FR2833752A1 - Procede de realisation de metallisations de section triangulaire en microelectronique - Google Patents

Procede de realisation de metallisations de section triangulaire en microelectronique Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de réalisation de métallisation de section triangulaire en microélectronique,qui comprend les étapes suivantes : - une étape de dépôt d'une couche de résine (21; 30) sur un substrat en semi-conducteur,- une étape de lithographie de cette couche de résine,- une étape de mise en forme de plots de métal trapézoïdaux (24; 33) ayant une pente déterminée,- une étape de gravure humide permettant de former la pointe de ces plots de métal (24; 33), - une étape d'élimination de la couche de résine (21; 30).

Description

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PROCEDE DE REALISATION DE METALLISATIONS DE SECTION
TRIANGULAIRE EN MICROELECTRONIQUE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé de réalisation de métallisations de section triangulaire en microélectronique, notamment pour des cellules photovoltaïques à concentration.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Les cellules photovoltaïques à concentration recouvrent des intensités lumineuses correspondant à quelques centaines de soleils.
Des courants importants circulent donc dans de telles cellules. Celles-ci nécessitent de ce fait des pistes métalliques de section importante pour ne pas créer des pertes de tension.
Dans un premier mode de réalisation, pour éviter les problèmes d'ombrage liés aux métallisations, toutes les pistes sont réalisées en face arrière de la cellule, la lumière pénétrant dans celle-ci par sa face avant. Dans ce mode de réalisation les porteurs, qui sont en majorité créés en face avant de la cellule, doivent traverser toute l'épaisseur de celle-ci avant d'être collectés par les électrodes. Ces cellules sont donc réalisées dans un substrat très mince, par exemple d'une épaisseur de l'ordre de 120 micromètres, ce qui les rend difficiles à fabriquer.
Dans un second mode de réalisation, la cellule est éclairée du côté des métallisations. Dans
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ce mode, afin d'éviter l'ombrage dû à ces métallisations, on peut soit utiliser des microlentilles, soit utiliser des pistes ayant des sections triangulaires adaptées pour réaliser des microconcentrateurs.
L'utilisation de micro-concentrateurs présente plusieurs avantages par rapport à l'utilisation de micro-lentilles : ils permettent en particulier une plus grande tolérance sur l'angle d'incidence des rayons lumineux, et donc une plus grande tolérance également sur la précision du système de suivi du soleil. Ces micro-concentrateurs peuvent être réalisés directement sur la plaquette de semiconducteur en utilisant des techniques connues en micro-électronique, ce qui permet de les aligner avec les cellules.
De tels micro-concentrateurs sont également intéressants dans le cas de cellules photovoltaïques à multi-jonctions, dans lesquelles les diverses jonctions sont réalisées classiquement par épitaxie.
Dans de telles cellules, le courant est commun à toutes les cellules, et les contacts sont pris en face avant et arrière. Pour rendre les cellules indépendantes, on peut réaliser des empilements de jonctions en les collant par l'intermédiaire de couches isolantes électriquement et transparentes optiquement par exemple en oxyde de silicium, et aller prendre les contacts par des puits métallisés, permettant de ramener tous les contacts en face avant ou arrière. Le grand nombre de métallisations en surface de la cellule
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conduit à un ombrage important. Le fait de réaliser des micro-concentrateurs, permet d'éviter un tel ombrage.
La figure 1 illustre ainsi deux contacts en métal de section triangulaire 10 disposés sur un substrat en semi-conducteur 11, qui permettent de concentrer les rayons lumineux 12.
Un bon fonctionnement des cellules à concentration nécessite que les pistes métalliques soient aussi proches que possible les unes des autres, typiquement à moins de 100 micromètres. Les microconcentrateurs doivent alors avoir des sections triangulaires, avec des angles importants, des valeurs typiques étant 12 micromètres pour la base et 20 micromètres pour la hauteur, et être très pointues. De telles hauteurs et de telles formes sont inhabituelles en micro-électronique.
