FR3008994A1 - Procede de cristallisation en phase solide - Google Patents

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Abstract

Le procédé de cristallisation comporte une première étape destinée à fournir un substrat (1) comprenant successivement: un support (2), une couche métallique (3), une couche à cristalliser (4) amorphe et contrainte en tension, des particules métalliques (5) sur au moins une partie de la couche à cristalliser (4). Le procédé comporte ensuite une étape de traitement thermique pour permettre la cristallisation en phase solide du matériau de la couche à cristalliser (4), par application d'un faisceau laser (6) ayant une densité surfacique d'énergie supérieure à 0.1 J.cm-2 sur une face du support (2) sur l'une des faces latérales de la couche métallique (3).

Description

Procédé de cristallisation en phase solide Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un procédé de cristallisation. État de la technique Classiquement, la cristallisation d'un matériau est réalisée par refroidissement lors de la transition liquide-solide ou vapeur-solide.
Toutefois, certaines techniques permettent de cristalliser un matériau directement en phase solide, c'est-à-dire sans passer par l'état liquide ou gazeux. La cristallisation est généralement réalisée par recuit thermique conventionnel dans un four. Pour cela, une couche amorphe à cristalliser est déposée sur un substrat et l'ensemble est porté à une température inférieure à la température de transition vitreuse ou de fusion du substrat. La recristallisation est un processus activé thermiquement, ce qui signifie que plus la température de recuit est basse plus la durée du recuit est longue. Pour favoriser la transition en phase solide, un dépôt de matériau facilitant la germination peut être réalisé sur la couche amorphe à cristalliser. Cette technique appelée recuit assisté par un métal ou MIC est décrite dans le brevet US 5,994,164. Elle consiste à déposer une couche de catalyseur tel que du palladium ou du nickel pour contrôler la taille des grains de la couche qui va être cristallisée. Le recuit est ensuite réalisé par des techniques conventionnelles ou par un recuit thermique rapide (RTA). Les deux types de recuit présentent des avantages différents selon les besoins de l'utilisateur : le RTA permet de créer des germes rapidement mais les germes créés par recuit classique sont plus gros. Un inconvénient des techniques MIC et RTA est que le substrat se déforme légèrement au cours de la cristallisation. Aussi, pour s'affranchir de ce problème, l'enseignement du brevet US 5,994,164 préconise de déposer une couche intermédiaire d'un matériau ayant une température de transition vitreuse inférieure à la température de cristallisation en phase solide de la couche à cristalliser. Ainsi, la couche intermédiaire amortit les contraintes générées par la cristallisation de la couche amorphe et empêche la déformation du substrat. Dans la demande internationale WO 2009/068756 A, le demandeur divulgue un procédé de cristallisation d'une couche de matériau de faible épaisseur mais de très grande surface. Pour cela, une couche à cristalliser réalisée dans un matériau amorphe est déposée sur une première face d'un support, et la couche à cristalliser est recouverte d'une couche métallique. L'ensemble est exposé à un faisceau laser traversant successivement la couche métallique, la couche à cristalliser, puis le support. Les matériaux de la couche métallique et de la couche à cristalliser sont choisis de manière à peu absorber l'énergie du faisceau laser. A l'inverse le support - en particulier la première face en contact avec la couche à cristalliser - absorbe les longueurs d'onde du faisceau laser. L'énergie du faisceau fait passer la première face du substrat à l'état liquide, et simultanément, le transfert thermique ayant lieu entre la première face du support et la couche à cristalliser apporte l'énergie nécessaire pour faire cristalliser cette dernière. Contrairement au procédé décrit dans le brevet US 5,994,164, la couche métallique décrite dans la demande WO 2009/068756 A n'agit pas comme catalyseur et ne permet pas de définir la taille des grains formés. Ici, la présence de la couche métallique joue le rôle de radiateur et permet d'évacuer l'excès d'énergie de la couche à cristalliser de manière radiative, ce qui évite à la couche à cristalliser de passer en phase liquide. Un autre procédé permettant de faire croître une couche de silicium polycristallin est d'utiliser une cristallisation induite par une couche