WO2013178761A1 - Procédé et système d'obtention d'une tranche semi-conductrice - Google Patents

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Publication number
WO2013178761A1
WO2013178761A1 PCT/EP2013/061202 EP2013061202W WO2013178761A1 WO 2013178761 A1 WO2013178761 A1 WO 2013178761A1 EP 2013061202 W EP2013061202 W EP 2013061202W WO 2013178761 A1 WO2013178761 A1 WO 2013178761A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor material
intermediate layer
donor substrate
layer
thickness
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/061202
Other languages
English (en)
Inventor
Hubert Moriceau
Jean-Paul Garandet
Jean-Daniel PENOT
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Publication of WO2013178761A1 publication Critical patent/WO2013178761A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H01L21/7624—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology
    • H01L21/76251—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques
    • H01L21/76254—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers using semiconductor on insulator [SOI] technology using bonding techniques with separation/delamination along an ion implanted layer, e.g. Smart-cut, Unibond

Definitions

  • the present invention generally relates to the manufacture of substrates used by the semiconductor industry, the microtechnology industry and the photovoltaic industry and more particularly describes a method of manufacturing slices of semiconductor material.
  • Smart Cut TM allows to separating thin layers of a semiconductor material from an initial plate, usually referred to as a donor substrate, cut in an ingot made of this type of material and in particular from monocrystalline silicon ingots.
  • This technology is for example described in the European patent application published under the number EP0533551.
  • This technology is based on the implantation of light ions, in particular hydrogen and / or helium, from the surface of the donor substrate of the semiconductor material. These ions are inserted into the crystalline structure of the material at a depth determined by the implantation energy.
  • the donor substrate sees, at the level of the implanted zone, the development of cavities filled with the implanted gas (s). Pressurized by the heat treatment, under optimal conditions of implementation of the process, the cavities develop essentially laterally. They create an embrittlement zone in the form of microcracks which finally induce, under the sole action of the heating or in combination with mechanical stress, detachment (rupture) at the level of the implanted zone thus making it possible to detach a superficial slice of the donor substrate, on a thickness corresponding to the implantation depth of the donor substrate, which is immediately reusable.
  • the development of the weakened zone must essentially be lateral.
  • the pressurized cavities are close to a free surface, there is a pressure threshold beyond which there is bubbling or blistering of the material of the superficial edge that one tries to separate.
  • the phenomenon of blistering is also commonly referred to as "blistering" which has the same meaning. Only if the cavities are sufficiently far from a free surface can they actually extend laterally in the form of cracks that will allow separation at the level of the implanted area.
  • the Smart Cut TM process avoids this pitfall by providing, for example, to glue a second rigid substrate on the side of the implanted surface that will serve, for the SOI structure being created, final mechanical support and handling substrate.
  • the bonded rigid substrate also advantageously acts as a stiffener and will allow the separation to be well without blistering over the entire surface of the donor substrate, leaving in place on the SOI substrate a layer uniform, generally monocrystalline silicon, in and from which we will be able to achieve the active components.
  • thicknesses of semiconductor material typically ranging from 10 to 100 ⁇ in order to obtain a sufficient efficiency of converting the received light energy into produced electrical energy.
  • the conventional techniques for obtaining plates of semiconductor materials by sawing an ingot obtained from a liquid bath have several disadvantages.
  • these techniques have the disadvantage of consuming a significant portion of the ingot mass during sawing.
  • they require post-sawing surface treatments which increases their cost and do not allow to easily obtain thin plates, typically between the ten and hundred micrometers.
  • active layers (layers) of semiconductor material in particular for photovoltaic activation, with a thickness of greater than 5 micrometers and preferably of between 10 and 100 micrometers in a low-cost process limiting at least some of the disadvantages presented by the solutions of the state of the art.
  • the subject of the present invention is a process for obtaining a self-supporting semiconductor wafer from a donor substrate made of a first semiconductor material and comprising in its thickness an embrittlement zone. , the method being characterized in that it comprises:
  • the method also comprises a step of at least partial solidification of the additional layer to produce an active layer.
  • it also comprises separating the donor substrate at the weakening zone to form a self-supporting wafer comprising a portion of the donor substrate, the intermediate layer and the additional layer.
  • the self-supporting wafer obtained is a multilayer structure formed of layers of semiconductor materials, and whose thickness can be easily adapted, in particular as a function of the amount of semiconductor material molten on the intermediate layer.
  • slices of thickness greater than 5 microns can be obtained.
  • the invention makes it possible to easily obtain slices whose thickness is between 10 and 1000 micrometers, which is particularly advantageous for the production of photovoltaic cells or for the manufacture of microstructures.
  • the process according to the invention makes it possible to reuse the donor substrate to form several slices, thereby avoiding excessive consumption of material, as is the case in solutions requiring sawing for each slice.
  • the invention allows the use of donor substrates whose weakening zone is located at a shallow depth.
  • the zone of weakness is obtained by implantation of ionic species in the thickness of the donor substrate
  • the invention allows a shallow implantation which avoids having to resort to high energy implants.
  • the invention thus has the advantage of producing slices at a limited cost compared with known solutions.
  • the invention makes it possible to obtain slabs in the form of slabs having large dimensions, typically from 20 cm 2 to 4 m 2 , and preferably from 100 cm 2 to 1600 cm 2 .
  • the invention provides other advantages in terms of controlling the heat provided by the semiconductor material deposited on the donor substrate. It is recalled that an excessive heat supply to a zone of weakening can activate phenomena liable to deteriorate the substrate, in particular by causing bubbling or blistering on its surface.
  • the invention by providing an intermediate layer, makes it possible to control the propagation of heat transferred to the donor substrate from the molten semiconductor material, thereby avoiding heating the donor substrate too strongly and / or rapidly at the zone level. weakened and thus reducing the risk of causing blistering.
  • the presence of the intermediate layer makes it possible to better control the total thickness of solid materials, located between the embrittlement zone and the free surface after deposition of the third liquid material, and which can then serve as a stiffener thus facilitating the rupture / separation in the zone of weakness.
  • separation is meant at least a microcrack propagation step in the implanted zone.
  • This step may however go as far as detachment, i.e. a physical distance between the donor and the slice. Additional means, for example mechanical, can be implemented to achieve this detachment.
  • the detachment of the donor substrate thus generates a self-supporting wafer comprising a portion of the donor substrate, the intermediate layer and the layer additional formed by the third semiconductor material brought to the liquid state and solidified.
  • the method according to the invention may have at least any of the features and optional steps below.
  • the intermediate layer acts as a stiffener during the separation of the donor substrate.
  • the intermediate layer remains solid at least partially after the step of supplying the third molten semiconductor material or the intermediate layer solidifies at least partially after the step of supplying the third semiconductor material in fusion and before the appearance of blisters it avoids, and before the separation step, thus acting as a stiffener during the development of microcracks and during separation.
  • the intermediate layer is solid at least over part of its thickness and acts as a stiffener preventing blistering phenomena or exfoliation (bursting bubbles).
  • the intermediate layer is liquefied at least partially under the effect of the heat provided by the deposition of the third molten semiconductor material.
  • the intermediate layer absorbs at least part of the heat energy provided by the third molten semiconductor material.
  • the zone of weakening delimits in the donor substrate a surface layer extending from the zone of weakness to the face of the donor substrate on which the intermediate layer is deposited.
  • the at least partial liquefaction of the intermediate layer and the resulting solidification preserves a solid layer serving as a stiffener at the time of separation of the donor substrate to release the self-supporting wafer.
  • One of the advantages of the invention is to control the progress of interface / solid liquid. It is necessary to have a solid film sufficiently thick to have the stiffening effect, at the time of the separation.
  • the solid layer is preferably thicker than the surface layer to have the stiffening effect.
  • the solid layer serving as a stiffener comprises at least the entire surface layer.
  • the solid layer serving as a stiffener comprises the entire surface layer and a at least a portion of the intermediate layer. Said portion of the intermediate layer is a portion remained solid after the supply of the third molten semiconductor material. According to one embodiment, this portion of the intermediate layer remaining solid is completed by a portion of the liquefied intermediate layer and then solidified after the introduction of the third semiconductor material and before the appearance of blisters, thus allowing separation.
  • the solid layer serving as a stiffener comprises the entire surface layer, the intermediate layer and at least a portion of the additional layer having partly at least solidified before the appearance of blisters and before the separation of the substrate donor, thus enabling the donor substrate to be separated at the weakening zone.
  • the solid layer serving as a stiffener has a thickness greater than or equal to 3 micrometers, and preferably greater than or equal to 7 micrometers and preferably greater than or equal to 10 micrometers and preferably greater than or equal to 20 micrometers.
  • the supply of the third molten semiconductor material causes the complete melting of the intermediate layer, then the intermediate layer re-solidifies at least partially before the appearance of blisters and separation.
  • the complete melting of the intermediate layer makes it possible to obtain crystallization of the intermediate layer and then of the additional layer by epitaxy from the crystalline seed formed by the implanted substrate.
  • the third semiconductor material is brought pure melt.
  • it is not provided in the form of a liquid solution comprising the third semiconductor material and a solvent. This prevents doping of the epitaxial layer with the solvent.
  • said portion of the donor substrate included in the self-supporting wafer formed is in the initial state of the donor substrate. This portion of the donor substrate has therefore not been modified when the separation step is performed.
  • the method comprises a prior step of obtaining the weakening zone in the thickness of the donor substrate, this obtaining step may comprise the implantation of species into the thickness of the donor substrate.
  • the separation of the donor substrate at the zone of weakening is obtained by adjusting: the temperature of the third molten semiconductor material during the supply step, the preheating temperature of the donor substrate, the type, the dose and the energy of the implanted species during implantation.
  • the homogeneous separation in the donor substrate at the level of the embrittlement zone is obtained by further choosing the mode of deposition of the third molten semiconductor material.
  • the semiconductor material and the thickness of the intermediate layer are chosen to obtain a total separation in the zone of inducing embrittlement automatically under the sole effect of the heat energy provided by the deposition of the third molten semiconductor material. .
  • the separation of the donor substrate at the zone of weakening occurs automatically before the third molten semiconductor material comes into contact with the intermediate layer or is completely brought on the intermediate layer.
  • the separation of the donor substrate at the level of the weakening zone is only induced by the supply of heat from the supply of the third molten semiconductor material on said face of the donor substrate and by the propagation of the heat up to the zone of weakness.
  • the separation of the donor substrate at the weakening zone is obtained before the contact of the third molten semiconductor material, solely by convection or heat radiation from the third molten semiconductor material and propagation of heat up to the zone of weakness.
  • the separation of the donor substrate at the zone of weakening is obtained after the solidification of the additional layer and by a subsequent step comprising a heat treatment step and / or a mechanical step performed so as to apply mechanical stress.
  • the embrittlement zone is formed within 5 micrometers of the face of the substrate on which the intermediate layer is deposited and more preferably less than 3 microns. It is advantageously formed at about 2 micrometers from the surface, thanks to conventional implants.
  • the supply of the third molten semiconductor material to the intermediate layer is performed by liquid phase deposition.
  • the supply of the third molten semiconductor material is carried out by a single casting on the intermediate layer.
  • the supply of the third molten semiconductor material to the intermediate layer is carried out by depositing the third molten semiconductor material on a plurality of zones of the intermediate layer, the zones being distinct from one another.
  • the deposition of the third molten semiconductor material comprises the deposition of a plurality of drops and optionally the sprinkling of a face remaining free of the intermediate layer. The drops can be deposited using nozzles, capillaries, orifices, injectors or sprays.
  • the supply of the third molten semiconductor material to the intermediate layer is carried out by contacting a face of the intermediate layer remaining free with a melt of the third semiconductor material.
  • the supply of the third molten semiconductor material on the intermediate layer is carried out by placing the donor substrate covered with the intermediate layer in the right of a crucible containing the third molten semiconductor material. and having a retractable bottom, for example sliding, and removing the bottom of the crucible so as to release the third molten semiconductor material on the intermediate layer.
  • these embodiments make it possible to induce a contact between the third semiconductor material and the intermediate layer only at the level of the free face of the latter.