En microélectronique il est, en effet, connu de réaliser des micro-pointes pour des écrans plats comme décrit dans les documents référencés [1] et [2] en fin de description.
En réalisant une évaporation d'un métal à travers une ouverture dans un oxyde, sous incidence, on peut obtenir une micro-pointe. Mais une telle méthode s'applique mal à la réalisation de micro-pointes présentant un facteur de forme (rapport hauteur sur base) élevé. La pente de telles micro-pointes, qui dépend des paramètres machines (distance source/substrat), n'est pas facilement contrôlable.
La réalisation d'épaisseurs de métal importantes, de l'ordre de plusieurs dizaines de micromètres, par un dépôt pleine plaque est compatible
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avec la réalisation de micro-concentrateurs mais il faut alors réaliser les micro-pointes par une gravure, qui peut être une gravure par voie chimique ou par voie sèche. Une gravure chimique, qui est isotrope, ne permet pas d'obtenir le profil voulu. Une gravure sèche, qui permet un meilleur contrôle de l'angle des micro-pointes, conduit à des surfaces rugueuses qui n'ont pas les propriétés optiques requises, et ne permet pas d'obtenir des micro-pointes.
L'invention a pour objectif de proposer un procédé de réalisation de métallisations de section triangulaire en microélectronique permettant de résoudre les problèmes énoncés ci-dessus.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne un procédé de réalisation de métallisation de section triangulaire en microélectronique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - une étape de dépôt d'une couche de résine sur un substrat en semi-conducteur, - une étape de lithographie de cette couche de résine, - une étape de mise en forme de plots de métal trapézoïdaux ayant une pente déterminée, - une étape de gravure humide permettant de former la pointe de ces plots en métal, - une étape d'élimination de la résine.
Dans un premier mode de réalisation, l'étape de mise en forme de plots de métal comprend une étape de aravure sèche.
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On a alors les étapes suivantes : - une étape de dépôts pleine plaque d'une couche de métal et d'une couche de résine sur un substrat en semi-conducteur, - une étape de lithographie de la couche de résine qui permet d'obtenir des plots de résine pointus, - une étape de gravure sèche réalisée à travers le masque de résine ainsi formé qui permet d'obtenir des plots de métal de forme trapézoïdale, situés sous les plots de résine, - une étape de gravure humide qui permet de lisser les flancs des plots de métal et de former la pointe de ceux-ci, - une étape d'élimination de la résine.
Dans un second mode de réalisation, l'étape de mise en forme du métal comprend une étape de dépôt électrolytique de métal.
On a alors les étapes suivantes : - une étape de dépôt pleine plaque d'une couche d'une première résine sur un substrat en semiconducteur, - une étape d'insolation et de développement de cette couche d'une première résine pour former un moule pour un dépôt métallique ultérieur, la pente dans cette première résine étant obtenue par lithographie, - une étape de dépôt de métal, par électrolyse, le métal remplissant le moule formé précédemment par la première résine, en formant des plots métalliques trapézoïdaux,
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- une étape de dépôt d'une seconde résine et de lithographie pour que cette seconde résine recouvre le haut des plots métalliques trapézoïdaux, - une étape de retrait de la première résine, - une étape de gravure humide des plots en métal permettant de former la pointe de ceux-ci, - une étape de retrait de la seconde résine.
Avantageusement le procédé de l'invention peut être utilisé pour fabriquer une cellule photovoltaïque à concentration.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - La figure 1 illustre une cellule à concentration de l'art connu, - Les figures 2A à 2E illustrent les étapes d'un premier mode de réalisation du procédé de l'invention, - Les figures 3A à 3G illustrent les étapes d'un second mode de réalisation du procédé de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans le procédé de réalisation de métallisations de section triangulaire en micro- électronique selon l'invention, on dépose une couche de résine sur un substrat en semi-conducteur, et on réalise une lithographie de cette couche de résine. On met, alors, en forme des plots de métal trapézoïdaux ayant une pente déterminée, une étape de gravure humide
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permettant de former la pointe de ces plots de métal.
