Brevet FR2956242A1 — publié le 20110812

Procédé de réalisation de premier et second volumes dopés dans un substrat Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un procédé de réalisation d'un substrat comportant des premier et second volumes dopés. État de la technique Dans le domaine des cellules photovoltaïques, la recherche se focalise principalement sur l'amélioration du rendement de conversion de la cellule et 15 sur la simplification de son procédé de réalisation. De manière conventionnelle, une cellule photovoltaïque est formée par une diode, par exemple, une jonction de type p/n réalisée dans un matériau photovoltaïque tel que le silicium. La diode comporte alors une zone dopée 20 par une impureté de type p, par exemple du bore, qui est en contact avec une zone dopée par une impureté de type n, par exemple du phosphore. La photodiode peut donc être réalisée simplement par la formation d'une zone dopée de type n au sein d'un substrat de type p. 25 Une des voies d'amélioration des cellules photovoltaïques provient de l'utilisation de la structure dite à « émetteur sélectif » au lieu d'une structure à dopage homogène. La structure à « émetteur sélectif » se caractérise par une variation de la concentration des dopants à la surface du substrat selon les fonctionnalités recherchées. II y a alors, dans la cellule photovoltaïque, 30 différentes zones qui présentent entre elles des concentrations de dopants différentes et des propriétés électriques et photovoltaïques spécifiques. Ainsi, 10 un dopage élevé est utilisé à proximité immédiate des électrodes, les « émetteurs », qui font transiter le courant hors de la cellule et un dopage faible est utilisé sur le reste de la cellule. Le dopage faible permet d'obtenir un courant de court-circuit important alors que le dopage élevé de contact permet de réduire la résistance de contact pour une bonne collecte. Cette structure prometteuse se caractérise également par un procédé de réalisation qui est plus long et plus complexe qu'une structure classique à dopage homogène ce qui se traduit inévitablement par une baisse du rendement global de cette filière technologique. Objet de l'invention L'invention a pour objet un procédé qui soit simple à mettre en oeuvre et qui comporte un nombre réduit d'étapes technologiques pour limiter les pertes de rendement mécanique. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte sur une face du substrat : le dépôt d'une première source de dopants, la structuration de la première source de dopants pour former, sur la face du substrat, une première zone recouverte par la première source de dopants et une seconde zone libre, le dépôt d'une seconde source de dopants au niveau de la seconde zone libre, l'application d'un traitement thermique de diffusion. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : les figures 1 à 4 représentent, de manière schématique, en coupe, les principales étapes de réalisation d'un premier mode de réalisation d'un substrat selon l'invention, les figures 5 et 6 représentent, de manière schématique, en coupe, une 1 o étape de réalisation de deux variantes de réalisation d'un substrat selon l'invention. Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention 15 Comme illustré à la figure 1, une première source de dopants 2 est déposée à la surface d'un substrat 1. Le substrat 1 est, par exemple, en matériau semi-conducteur ou en tout autre matériau adapté. Le substrat 1 peut être un 20 substrat avec une surface plane ou une surface au moins partiellement texturée. La première source de dopants 2 comporte un premier type d'impuretés dopantes selon une première concentration. La première source de dopants 25 2 est, par exemple, un matériau diélectrique dopé tel qu'un oxyde dopé ou une solution de type SOD P506 de la société Filmtronics (comportant 6% en masse de SiO2, 3% en masse 'de phosphore et un solvant). La première source de dopants 2 est formée par toute technique adaptée, par exemple, par dépôt à la tournette ou par dépôt chimique en phase vapeur assistée par 30 plasma. La première source de dopants 2 est formée à base température afin d'éviter toute diffusion parasite du premier type d'impuretés dopantes dans le substrat 1. La première source de dopant est déposée sur une zone texturée ou une zone plane du substrat. Comme illustré à la figure 2, la première source de dopants 2 est ensuite structurée par toute technique adaptée afin former à la surface du substrat au moins une zone vide qui libère la surface du substrat. De cette manière, lors de la structuration, il y a au