d'aluminium. Cette technique est décrite dans le document Electrical activity of intragrain defects in poly- crystalline silicon layers obtained by aluminiuminduced crystallization and epitaxy, D. Van Gestel et al., Applied Physics Letters 90 (2007) 092103. Elle consiste tout d'abord à déposer une couche d'aluminium au-dessous ou au-dessus d'une couche de silicium amorphe, puis à effectuer un recuit thermique de longue durée à une température inférieure à celle de l'eutectique Al Si afin de permettre l'interdiffusion des deux couches et la cristallisation du silicium. Cette technique ne permet cependant pas de réaliser des couches de silicium ayant les propriétés adéquates pour être utilisées en électronique. Objet de l'invention Un objet de l'invention a pour but un procédé de cristallisation à bas coût d'un matériau de très grande surface et d'épaisseur nanométrique à micrométrique. Ce but est atteint par un procédé de cristallisation comportant les étapes suivantes : a) fournir un substrat comprenant successivement : i. un support, ii. au moins une couche métallique déposée sur une première face du support, iii. au moins une couche à cristalliser, contrainte en tension, et positionnée sur au moins une partie de la couche métallique, iv. des particules métalliques, sur au moins une partie de la couche à cristalliser, b) réaliser un traitement thermique pour permettre la cristallisation en phase solide du matériau de la couche à cristalliser, par application d'un faisceau laser ayant une densité surfacique d'énergie supérieure à 0.1 J.cm-2, le faisceau laser frappant initialement une deuxième face du support opposée à la première face ou l'une des faces latérales de la couche métallique, de manière à provoquer i. une montée en température de la couche métallique, ii. un front de cristallisation se propageant depuis l'interface entre la couche métallique et la couche à cristalliser jusqu'à l'interface entre la couche à cristalliser et les particules métalliques.
Selon un aspect de l'invention, le traitement thermique peut provoquer un déplacement d'impuretés dans la couche à cristalliser en direction de l'interface entre la couche à cristalliser et les particules métalliques. De manière préférée, la couche métallique peut avoir une épaisseur supérieure à 50 nm. Les particules métalliques peuvent par ailleurs être fondues ou vaporisées à l'issue de l'étape de traitement thermique.
Le support peut avantageusement être fabriqué dans un matériau optiquement transparent à la longueur d'onde du faisceau laser. Le laser a préférentiellement une longueur d'onde d'émission dans l'ultraviolet.30 Selon un développement de l'invention, le substrat peut comporter une pluralité de couches à cristalliser déposées successivement sur la couche métallique. Dans ce cas, les couches à cristalliser ont préférentiellement une bande interdite de largeur d'autant plus faible que la couche à cristalliser est proche de la couche métallique. De manière alternative, le substrat peut comporter une pluralité de couches à cristalliser sur une pluralité de parties de la couche métallique, les couches métalliques étant séparées latéralement. Dans ce cas, les couches à cristalliser peuvent avoir des épaisseurs différentes. Enfin, l'une des dimensions caractéristiques des particules métalliques est supérieure à 50 nm.
Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : les figures 1 à 5 représentent schématiquement, en coupe, différentes étapes d'un premier mode de mise en oeuvre d'un procédé de cristallisation, la figure 6 illustre la façon dont le traitement thermique peut être réalisé, les figures 7 et 8 représentent deux variantes de réalisation du premier mode de mise en oeuvre, la figure 9 illustre enfin la mise en oeuvre générale du procédé de cristallisation.30 Description détaillée Selon un mode de mise en oeuvre du procédé de cristallisation représenté sur les figures 1 à 5, une première étape consiste à fournir un substrat 1 comprenant successivement un support 2, au moins une couche métallique 3 placée sur une partie d'une première face du support 2, au moins une couche à cristalliser 4 positionnée sur une partie de la couche métallique 3, et des particules métalliques 5 situées sur au moins une partie de la couche à cristalliser 4.
Une étape de traitement thermique est alors réalisée, éventuellement sous atmosphère contrôlée pour éviter l'oxydation et la sulfuration des particules métalliques 5, ou éventuellement sous vide à partir d'une température initiale inférieure à la température ambiante.