  • the vertical walls, that is to say the edges perpendicular to the remaining free face are not in contact with the third semiconductor material. The propagation of heat is better controlled.
  • this technique allows a particularly fast deposit.
  • the intermediate layer is deposited on the donor substrate at a temperature below 500 ° C, preferably below 400 ° C and more preferably below 300 ° C.
  • a temperature below 500 ° C preferably below 400 ° C and more preferably below 300 ° C.
  • the intermediate layer is deposited directly on the face of the donor substrate.
  • the third semi-conductive material is deposited directly on the intermediate layer and advantageously only on the intermediate layer.
  • the self-supporting wafer is subjected to a heat treatment, typically an annealing, of crystallization.
  • a heat treatment typically an annealing, of crystallization.
  • This annealing makes it possible to improve the crystalline quality of the structure of the self-supporting wafer formed of the stack of layers.
  • the first, second and third semiconductor materials are chosen from: silicon (Si), germanium (Ge) and silicon-germanium (Si-Ge).
  • the first, second and third semiconductor materials are made of the same material.
  • at least two of the first, second and third semiconductor materials are formed of different materials.
  • the self-supporting wafer has a thickness of between 5 and 1000 microns and preferably 10 and 100 microns and even more preferably between 20 and 100 microns.
  • the thickness e L of the third semiconductor material provided is determined, so that a thickness e F of the intermediate layer and optionally of a layer of the donor substrate are melted under the effect of the heat provided by the third semi material. -conducteur is less than the distance between the weakening zone and the face of the intermediate layer on which the third semiconductor material is brought. This distance being the depth of the embrittlement zone from the face of the intermediate layer on which the third semiconductor material is brought. This prevents the weakening zone from melting, which would prevent any possibility of separation and detachment.
  • the first, the second and the third semiconductor material are in the same semiconductor material.
  • the thickness e F is determined by applying the following equation:
  • - e F represents the maximum thickness of material which melts under the effect of heat propagated from the third semiconductor material brought to the liquid state, this material being taken in the intermediate layer and optionally in the portion of the donor substrate ;
  • p L is the density of the liquid semiconductor material
  • C P L represents the specific heat capacity of the semiconductor material in the liquid phase
  • L f is the heat of fusion of the semiconductor material
  • T L the deposition temperature of the semiconductor material brought to the liquid state
  • the invention also relates to a method for producing a photovoltaic cell comprising a method for obtaining a self-supporting semiconductor wafer according to the invention.
  • the invention also relates to a method for obtaining a self-supporting semiconductor wafer from a donor substrate made of a first semiconductor material, characterized in that it comprises:
  • the method also comprises a detachment step of the substrate to form a self-supporting slice comprising a portion of the donor substrate, the intermediate layer and the additional layer.
  • the donor substrate comprises in its thickness an embrittlement zone.
  • the detachment step consists of breaking the embrittlement zone.
  • FIGS. 1 to 1 illustrate the main steps of the method according to the invention making it possible to obtain self-supporting slices which can be used in particular for the production of photovoltaic cells.
  • FIGURE 2 illustrates a method of depositing a liquid phase semiconductor material on the surface of an intermediate layer-covered donor substrate for adjusting the process of separating and detaching self-supporting wafers from a donor substrate .
  • FIG. 3 illustrates a mode of depositing a semiconductor material in the liquid phase in the form of drops.
  • FIGURE 4 illustrates a method of depositing a semiconductor material in the liquid phase by contact with a molten silicon bath.
  • FIGURE 5 illustrates a method of depositing a semiconductor material in the liquid phase from a crucible with a removable bottom.
  • zone of weakness is understood to mean a zone which extends under a main face of a donor substrate.
  • the donor substrate is, most generally, a slice cut into an ingot or a brick. It is in the form of a flat plate having two parallel faces.
  • the flat plates or slices are not necessarily circular or square, they can have any shape in their plane and most generally a form of disk, square, rectangle, hexagon or that of other polygons.
  • the plate is shown in Figures 1a to 1e in a section perpendicular to its plane.
  • the weakened zone is developed under one side of the plate, parallel to this face, at a substantially constant depth in the thickness of the donor substrate.
  • the depth of the embrittlement zone is the distance between this zone and the face 101 of the donor substrate 100 through which the ions are implanted, this distance being measured in a direction perpendicular to said face 101. Under the action of a heating , possibly combined with a mechanical stress, it will cause the separation of the substrate 100 at the weakened zone.
  • a slice is also sometimes referred to as a plate or wafer, or even wafer ", a term borrowed from English having the same meaning.
  • substrate is a generic term that is applicable to any support or multilayer structure from which a device can be developed and which, by implication, possesses the mechanical qualities necessary to be manipulated in a production line.
  • the thickened surface layers obtained by separation and detachment of a donor substrate are referred to as slices (sometimes also referred to as substrate, a term which we will avoid using in the present description to avoid any confusion with the donor substrate). These slices are "self-supporting" in the sense that they can be handled as such in a production line.
  • first layer on a second layer does not necessarily mean that the two layers are in direct contact with one another, but that means that the first layer at least partially covers the second layer. by being either directly in contact with it or separated from it by another layer or another element.
  • a photovoltaic cell it is advantageously made from a monocrystalline semiconductor and more particularly from silicon (Si) monocrystalline.
  • Other semiconductor materials are also likely to be used in a monocrystalline form such as germanium (Ge) or alloys of these two materials (Si-Ge).
  • the solidification in a substantially crystalline form, from a liquid phase, between the preceding semiconductor materials can be done if the material in liquid form is of the same nature as the material of the donor substrate, or if the latter exists in a crystalline form adapted to the crystal lattice of the donor substrate, that is to say that it has, for example, mesh parameters which differ by less than 1% and preferably by less than 0.5% of that of the material of the donor substrate in the plane parallel to the face of the donor substrate (epitaxial plane). Under these conditions the solidification will be particularly orderly and will produce a crystalline material of very good quality.
  • the invention describes a method for producing self-supporting wafers, also referred to as semiconductor multilayer structures, obtained from a liquid semiconductor material that is solidified on a substrate comprising an intermediate layer capable of promote the solidification operation by avoiding the occurrence of bubbling phenomena (or blistering). The invention thus makes it possible to produce self-supporting slices of desired thickness, thin or thick.
  • the method comprises the following main steps:
  • FIGS. 1 to 1e illustrate the steps of the method of the invention which consists in producing self-supporting semiconductor wafers, for example silicon (Si), from liquid silicon on the one hand, and, on the other hand, a crystalline donor substrate.
  • semiconductor wafers for example silicon (Si)
  • Si silicon
  • FIG. 1a illustrates the first step and shows a donor substrate 100 of a semiconductor material in which light ions are implanted from one of its faces 101, typically using an ion beam 200 generated by an implanter, to create an embrittlement zone 210.
  • the substrate is for example weakened by implantation of light gas ions such as hydrogen (H) or helium (He) used alone or in combination, or in co-implantation with other species such as boron (B).
  • H hydrogen
  • He helium
  • B boron
  • the implanter is a standard implanter used by the microelectronics industry.
  • the implantation is then performed at a depth that does not typically exceed 2 ⁇ because, as discussed in the chapter on the state of the art, implantation energies used which are in a range of values from a few tens to a few hundred keV so as not to have to implement very expensive high-energy implanters.
  • the implantation of the weakened zone can be done by bombarding ions from a plasma formed in a confined space.
  • the donor substrate has an embrittlement zone 210 in its thickness, which zone defines a surface layer 1 10 between the embrittlement zone 210 and the face 101 of the donor substrate 100 closest to the embrittlement zone 210.
  • this face 101 is the face by which the species have been implanted.
  • the thickness of the surface layer 1 10 is thus defined by the depth of the embrittlement zone 210. This thickness is measured perpendicular to the face 101.
  • FIG. 1b illustrates the second step and shows the production, on the surface 101 of the donor substrate 100, of at least one intermediate layer 300, also called intermediate film, which is advantageously but non-limitatively constituted by amorphous silicon or silicon polycrystalline or nanocrystallized silicon.
  • - Figure 1c illustrates the next step where it comes to bring, on a 301 face remained free of the intermediate layer 300, an appropriate amount of semiconductor material 400 liquid, typically liquid silicon. This material in the liquid state will also contribute to forming the self-supporting slice in progress.
  • the invention proposes several embodiments to bring the liquid semiconductor material 400 onto the intermediate layer 300. These embodiments are described in detail in the following description and some of them are illustrated in FIGS. and 5.
  • FIG. 1 d illustrates an optional melting step 410 of all or part of the intermediate layer 300 due to the heat provided by the liquid silicon 400 and a step (re) solidification thereof. It may be noted that in the case where the melting temperature of the 3 rd semiconductor material 400 is lower than that of the intermediate layer 300, the intermediate layer may not melt at all. Such would be for example the case of germanium deposited at 1100 ° C on silicon.
  • FIG. 1e shows the detachment step 510 of the wafer of the self-supporting wafer 500 consecutive to the separation (fracture) occurring at the weakened zone 210 by implantation of the donor substrate 100.
  • this fracture is activated by the propagation of the heat provided by the liquid silicon 400 to the embrittlement zone 210.
  • the implementation of the invention is based on the use of the intermediate layer 300, potentially fusible at the temperature of the liquid deposited, so that the various adjustment parameters of the process contribute to the automatic detachment of a thin self-supporting wafer 500 consists, on the one hand of silicon brought in liquid and then solidified form 400, and on the other hand, of the intermediate layer 300 and of the surface layer 1 10 which has been separated from the donor substrate 100.
  • the thickness must be sufficient to play the role of light absorber. It is typically in this case in a range from 10 ⁇ to 1000 ⁇ and preferably in a thickness range between 10 ⁇ and 100 ⁇ and even more preferably between 20 ⁇ and 100 ⁇ .
  • the intermediate layer 300 is intended to play several roles. Especially :
  • a first role is to serve at least partially, if not totally, stiffener to promote fracture in the zone of weakness 210 avoiding blistering or exfoliation.
  • a second role is to prevent the temperature of the donor substrate 100 from rising too high or too fast at the weakening zone 210, in particular avoiding premature melting at this zone when contacting the intermediate layer 300 with the semiconductor material 400 supplied in the liquid state.
  • the necessary presence of a stiffener in the form of a solidified layer, typically silicon, above the embrittlement zone of a sufficiently large thickness to serve as mechanical support and allow the separation and detachment of the Donor substrate 100 can be done in optimal conditions, that is to say in particular without blistering.
  • the solid layer has a minimum thickness of 3 ⁇ before fracturing (separation). It is preferably of a minimum thickness of 7 ⁇ , and even more preferably of 10 ⁇ .
  • the solid layer acting as a stiffener consists of:
  • the surface layer 1 typically in monocrystalline silicon or polycrystalline coarsely granulated (greater than 10 ⁇ , typically of the order of a few tens of micrometers) unmelted (or partially melted during the deposition of the third liquid material and has resolidified before separation) located between the embrittlement zone 210 and the initial surface 101 of the donor substrate 100, that is to say the free surface of the substrate before deposition of the intermediate layer 300;
  • the solidified layer comprises at least the surface layer 1 10 and at least part of the intermediate layer 300.
  • the solidified layer comprises the entire surface layer 1 10.
  • the solidified layer also comprises a part of the additional layer formed by the silicon 400 supplied in the liquid state and which solidifies before rupture of the embrittlement zone 210.
  • the method of depositing the molten silicon 400 on the intermediate layer 300 may allow partial or total solidification before rupture (separation, fracture) of the weakening zone.
  • the fracturing of the weakened zone 210 occurs:
  • the liquid silicon during or after the deposition of the liquid silicon, for example because of the heat flux supplied by the liquid silicon itself, or for example by conjugation of the heat flux brought by the liquid silicon and heat coming from a external source.
  • the detached self-supporting wafer may consist for example of a stack of layers comprising:
  • a crystalline layer formed by a portion of the surface layer 1 10 of the donor substrate 100 and which for example has not melted, (or which has partially melted during the deposition of the third liquid material and resolidified before separation)
  • At least one additional heat treatment may optionally be used.