moins formation d'une première zone 3 et d'une seconde zone 4 à la surface du substrat 1. La première zone 3 est une partie de la surface du substrat 1 qui est recouverte par la première source de dopants 2 alors que la seconde zone 4 est une zone vide, c'est-à-dire une portion de la surface du substrat 4 qui est laissée libre. La structuration de la première source de dopants 2 peut être réalisée, par exemple, au moyen d'une photolithographie suivie d'une gravure de type humide ou plasma ou au moyen d'une gravure par un rayonnement laser ou par toute autre technique adaptée. Il est également possible de déposer un matériau de masquage à la surface du substrat préalablement au dépôt de la première source de dopants 2. Le matériau de masquage comporte des zones libres qui sont ensuite recouvertes par la première source de dopants 2. Une étape de polissage mécano-chimique permet alors de structurer la première source de dopants 2 et de la localiser dans les anciennes zones vides du matériau de masquage. Le matériau de masquage est éliminé pour le laisser à la surface que les zones en première source de dopants. Comme illustré à la figure 3, une fois que la surface du substrat 1 présente des première 3 et seconde 4 zones, une seconde source de dopants 5 est déposée au moins sur la seconde zone 4, c'est-à-dire la zone libre. La seconde source de dopants 5 est par exemple un matériau diélectrique dopé tel qu'un oxyde dopé ou une solution de type SOD P509 de la société Filmtronics. Le dépôt de la seconde source de dopants 5 peut être réalisée par toute technique adaptée, par exemple, par dépôt à la tournette, par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. La seconde source de dopants 5 comporte un second type d'impuretés dopantes selon une seconde concentration. La localisation de la seconde source de dopants 5 est ensuite réalisée de manière conventionnelle, par exemple au moyen d'une étape de photolithographie suivie d'une étape de gravure, ou directement par une étape de gravure si la seconde source dopante présente une épaisseur plus importante au niveau de la seconde zone 4. Là encore, la localisation de la seconde source de dopants peut être réalisée au moyen d'un polissage mécano-chimique. La surface du substrat 1 est alors recouverte par la première source de dopants 2 dans la première zone 3 et par la seconde source de dopants 5 dans la seconde zone 4. Dans un mode de réalisation particulier (figure 3), la seconde source de dopants 5 peut également être déposée sur l'ensemble, c'est-à-dire sur la première zone 3 libre du substrat 1 et sur la seconde zone 4 au-dessus de la première source de dopants 2. Le dépôt de la seconde source de dopants 5 sur l'ensemble du substrat est avantageux car, il permet d'utiliser des techniques de dépôt conventionnelles et bon marché comme celles décrites plus haut. Par ailleurs, l'absence de localisation permet de réduire les étapes technologiques du procédé de réalisation ce qui contribue également à l'obtention de temps de cycle réduits et à un procédé robuste et économique. Selon les applications recherchées, les premier et second types d'impuretés dopantes présentent des types de conductivité identiques ou différents (de type N ou de type P). Comme illustré à la figure 4, l'ensemble subit ensuite un traitement thermique de diffusion qui va faire migrer une partie des impuretés dopantes des première 2 et seconde 5 sources de dopants vers le substrat 1. Les impuretés dopantes de la première source de dopants 2 vont former un premier volume dopé 6, c'est-à-dire une portion du substrat 1 dopée par le premier type d'impuretés dopantes et selon une troisième concentration. Dans le même temps, les impuretés dopantes de la seconde source de dopants 5 vont diffuser et former un second volume dopé 7, c'est-à-dire une portion du substrat 1 dopée par le second type d'impuretés dopantes et selon une quatrième concentration. A titre d'exemple, la quatrième concentration en dopants est supérieure à la troisième concentration en dopants, l'inverse est également possible. Le traitement thermique de diffusion est réalisé par io toute technique adaptée, par exemple par un rayonnement laser. Les valeurs des troisième et quatrième concentrations de dopants est fonction des valeurs des première et seconde concentrations de dopants, des modes de diffusion des dopants, des matériaux à traverser lors de la 15 diffusion et du budget thermique subi. Le premier volume dopé 6, c'est-à-dire la portion du substrat 1 dopée par le premier type d'impuretés dopantes est localisée au niveau des premières zones 3 donc sous la surface du substrat 1 recouverte par la première 20 source de dopants 2. Le second volume dopé 7, c'est-à-dire la portion du substrat 1 dopée par le second type d'impuretés dopantes est localisée au niveau des secondes zones 4 donc sous la surface du substrat 1 recouverte par la seconde source de dopants 5. 