Le support 2 occupe de préférence une grande surface, et sa fabrication est avantageusement peu coûteuse. Son matériau est choisi pour être optiquement peu absorbant à la longueur d'onde d'un faisceau laser 6 utilisé lors de l'étape de traitement thermique, il peut par exemple être en verre ou en plastique. Le support 2 n'est pas nécessairement plan, il peut être convexe ou concave sans altérer la cristallisation de la couche à cristalliser 4. La couche métallique 3 peut être déposée sur une première face du support 2 (cf. figure 2) par des techniques classiques de dépôt en phase vapeur, (Physical Vapor Deposition ou « PVD » en anglais) telles que l'évaporation ou le dépôt par plasma, etc. Celle-ci est avantageusement réalisée dans un matériau absorbant la longueur d'onde du faisceau laser 6 lors de l'étape de traitement thermique. Le matériau de la couche métallique 3 peut avantageusement être choisi parmi les éléments suivants : métaux alcalins (Li, Na, Be, Mg,...), métaux alcalino-terreux (Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Ti, Sc,...), métaux de transition (AI, Zn, Cd, In, Sn, ...), seuls ou alliés. L'épaisseur de la couche métallique 3 est préférentiellement supérieure à 50 nm, à l'incidence normale du faisceau laser, pour que le flux lumineux ne soit pas transmis à la couche à cristalliser. Cela signifie que le rayonnement laser parcourt préférentiellement une distance inférieure à 50 nm dans la couche métallique 3 de façon à être entièrement absorbé avant d'atteindre la couche à cristalliser 4. La couche métallique 3 peut par exemple avoir une épaisseur de l'ordre de la centaine de nanomètres. L'épaisseur de la couche métallique peut être inférieure à 50 nm si l'absorption est forte et/ou si le laser frappe la couche métallique avec une incidence non normale. Il est par ailleurs envisageable d'utiliser une couche métallique 3 jouant également le rôle de support 2 si son épaisseur est suffisante. Une feuille d'aluminium d'emballage alimentaire, ayant avantageusement une épaisseur comprise entre 15 et 25 pm, peut par exemple constituer ce support 2. Ce type de support 2 présente l'avantage d'être disponible en grande quantité et à moindres frais.
Selon les besoins de l'utilisateur, le support 2 et/ou la couche métallique 3 peuvent être texturés ou structurés au moyen de procédés mécaniques (sablage), chimiques (gravure), ou alors par ablation laser pour leur donner un aspect diffusant. Cela peut être particulièrement utile pour réaliser des cellules photovoltaïques minces, dont le rendement de conversion est amélioré lorsque la diffusion optique est amplifiée. Comme illustré à la figure 3, la couche à cristalliser 4 est ensuite déposée sur au moins une partie de la couche métallique 3, éventuellement après que cette dernière ait été nettoyée.
La couche à cristalliser 4 est avantageusement constituée par un matériau amorphe, qui peut par exemple être semi-conducteur ou isolant, choisi parmi C, Si, Ge, SiN, AsGa, GaN, GaSb, GaP, InAs, AIAs, InSb, InP, InAs, ZnS, ZnSe, ZnTe CdTe, SiO2, A1203, TiO2, V205, ZnO, 1n203, ZrTiO3. Il est également possible de former d'autres alliages binaires ou ternaires. La couche à cristalliser 4 peut par ailleurs être dopée ou non. Le dépôt de la couche 4 à cristalliser peut être réalisé par des procédés connus tel qu'un dépôt par évaporation ou par pulvérisation éventuellement assistée par un canon à ions ou par un magnétron. Il est préférable que la couche à cristalliser 4 soit en tension pour que la cristallisation en phase solide puisse avoir lieu lors de l'étape de traitement thermique. Afin de permettre la cristallisation en phase solide, la couche à cristalliser 4 est soumise à une contrainte en tension. Pour former facilement une couche à cristalliser 4 avec une contrainte en tension, plusieurs conditions doivent préférentiellement être réunies : - le coefficient de dilatation du matériau de la couche à cristalliser 4 doit être inférieur au coefficient de dilatation de la couche métallique 3, - le dépôt de la couche à cristalliser 4 peut avantageusement être réalisé à une température comprise entre la température ambiante, et la température de fusion de la couche métallique 3 ou de transition vitreuse du support 2 s'ils sont différents, - l'empilement de la figure 3 peut avantageusement être soumis à un recuit thermique réalisé à une température comprise entre la température ambiante, et la température de fusion de la couche métallique 3 ou de transition vitreuse du support 2 s'ils sont différents. Une étape de descente en température peut éventuellement accroître la mise en tension de la couche à cristalliser 4.
L'état de contrainte de la couche à cristalliser 4 dépend de la nature du support 2, de la nature de la couche métallique 3, du mode de dépôt et de l'épaisseur de la couche à cristalliser 4, ainsi que la température de dépôt.