  • a heat treatment or annealing in the solid phase is used. Typically, this is carried out at temperatures in the range of 400 ° C to 1300 ° C for silicon. It is adapted to obtain layers of better crystalline quality possibly allowing the production of monocrystalline or coarse-grain polycrystalline silicon.
  • the intermediate layer 300 at least up to the initial face 101 of the donor substrate 100 made of crystalline silicon so as to promote epitaxy.
  • An additional heat treatment as described above can make it possible to improve the crystalline structure obtained.
  • the embrittlement zone is melted during the deposition of the liquid semiconductor material before the fracturing could have occurred.
  • one of the roles of the intermediate layer 300 is to protect the weakening zone 210 against a melting.
  • the intermediate layer 300 must therefore be sufficiently thick. It can be melted partially or totally under the effect of the heat of the molten semiconductor material.
  • the maximum thickness that can be melted during the deposition of a liquid layer 400 of semiconductor material can be calculated as indicated below. after. In the following expressions, F represents the maximum thickness of film which melts during the deposition of the third semiconductor material which forms a liquid layer of thickness e L.
  • the layer 400 of liquid semiconductor material of thickness e L is deposited on the intermediate layer 300 at a temperature T L. With respect to its melting temperature, T F , it has an excess of heat energy ⁇ ⁇ 3 ⁇ 4. This excess energy is transmitted to the surface 301 of the intermediate layer 300 and induces several physical mechanisms such as:
  • - Q s represents the heating energy of the substrate from its initial temperature (before deposition) T s to the melting temperature of the semiconductor material T F ;
  • Qpertes represents the heat dissipations of the heat flows leaving the volume of liquid and molten semiconductor material (e L + e F ).
  • Equation (1) The equilibrium described by equation (1) can be rewritten per unit area considering that the melted zone is at the melting point of the semiconductor material T F :
  • p L is the density of the liquid semiconductor material
  • C p s represents the specific heat capacity of the solid semiconductor material (S)
  • L f is the heat of fusion of the semiconductor material.
  • the heat dissipations, Qpertes, have the effect of reducing the thickness of molten semiconductor material during the deposition of the liquid semiconductor material. These losses are carried out either by conduction in the substrate or by radiation in the enclosure. If we consider that they are weak in the time scale of the induced fusion, we can then neglect this term. In this case we can calculate a maximum value thickness of semiconductor material which will be melted during the deposition of the liquid semiconductor material.
  • Equation 2 then becomes:
  • This value constitutes the upper limit of the thickness actually melted because of the thermal losses mentioned above which have not been taken into account in the calculation. It will be noted here that this melted thickness can be constituted only by a part of the intermediate layer 300, or by its entire thickness. It may even include a portion of the surface layer 1 10 of the donor substrate 100 to the extent that the fusion does not reach the weakening zone 210 as already noted above.
  • the crystalline or amorphous structure of the intermediate layer 300 as deposited does not matter.
  • the silicon deposition techniques known to those skilled in the art for their high growth rate for example by spray, plasma torch or PVD (acronym for "physical vapor deposition"), are used. ie “physical vapor deposition") or CVD, the acronym for "chemical vapor deposition”, ie “chemical vapor deposition”.
  • these deposition techniques make it possible to treat the implanted plates without causing damage such as bubbling and exfoliation.
  • low deposition temperatures can reduce the risk of fracture and other damage that may otherwise result from this operation.
  • the deposition of the intermediate layer 300 is carried out for example below 500 ° C, preferably below 400 ° C and even more preferably below 300 ° C.
  • the implementation of the process includes other preferential but nonlimiting conditions, among which:
  • the implanted species are, as already mentioned, preferably light gas ions, in particular hydrogen with or without helium, at a dose of some 10 16 atoms / cm 2 , alone or in combination and with or without co-implantation of species other than hydrogen or helium.
  • Implantation is done with conventional ion implanters used by the microelectronics industry in a range of energy from 20 keV to 300 keV.
  • the embrittlement zone is preferably implanted deep enough in order to be able to transfer a maximum thickness of monocrystalline or coarse-grain polycrystalline silicon during fracture separation and / or if it is desired for the thickness of the superficial layer to participate in the formation; stiffener. To obtain this result energies higher than 100 keV are applied. They are preferably greater than 150 keV and more preferably greater than 180 keV.
  • the implanted dose will preferably be between 1 x 10 16 H7cm 2 and 1, 2 x 10 17 H7cm 2 , and more preferably between 3x10 16 and 8x10 16 H + / cm 2 and better still between 4.5x10 16 and 8x10 16 H + / cm 2 .
  • the liquid silicon 400 is deposited on the surface of the intermediate layer 300 integral with the implanted substrate 100.
  • the liquefied portion 410 by the liquid silicon deposit 400 extends over a greater or lesser thickness.
  • the liquefied portion possibly extends 414 into the surface layer of the donor substrate 100 without, however, reaching the embrittled zone 210 by implantation.
  • the unmelted solid portion of the superficial layer and of the intermediate layer 412 possibly completed with the re-solidified part of the superficial layer and the intermediate layer. serve as a stiffener.
  • liquid silicon For the deposition of liquid silicon, one uses, for example, single silicon casting systems of the type of those implemented by the RGS technology, acronym for “ribbon growth on substrate", that is to say “Growth in ribbon on substrate ".
  • point distribution systems where the liquid semiconductor material is deposited on a plurality of zones of the face 301 of the intermediate layer 300. The liquid semiconductor material spreads to form an additional layer. It thickens the multilayer structure comprising the donor substrate 100 and the intermediate layer 300.
  • the semiconductor material 400 is spread on the intermediate layer 300 in the form of drops 421 by means of injectors, capillaries, orifices, sprays or nozzles 420 as illustrated in FIG. 3.
  • the drops 421 are formed from nozzles 420 and released 430 on the face 301 of the intermediate layer 300 where they spread 440 uniformly and solidify before detachment of a new wafer 500.
  • the semiconductor material 400 is spread on the intermediate layer 300 in linear form or any other pattern providing localized deposits in multiple areas.
  • the distribution of the liquid silicon on the intermediate layer 300 must be carried out as uniformly as possible over its entire surface. This makes it possible to avoid the establishment of strong lateral thermal gradients on the surface of the implanted substrate and in the weakened plane by implantation.
  • a strong thermal gradient in the fracturing zone (separation) 210 could cause damage in the transferred film in the form of cracks, partial bubbling or localized exfoliations and tearing of the intercavities.
  • the additional layer formed by the supply of the third semiconductor material covers the entire face 310 of the intermediate layer 300.
  • the pouring is performed so that the third semiconductor material 400 poured over a plurality of zones intermediate layer 300 spills out to form a continuous surface.
  • the pouring of the third semiconductor material 400 on a plurality of zones of the intermediate layer 300 is carried out so that it spreads to cover the whole of one face of the intermediate layer 300.
  • the spreading of the third semiconductor material 400 on the donor substrate preferably takes place naturally. Thus, the invention does not require any specific intervention to carry out the spreading.
  • the free surface of the intermediate layer 300 ie the face 301
  • a bath of molten semi-conducting material 600 of small volume it is the volume of the bath of semiconductor material, typically liquid silicon, that must be retained to calculate the heat input and the maximum thickness that can be melted and deduce the amount of heat.
  • thickness of the intermediate layer 300 to be deposited Preferably any technique is used in which, at any time, only a portion of the implanted plate is brought into contact with the liquid bath.
  • the technique used must allow a contact to be established only between the free face 301 of the intermediate layer 300 and the molten semiconductor material bath 400.
  • FIG. 5 For example, a technique allowing the rapid sliding of the implanted substrate 710 covered of the intermediate layer 300 in a crucible 700 with a removable base 701, a crucible containing liquid semiconductor material, is illustrated in FIG. 5.
  • the erase of the base 701 must be fast enough for the third semiconductor material 400 to reach the layer intermediate 300 substantially at the same time.
  • a self-supporting semiconductor material 500 corresponding to the desired thickness which takes into account the implantation depth of the donor substrate, the thickness of the intermediate layer 300 and the thickness of the film corresponding to the semiconductor material. deposited liquid conductor 400.
  • At least part of the liquid semiconductor material 400 may be deposited after the detachment has occurred.
  • the implantation conditions are chosen so that at 415 ° C. no bubbling occurs in the donor substrate 100 while awaiting the deposition of liquid silicon.
  • a hydrogen dose of 5x10 16 atom / cm 3 is implanted at an energy higher than 180 keV.
  • an intermediate layer 300 of 12 ⁇ of amorphous silicon is deposited on the implanted donor substrate 100.
  • a layer of 20 ⁇ of liquid silicon 400 heated at a temperature of 1615 ° C. is deposited on the silicon substrate covered by the intermediate layer, which are preheated to the temperature of 415 ° C.
  • the structure is that of Figure 2.
  • the intermediate layer 300 is partially melted on a maximum thickness 410 of 1, 8 ⁇ - ⁇ .
  • the stiffener which consists of unmelted thicknesses 414, is greater than 10 ⁇ .
  • Fracturing 510 is induced by the heat propagated in the weakened zone 210 by implantation.
  • the detachment of a siliciu film m forming a self-supporting wafer 500 is obtained, the thickness of which, as desired in this example, is greater than 33 ⁇ , which is very significantly greater than the thickness obtained with a coating process.
  • the method described above thus meets the objectives of the invention. It potentially has a high productivity while being economical in raw material by taking each cycle only a thin surface layer of a donor substrate advantageously serving seed during the solidification of the multilayer structure to produce. It allows the use of conventional implanters widely used by the microelectronics industry. The process is easily adaptable in particular because of the presence of the intermediate layer which makes it possible to regulate the thermal contribution provided by the deposited liquid semiconductor material in order to cause the separation at the weakened zone of the donor substrate without any blistering. no other damage is involved. Heat treatments subsequent, which can be made for example up to temperatures of 1300 ° C, allow to adapt the crystalline quality of these slices thus produced.
  • the invention extends to all forms of supply of the liquid semiconductor material allowing 'get a homogeneous layer, with a weak
  • the present invention proposes an inexpensive method for obtaining a slice of semiconductor material whose thickness can be freely chosen (typically, between a few micrometers and several hundred micrometers) and of large dimensions. laterally (typically of lateral dimension of several tens of centimeters to obtain surfaces 20 cm 2 and 4 m 2 , and more particularly between 100 cm 2 and 1600 cm 2 ).
  • the invention is particularly advantageous for the realization of dedicated wafers for the realization of photovoltaic cells, without being limited to this application.

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Abstract

La présente invention a notamment pour objet un procédé d'obtention d'une tranche semi-conductrice autoporteuse (500) à partir d'un substrat donneur (100) fait d'un premier matériau semi-conducteur et comprenant dans son épaisseur une zone de fragilisation (210), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - le dépôt d'une couche intermédiaire (300) d'un deuxième matériau semi-conducteur sur une face (101 ) du substrat donneur (100); - l'apport d'un troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion sur la couche intermédiaire (300) pour former une couche additionnelle; - la séparation (51 0) du substrat donneur (100) au niveau de la zone de fragilisation (210) pour former une tranche autoporteuse (500) comprenant une portion (110) du substrat donneur (100), la couche intermédiaire (300) et la couche additionnelle.

Description

« Procédé et système d'obtention d'une tranche semi-conductrice »
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention concerne en général la fabrication des substrats utilisés par l'industrie des semi-conducteurs, l'industrie des microtechnologies et l'industrie photovoltaïque et décrit plus particulièrement un procédé de fabrication de tranches en matériau semi-conducteur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine de la fabrication des substrats utilisés par l'industrie de la microélectronique u n progrès technologique très important a été accompli avec l'introduction dans les années 90 de la technologie connue sous le nom commercial de « Smart Cut™ » qu i permet de séparer de fines couches d'un matériau semi- conducteur d'une plaque initiale, habituellement qualifié de substrat donneur, découpée dans un lingot fait de ce type de matériau et notamment à partir de lingots de silicium monocristallin. Cette technologie est par exemple décrite dans la demande de brevet européenne publiée sous le numéro EP0533551 . Cette technologie est basée sur l'implantation d'ions légers, notamment d'hydrogène et/ou d'hélium, depuis la surface du substrat donneur du matériau semiconducteur. Ces ions sont insérés dans la structure cristalline du matériau à une profondeur déterminée par l'énergie d'implantation. Les implanteurs conventionnels, tels que ceux couramment utilisés en microélectronique, peuvent développer des énergies d'accélération jusqu'à 250 keV (kilo électron Volt) qui permettent d'atteindre des profondeurs d'implantation, par exemple d'hydrogène dans du silicium, maximales d'environ 2 μηη (μηη ou micromètre= 10"6 mètre).