25 Une fois le traitement thermique réalisé et les premier 6 et second 7 volumes dopés formés, les première 2 et/ou seconde 5 sources de dopants sont éliminées ou au moins partiellement éliminées s'il faut avoir accès aux volumes dopés 6 et 7. L'utilisation d'un seul traitement thermique pour former les premier et second volumes dopés 6 et 7 permet de réduire la durée du 30 procédé et ainsi d'obtenir un produit meilleur marché. Ce traitement 7 thermique unique permet également d'obtenir de meilleurs rendements de réalisation car il y a réduction du nombre d'étapes. Dans la variante de réalisation dans laquelle la seconde source dopante est également déposée sur la première source dopante, pendant le traitement thermique, il y a diffusion des premières impuretés dopantes de la première zone 3 vers le substrat 1 et diffusion des secondes impuretés dopantes de la seconde zone 4 vers le substrat 1. Il y a également diffusion des secondes impuretés dopantes de la première zone 3 vers le substrat 1 à travers la première source de dopants 2. Comme au niveau de la première zone 3, le substrat 1 est recouvert par la première source dopante 2 puis par la seconde source dopante 5, les secondes impuretés dopantes doivent traverser la première source dopante 2 avant d'atteindre le substrat 1. Il en résulte que cette distance supplémentaire à parcourir retarde le moment où les secondes impuretés dopantes diffuseront à l'intérieur du second volume dopé 7. En choisissant judicieusement le budget thermique et les matériaux à parcourir, il est possible d'empêcher les secondes impuretés dopantes de traverser la première source de dopants 2 et donc d'atteindre les secondes zones dopées 7 du substrat 1. De cette manière, il est possible d'obtenir aisément des premier et second volumes dopés qui présentent des conductivités opposées. Il est également possible d'obtenir des premier et second volumes dopés qui sont de même conductivité, par exemple au moyen de la même impureté dopante présente dans les deux sources de dopant, et qui présentent des niveaux de concentration différents pour former par exemple des volumes dopés et surdopés. 8 Une structure qui présente des volumes dopés et surdopés est particulièrement avantageuse pour former une cellule solaire de type à « émetteur sélectif ». Le premier volume dopé 6 est faiblement dopé afin de favoriser l'effet photovoltaïque de la jonction p/n formée avec le substrat 1, alors que le second volume dopé correspond à un volume surdopé qui favorise une résistance d'accès faible pour l'extraction du courant hors de la cellule solaire. A titre d'exemple, le volume dopé 6 présente une résistivité de l'ordre de 100 à 180 O /D alors que le volume surdopé 7 présente une résistivité de l'ordre de 40 0/0. Avantageusement, la première concentration en premières impuretés dopantes est inférieure à la seconde concentration en secondes impuretés dopantes voire très inférieure afin de faciliter l'obtention d'un premier volume dopé 6 ayant une concentration en dopants inférieure à celle du second volume dopé 7, que les impuretés dopantes soient identiques ou non. L'obtention d'une troisième concentration qui est inférieure à la quatrième concentration de dopants n'est pas obligatoirement liée au fait que la première concentration en premières impuretés dopantes est inférieure à la seconde concentration en secondes impuretés dopantes. Ce résultat dépend essentiellement des types d'impuretés dopantes incorporées dans les première 2 et seconde 5 sources de dopants, du mode de diffusion de ces impuretés dopantes, des matériaux constituant le substrat 1 et les sources de dopants 2, 5 et également de la température du traitement thermique. Ainsi, un choix judicieux de l'épaisseur de la première source de dopants 2 et/ou du budget thermique adapté peut être suffisant pour obtenir les concentrations recherchées. Il peut être également avantageux d'utiliser pour la première source de dopants 2, un matériau dans lequel les secondes impuretés dopantes présentent un coefficient de diffusion faible. L'homme du métier peut alors adapter l'épaisseur de la première source dopante 2, ses matériaux constituant et le budget thermique (couple temps/température) de