Si la couche à cristalliser 4 n'était pas contrainte en tension mais contrainte en compression, le traitement thermique aurait pour effet de faire passer la couche à cristalliser 4 en phase liquide ce qui exclut la cristallisation en phase solide.
Les particules métalliques 5 sont ensuite déposées sur au moins une partie de la couche à cristalliser 4 (cf. figure 4). Les particules métalliques 5 peuvent être déposées à la surface de la couche à cristalliser 4 par des méthodes telles que le dépôt à la tournette à partir d'une solution colloïdale contenant les particules ou le dépôt par pulvérisation avec un vecteur en phase gazeuse ou solvant, qui présentent l'avantage d'être peu coûteuses. Dans le cadre de ces méthodes de dépôt, les particules métalliques 5 sont diluées dans un solvant qui s'évapore à température ambiante. Elles peuvent également être déposées par un procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD en anglais) avec ou sans masquage. Dans le second cas le démouillage de la couche métallique peut être opéré par un recuit thermique à basse température pour créer des particules métalliques 5. La forme de ces particules métalliques 5 déposées sur la couche à cristalliser 4 n'est pas importante. Elles peuvent être ellipsoïdales, cylindriques, parallélépipédiques, demie-sphères etc. En revanche, il est préférable que leur volume soit le plus grand possible, et que l'une de leurs dimensions caractéristiques soit préférentiellement supérieure à 50 nm. Les particules métalliques 5 permettent un transfert de chaleur radiatif, par émission de photons. Sans ce transfert radiatif il n'y a pas de cristallisation à l'état solide. Un recouvrement complet de la couche à cristalliser 4 par un film métallique continu n'est pas recherché car cela entraînerait une modification de la thermodynamique et génèrerait la fusion de la couche à cristalliser 4. Les particules métalliques 5 peuvent être fabriquées à partir des éléments suivants : métaux alcalins (Li, Na, Be, Mg,...), métaux alcalino-terreux (Cu, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, V, Ti, Sc,...), métaux de transition (AI, Zn, Cd, In, Sn, ...) seuls ou alliés. Les particules métalliques 5 peuvent également avoir une coquille d'oxyde (par exemple en A1203 sur Al) ou de sulfure natif (par exemple Ag2S sur Ag) n'excédant pas 50 nm pour garder le contact avec la couche à cristalliser 4. Il n'est pas nécessaire que les particules métalliques 5 forment un réseau régulier sur la couche à cristalliser 4, mais elles doivent avantageusement être en contact ou avoir des points de contact direct avec la couche à cristalliser 4 pour permettre un transfert thermique radiatif efficace entre le front de cristallisation et les particules métalliques 5. Ces dernières servent à dissiper l'énergie thermique provenant de la couche à cristalliser 4.
Il est par ailleurs préférable que la densité surfacique des particules métalliques 5 à la surface de la couche à cristalliser 4 soit faible. Elle peut par exemple être inférieure à 8.108 particules.cm-2 pour des particules sphériques de 200 nm.
Si la densité des particules métalliques 5 est trop élevée, ou si elles sont déposées en couches multiples, il existe un risque de conduction électrique entre les particules métalliques 5. Celles-ci ne joueraient alors plus leur rôle de dissipateur radiatif et cela conduirait à la délamination voire l'ablation de la couche à cristalliser 4.30 Lors de l'étape de traitement thermique illustrée à la figure 5, le substrat 1 est irradié à l'aide du faisceau laser 6, soit depuis une seconde face du support 2 opposé à la première face, soit depuis l'un des côtés latéraux du substrat 1. Ainsi, le faisceau laser 6 frappe par n'importe quelle face différente de la première face, qui elle, est recouverte de particules métalliques 5. Il est préférable que la longueur d'onde du faisceau laser 6 soit proche de l'ultraviolet de façon à ce que la couche métallique 3 absorbe directement une plus grande quantité d'énergie.
Il est également préférable que l'absorption énergétique du support 2 à la longueur d'onde d'émission du laser 6 soit inférieure à celui de la couche métallique 3, pour que les pertes énergétiques soient les plus faibles possibles.