Soumise alors à un traitement thermique approprié le substrat donneur voit, au niveau de la zone implantée, le développement de cavités remplies du ou des gaz implanté(s). Mises sous pression par le traitement thermique, dans des conditions optimales de mise en œuvre du procédé, les cavités se développent essentiellement latéralement. Elles créent une zone de fragilisation sous forme de microfissures qui induisent finalement, sous la seule action du chauffage ou en combinaison avec une sollicitation mécanique, un détachement (rupture) au niveau de la zone implantée permettant ainsi de détacher une tranche superficielle du substrat donneur, sur une épaisseur correspondant à la profondeur d'implantation du substrat donneur, lequel est immédiatement réutilisable.
La technique brièvement décrite ci-dessus est notamment utilisée pour produire des substrats élaborés dits SOI, acronyme de l'anglais « silicon on insulator » c'est-à-dire « silicium sur isolant ».
Comme mentionné ci-dessus, le développement de la zone fragilisée doit se faire pour l'essentiel latéralement. Cependant, si les cavités pressurisées sont proches d'une surface libre, il existe un seuil de pression au-delà duquel on assiste au bullage ou cloquage du matériau de la tranche superficielle que l'on essaye de séparer. Le phénomène de cloquage est aussi communément désigné par le terme anglais de « blistering » qui a la même signification. Ce n'est que si les cavités sont suffisamment éloignées d'une surface libre qu'elles peuvent effectivement s'étendrent latéralement sous forme de fissures qui vont permettre la séparation au niveau de la zone implantée. Le procédé Smart Cut™ évite cet écueil en prévoyant, par exemple, de coller un second substrat rigide du côté de la surface implantée qui va servir, pour la structure SOI en cours de création , de support mécanique final et de substrat de manipulation. Avant séparation, le substrat rigide collé joue aussi avantageusement le rôle de raidisseur et va permettre que la séparation se fasse bien sans cloquage sur toute la surface du substrat donneur, laissant en place sur le substrat SOI une couche uniforme, généralement de silicium monocristallin, dans et à partir de laquelle on va pouvoir réaliser les composants actifs.
Le procédé de séparation par implantation d'ions légers ne permet cependant d'obtenir, comme on l'a indiqué précédemment, avec les implanteurs conventionnels utilisés par l'industrie de la microélectronique, que des profondeurs allant jusqu'à environ 2 μηι. Si ces épaisseurs sont bien adaptées à la production de substrats SOI pour la fabrication des circuits intégrés, où l'on réalise les transistors dans des couches fonctionnelles de plus en plus minces, il n'en va pas de même pour d'autres applications.
Par exemple, pour la production de cellules photovoltaïques, notamment à base de silicium, il est nécessaire de disposer, pour la couche fonctionnelle, d'épaisseurs de matériau semi-conducteur allant typiquement de 10 à 100 μηη afin d'obtenir une efficacité suffisante de conversion de l'énergie lumineuse reçue en énergie électrique produite.
Dans le domaine de l'obtention de tranches par fragilisation d'une zone implantée en ions légers la société nord-américaine « Silicon Genesis » située dans l'état de Californie, a développé depuis quelques années un procédé similaire au procédé « Smart Cut™ » et dont le nom commercial est « PolyMax™ » qui permet d'obtenir des tranches fonctionnelles dans une gamme d'épaisseur compatible avec la production de cellules photovoltaïques. Cela est cependant obtenu en employant des implanteurs à hautes énergies, de l'ordre de quelques millions d'électron Volts, c'est-à- dire devant développer des énergies d'implantation d'un ordre de grandeur supérieures à celles des implanteurs conventionnels utilisés par l'industrie de la microélectronique. Le coût de ces implanteurs est extrêmement élevé. Dans un domaine d'application comme celui des cellules photovoltaïques où le prix du dispositif final dépend étroitement de celui de la tranche en matériau semi-conducteur et où le dispositif produit doit l'être à un coût extrêmement bas pour être compétitif, le coût des implanteurs à hautes énergies est clairement problématique.
Par ailleurs, les techniques conventionnelles d'obtention de plaques de matériaux semi-conducteurs par sciage d'un lingot obtenu à partir d'un bain liquide présentent plusieurs inconvénients. En particulier, ces techniques ont pour inconvénient de consommer une partie significative de la masse du lingot lors du sciage. En outre, elles nécessitent des traitements de surface postérieurs au sciage ce qui accroît leur coût et ne permettent pas d'obtenir facilement des plaques de faible épaisseur, typiquement comprises entre la dizaine et la centaine de micromètres. Il existe donc un besoin consistant à obtenir des tranches (couches) actives de matériau semi-conducteur notamment pour activation photovoltaïque, d'épaisseur comprise supérieure à 5 micromètres et de préférence comprise entre 1 0 et 100 micromètres selon un procédé bas coût limitant au moins certains des inconvénients que présentent les solutions de l'état de la technique.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
Selon un mode de réalisation, la présente invention a pour objet un procédé d'obtention d'une tranche semi-conductrice autoporteuse à partir d'un substrat donneur fait d'un premier matériau semi-conducteur et comprenant dans son épaisseur une zone de fragilisation, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- le dépôt d'u ne couche interméd iaire d' un deuxième matériau sem iconducteur sur une face du substrat donneur;
- l'apport d'un troisième matériau semi-conducteur en fusion sur la couche intermédiaire pour former une couche additionnelle.
De préférence, le procédé comprend également une étape de solidification au moins partielle de la couche additionnelle pour réaliser une couche active.
De préférence, il comprend également la séparation du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation pour former une tranche autoporteuse comprenant une portion du substrat donneur, la couche intermédiaire et la couche additionnelle.
Ainsi, la tranche autoporteuse obtenue est une structure multicouches formée de couches en matériaux semi-conducteurs, et dont l'épaisseur peut être aisément adaptée, notamment en fonction de la quantité de matériau semi-conducteur apporté en fusion sur la couche intermédiaire. En particulier, des tranches d'épaisseur supérieure à 5 micromètres peuvent être obtenues. Typiquement, l'invention permet d'obtenir aisément des tranches dont l'épaisseur est comprise entre 10 et 1000 micromètres ce qui est particulièrement avantageux pour la réalisation de cellules photovoltaïques ou pour la fabrication de micro-structures. En outre, le procédé selon l'invention permet de réutiliser le substrat donneur pour former plusieurs tranches, évitant de ce fait une consommation excessive de matière comme c'est le cas dans les solutions nécessitant un sciage pour chaque tranche.
En prévoyant une épitaxie par recristallisation sur substrat donneur présentant une zone de fragilisation, l'invention autorise l'emploi de substrats donneurs dont la zone de fragilisation est située à une faible profondeur. Ainsi, dans le cas préféré où la zone de fragilisation est obtenue par implantation d'espèces ioniques dans l'épaisseur du substrat donneur, l'invention permet une implantation à faible profondeur ce qui évite d'avoir à recourir aux implanteurs à hautes énergies. L'invention présente ainsi l'avantage de réalisation de tranches à un coût limité par rapport aux solutions connues.
En outre, l'invention permet d'obtenir des tranches en forme de plaques présentant de grandes dimensions, typiquement de 20 cm2 à 4 m2, et préférentiellement de 100 cm2 à 1600 cm2.
L'invention apporte d'autres avantages en termes de contrôle de la chaleur apportée par le matériau semi conducteur déposé sur le substrat donneur. On rappelle qu 'un apport excessif de chaleu r à u ne zone de fragi lisation peut activer des phénomènes susceptibles de détériorer le substrat notamment en provoquant à sa surface un bullage ou cloquage. L'invention, en prévoyant une couche intermédiaire, permet de contrôler la propagation de chaleur transférée au substrat donneur depuis le matériau semi-conducteur en fusion, évitant de ce fait de chauffer trop fortement et/ou rapidement le substrat donneur au niveau de la zone fragilisée et réduisant ainsi les risques de provoquer un cloquage. En outre, la présence de la couche intermédiaire permet de mieux maîtriser l'épaisseur totale de matériaux solides, situés entre la zone de fragilisation et la surface libre après dépôt du troisième matériau liquide, et qui peuvent alors servir de raidisseur facilitant ainsi la rupture/séparation dans la zone de fragilisation.
Par séparation, on entend a minima une étape de propagation de micro- fissu res dans la zone i mplantée. Cette étape peut cependant aller jusqu'au détachement, i.e. un éloignement, physique entre donneur et tranche. Des moyens supplémentaires, par exemple mécaniques, peuvent être mis en œuvre pour atteindre ce détachement.
Le détachement du substrat donneur génère ainsi une tranche autoporteuse comprenant une partie du substrat donneur, la couche intermédiaire et la couche additionnelle formée par le troisième matériau semi-conducteur apporté à l'état liquide et solidifié.
Facultativement, le procédé selon l'invention peut présenter au moins l'une quelconque des caractéristiques et étapes optionnelles ci-dessous.
Avantageusement, la couche intermédiaire fait office de raidisseur lors de la séparation du substrat donneur.
Avantageusement, la couche intermédiaire demeure solide au moins partiellement après l'étape d'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion ou bien la couche intermédiaire se solidifie au moins partiellement, après l'étape d'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion et avant l'apparition de cloques qu'elle évite, et avant l'étape de séparation, faisant ainsi office de raidisseur lors du développement des microfissures et lors de la séparation. Ainsi, la couche intermédiaire est solide au moins sur une partie de son épaisseur et fait office de raidisseur empêchant les phénomènes de cloquage ou d'exfoliation (éclatement des bulles).
Avantageusement, la couche intermédiaire se liquéfie au moins partiellement sous l'effet de la chaleur apportée par le dépôt du troisième matériau semi-conducteur en fusion. Ainsi, la couche intermédiaire absorbe au moins en partie l'énergie calorifique apportée par le troisième matériau semi-conducteur en fusion.
Avantageusement, la zone de fragilisation délimite dans le substrat donneur une couche superficielle s'étendant depuis la zone de fragilisation jusqu'à la face du substrat donneur sur laquelle est déposée la couche intermédiaire. La liquéfaction au moins partielle de la couche intermédiaire et la solidification qui s'ensuit préserve une couche solide servant de raidisseur au moment de la séparation du substrat donneur pour libérer la tranche autoporteuse Un des avantages de l'invention est de maîtriser l'avancée de l'interface/liquide solide. Il faut avoir un film solide suffisamment épais pour avoir l'effet raidisseur, au moment de la séparation. Le raidisseur, Le., la couche solide est de préférence plus épaisse que la couche superficielle pour avoir l'effet raidisseur.
Selon un mode de réalisation, la couche solide servant de raidisseur comprend au moins toute la couche superficielle. Selon un mode de réalisation, la couche solide servant de raidisseur comprend toute la couche superficielle et une portion au moins de la couche intermédiaire. Ladite portion de la couche intermédiaire est une portion restée solide après l'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion. Selon un mode de réalisation, cette portion de la couche intermédiaire restée solide est complétée par une portion de la couche intermédiaire liquéfiée puis solidifiée après l'apport du troisième matériau semi-conducteur et avant l'apparition de cloques, permettant ainsi la séparation. Selon un mode de réalisation, la couche solide servant de raidisseur comprend toute la couche superficielle, la couche intermédiaire et une partie au moins de la couche additionnelle s'étant en partie au moins solidifiée avant l'apparition de cloques et avant la séparation du substrat donneur, permettant ainsi la séparation du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation.
