Brevet FR2950082A1 — publié le 20110318

PROCEDE DE RECRISTALLISATION D'UNE COUCHE DESCRIPTION L'invention ressortit à un procédé de recristallisation d'une couche. Elle peut notamment concerner les couches minces en silicium rencontrées dans les capteurs d'énergie solaire et les circuits de micro-électronique. La structure cristalline de la couche n'est pas indifférente pour ces applications: les joints de grains ont en général une influence néfaste en absorbant les porteurs de charges électriques et en diminuant donc l'efficacité du dispositif. On cherche en général à obtenir des structures cristallines à gros grains voire monocristallines, ce qui est impossible de façon directe avec des procédés de fabrication usuels où les couches sont déposées, alors que d'autres procédés, caractérisés par le découpage des couches dans des blocs cristallins ayant la structure cristalline souhaitée, sont souvent trop coûteux pour être considérés. Il est toutefois connu que des recristallisations de la couche accompagnées d'un grossissement des grains peuvent être provoquées par une élévation de température permettant de recuire le cristal. Ces recristallisations sont souvent associées à l'application sur la couche d'un germe cristallin ayant la structure cristalline qu'on veut lui attribuer, et qu'il impose peu à peu à la couche à mesure que le traitement thermique se prolonge. Dans le cas d'une couche de silicium amorphe ou faiblement 2 cristallisée à l'origine, on a proposé des recristallisations induites par l'aluminium entre 200°C et 400°C, des recristallisations en phase solide entre 550°C et 800°C, des recuits thermiques rapides sous lampe entre 700°C et 1200°C, des recristallisations par laser entre 1200°C 1500°C et des recristallisations par fusion de zone entre 1200°C et 1500°C, tous ces procédés étant réalisés sans transfert de structure d'un germe cristallin. Des techniques de transfert de structure d'un germe cristallin sont décrites dans « Future of cristalline silicon films on foreign substrates », par Bergmann et Werner, paru dans Thin Solid films 403-404 (2002), pages 162 à 169. Le germe forme généralement une couche entière, sur laquelle la couche à recristalliser est appliquée ou fabriquée par dépôt, et on cherche en général à le séparer de la couche recristallisée après le traitement thermique, pour le remployer avec une autre couche à recristalliser ou parce qu'il ne conviendrait pas dans le produit fini; mais les procédés mécaniques usuels sont difficiles à mettre en oeuvre pour séparer proprement le germe de la couche, sans destruction à leur jonction. L'objet de l'invention est de proposer un procédé de recristallisation d'une couche par transfert de structure cristalline qui permette au contraire une bonne séparation de la couche et du germe cristallin, qu'on peut remployer ensuite pour d'autres couches à recristalliser, ce qui améliore la fabrication d'une série et réduit les temps et les coûts. 3 Sous une forme générale, l'invention concerne ainsi un procédé de recristallisation d'une couche, comprenant une application sur la couche d'un cristal formé d'une même matière que la couche et ayant une structure cristalline voulue pour la couche, et un traitement thermique de la couche afin d'y instaurer la structure du cristal, caractérisé en ce que l'application est produite par une pression mécanique sur la couche ou un substrat de la couche, après avoir intercalé des cales à des bords de la couche entre la couche et le cristal, produisant ainsi une flexion de la couche. L'application de la pression de la couche sur le cristal établit une liaison intime entre eux, analogue à un soudage ou à un collage ; mais quand la pression est relâchée, les contraintes de flexion dues aux cales tendent à séparer la couche du cristal et produisent une fissuration à leur jonction. Une couche de séparation est très avantageusement intercalée entre la couche à recristalliser et le cristal. Elle est beaucoup plus fine que la couche à recristalliser et plus fine que les cales, et elle s'étend dans une région entourée par les cales, où la couche à recristalliser est véritablement appliquée sur le cristal. Elle constitue une région fragile de l'assemblage, qui favorise la fissuration quand la pression a été relâchée. Cela est obtenu facilement si la couche de séparation est discontinue, ou si elle est d'une matière différente de celle du cristal