sorte que les secondes impuretés dopantes ne traversent pas la première source de dopants 2. Dans une variante de réalisation, un traitement thermique additionnel de diffusion est réalisé après le dépôt de la première source de dopants 2 et avant le dépôt de la seconde source de dopants 5. Le traitement thermique additionnel peut être réalisé avant ou après l'étape de structuration de la première source de dopants 2. Dans une première variante de réalisation illustrée à la figure 5, le traitement thermique additionnel est réalisé avant l'étape de structuration de la première source de dopants 2. Comme précédemment, le premier volume dopé 6 est réalisé sur l'ensemble du substrat 1 est recouvert par la première source de dopants 2. La première source de dopants 2 est ensuite structurée et la seconde source de dopants 5 est déposée. Le traitement thermique de diffusion forme alors les seconds volumes dopés 7 sous les parties du substrat 1 recouverts par la seconde source de dopants 5 et finit de former le premier volume dopé 6. Les seconds volumes dopés 7 sont formés par la diffusion des secondes impuretés dopantes localisées dans les secondes zones 4. De cette manière, le second volume dopé 7 comporte les premières et secondes impuretés dopantes. Selon les impuretés dopantes utilisées et leurs concentrations respectives, il est alors possible d'obtenir des premier 6 et second 7 volumes dopés du même type de conductivité ou de types opposés de conductivités. Dans le cas où les types de conductivité sont identiques, il est particulièrement intéressant de former un second volume dopé qui présente une concentration de dopants plus élevée que le premier volume dopé 6. Ainsi, le premier volume dopé 6 est recouvert par le second volume dopé 7 10 lors du traitement thermique additionnel de diffusion. Il est également possible de former un second volume dopé 7 qui présente une concentration de dopants inférieure ou du même ordre de grandeur que le premier volume dopé. De cette manière, le profil de concentration en premières et secondes impuretés dopantes peut être maîtrisé. Si les premières et secondes impuretés dopantes sont de types opposés, et selon les valeurs des concentrations entre ces deux types d'impuretés, il peut y avoir une compensation entre les impuretés de type N et de type P. Comme le premier volume dopé est formé au moins partiellement au moyen du traitement thermique additionnel, il est possible d'avoir une plus grande marge de manoeuvre sur les profils de concentration des deux impuretés dopantes. 15 Dans une seconde variante de réalisation illustrée à la figure 6, le traitement thermique additionnel est réalisé après l'étape de structuration de la première source de dopants 2. Le premier volume dopé 6 est alors réalisé sous les premières zones 3 de la surface du substrat 1 car elles sont recouvertes par 20 la première source de dopants 2. Comme dans le mode de réalisation précédent, il y a une grande souplesse sur les conditions opératoires de traitement thermique additionnel car la seconde source de dopants 5 n'est pas encore déposée. 25 Une fois la seconde source de dopants 5 déposée, le traitement thermique de diffusion forme alors les seconds volumes dopés 7 sous les parties du substrat 1 recouverts par la seconde source de dopants 5 et termine les premiers volumes dopés 6. Les seconds volumes 7 dopés sont alors formés par les secondes impuretés dopantes. 30 Avantageusement, le traitement thermique additionnel est réalisé à une température supérieure à celle du traitement thermique de diffusion. De manière également avantageuse, il peut être envisagé de moduler l'épaisseur de la première source de dopants 2 en fonction du budget thermique envisagé pour le traitement thermique lié à la seconde source de dopants 5. Cependant, l'épaisseur de la première source de dopants 2 a une influence sur le budget thermique qui doit être imposé lors du traitement thermique additionnel pour obtenir la concentration d'impuretés dopantes désirées et leur profil de répartition. Avantageusement, la profondeur du second volume dopé 7 dans le substrat 1 est supérieure à la profondeur du premier volume dopé 6. A titre d'exemple, pour former une structure compatible avec une cellule 15 photovoltaïque à collecteur sélectif, les première et seconde impuretés dopantes sont du même type de conductivité, par exemple de type N si le substrat est en silicium de type P. Afin d'obtenir un mode de réalisation particulièrement simple et robuste, les première 2 et seconde 5 sources de dopants sont des solutions