Avantageusement, la couche solide servant de raidisseur présente une épaisseur supérieure ou égale à 3 micromètres, et de préférence supérieure ou égale à 7 micromètres et de préférence supérieure ou égale à 10 micromètres et de préférence supérieure ou égale à 20 micromètres. Avantageusement, l'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion provoque la fusion complète de la couche intermédiaire, puis la couche intermédiaire re-solidifie au moins partiellement avant l'apparition de cloques puis la séparation. Ainsi, la fusion complète de la couche intermédiaire permet d'obtenir une cristallisation de la couche intermédiaire puis de la couche additionnelle par épitaxie à partir du germe cristallin que constitue le substrat implanté.
Avantageusement, le troisième matériau semi-conducteur est apporté pur en fusion. Avantageusement, il n'est pas apporté sous forme d'une solution liquide comprenant le troisième matériau semi-conducteur et un solvant. On évite ainsi un dopage de la couche épitaxiée par le solvant. Selon un mode de réalisation avantageux, ladite portion du substrat donneur comprise dans la tranche autoporteuse formée est dans l'état initial du substrat donneur. Cette portion du substrat donneur n'a donc pas subit de modification lorsque l'étape de séparation est effectuée.
Avantageusement, le procédé comprend une étape préalable d'obtention de la zone de fragilisation dans l'épaisseur du substrat donneur, cette étape d'obtention pouvant comprendre l'implantation d'espèces dans l'épaisseur du substrat donneur. La séparation du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation est obtenue en ajustant : la température du troisième matériau semi-conducteur en fusion lors de l'étape d'apport, la température de préchauffage du substrat donneur, le type, la dose et l'énergie des espèces implantées lors de l'implantation.
Avantageusement, la séparation homogène dans le substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation est obtenue en choisissant en outre le mode de dépôt du troisième matériau semi-conducteur en fusion.
Avantageusement, le matériau semi-conducteur et l'épaisseur de la couche intermédiaire sont choisis pour obtenir une séparation totale dans la zon e d e fragilisation induite automatiquement sous le seul effet de l'énergie calorifique apportée par le dépôt du troisième matériau semi-conducteur en fusion.
Alternativement, la séparation du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation intervient automatiquement avant que le troisième matériau semiconducteur en fusion entre au contact de la couche intermédiaire ou soit complètement apporté sur la couche intermédiaire. Ainsi, selon un premier mode de réalisation, la séparation du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation est induite uniquement par apport de chaleur provenant de l'apport du troisième matériau semiconducteur en fusion sur ladite face du substrat donneur et par la propagation de chaleur jusqu'à la zone de fragilisation. Selon un mode de réalisation alternatif, la séparation du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation est obtenue avant le contact du troisième matériau semi-conducteur en fusion, uniquement par convection ou rayonnement de chaleur provenant du troisième matériau semiconducteur en fusion et propagation de chaleur jusqu'à la zone de fragilisation.
Selon un mode de réalisation alternatif, la séparation du substrat donneur au niveau de la zone de fragilisation est obtenue après la solidification de la couche additionnelle et par une étape ultérieure comprenant une étape de traitement thermique et/ou une étape mécanique effectuée de sorte à appliquer une contrainte mécanique.
De préférence, la zone de fragilisation est formée à moins de 5 micromètres de la face du substrat sur laquelle est déposée la couche intermédiaire et de manière encore préférée à moins de 3 micromètres. Elle est avantageusement formée à environ 2 micromètres de la surface, grâce à des implanteurs conventionnels.
L'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion sur la couche intermédiaire est effectué par dépôt en phase liquide.
Selon un mode de réalisation, l'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion est effectué par une coulée unique sur la couche intermédiaire. Selon un autre mode de réalisation, l'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion sur la couche intermédiaire est effectué par dépôt du troisième matériau semiconducteur en fusion sur une pluralité de zones de la couche intermédiaire, les zones étant distinctes les unes des autres. Selon un autre mode de réalisation, le dépôt du troisième matériau semi-conducteur en fusion comprend le dépôt d'une pluralité de gouttes et éventuellement l'aspersion d'une face restée l i bre d e l a cou ch e intermédiaire. Les gouttes peuvent être déposées à l'aide de buses, de capillaires, d'orifices, d'injecteurs ou de vaporisateurs. Selon un autre mode de réalisation, l'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion sur la couche intermédiaire s'effectue par mise en contact d'une face de la couche intermédiaire restée libre avec un bain en fusion du troisième matériau semi-conducteur. Selon un autre mode de réalisation, l'apport du troisième matériau semi-conducteur en fusion sur la couche intermédiaire s'effectue en plaçant le substrat donneur recouvert de la couche intermédiaire au droit d'un creuset contenant le troisième matériau semi-conducteur en fusion et présentant un fond escamotable, par exemple en coulissement, et en retirant le fond du creuset de manière à libérer le troisième matériau semi-conducteur en fusion sur la couche intermédiaire. Avantageusement, ces modes de réalisation permettent d'induire un contact entre le troisième matériau semi-conducteur et la couche intermédiaire uniquement au niveau de la face restée libre de cette dernière. En particulier, les parois verticales, c'est-à-dire les bords perpendiculaires à la face restée libre ne sont pas en contact avec le troisième matériau semi-conducteur. La propagation de chaleur est mieux maîtrisée. En outre, cette technique permet un dépôt particulièrement rapide.
Avantageusement, la couche intermédiaire est déposée sur le substrat donneur à une température inférieure à 500°C, de préférence inférieure à 400°C et encore de préférence inférieure à 300°C. Ainsi, on réduit le risque de séparation ou de bullage ou d'exfoliation pendant l'étape de dépôt de la couche intermédiaire.
Avantageusement, la couche intermédiaire est déposée directement sur la face du substrat donneur.
Avantageusement, le troisième matériau sem i-conducteur est déposé directement sur la couche intermédiaire et avantageusement uniquement sur la couche intermédiaire.
Avantageusement, après séparation on pratique sur la tranche autoporteuse un traitement thermique, typiquement un recuit, de cristallisation. Ce recuit permet d'améliorer la qualité cristalline de la structure de la tranche autoporteuse formée de l'empilement de couches. Avantageusement, le premier, le deuxième et le troisième matériau semiconducteur sont choisis parmi : le silicium (Si), le germanium (Ge) et le silicium- germanium (Si-Ge). Dans un mode de réalisation le premier, le deuxième et le troisième matériau semi-conducteur sont en un même matériau. Dans un mode alternatif de réalisation, au moins deux parmi le premier, le deuxième et le troisième matériau semi-conducteur sont formés de matériaux différents.
Avantageusement, la tranche autoporteuse présente une épaisseur comprise entre 5 et 1000 micromètres et de préférence 10 et 100 micromètres et encore plus préférentiellement entre 20 et 100 micromètres.
Avantageusement, on détermine l'épaisseur eL du troisième matériau semiconducteur apporté, de sorte qu'une épaisseur eF de la couche intermédiaire et éventuellement d'une couche du substrat donneur fondues sous l'effet de la chaleur apportée par le troisième matériau semi-conducteur soit inférieure à la distance entre la zone de fragilisation et la face de la couche intermédiaire sur laquelle est apporté le troisième matériau semi-conducteur. Cette distance étant la profondeur de la zone de fragilisation depuis la face de la couche intermédiaire sur laquelle est apporté le troisième matériau semi-conducteur. On empêche ainsi que la zone de fragilisation ne fonde, ce qui empêcherait toute possibilité de séparation et de détachement. De préférence, le premier, le deuxième et le troisième matériau semi-conducteur sont en un même matériau semi-conducteur.
Avantageusement, l'épaisseur eF est déterminée en appliquant l'équation suivante :
CF _CL PL CP L {TL - TF)
L psCP s (TF - Ts)+ ps Lf
dans laquelle
- eF représente l'épaisseur maximale de matière qui fond sous l'effet de la chaleur propagée depuis le troisième matériau semi-conducteur apporté à l'état liquide, cette matière étant prise dans la couche intermédiaire et éventuellement dans la portion du substrat donneur ;
- eL représente l'épaisseur de la couche additionnelle formée par le troisième matériau semi-conducteur apporté à l'état liquide une fois réparti sur la surface ;
- pL est la densité du matériau semi-conducteur liquide ;
- ps est la densité du matériau semi-conducteur solide ;
- Cp s représente la capacité thermique massique du matériau semi-conducteur en phase solide; CP L représente la capacité thermique massique du matériau semi-conducteur en phase liquide;
- Lf est la chaleur de fusion du matériau semi-conducteur ;
TL la température de dépôt du matériau semi-conducteur apporté à l'état liquide ;
- TF la température de fusion du matériau semi-conducteur ;
- Ts la température, avant apport du troisième matériau semi-conducteur, du substrat donneur recouvert de la couche intermédiaire
L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque comprenant un procédé d'obtention d'une tranche semi-conductrice autoporteuse selon l'invention.
L'invention a également pour objet un procédé d'obtention d'une tranche semi-conductrice autoporteuse à partir d'un substrat donneur fait d'un premier matériau semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend :
- le dépôt d'une couche intermédiaire d'un deuxième matériau semiconducteur sur une face du substrat donneur;
- l'apport d'un troisième matériau semi-conducteur en fusion sur la couche intermédiaire pour former une couche additionnelle ;
- la solidification du troisième matériau semi-conducteur.
Optionnellement et de préférence, le procédé comprend également une étape de détachement d u su bstrat d on neu r pou r former u ne tranche autoporteuse comprenant une portion du substrat donneur, la couche intermédiaire et la couche additionnelle.
Avantageusement et optionnellement, le substrat donneur comprend dans son épaisseur une zone de fragilisation. L'étape de détachement consiste à effectuer une rupture de la zone de fragilisation.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
Les FIGURES 1 a à 1 e illustrent les étapes principales du procédé selon l'invention permettant l'obtention de tranches autoporteuses utilisables notamment pour la production de cellules photovoltaïques. La FIGURE 2 illustre un mode de dépôt d'un matériau semi-conducteur en phase liquide à la surface d'un substrat donneur recouvert d'une couche intermédiaire servant à ajuster le processus de séparation et de détachement de tranches autoporteuses d'un substrat donneur.
La FIGURE 3 illustre un mode de dépôt d'un matériau semi-conducteur en phase liquide sous forme de gouttes.
La FIGURE 4 illustre un mode de dépôt d'un matériau semi-conducteur en phase liquide par mise en contact avec un bain de silicium fondu.
La FIGURE 5 illustre un mode de dépôt d'un matériau semi-conducteur en phase liquide à partir d'un creuset à fond amovible.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier les épaisseurs relatives des différentes couches et films ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Dans la description qui suit de l'invention, comme dans le chapitre introductif sur l'état de la technique, on entend par « zone de fragilisation » une zone qui s'étend sous une face principale d'un substrat donneur. Le substrat donneur est, le plus généralement, une tranche découpée dans un lingot ou une brique. Il se présente sous la forme d'une plaque plane présentant deux faces parallèles. Les plaques planes ou tranches ne sont pas nécessairement circulaires ou carrées, elles peuvent avoir une forme quelconque dans leur plan et le plus généralement une forme de disque, de carré, de rectangle, d'hexagone ou celle d'autres polygones. La plaque est représentée dans les figures 1 a à 1 e selon une coupe perpendiculaire à son plan. La zone fragilisée est développée sous une des faces de la plaque, parallèlement à cette face, à une profondeur sensiblement constante dans l'épaisseu r du substrat donneur. La profondeur de la zone de fragilisation est la distance entre cette zone et la face 101 du substrat donneur 100 à travers laquelle les ions sont implantés, cette distance étant mesurée selon une direction perpendiculaire à ladite face 101. Sous l'action d'un échauffement, éventuellement combiné à une sollicitation mécanique, on va provoquer la séparation du substrat 100 au niveau de la zone fragilisée.
Da n s le voca bu l a i re cou ra m me nt uti l i sé d a n s les industries des semiconducteurs, des microtechnologies et l'industrie photovoltaïque une tranche, comme décrite ci-dessus, est aussi parfois qualifiée de plaque ou de plaquette, voire de « wafer », terme emprunté à l'anglais ayant la même signification. Le terme substrat est un terme générique qui est applicable à tout support ou structure multicouches à partir duquel on peut élaborer un dispositif et qui, implicitement, possède les qualités mécaniques nécessaires pour être manipulable dans une ligne de production. Dans la description qui suit de l'invention les couches superficielles épaissies obtenues par séparation et détachement d'un substrat donneur sont qualifiés de tranches (parfois également qualifiées de substrat, terme que nous éviterons d'utiliser dans la présente description pour éviter toute confusion avec le substrat donneur). Ces tranches sont « autoporteuses » en ce sens qu'elles sont manipulables telles quelles dans une ligne de production.