La couche de résine peut alors être éliminée.
Dans un premier mode de réalisation, le procédé de l'invention comprend une étape de dépôt pleine plaque d'une couche de métal, d'aluminium par exemple, et d'une couche de résine. Les épaisseurs de ces couches sont de l'ordre par exemple de 20 micromètres. La résine est ensuite insolée selon des techniques bien connues de l'homme de métier. On obtient après lithographie, avec un profil de lumière adapté, des plots de résine trapézoïdaux ou pointus dont la pente est précisément définie au-dessus des endroits où doivent se situer les pistes métalliques.
Une étape de gravure sèche est alors réalisée à travers un tel masque de résine. Elle permet d'obtenir des plots en métal de profil trapézoïdal, avec des flancs très rugueux. En effet, il y a transfert de la pente de chaque plot de résine au niveau du plot en métal situé en dessous, via un coefficient de proportionnalité qui dépend des paramètres de gravure.
Une étape de gravure chimique avec la résine en place permet de lisser les flancs des plots de métal et de former la pointe de chaque plot. En effet, la gravure chimique est isotrope : elle conserve donc la pente obtenue dans le métal tout en lissant la surface du plot. Selon la nature du métal déposé la gravure humide peut comporter une ou plusieurs étapes.
Par exemple dans le cas d'un dépôt d'AlSi, une première gravure humide permet de graver l'aluminium. Elle est
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suivie d'une deuxième gravure humide destinée à éliminer les grains de silicium restant après la première gravure.
Les restes de résine peuvent ensuite être éliminés par les techniques classiques, bien connues de l'homme de métier.
Ainsi, comme illustré sur les figures 2A à 2E, le procédé de l'invention comprend donc, plus précisément : -une étape de dépôts pleine plaque d'une couche de métal 20 et d'une couche de résine 21 sur un substrat en semi-conducteur 22, comme illustré sur la figure 2A, - une étape de lithographie de la couche de résine 21 qui permet d'obtenir, comme illustré sur la figure 2B, des plots de résine pointus 23 de pente a, ou encore des plots trapézoïdaux de pente a, - une étape de gravure sèche réalisée à travers le masque de résine ainsi formé qui permet d'obtenir des plots de métal 24 de forme trapézoïdale de pente aa avec des flancs rugueux, situés sous les plots de résine, comme illustré sur la figure 2C, - une étape de gravure humide qui permet de lisser les flancs des plots de métal 24 et de former la pointe de ceux-ci, tout en conservant la pente aa imposée lors de la gravure sèche, comme illustré sur la figure 2D, - une étape d'élimination de la résine qui permet d'obtenir le résultat désiré, comme illustré sur la figure 2E.
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Après l'étape de gravure humide, on peut obtenir des pistes métalliques ayant comme illustré sur la figure 2D environ les dimensions, hauteur h, période p, l largeur :
Figure img00090001

h = 22 um l = 12 lm p = 35 lm Le profil de chaque piste métallique est 'déterminé, pour des conditions de gravure sèche données, par le profil de la résine : les pentes des plots de résine et des plots de métal sont proportionnelles, avec un coefficient qui dépend des conditions de gravure sèche.
Par exemple, avec une pente dans la couche de résine de 560 et une gravure par un mélange de C12, BC13 et N2 sous une pression de 200 mTorr et une puissance de 200 W, on obtient pour des pistes métalliques en aluminium des plots ayant une pente de 700 à 75 .
Le profil de la résine est obtenu en contrôlant la distance entre le masque et la plaque à graver : lorsque le masque est en contact avec la plaque, on obtient un profil de résine vertical.
Lorsqu'on éloigne le masque de la plaque, on obtient un profil de résine en pente, le profil s'écartant d'autant plus de la verticale que le masque est plus éloigné. D'autres paramètres interviennent également comme le temps d'insolation et la densité lumineuse utilisée.