A titre illustratif, il est possible d'utiliser un support 2 en verre BK7 de 1 mm d'épaisseur, une couche métallique 3 de 100 nm d'épaisseur, et un faisceau laser 6 YAG à 1064 nm, ou doublé à 532 nm ou triplé à 355nm par exemple à l'incidence quasi normale. Dans cette configuration, le support 2 en verre est transparent à la longueur d'onde du faisceau laser 6, et la couche métallique absorbe une proportion importante de l'énergie incidente du faisceau laser 6. Pour réaliser la cristallisation en phase solide, le laser 6 est avantageusement un laser impulsionnel ayant une densité d'énergie surfacique supérieure à 0,1 J.cm-2. Cette quantité d'énergie permet de créer une rampe de température supérieure à 104K/s à l'intérieur de la couche métallique 3. L'élévation de température est suffisamment rapide pour que la thermodynamique des échanges de chaleur et de masse à l'interface entre la couche métallique 3 et la couche à cristalliser 4 soit irréversible. Le processus de cristallisation en phase solide résulte donc d'un problème de thermodynamique hors-équilibre. La densité d'énergie surfacique du laser peut être préférentiellement supérieure à 1 J.cm-2 et encore plus préférentiellement supérieure à 10 J.cm-2.
En effet, lors du traitement thermique, la couche métallique 3 chauffe et dissipe simultanément son énergie par transfert thermique hors-équilibre d'une part vers le support 2, et d'autre part vers la couche à cristalliser 4. Sans être liés par l'explication ci-dessous, les inventeurs pensent qu'il y a un transfert radiatif de photons entre le front de cristallisation commençant à l'interface entre 3 et 4 et les particules métalliques 5. Comme les particules métalliques ont une absorption intrinsèque non nulle à la longueur d'onde des photons qu'elles émettent une partie de l'énergie est dissipée dans les particules et contribue à leur fonte. Lorsque la totalité de la couche 4 est cristallisée, la chaleur restante provenant de l'impulsion laser est transmise aux particules métalliques ce qui peut conduire à leur vaporisation. Il est également constaté que l'apport énergétique du faisceau laser 6 induit un réarrangement atomique à l'interface entre la couche métallique 3 et la couche à cristalliser 4. Les inventeurs ont constaté que des particules de la couche métallique 3 se déplacent à travers la couche à cristalliser 4 en direction de l'interface entre la couche à cristalliser 4 et les particules métalliques 5. De manière surprenante, les inventeurs ont également observé que des impuretés métalliques présentes dans la couche à cristalliser 4 se déplacent en direction de l'interface entre la couche à cristalliser 4 et les particules métalliques 5. Cela conduit par conséquent à une purification de la couche à cristalliser 4. Il peut donc être envisagé de déposer une couche à cristalliser 4 de basse qualité sur la couche métallique 3, par exemple de qualité métallurgique, et de mettre le procédé en oeuvre afin d'obtenir une couche cristallisée plus pure, ayant par exemple les propriétés requises pour être utilisées en micro-électronique ou en photovoltaïque. En revanche, on remarque que si des particules dopantes sont présentes dans la couche à cristalliser 4, celles-ci ne se déplacent pas. En effet, lors de la cristallisation, les particules dopantes sont placées en position substitutionnelle, et sont donc liées aux atomes de la couche à cristalliser 4. Lors du traitement thermique, un front de cristallisation est généré dans la couche à cristalliser 4, se propageant depuis l'interface entre la couche métallique 3 et la couche à cristalliser 4, jusqu'à l'interface entre la couche à cristalliser 4 et les particules métalliques 5. Le front de cristallisation se situe dans une zone 7 irradiée par le faisceau laser 6 et recevant une énergie supérieure à 0,1 J.cm-2. La vitesse du front de cristallisation est supérieure à 1m/s ce qui induit un temps de recuit de cristallisation inférieur à 1 ps pour une couche de de 1 pm et donc bien inférieur aux temps de recuits de cristallisation traditionnels. Il est même possible d'obtenir un monocristal dans la zone 7 en quelques nanosecondes.