II est précisé que dans le cadre de la présente invention, le terme « sur »,
« surmonte » ou « sous jacent » ou leurs équivalent ne signifient pas obligatoirement « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt d'une première couche sur une deuxième couche, ne signifie pas obligatoirement q ue les deux couches sont directement au contact l'une de l'autre mais cela signifie que la première couche recouvre au moins partiellement la deuxième couche en étant soit directement à son contact soit en étant séparée d'elle par une autre couche ou un autre élément.
Comme on l'a vu, pour augmenter l'efficacité de conversion de l'énergie lumineuse reçue par une cellule photovoltaïque, celle-ci est avantageusement réalisée à partir d'un semi-conducteur monocristallin et plus particulièrement à partir de silicium (Si) monocristallin. D'autres matériaux semi-conducteurs sont aussi susceptibles d'être utilisés sous une forme monocristalline comme le germanium (Ge) ou des alliages de ces deux matériaux (Si-Ge). On notera ici dès à présent que la solidification sous une forme essentiellement cristalline, depuis une phase liquide, entre les matériaux semiconducteurs précédents pourra se faire si le matériau sous forme liquide est de même nature que le matériau du substrat donneur, ou si celui-ci existe sous une forme cristalline adaptée au réseau cristallin du substrat donneur, c'est-à-dire qu'il présente, par exemple, des paramètres de maille qui diffèrent de moins de 1 % et de préférence de moins de 0.5% de celui du matériau du substrat donneur dans le plan parallèle à la face du substrat donneur (plan d'épitaxie). Dans ces conditions la solidification se fera de manière particulièrement ordonnée et produira un matériau cristallin de très bonne qualité. L'obtention d'une couche en un matériau non parfaitement cristallin mais présentant de gros grains cristallisés dans une matrice amorphe convient pour de n om breu ses a ppl i cati on s . Typiq u em ent, pou r u n e a ppl i cati on a ux cellules photovoltaïques, la taille des grains doit être supérieure ou égale à trois fois l'épaisseur de la tranche électriquement active, préférentiellement cinq fois supérieure, ce qui peut aisément être obtenu en mettant en œuvre la présente invention. De manière générale, l'invention décrit un procédé de réalisation de tranches autoporteuses, également désignées structures multicouches semi-conductrices, obtenues à partir d'un matériau semi-conducteur liquide que l'on fait solidifier sur un substrat comportant une couche intermédiaire apte à favoriser l'opération de solidification en évitant l'apparition de phénomènes de bullage (ou cloquage). L'invention permet ainsi de réaliser des tranches autoporteuses d'épaisseur souhaitée, mince ou épaisse. Le procédé comprend les étapes principales suivantes:
Les figures 1 a à 1e illustrent les étapes du procédé de l'invention qui consiste à réaliser des tranches semi-conductrices autoporteuses, par exemple de silicium (Si), à partir de silicium liquide d'une part, et d'autre part, d'un substrat donneur cristallin.
- La figure 1a illustre la première étape et montre un substrat donneur 100 d'un matériau semi-conducteur dans lequel on implante à partir d'une de ses faces 101 des ions légers, typiquement à l'aide d'un faisceau d'ions 200 généré par un implanteur, afin de créer une zone de fragilisation 210. Le substrat est par exemple fragilisé par implantation d'ions de gaz légers comme l'hydrogène (H) ou l'hélium (He) utilisés seuls ou en combinaison, voire en co-implantation avec d'autre(s) espèce(s) comme par exemple le bore (B).
De préférence, l'implanteur est un implanteur standard utilisé par l'industrie de la microélectronique. L'implantation est alors effectuée à une profondeur qui n'excède pas typiquement 2 μηη en raison, comme discuté dans le chapitre sur l'état de la technique, des énergies d'implantation utilisées qui sont dans une gamme de valeurs de quelques dizaines à quelques centaines de keV afin de ne pas avoir à mettre en œuvre des implanteurs à hautes énergies très coûteux.
Optionnellement, l'implantation de la zone fragilisée peut se faire par bombardement d'ions à partir d'un plasma formé dans une enceinte confinée.
Ainsi, le substrat donneur présente une zone de fragilisation 210 dans son épaisseur, zone qui définit une couche superficielle 1 10 comprise entre la zone de fragilisation 210 et la face 101 du substrat donneur 100 la plus proche de la zone de fragilisation 210. Typiquement, cette face 101 est la face par laquelle les espèces ont été implantées. L'épaisseur de la couche superficielle 1 10 est ainsi définie par la profondeur de la zone de fragilisation 210. Cette épaisseur se mesure perpendiculairement à la face 101.
- La figure 1 b illustre la deuxième étape et montre la réalisation, sur la surface 101 d u substrat donneur 100, d'au moins une couche intermédiaire 300, également désignée film intermédiaire, qui est avantageusement mais non limitativement constituée de silicium amorphe ou de silicium polycristallin ou de silicium nanocristallisé. - La figure 1c illustre l'étape suivante où l'on vient apporter, sur une face 301 restée libre de la couche intermédiaire 300, une quantité appropriée de matériau semiconducteur 400 liquide, typiquement du silicium liquide. Ce matériau à l'état liquide va aussi contribuer à former la tranche autoporteuse en cours de réalisation.
L'invention propose plusieurs modes de réalisation pour apporter le matériau semi-conducteur liquide 400 sur la couche intermédiaire 300. Ces modes de réalisation sont décrits en détail dans la suite de la description et certains d'entre eux sont illustrés en figures 3, 4 et 5.
- La figure 1 d illustre une étape optionnelle de fusion 410 de tout ou partie de la couche intermédiaire 300 en raison de la chaleur apportée par le silicium liquide 400 et une étape de (re)solidification de ce dernier. On peut noter que dans le cas où la température de fusion du 3eme matériau semi-conducteur 400 est inférieure à celle de la couche intermédiaire 300, la couche intermédiaire peut ne pas fondre du tout. Tel serait par exemple le cas du germanium déposé à 1 100°C sur du silicium.
- La figure 1e montre l'étape de détachement 510 de la tranche de la tranche autoporteuse 500 consécutif à la séparation (fracture) survenant au niveau de la zone fragilisée 210 par implantation du substrat donneur 100. De préférence, cette fracture est activée par la propagation de la chaleur apportée par le silicium liquide 400 jusqu'à la zone de fragilisation 210.
La mise en œuvre de l'invention repose sur l'utilisation de la couche intermédiaire 300, potentiellement fusible à la température du liquide déposé, de telle façon que les divers paramètres d'ajustement du procédé concourent au détachement automatique d'une tranche mince autoporteuse 500 constituée, d'une part du silicium apporté sous forme liquide puis solidifié 400, et d'autre part, de la couche intermédiaire 300 et de la couche superficielle 1 10 qui a été séparée du substrat donneur 100. Dans l e cas d ' a ppl i cation d u procéd é à l a prod u ction de tranches pour cellules photovoltaïques leur épaisseur doit être suffisante pour jouer le rôle d'absorbeur de lumière. Elle est typiquement dans ce cas comprise dans une gamme allant de 10 μηη à 1000 μηη et de préférence dans une gamme d'épaisseur comprise entre 10 μηη et 100 μηη et encore plus préférentiellement entre 20 μηη et 100 μηη.
La couche intermédiaire 300 est destinée à jouer plusieurs rôles. Notamment :
- Un premier rôle est de servir au moins partiellement, sinon totalement, de raidisseur pour favoriser la fracture dans la zone de fragilisation 210 en évitant le cloquage ou l'exfoliation.
- Un deuxième rôle est d'éviter que la température du substrat donneur 100 ne monte ni trop haut ni trop vite au niveau de la zone de fragilisation 210, en particulier en évitant qu'une fusion n'intervienne prématurément au niveau de cette zone lors de la mise en contact de la couche intermédiaire 300 avec le matériau semi-conducteur 400 apporté à l'état liquide.
On notera ici la présence nécessaire d'un raidisseur sous la forme d'une couche solidifiée, typiquement de silicium, au dessus de la zone de fragilisation d'une épaisseur suffisamment importante pour servir de maintien mécanique et permettre que la séparation et le détachement du substrat donneur 100 puissent se faire dans des conditions optimales c'est-à-dire notamment sans cloquage. Pour jouer pleinement son rôle de raidisseur il est avantageux que la couche solide ait une épaisseur minimum de 3 μηη avant fracturation (séparation). Elle est de préférence d'une épaisseur minimum de 7 μηη, et encore plus préférentiellement de 10 μηη.
La couche solide jouant le rôle de raidisseur est constituée de :
- la couche superficielle 1 10, typiquement en silicium monocristallin ou polycristallin a gros grains (supérieur à 10 μηι, typiquement de l'ordre de quelques dizaines de micromètres) non fondue (ou qui a partiellement fondue lors du dépôt du troisième matériau liquide et a resolidifié avant la séparation) située entre la zone de fragilisation 210 et la surface initiale 101 du substrat donneur 100, c'est-à-dire la surface libre du substrat avant dépôt de la couche intermédiaire 300 ;
et
- d'une partie solide de la couche intermédiaire 300 qui est soit non fondue soit resolidifiée si partiellement fondue lors du dépôt du troisième matériau liquide ;
et éventuellement
- d'une partie solidifiée du film de silicium 400 déposé en phase liquide.
De préférence, la couche solidifiée comprend au moins la couche superficielle 1 10 et une partie au moins de la couche intermédiaire 300. Dans un mode de réalisation avantageux, la couche solidifiée comprend toute la couche superficielle 1 10. Dans un mode de réalisation avantageux, la couche solidifiée comprend également une partie de la couche additionnelle formée par le silicium 400 apporté à l'état liquide et qui se solidifie avant rupture de la zone de fragilisation 210.
Le mode de dépôt du silicium fondu 400 sur la couche intermédiaire 300, dont des exemples sont décrits dans les figures suivantes, peut permettre une solidification partielle ou totale avant rupture (séparation, fracture) de la zone de fragilisation.
La fracturation de la zone fragilisée 210 intervient :
- soit avant le dépôt du silicium liquide 400 sur la couche intermédiaire 300, par exemple dans une phase de montée en température/thermalisation du substrat donneur 100 par le fait du rayonnement thermique lors de l'approche du four servant à déposer le silicium sous une forme liquide ;
- soit pendant ou après le dépôt du silicium liquide, par exemple en raison du flux de chaleur amené par le silicium liquide lui-même, ou par exemple par conjugaison du flux de chaleur amené par le silicium liquide et de la chaleur provenant d'une source externe.
La tranche détachée autoporteuse peut être constituée par exemple d'un empilement de couches comprenant:
une couche cristalline formée par une portion de la couche superficielle 1 10 du substrat donneur 100 et qui par exemple n'a pas fondu, (ou qui a partiellement fondue lors du dépôt du troisième matériau liquide et a resolidifié avant la séparation)
- une couche dans un état plus ou moins cristallin formée par une portion de la couche intermédiaire 300 qui a été tout ou partie fondue et resolidifée,
- une couche additionnelle plus ou moins cristalline formée par le troisième matériau semi-conducteur 400 apporté à l'état liquide et solidifié.
Pour améliorer la qualité cristalline de la tranche détachée on peut avoir recours optionnellement à au moins un traitement thermique additionnel. On pratique alors, par exemple, un traitement thermique ou recuit en phase solide. Typiquement, celui-ci s'effectue à des températures dans une gamme allant de 400°C à 1300°C pour le silicium. I l est adapté pour obtenir des couches de meilleure qualité cristalline possiblement permettant l'obtention de silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains.
