou en haute fréquence qui provoquent dans le silane gazeux des décharges ionisantes. Au cours de son dépôt , la couche de silicium est soumise à un champ magnétique intense perpendiculaire au plan des plaques provoqué par des pièces polaires 51 et 52. Le silicium, qui est diamagnétique, ne se depose donc pas de manière totalement désordonnée sur les plaques, mais forme ainsi une couche anisotrope qui permet d'obtenir de meilleurs rendements électriques des photopiles.
Les plaques passent ensuite dans la chambre 53, maintenue sous un vide plus élevé. Cette chambre comporte des rampes de dépôt 63 de traces de corps étrangers, tels que l'antimoine, le phosphore, le bore, l'aluminium etc, qui s'intègrent a la surface de la couche de silicium, constituant, selon des procédés connus, une jonction électrique faisant apparaitre des charges électriques quand elle reçoit de la lumiere. Selon leurs propriétés physiques, ces corps sont déposés a l'état de traces par des procédés connus tels que l'évaporation, la pulvérisation cathodique ou des procédés qui en dérivent.
Toujours dans cette chambre 53, les plaques reçoivent ensuite leur électrode avant, sous forme d'un dépôt d'aluminium selon un quadrillage permettant la collecte du courant en laissant passer la lumière. A cette fin, un dispositif a creuset a fond poreux déjà décrit à propos de la chambre 47 est entoure d'un tambour ajouré 54 dont la rotation est synchronisée avec le mouvement des plaques de maniere a donner sur ces plaques une image de métallisation qui avance à la même vitesse que les plaques. Un diaphragme lineaire 55 permet d'obtenir une meilleure définition de cette image.
Après avoir subi dans le sas 56 un échauffement superficiel sous le rayonnement des résistances 57, les plaques entrent ensuite dans une chambre 58 balayée par un courant à faible pression d'un mélange d'oxygène et de silane. Selon des procédés en eux-mêmes connus, le silane est decomposé à la surface chaude des plaques en hydrogène, qui est evacué, et en silicium naissant qui est aussitôt oxydé en silice SiO2 qui se dépose a la surface des plaques, formant un mince revêtement protecteur et transparent d'une grande dureté. Comme précédemment, des électrodes 59, alimentées en haute tension et/ou en haute fréquence, provoquent dans cette chambre une décharge électrique et une ionisation du mélange gazeux accélérant sa decomposition.
D'autres dépôts ou traitements, en eux-mômes connus dans la fabrication des photopiles au silicium, peuvent être ajoutés ou insérés dans la ligne de fabrication, notamment en vue d'améliorer le rendement de la photopile en réduisant son pouvoir de réflexion de la lumière incidente. Les plaques arrivent enfin dans le magasin récepteur 60, où elles s'empilent sans se frotter ni se rayer grâce à un jeu de rouleaux 61 et de vérins 62.
Le dispositif représente sur la figure 3 est une installation de fabrication continue de photopiles à partir d'une bande de verre 70 sortant d'une unite de fabrication continue non représ entée teile qu'un four à bain métallique fondu.
La bande de verre pénètre dans une enceinte à vide 71 par 1 ' intermédiaire d'un sas 72 à étages multiples, dont les nombreuse fenêtres successives laissent juste le passage nécessaire à la bande, et délimitent des cavités qui sont reliées avec les différents étages de l'installation de production de vide : turbomachines à étages 73, compresseurs volumétriques 74 et pompes à diffusion 75 qui sont représentés schématiquement sur le dessin.
La bande subit ensuite un nettoyage par une décharge électrique provoquée par l'électrode 76, puis une métallisation par Vaporisation d'aluminium selon un quadrillage qui constituera l'électrode collectrice avant de la photopile, le verre constituant à la fois le support et une excellente protection contre les intempéries. Cette métallisation en quadrillage est obtenue par une rampe de métallisation 77, coaxiale à un masque ajouré cylindrique 78 dont la rotation est synchronisée avec la vitesse de la bande. Un diaphragme à fente 79 améliore la qualité de l'image du quadrillage déposée sur la bande de verre.