Pour réaliser un monocristal de très grande surface, il est possible de réaliser un balayage du substrat 1 avec le faisceau laser 6, à énergie et polarisation constante, tel que celui illustré à la figure 6. Ici toutes les zones irradiées se chevauchent légèrement, et on obtient alors une couche monocristalline dont les paramètres de mailles correspondent à l'arrangement atomique obtenu dans la première zone 7 irradiée par le faisceau laser 6. Etant donné que le front de cristallisation se propage depuis l'interface entre la couche métallique 3 et la couche à cristalliser 4, jusqu'à l'interface entre la couche à cristalliser 4 et les particules métalliques 5, la couche à cristalliser 4 peut être sujette à des variations locales d'épaisseur sans que cela ne remette en cause la qualité du monocristal obtenu. Le fait que le support 2 ne soit pas plan n'empêche pas non plus la cristallisation de la couche à cristalliser 4. Il est ainsi possible de prévoir une couche à cristalliser présentant deux zones ayant des épaisseurs différentes et de les cristalliser simultanément. Lorsque plusieurs couches à cristalliser 4 et 8 sont successivement déposées sur au moins une partie de la couche métallique 3 (cf. figure 7), il est préférable d'empiler les couches à cristalliser en commençant par celle ayant la bande interdite la plus étroite, puis celle ayant la bande interdite immédiatement plus large, et ainsi de suite. La couche à cristalliser ayant la bande interdite la plus large est donc avantageusement la plus éloignée de la couche métallique 3. Ceci afin de faciliter le transfert radiatif du front de cristallisation vers les particules métalliques.
Un exemple de réalisation selon ce deuxième mode de mise en oeuvre peut par exemple consister à déposer une couche métallique 3 d'aluminium de 300 nm d'épaisseur sur un support 2 en verre de l'ordre de 1 mm d'épaisseur. On dépose ensuite une première couche à cristalliser 4 en silicium dopé p de l'ordre de 600nm d'épaisseur, puis une couche à cristalliser 8 d'oxyde de zinc dopé n de l'ordre de 200 nm d'épaisseur. Au dessus de la couche à cristalliser 8 sont dispersées des particules de cuivre 5. On peut ainsi réaliser une hétéro-structure Si/ZnO de manière simple, rapide et peu coûteuse, ce qui ouvre un vaste champ d'application dans le domaine du photovoltaïque. En effet, le rendement des cellules photovoltaïques est plus important lorsque les matériaux utilisés sont monocristallins. Il est également possible de faire cristalliser des couches « en mode parallèle », comme cela est représenté à la figure 8. Pour cela, des couches à cristalliser 4 et 8 coplanaires peuvent être déposées sur la couche métallique 3, par exemple à l'aide d'un masque de gravure. Il n'est pas nécessaire que les différentes couches à cristalliser 4 et 8 aient des épaisseurs identiques.
A titre d'exemple, une couche de cuivre 3 de l'ordre de 300 nm d'épaisseur peut être déposée sur un support 2 en verre d'environ 1 mm d'épaisseur. Une couche à cristalliser 4 de silicium peut alors être déposée sur la couche de cuivre 3 à l'aide d'un masque cachant la zone destinée à être recouverte par une deuxième couche à cristalliser 8. Ensuite une couche 8 en arséniure de gallium (AsGa) peut être positionnée de manière coplanaire à la couche de silicium 4 en utilisant un masque complémentaire. Des particules d'argent 5 sont alors dispersées au dessus des couches à cristalliser 4 et 8. Le traitement thermique permet alors de réaliser une hétéro-structure de semiconducteurs.
Ce mode de mise en oeuvre du procédé peut avantageusement permettre d'associer les fonctionnalités de différents matériaux. Il ouvre de grands champs d'applications en microélectronique lorsque les matériaux utilisés sont à base de silicium. Le procédé peut également être utilisé en optoélectronique pour fabriquer des hétéro-structures à base d'AsGa ou d'autres composés III-V à gap direct. Il est également possible de combiner une cristallisation en mode série et en mode parallèle selon ce que l'utilisateur souhaite obtenir.
La figure 9 illustre enfin la mise en oeuvre générale du procédé de cristallisation d'un substrat 1. A titre illustratif, lorsque la ou les couches à cristalliser 4 et 8 sont déposées sur une couche d'aluminium 3 d'une épaisseur supérieure à 100 nm, elle- même déposée sur un support 2 en verre, on peut avantageusement choisir un laser 6 impulsionnel YAG triplé, ayant une longueur d'onde d'émission de 355 nm et une durée d'impulsion inférieure à 10 ns. A cette longueur d'onde et à incidence normale, le verre est transparent, l'aluminium réfléchit 84% du flux incident et en absorbe donc 16% puisque la transmission est nulle. La couche à cristalliser 4 est chauffée par conduction thermique avec la couche métallique 3. En sortie du laser 6, un dispositif de contrôle 10 de la puissance et de la stabilité du laser comprend un variateur de puissance laser qui peut comprendre une lame demi-onde suivie d'un polariseur. Ce dispositif de contrôle 10 permet d'ajuster l'énergie d'excitation du laser aux besoins de l'utilisateur, et par conséquent de faire varier le flux incident arrivant sur la couche métallique 3.