et de la couche, ou les deux. 4 L'invention sera maintenant décrite plus en détail en liaison aux figures: - la figure 1 représente l'assemblage avant l'application de la pression, - la figure 2, l'assemblage pendant l'application de la pression, - et la figure 3, l'assemblage quand la pression est relâchée. Une couche 1 à recristalliser est placée au-dessus d'un cristal 3 qui doit lui imposer sa structure cristalline. La couche 1 est mince et a été déposée sur un substrat 2 qui assure sa tenue. Le cristal 3 porte une couche 4 très fine. La couche 1 peut être en silicium amorphe, microcristallin ou polycristallin à grains fins, le cristal 3 est en silicium cristallin à gros grains ou monocristallin, et la couche 4 en une matière réfractaire comme le carbure de silicium, la silice, l'alumine ou encore le silicium poreux. Son épaisseur est de quelques nanomètres ou dixièmes de nanomètres. Les superficies en regard de la couche 1 et du cristal 3 peuvent être de plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de centimètres carrés. Des cales 5 sont insérées entre les régions de bord de la couche 1 et du cristal 3 ; elles sont en une matière réfractaire et plutôt fines, ayant une épaisseur de 100 microns par exemple. La figure 2 illustre l'application de la couche 1 sur le cristal 3 par une presse 6, pendant qu'un moyen de chauffage 7 élève la température de l'assemblage. La pression appliquée peut être de quelques milliers de pascals et la température peut être supérieure à 500°C. Le cristal 3 impose sa structure à la couche 1 peu à peu à cette température, soit à travers les discontinuités de la couche 4, soit à travers les parties pleines de la couche 4 si elle 5 est poreuse et en un matériau identique à celui de la couche 1. Le traitement thermique de recuit dure jusqu'à ce que la recristallisation de la couche 1 soit accomplie. Ses régions périphériques 8, qui ne peuvent toucher le cristal 3 à cause des cales 5, font exception et correspondent à des zones mortes du procédé, mais leur largeur est faible, de quelques millimètres. Il est à noter que le chauffage peut commencer avant l'application de la pression pour les 15 produits particulièrement fragiles. Quand la pression est relâchée, on obtient l'état représenté à la figure 3, où une fissure 9 apparaît entre la couche 1 et le cristal 3 à partir des régions périphériques 8 et se propage vers le centre de 20 l'assemblage jusqu'à provoquer un décollement complet. La fissure 9 peut apparaître aussi à l'interruption du chauffage sans la contribution d'une interruption de la pression d'application, en raison de cisaillements qui apparaissent aux frontières de la couche poreuse 4, 25 dont le coefficient de dilatation est différent de celui de la couche 1 et produit donc des dilatations thermiques différentielles. Quand la couche 1 a été libérée, il est possible de rectifier sa surface par un polissage fin. Les conditions pour faire apparaître la 30 fissure sont remplies facilement si le substrat 2 a une élasticité suffisante pour produire le cisaillement 6 nécessaire en se redressant. Le silicium et d'autres matières analogues sont d'ailleurs suffisamment fragiles pour autoriser la progression de la fissuration.5 REVENDICATIONS1) Procédé de recristallisation d'une couche (1), comprenant une application sur la couche (1) d'un cristal (3) formé de la matière de la couche et ayant une structure cristalline voulue pour la couche, et un traitement thermique de la couche afin d'y instaurer la structure du cristal, caractérisé en ce que l'application est produite par une pression mécanique sur la couche ou un substrat (2) de la couche (1), après avoir intercalé des cales (5) à des bords (8) de la couche entre la couche et le cristal, produisant ainsi une flexion de la couche. 2) Procédé de recristallisation suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche de séparation (4), plus fine que les cales (5), est déposée entre la couche et le cristal dans une région entourée par les cales, la couche de séparation étant discontinue. 3) Procédé de recristallisation suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une couche de séparation, plus fine que les cales, est déposée entre la couche et le cristal dans une région entourée par les cales, la couche de séparation étant discontinue, la couche de séparation étant d'une matière différente de celle du cristal et de la couche.