de dopants déposées à la tournette, 20 respectivement les solutions SOD P506 et P509 citées plus haut. La solution SOD P506 contient 3% en masse de phosphore et la solution P509 contient 10,5% en masse de phosphore. La première source dopante de type SOD P506 peut être déposée au moyen 25 d'une tournette de type RC8 de la société SÜSS MicroTec. Une fois la première source de dopants 2 déposée, elle est recuite à 175°C pendant 10 minutes environ pour éliminer les solvants. Le substrat 1 subit ensuite un recuit de 30 secondes à 1025°C dans un four IR Centrotherm ce qui permet de former le premier volume dopé 6. La structuration de la première source 3o de dopants 2 est réalisée par gravure à l'aide d'un rayonnement laser avec un courant égal à 25A, un recouvrement de 98% et une vitesse de défilement 10 12 égale à 3m/s. La seconde source dopante de type SOD P509 est ensuite déposée et recuite dans des conditions similaires à celles précédemment notées pour la première source de dopants. La structure finale présente des premiers volumes dopés ayant une résistance de 100 0/0 et des seconds volumes dopés ayant une résistance de 40 0/^. Dans un second exemple, le traitement thermique additionnel de la première source de dopants 2 a été supprimé, les autres conditions opératoires ont été conservées. La structure finale présente des premiers volumes dopés 6 ayant une résistance de 100 0/^ et des seconds volumes dopés 7 ayant une résistance de 40 0/^. Dans une autre variante de réalisation, il peut être envisagé d'utiliser une troisième source de dopants. Ainsi, lors du traitement thermique de diffusion, la surface du substrat 1 présente en plus une troisième zone recouverte par la troisième source de dopants. Les premier et second volumes dopés étant formés par diffusion des impuretés dopantes depuis les sources de dopants 2, 5 vers le substrat 1, il faut noter que les premiers 6 et seconds 7 volumes dopés s'étendent respectivement au delà des première et seconde zones. De ce fait, si les première 3 et seconde 4 zones recouvrent toute la surface du substrat 1, les premier et second volumes s'écarteront très légèrement de cette répartition. De ce fait, cette technique est peu adaptée à la formation de volumes dopés qui présentent une profondeur du même ordre de grandeur que la plus petite dimension longitudinale et transversale des première et seconde zones. Selon les concentrations de dopants entrant en jeu, un des volumes dopés peut être masqué par ses voisins. Les premier et second volumes dopés sont formés à partir de la surface du substrat. Ils sont décalés latéralement l'un par rapport à l'autre ce qui veut 13 dire qu'en vue de dessus, l'un des volumes dopés ne peut cacher l'autre. Les premier et second volumes dopés peuvent présenter des épaisseurs différentes, même s'ils ont subi le même budget thermique. Revendications1. Procédé de réalisation d'un substrat (1) comportant des premier (6) et second (7) volumes dopés, caractérisé en ce qu'il comporte sur une face du substrat (1) : le dépôt d'une première source de dopants (2), la structuration de la première source de dopants (2) pour former, sur la face du substrat (1), une première zone (3) recouverte par la première source de dopants (2) et une seconde zone (4) libre, le dépôt d'une seconde source de dopants (5) au niveau de la seconde zone (4) libre, l'application d'un traitement thermique de diffusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un traitement thermique additionnel de diffusion est réalisé avant la structuration de la première source de dopants (2). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le budget thermique du traitement thermique additionnel est supérieur à celui du traitement thermique de diffusion. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde source de dopants (5) est déposée sur la première source de dopants (2). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première source de dopants (2) est déposée sur une zone texturée du substrat (1). 1415 6. Procédé selon l'une quelconque des quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première source de dopants (2) et la seconde sources de dopants (5) comportent la même impureté dopante. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la concentration de l'impureté dopante dans la première source de dopants (2) est inférieure à la concentration de l'impureté dopante dans le seconde source de dopants (5). 10 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le traitement thermique de diffusion est réalisé par un rayonnement laser. 15