Le dispositif de contrôle peut éventuellement comprendre un obturateur destiné à couper l'irradiation du substrat 1 dans le cas où la consigne de puissance ne serait pas atteinte. L'obturateur permet de protéger le substrat 1.
Une lentille de focalisation 11 est ensuite positionnée dans l'axe du faisceau laser 6. Son rôle est de faire varier la largeur du faisceau irradiant la face arrière du substrat selon les besoins de l'utilisateur. La lentille 11 est préférentiellement réalisée en silice traitée antireflets à la longueur d'onde d'émission du faisceau laser 6, pour que tout le flux lumineux passe à travers la lentille 11. Lors de l'étape de traitement thermique, le faisceau laser 6 balaie l'ensemble de la surface du substrat 1 de façon à cristalliser la totalité de la ou des couches 4 et 8. Pour limiter la durée de mise en oeuvre du procédé, la lentille de focalisation 10 peut avantageusement être cylindrique pour produire un faisceau lumineux fin et plus étendu dans une direction perpendiculaire au sens de balayage, ce qui permet de couvrir une plus grande surface de substrat par ligne de passage. Ce procédé présente l'avantage d'être intrinsèquement à bas coût étant donné que les supports pouvant être utilisés (verres, plastiques, feuilles métalliques, etc.) sont déjà réalisés en grandes surfaces par des procédés industriels. Il n'est pas nécessaire que les supports soient plans, ils peuvent très bien être convexes ou concaves. Par ailleurs, aucune des étapes du procédé ne nécessite d'être réalisée dans un bâti d'épitaxie.
Ce procédé de réalisation de monocristaux de grande surface peut être appliqué à des dispositifs électroniques (diode, transistor, etc.), des dispositifs optiques (miroir, optique sphérique, etc.), des dispositifs photoniques (guide d'onde, etc.). Il peut également être utilisé dans le cadre de l'étude de nouvelles phases cristallines dont les propriétés sont encore inconnues.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de cristallisation, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) fournir un substrat (1) comprenant successivement : i. un support (2), ii. au moins une couche métallique (3) déposée sur une première face du support (2), iii. au moins une couche à cristalliser (4), contrainte en tension, et positionnée sur au moins une partie de la couche métallique (3), iv. des particules métalliques (5) sur au moins une partie de la couche à cristalliser (4), b) réaliser un traitement thermique pour permettre la cristallisation en phase solide du matériau de la couche à cristalliser (4), par application d'un faisceau laser (6) ayant une densité surfacique d'énergie supérieure à 0.1 J.cm-2, le faisceau laser frappant initialement une deuxième face du support (2) opposée à la première face ou l'une des faces latérales de la couche métallique (3), de manière à provoquer : i. une montée en température de la couche métallique (3), ii. un front de cristallisation se propageant depuis l'interface entre la couche métallique (3) et la couche à cristalliser (4) jusqu'à l'interface entre la couche à cristalliser (4) et les particules métalliques (5).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche à cristalliser (4) comporte des impuretés métalliques, et dans le traitement thermique provoque un déplacement des impuretés métalliques en direction de l'interface entre la couche à cristalliser (4) et les particules métalliques (5).
  3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la couche métallique (3) a une épaisseur supérieure à 50nm.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les particules métalliques (4) sont fondues ou vaporisées à l'issue de l'étape de traitement thermique.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le support (2) est fabriqué dans un matériau optiquement transparent à la longueur d'onde du faisceau laser (6).
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le faisceau laser (6) est un rayonnement ultraviolet.
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le substrat (1) comporte une pluralité de couches à cristalliser différentes (4,
  8. 8) déposées successivement sur la couche métallique (3). 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les couches à cristalliser (4, 8) ont une bande interdite de largeur d'autant plus faible que la couche à cristalliser (4, 8) est proche de la couche métallique (3).
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le substrat (1) comporte une pluralité de couches à cristalliser différentes (4, 8) sur une pluralité de parties de la couche métallique (3), les couches à cristalliser (4, 8) étant séparées latéralement.
  10. 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel les couches à cristalliser (4, 8) ont des épaisseurs différentes.30
  11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel l'une des dimensions caractéristiques des particules métalliques (5) est supérieure à 50 nm.
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