La bande reçoit ensuite d'une série de rampes d'évaporation 80 du silicium et des éléments étrangers, puis du silicium pur, afin de créer une couche mince de silicium présentant a sa face avant, qui est la face en contact avec le verre, une jonction électrique présentant, ainsi qu'il est connu, des propriétés photoélectriques.
La bande passe ensuite au dessus d'une fenêtre 81 pratiquée dans l'enceinte, fenêtre vitrée à travers laquelle elle recoit de l'énergie lumineuse répartie dans des longueurs d'onde peu ab sorbées par le verre de la fenêtre et de 1 bande et bien absorbées par la surface du silicium. Ces rayonnement s peuvent être produits par des lasers ou des tubes à décharges munis de dispositifs optiques concentrant leur rayonnement dans la zone choisie de la bande de verre. D'autres moyens, tels que le chauffage par micro-ondes ou par induction peuvent également etre retenus.
II en résulte une élévation de la température de la couche de silicium aux environs de son point de fusion, alors que la bande de verre reste à une température plus modérée.
La bande passe ensuite entre deux pièces polaires 82, alimentées par un puissant électro-aimant non représenté, qui peut comporter, selon des moyens connus, des enroulements supra-conducteurs. Le re froi di s s ement de la couche mince de silicium se produit donc pendant que ce corps est soumis a un champ magnétique intense, ce qui privilegie une direction de solidification et aboutit à une structure orientée qui subsiste apres refroidissement.
La bande passe ensuite sous une rampe de metallisation par évaporation 83, où eile recoit, selon des moyens connus, une couche continue d'aluminium qui constituera l'électrode collectrice arrière de la photopile.
La bande passe ensuite sous une rampe 84 , où eile recoit un revêtement de protection, selon des moyens connus, et eile sort de l'enceinte par un sas 85, analogue au sas d'entrée 72 et relié comme lui aux pompes à vide. Elle est ensuite decoupée selon des moyens connus aux dimensions que requiert son utilisation.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Procédé de fabrication d'une couche mince ä structure orien tée, caractérisée en ce que l' on soumet ladite couche à un champ magnétique et/ou électrique au cours de son depot et/ de son refroidissement.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche mince est déposée par decomposition chimique en phase gazeuse et/ou liquide.
3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce la décomposition et le depot sont accélérés par ionisation.
4 . Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche mince est déposée par pulverisation cathodique.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche mince est deposee par evaporation sous vide.
6. Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que la couche mince est déposée par immersion du support dans un bain du corps actif liquéfié.
7. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3, 4 , 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une enceinte, un dispositif agence pour dé poser une couche mince sur un support séjournant dans ladite enceinte et un dispositif agencé pour engendrer un champ mag nétique et/ou électrique pendant le depot et/ou le refroidis sement de ladite couche.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enceinte contient différents dispositifs agencés pour ajou ter à la couche déposée une electrode avant, une electrode arriere, une jonction électrique et/ou au moins une couche de protection.
9. Dispositif selon la reven di c at ion 8, caractérisé en ce que le dispositif de dépôt des électrodes comporte un creuset à fond poreux retenant du métal fondu par effet de tension su perficielle.
10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de dépôt des électrodes comporte un creuset coopé rant avec un masque mobile solidaire d'un cylindre dont l'axe est parallele au plan de la couche mince.
11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de dépôt d'au moins une couche de protection par decomposition chimique en phase gazeuse.
12. Produit comportant une couche mince à structure orientée ob tenue selon le procédé de la revendication 1.
13. Photopile a couche mince à structure orientée obtenue par le procédé de la revendication 1.
14. Photopile a couche mince de silicium a structure orientée obtenue par le procédé de la revendication 1.
15. Dispositif de commutation électrique à couche mince semi-con ductrice à jonction, realisé au moyen du procédé de la revendication 1.
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