Dans le cas spécifique où la couche fondue lors du dépôt du silicium liquide a le temps de se solidifier avant que la fracture (séparation) ne soit induite, il est avantageux de fondre la couche intermédiaire 300 au moins jusqu'à la face initiale 101 du substrat donneur 100 fait de silicium cristallin de façon à promouvoir une épitaxie. Un traitement thermique additionnel comme décrit ci-dessus peut permettre d'améliorer la structure cristalline obtenue.
Ici il convient de remarquer qu'il faut éviter dans tous les cas que la zone de fragilisation ne soit fondue lors du dépôt du matériau semi-conducteur liquide avant que la fracturation ait pu intervenir. Comme déjà mentionné plus haut l'un des rôles de la couche intermédiaire 300 est de protéger la zone de fragilisation 210 contre une fusion. La couche intermédiaire 300 doit donc être suffisamment épaisse. Elle pourra être fondue partiellement ou totalement sous l'effet de la chaleur du matériau semi- conducteur en fusion. L'épaisseur maximale qui peut être fondue lors du dépôt d'une couche liquide 400 de matériau semi-conducteur peut être calculée comme indiqué ci- après. Dans les expressions qui suivent eF représente l'épaisseur maximale de film qui fond lors du dépôt du troisième matériau semi-conducteur qui forme une couche liquide d'épaisseur eL.
La couche 400 de matériau semi-conducteur liquide d'épaisseur eL est déposée sur la couche intermédiaire 300 à une température TL. Par rapport à sa température de fusion, TF, elle présente un excèdent d'énergie calorifique Δ<¾. Cet excédent d'énergie est transmis à la surface 301 de la couche intermédiaire 300 et induit plusieurs mécanismes physiques tel que :
AQG = QS + QTF + QPERTES (1 ) expression dans laquelle :
- Qs représente l'énergie de chauffage du substrat de sa température initiale (avant dépôt) Ts jusqu'à la température de fusion du matériau semi-conducteur TF ;
- QTF est la chaleur latente nécessaire à la transformation de phase (fusion) de l'épaisseur eF qui fond lors de la mise en contact du film de matériau semi-conducteur liquide d'épaisseur eL ;
- Qpertes représente les dissipations de chaleur des flux de chaleur quittant le volume de matériau semi-conducteur liquide et fondu (eL + eF).
L'équilibre décrit par l'équation (1 ) peut être réécrit par unité de surface en considérant que la zone fondue est à la température de fusion du matériau semi-conducteur TF :
eL pL CP L (TL - TF ) = ps eF CP S (TF - Ts )+ ps Lf eF S + Qpertes (2) où :
- pL est la densité du matériau semi-conducteur liquide ;
- ps est la densité du matériau semi-conducteur solide ;
- Cp s représente la capacité thermique massique du matériau semi-conducteur solide (S)
- CP L représente la capacité thermique massique du matériau semi-conducteur liquide (L) ;
- Lf est la chaleur de fusion du matériau semi-conducteur.
Les dissipations de chaleur, Qpertes, ont pour effet de réduire l'épaisseur de matériau semi-conducteur fondu lors du dépôt du matériau semi-conducteur liquide. Ces pertes s'effectuent soit par conduction dans le substrat soit par rayonnement dans l'enceinte. Si on considère qu'elles sont faibles à l'échelle de temps de la fusion induite, on peut alors négliger ce terme. Dans ce cas on peut calculer une valeur maximale d'épaisseur de matériau semi-conducteur qui sera fondu lors du dépôt du matériau semi-conducteur liquide.
L'équation 2 devient alors :
¾ Pi CP (TL - Tp ) = Ps eF CP (TF - Ts )+ Ps Lf eF (3) De laquelle on déduit l'expression de la valeur maximale d'épaisseur de matériau semi-conducteur qui sera fondu:
PJ Cp ( Tj - TF ) . . . eF = eL y. p F ' (4) psCP {TF - Ts)+ ps Lf
Cette valeur constitue la borne supérieure de l'épaisseur réellement fondue en raison des pertes thermiques mentionnées ci-dessus et qui n'ont pas été prises en compte dans le calcul. On notera ici que cette épaisseur fondue peut être constituée seulement par une partie de la couche intermédiaire 300, ou par toute son épaisseur. Elle peut même inclure une partie de la couche superficielle 1 10 du substrat donneur 100 dans la mesure où la fusion n'atteint pas la zone de fragilisation 210 comme on l'a déjà noté précédemment.
On peut exprimer également ce résultat par le rapport des épaisseurs fondue et déposée liquide : eF/eL. Par exemple, en considérant les valeurs suivantes qui s'appliquent pour le silicium : Lf= 1650 J/g, pL=2,52 g/cm3, ps=2,32 g/cm3, CP L=1 ,04 J/g.K"1, CP S=0,9 J/g.K"1, Tf=1414°C (la température de fusion du silicium) et en considérant un film liquide déposé à 1600°C qui entre en contact avec un substrat de silicium à 300°C, l'épaisseur fondue sera au maximum environ 12 fois plus faible que celle déposée. Ainsi une couche liquide déposée, d'une épaisseur de l'ordre de 35 μηι, peut produire la fusion sur une épaisseur maximale d'environ 3μη"ΐ.
On remarquera ici que la structure cristalline ou amorphe de la couche intermédiaire 300 telle que déposée importe peu. De préférence, on utilise les techniques de dépôt du silicium connues de l'homme du métier pour leur forte vitesse de croissance, par exemple par spray, par torche plasma, par PVD (acronyme de l'anglais « physical vapor déposition » c'est-à-dire « dépôt physique par phase vapeur ») ou par CVD, acronyme de l'anglais « chemical vapor déposition » c'est-à- dire « dépôt chimique en phase vapeur ». Dans des conditions optimales ces techniques de dépôt permettent de traiter les plaques implantées sans y générer de dommages tels que bullage et exfoliation. En particulier, de faibles températures de dépôt permettent de réduire les risques de fracture et autres dommages qui pourraient résulter autrement de cette opération. Le dépôt de la couche intermédiaire 300 s'effectue par exemple en dessous de 500°C, de préférence en dessous de 400°C et plus préférentiellement encore en dessous de 300°C.
La mise en œuvre du procédé inclut d'autres conditions préférentielles mais néanmoins non limitatives parmi lesquelles :
- Les espèces implantées sont, comme déjà mentionné, de préférence des ions gazeux légers, notamment d'hydrogène avec ou sans hélium, à une dose de quelques 1016 atomes/cm2, seuls ou en combinaison et avec ou sans co-implantation d'espèce(s) autre(s) que l'hydrogène ou l'hélium.
- L'implantation se fait avec les implanteurs ioniques classiques utilisés par l'industrie de la microélectronique dans une gamme d'énergie allant de 20 keV à 300 keV.
- La zone de fragilisation est de préférence implantée assez profondément afin de pouvoir transférer une épaisseur maximale de silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains lors de la séparation par fracture et/ou si on désire que l'épaisseur de la couche superficielle participe à la formation du raidisseur. Pour obtenir ce résultat des énergies supérieures à 100 keV sont appliquées. Elles sont de préférence supérieures à 150 keV et plus préférentiellement supérieures à 180 keV.
- Dans le cas d'implantation d'ions hydrogène (H+) seuls, la dose implantée sera de préférence comprise entre 1 x1016 H7cm2 et 1 ,2x1017 H7cm2, et plus préférentiellement comprise entre 3x1016 et 8x1016 H+/cm2 et mieux encore entre 4,5x1016 et 8x1016 H+/cm2.
Les figures suivantes décrivent très brièvement différentes méthodes de dépôt de silicium en phase liquide connues de l'homme du métier et qui sont susceptibles d'être utilisées pour la mise en œuvre de l'invention. Comme montré sur la figure 2 le silicium liquide 400 est déposé en surface de la couche intermédiaire 300 solidaire du substrat implanté 100. Comme discuté ci-dessus la partie liquéfiée 410 par le dépôt de silicium liquide 400 s'étend sur une épaisseur plus ou moins grande de la couche intermédiaire 300, préservant une partie solide 41 6. La partie liquéfiée s'étend possiblement 414 jusque dans la couche superficielle du substrat donneur 100 sans cependant atteindre la zone fragilisée 210 par implantation. Au m om ent d e la fracturation (séparation) de la zone fragilisée du substrat donneur 100 la partie solide non fondue de la couche superficielle et de la couche intermédiaire 412 complétée éventuellement de la partie re-solidifiée de la couche superficielle et de la couche intermédiaire servent de raidisseur.
Pour le dépôt du silicium liquide, on utilise, par exemple, des systèmes de coulée unique de silicium du type de ceux mis en œuvre par la technologie RGS, acronyme de l'anglais « ribbon growth on substrate » c'est-à-dire « croissance en ruban sur substrat ». Alternativement, on peut utiliser des systèmes de distribution ponctuelle où le matériau semi-conducteur liquide est déposé sur une pluralité de zones de la face 301 de la couche intermédiaire 300. Le matériau semi-conducteur liquide s'étale pour former u ne couche additionnelle q ui épaissit la structu re multicouches comprenant le substrat donneur 100 et la couche intermédiaire 300.
Typiquement, le matériau semi-conducteur 400 est répandu sur la couche intermédiaire 300 sous forme de gouttes 421 au moyen d'injecteurs, de capillaires, d'orifices, de sprays ou de buses 420 comme illustré sur la figure 3. Dans ce cas, après formation de la zone fragilisée 210 les gouttes 421 sont formées à partir de buses 420 et lâchées 430 sur la face 301 de la couche intermédiaire 300 où elles se répandent 440 uniformément et se solidifient avant détachement d'une nouvelle tranche 500. Alternativement, le matériau semi-conducteur 400 est répandu sur la couche intermédiaire 300 sous forme linéaire ou de tout autre motif assurant des dépôts localisés en de multiples zones.
Quel que soit le procédé de dépôt du silicium liquide, la distribution du silicium liquide sur la couche intermédiaire 300 doit être réalisée de façon la plus homogène possible sur toute sa surface. Cela permet d'éviter l'établissement de forts gradients thermiques latéraux à la surface du substrat implanté et dans le plan fragilisé par implantation. Un fort gradient thermique dans la zone de fracturation (séparation) 210 pourrait engendrer des dommages dans le film transféré sous la forme de fissurations, de bullages partiels ou d'exfoliations localisées et d'arrachements des intercavités.
De préférence, la couche additionnelle formée par l'apport du troisième matériau semi-conducteur recouvre toute la face 310 de la couche intermédiaire 300. Le versement est effectué de sorte à ce que le troisième matériau semi-conducteur 400 versé sur une pluralité de zones de la couche intermédiaire 300 se répande pour former une surface continue. De préférence, le versement du troisième matériau semiconducteur 400 sur une pluralité de zones de la couche intermédiaire 300 est effectué de sorte à ce qu'il se répande pour recouvrir la totalité d'une face de la couche intermédiaire 300.
L'étalement du troisième matériau semi-conducteur 400 sur le substrat donneur s'effectue de préférence de manière naturelle. Ainsi, l'invention ne nécessite pas d'intervention spécifique pour réaliser l'étalement.
Dans un autre mode de dépôt du silicium liquide illustré par la figure 4 on s'arrange pour mettre en contact la surface libre de la couche intermédiaire 300, soit la face 301 , avec un bain de matériau semi-conducteur fondu 600 de faible volume. On notera q ue dans ce cas, c'est le volume du bain de matériau semi-conducteur, typiquement du silicium liquide, que l'on doit retenir pour calculer l'apport de chaleur et l'épaisseur maximale pouvant être fondue et en déduire l'épaisseur de la couche intermédiaire 300 à déposer. De préférence on utilise toute technique dans laquelle, à tout moment, une partie seulement de la plaque implantée est mise en contact du bain liquide. Avantageusement, la technique utilisée doit permettre qu'un contact s'établisse uniquement entre la face 301 libre de la couche intermédiaire 300 et le bain de matériau semi-conducteur fondu 400. Par exemple, une technique permettant le glissement 710 rapide du substrat implanté recouvert de la couche intermédiaire 300 sous un creuset 700 à fond 701 amovible, creuset contenant du matériau semiconducteur liquide, est illustrée par la figure 5. L'effacement du fond 701 doit être suffisamment rapide pour que le troisième matériau semi-conducteur 400 atteigne la couche intermédiaire 300 sensiblement au même instant.