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Le lissage des flancs des plots de métal peut, alors, être obtenu par gravure chimique dans une solution de 75% de H3PO4, 3, 5% de HN03, 15% de CH3C02H, et 6,5% de H2O.
Dans un second mode de réalisation, comme illustré sur les figures 3A à 3G, le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes : - une étape de dépôt pleine plaque d'une couche d'une première résine 30 sur un substrat en semi-conducteur 31, comme illustré sur la figure 3A, - une étape d'insolation et de développement de cette couche d'une première résine pour former un moule 32 pour un dépôt métallique ultérieur, comme illustré sur la figure 3B. La pente de ce moule dans cette première résine est obtenue par lithographie avec un profil de lumière de forme adéquate, en utilisant une résine négative, - une étape de dépôt de métal, du cuivre par exemple, par électrolyse, le métal remplissant le moule 32 formé précédemment par la première résine, en formant des plots métalliques trapézoïdaux 33, comme illustré sur la figure 3C, - une étape de dépôt d'une seconde résine 34 et de lithographie pour que cette seconde résine recouvre le haut des plots métalliques trapézoïdaux, comme illustré sur la figure 3D (la pente de ces plots étant donc parfaitement contrôlée car imposée par la pente du moule), - une étape de retrait de la première résine, comme illustré sur la figure 3E,
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- une étape de gravure humide des plots en métal 33 permettant de former la pointe de ceux-ci, comme illustré sur la figure 3F, - une étape de retrait de la seconde résine, comme illustré sur la figure 3G.
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REFERENCES [1]"Vacuum microelectronics"de Brodie et C. A. Spindt (Adv. Electron. Electron. Phys., Vol. 83,1992, page 1).
[2]"Vacuum microelectronics"de H. H. Busta (Microeng., vol. 2,1992, page 43).

Claims (6)

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation de métallisation de section triangulaire en microélectronique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - une étape de dépôt d'une couche de résine (21 ; 30) sur un substrat en semi-conducteur, - une étape de lithographie de cette couche de résine, - une étape de mise en forme de plots de métal trapézoïdaux (24 ; 33) ayant une pente déterminée, - une étape de gravure humide permettant de former la pointe de ces plots de métal (24 ; 33), - une étape d'élimination de la couche de résine (21 ; 30).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de mise en forme de plots de métal comprend une étape par gravure sèche.
3. Procédé selon la revendication 2, comprenant les étapes suivantes : - une étape de dépôts pleine plaque d'une couche de métal (20) et d'une couche de résine (21) sur un substrat en semi-conducteur (22), - une étape de lithographie de la couche de résine (21) qui permet d'obtenir des plots de résine dont les pentes sont imposées (23), - une étape de gravure sèche réalisée à travers le masque de résine ainsi formé qui permet
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d'obtenir des plots de métal (24) de forme trapézoïdale, situés sous les plots de résine (23), - une étape de gravure humide qui permet de lisser les flancs des plots de métal (24) et de former la pointe de ceux-ci, - une étape d'élimination de la résine.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de mise en forme du métal comprend une étape de dépôt électrolytique de métal.
5. Procédé selon la revendication 4, comprenant les étapes suivantes : - une étape de dépôt pleine plaque d'une couche d'une première résine (30) sur un substrat en semi-conducteur (31), - une étape d'insolation et de développement de cette couche d'une première résine pour former un moule (32) pour un dépôt métallique ultérieur, la pente dans cette première résine étant obtenue par lithographie, - une étape de dépôt de métal, par électrolyse, le métal remplissant le moule (32) formé précédemment par la première résine, en formant des plots métalliques trapézoïdaux (33), - une étape de dépôt d'une seconde résine (34) et de lithographie pour que cette seconde résine recouvre le haut des plots métalliques trapézoïdaux, - une étape de retrait de la première résine,
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- une étape de gravure humide des plots de métal (33) permettant de former la pointe de ceux-ci, - une étape de retrait de la seconde résine.
6. Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour fabriquer une cellule photovoltaïque à concentration.
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