Comme déjà noté, pour parvenir à la fracturation (séparation) du substrat au niveau de la zone de fragilisation 210 et au détachement d'une tranche continue, sans produire de bullage ou de cloquage voire des exfoliations à la surface du substrat implanté, il est nécessaire qu'au cours de l'opération une épaisseur suffisante de film raidisseur se forme au-dessus de la zone de fragilisation 210. Dans ces conditions, après fracturation (séparation) de la zone de fragilisation 210 par implantation, on obtient bien une tra n ch e autoporteuse de matériau semi-conducteur 500 correspondant à l'épaisseur souhaitée qui tient compte de la profondeur d'implantation 1 10 du substrat donneur, de l'épaisseur de la couche intermédiaire 300 et de celle du film correspondant au matériau semi-conducteur liquide déposé 400.
Dans une variante de mise en œuvre de l'invention une partie au moins du matériau semi-conducteur liquide 400 peut être déposée après que le détachement s'est produit.
Des exemples spécifiques de réalisation de tranches autoporteuses sont décrits ci-après :
- Dans un premier exemple, les conditions d'implantation sont choisies en sorte qu'à 415°C aucun bullage ne se produise dans le substrat donneur 100 lors de l'attente du dépôt de silicium liquide. Par exemple, on implante une dose d'hydrogène de 5x1016 atome/cm3 à une énergie supérieure de 180 keV. Dans cet exemple, on dépose une couche intermédiaire 300 de 12 μηη de silicium amorphe sur le substrat donneur 100 implanté. Puis on dépose une couche de 20 μηη de silicium liquide 400 chauffé à la température de 1615°C, sur le substrat de silicium recouvert par la couche intermédiaire lesquels sont préchauffés à la température de 415°C. La structure est celle de la figure 2. La couche intermédiaire 300 est partiellement fondue sur une épaisseur 410 maximale de 1 ,8μη-ι. Le raidisseur, qui est constitué des épaisseurs non fondues 414, est supérieur à 10 μηη. La fracturation 510 est induite par la chaleur propagée dans la zone fragilisée 210 par implantation. Après fracturation on obtient le détachement d'un film de siliciu m formant une tranche autoporteuse 500 dont l'épaisseur obtenue est, comme souhaité dans cet exemple, supérieure à 33 μηη ce qui est très significativement supérieur à l'épaisseur obtenue avec un procédé d'implantation utilisant des implanteurs conventionnels puis de report de la couche superficielle.
Le tableau ci-après résume l'exemple ci-dessus et trois autres exemples de mises en œuvre du procédé de l'invention permettant d'obtenir des épaisseurs différentes de tranches autoporteuses.
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Le procédé décrit ci-dessus répond ainsi aux objectifs de l'invention. Il a potentiellement une haute productivité tout en étant économe en matière première en ne prélevant à chaque cycle qu'une fine couche superficielle d'un substrat donneur servant avantageusement de germe lors de la solidification de la structure multicouches à produire. Il permet l'utilisation d'implanteurs conventionnels largement utilisés par l'industrie de la microélectronique. Le procédé est facilement adaptable notamment en raison de la présence de la couche intermédiaire qui permet de régler la contribution thermique apportée par le matériau semi-conducteur liquide déposé afin de provoquer la séparation au niveau de la zone fragilisée du substrat donneur sans qu'aucun cloquage ni autres dommages n'interviennent. Des traitements thermiques ultérieurs, pouvant être par exemple réalisés jusqu'à des températures de 1300°C, permettent d'adapter la qualité cristalline de ces tranches ainsi produites.
L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits et s'étend à des variantes de réalisation.
Notamment, bien que le mode de réalisation faisant l'objet de la description détaillée et des figures prévoit déjà plusieurs méthodes de dépôt du matériau semi conducteur, l'invention s'étend à toutes formes d'apport du matériau semi-conducteur liquide permettant d'obtenir une couche homogène, avec un faible
De ce qui précède, il apparaît clairement que la présente invention propose un procédé peu onéreux pour obtenir une tranche de matériau semi-conducteur dont l'épaisseur peut être librement choisie (typiquement, entre quelques micromètres et plusieurs centaines de micromètres) et de grande dimensions latérales (typiquement, de dimension latérale de plusieurs dizaines de centimètres permettant d'obtenir des surfaces 20 cm2 et 4 m2, et plus particulièrement comprise entre 100 cm2 et 1600 cm2). L'invention s'avère particulièrement avantageuse pour la réalisation de tranches dédiées à la réalisation de cellules photovoltaïques, sans pour autant être limitée à cette application.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé d'obtention d'une tranche semi-conductrice autoporteuse (500) à partir d'un substrat donneur (100) fait d'un premier matériau semi-conducteur et comprenant dans son épaisseur une zone de fragilisation (210), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes réalisées à partir du substrat donneur (100) comprenant la zone de fragilisation (210):
- le dépôt d'une couche intermédiaire (300) en un deuxième matériau semiconducteur sur une face (101 ) du substrat donneur (100) présentant la zone de fragilisation (210);
- l'apport d'un troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion sur la couche intermédiaire (300) pour former une couche additionnelle ;
- la séparation (51 0) du substrat donneur (1 00) au n iveau d e la zone de fragilisation (210) pour former une tranche autoporteuse (500) comprenant une portion (1 10) du substrat donneur (100), la couche intermédiaire (300) et la couche additionnelle.
2. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la couche intermédiaire (300) fait office de raidisseur lors de la séparation du substrat donneur (100) au niveau de la zone de fragilisation (210).
3. Procédé selon la revendication précédente dans lequel la couche intermédiaire (300) demeure solide au moins partiellement après l'étape d'apport du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion ou dans lequel la couche intermédiaire (300) se solidifie au moins partiellement après l'étape d'apport du troisième matériau semicond ucteu r (400) en fusion et avant l'étape de séparation former une tranche autoporteuse (500), faisant ainsi office de raidisseur de la séparation.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche intermédiaire (300) se liquéfie (410) au moins partiellement sous l'effet de la chaleur apportée par le dépôt du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion.
5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la zone de fragilisation (210) délimite dans le substrat donneur (100) une couche superficielle (1 10) s'étendant depuis la zone de fragilisation (210) jusqu'à la face (101 ) du substrat donneur (100) sur laquelle est déposée la couche intermédiaire (300) et dans lequel la liquéfaction au moins partielle de la couche intermédiaire (300) préserve, au moment de la séparation du substrat donneur (100), une couche solide (412) servant de raidisseur, la couche solide (412) comprenant une partie au moins de la couche superficielle (1 10).
6. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la couche solide (412) servant de raidisseur comprend toute la couche superficielle (1 10).
7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la couche solide servant de raidisseur (412) comprend toute la couche superficielle (1 10) et une portion (416) au moins de la couche intermédiaire (300).
8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la couche solide servant de raidisseur (412) comprend toute la couche superficielle (1 10), la couche intermédiaire (300) et une partie au moins de la couche additionnelle (400) s'étant au moins solidifiée avant l'apparition de cloques et avant la séparation du substrat donneur (100).
9. Procédé selon l'une quelconque des quatre revendications précédentes dans lequel la couche solide (412) servant de raidisseur présente une épaisseur supérieure ou égale à 3 micromètres et de préférence supérieure ou égale à 10 micromètres.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'apport du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion provoque la fusion complète de la couche intermédiaire (300), puis la couche intermédiaire (300) se resolidifie au moins partiellement avant la séparation.
1 1 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le matériau semi-conducteur et l'épaisseur de la couche intermédiaire (300) sont choisis pour obtenir une séparation automatique de la zone de fragilisation (210) sous le seul effet de l'énergie calorifique apportée par le dépôt du troisième matériau semiconducteur (400) en fusion.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant, préalablement à l'étape de dépôt de la couche intermédiaire (300), une étape d'obtention de la zone de fragilisation (210) dans l'épaisseur du substrat donneur (1 00), cette étape d'obtention comprenant l'implantation (200) d'espèces dans l'épaisseur du substrat donneur (100), et dans lequel la séparation du substrat donneur (100) au niveau de la zone de fragilisation (210) est obtenue en ajustant: la température du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion lors de l'étape d'apport, une température de préchauffage du substrat donneur (100), le type, la dose et l'énergie des espèces implantées lors de l'implantation (200).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel la séparation du substrat donneur (100) au niveau de la zone de fragilisation (210) intervient automatiquement après que le troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion a été complètement apporté.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 dans lequel la séparation du substrat donneur (100) au niveau de la zone de fragilisation (210) intervient automatiquement avant que le troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion soit entré au contact de la couche intermédiaire (300) ou ait été complètement apporté sur la couche intermédiaire (300).
15. Procédé selon la revendication précédente dans lequel l'apport du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion sur la couche intermédiaire (300) est effectué par une coulée unique sur la couche intermédiaire (300).
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel l'apport du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion sur la couche intermédiaire (300) est effectué par des dépôts ponctuels du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion, sur une pluralité de zones de la couche intermédiaire (300).
17. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le dépôt du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion comprend le dépôt d'une pluralité de gouttes sur la couche intermédiaire (300).
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel l'apport du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion sur la couche intermédiaire (300) s'effectue par mise en contact de la couche intermédiaire (300) avec un bain en fusion du troisième matériau semi-conducteur (400).
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel l'apport du troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion sur la couche intermédiaire (300) s'effectue en plaçant le substrat donneur (100) recouvert de la couche intermédiaire (300) au droit d'un creuset (700) contenant le troisième matériau semi- conducteur (400) en fusion et présentant un fond (701 ) escamotable, et en retirant le fond (701 ) du creuset de manière à libérer le troisième matériau semi-conducteur (400) en fusion sur la couche intermédiaire (300).
20. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel après la séparation du substrat donneur 100, on pratique sur la tranche autoporteuse (500) un recuit de cristallisation.
21 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le 5 premier, le deuxième et le troisième matériau semi-conducteur sont choisis parmi : le silicium (Si), le germanium (Ge) et le silicium-germanium (Si-Ge).
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tranche autoporteuse (500) présente une épaisseur comprise entre 5 et 1000 micromètres et de préférence 10 et 100 micromètres. 0
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel on détermine l'épaisseur eL du troisième matériau semi-conducteur (400) apporté, de sorte qu'une épaisseur eF de la couche intermédiaire (300) et éventuellement d'une portion du substrat donneur (100) fondue sous l'effet de la chaleur apportée par le troisième matériau semi-conducteur (400) soit inférieure à la distance entre la zone de5 fragilisation (210) et la face (301 ) de la couche intermédiaire (300) sur laquelle est apportée le troisième matériau semi-conducteur (400), dans lequel le premier, le deuxième et le troisième matériau semi-conducteur sont en un même matériau semiconducteur et dans lequel l'épaisseur eF est déterminée en appliquant l'équation suivante :
r> PL CP L (TL - TF )
0 eF = EL s i \
psCP {Tp - Ts )+ ps Lf
dans laquelle
- eF représente l'épaisseur maximale de matière qui fond sous l'effet de la chaleur propagée depuis le troisième matériau semi-conducteur (400) apporté à l'état liquide, cette matière étant prise dans la couche intermédiaire (300) et5 éventuellement dans la portion du substrat donneur (100) ;
- eL représente l'épaisseur de la couche additionnelle formée par le troisième matériau semi-conducteur apporté à l'état liquide ;
- pL est la densité du matériau semi-conducteur liquide ;
- ps est la densité du matériau semi-conducteur solide ;
0 - Cp s représente la capacité thermique massique du matériau semi-conducteur en phase liquide;
CP L représente la capacité thermique massique du matériau semi-conducteur en phase solide; - Lf est la chaleur de fusion du matériau semi-conducteur ;
TL la température de dépôt du matériau semi-conducteur apporté à l'état liquide ;
- TF la température de fusion du matériau semi-conducteur ;
- Ts la température du substrat donneur (100) recouvert de la couche intermédiaire (300) avant apport du troisième matériau semi-conducteur (400).
24. Procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque comprenant un procédé d'obtention d'une tranche semi-conductrice (500) autoporteuse selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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