Brevet FR3067168A1 — publié le 20181207

Procédé de fabrication d'un convertisseur lumière-électricité tout en silicium pour une photoconvertion géante L'invention concerne un procédé de fabrication de convertisseurs lumière-électricité 5 tout en silicium avec systèmes nanoscopiques, en arrangements spécifiques à l'intérieur du silicium monocristallin pour déclencher une photoconversion géante. Ce procédé de production comprend la modulation nanoscopique du silicium, et permet d'éviter les conflits résultant des étapes successives de fabrication par superposition des différentes phases de transformation du silicium, en respectant des facteurs géométriques 10 adaptés. Plus particulièrement, le procédé de fabrication comprend une modification complète nanoscopique du silicium en un nouvel arrangement à l'échelle nanométrique pour former un système, de façon à améliorer le rendement de la conversion lumière-électricité par l'exploitation de l'énergie cinétique d'électrons chauds. 15 1. CHAMP DE L'INVENTION La présente invention se rapporte et s'étend au champ de la conversion de l'énergie de la lumière en électricité, et en particulier à toutes les applications aux convertisseurs lumière- 20 électricité, cellules photoélectriques et cellules solaires photovoltaïques avec un rendement élevé. Il s'agit en particulier d'un procédé de fabrication d'un nouveau matériau photovoltaïque et de dispositifs photovoltaïques l'utilisant de très haut rendement grâce à la photoconversion géante. Le présent procédé de production utilise des équipements de l'industrie photovoltaïque 25 avec deux postes supplémentaires dédiés aux opérations spécifiques pour mettre en oeuvre des procédés de fabrication complémentaires aux procédés actuels de fabrication des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin. Le convertisseur résultant peut-être utilisé, comme cellules photovoltaïques montées en série, ou en parallèle dans des circuits du panneau approprié, ou sous la forme de feuilles, 30 de tapis ou de matelas. 3067168 2 2. DEFINITIONS Les définitions ci-dessous seront utilisées tout au long de la description suivante. Métamatériau : désigne un matériau artificiel, en particulier du silicium, présentant des 5 propriétés physiques qui vont au-delà des propriétés connues dites naturelles. Le métamatériau garde sa composition chimique originale. Plus spécifiquement, il prend la forme d'au moins une couche continue ou discontinue, mais aussi un champ de perles ou de grains ou de formes quelconques telles que des agglomérés ou des agrégats et qui présentent une génération/conversion d'électrons secondaires de faible énergie, une multiplication des 10 électrons de faible énergie, un transport électronique spécifique, une sensibilité augmentée à l'intensité d'excitation et une forte non linéarité optique. SEGTON : (ang. unity of secondary electron generation tuned on nanoscale) est une unité de la génération secondaire d'électrons accordée à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire 15 conditionnée en tant qu'unités cristallines élémentaires avec son système spécifique de niveau d'énergie d'électrons ajusté pour une conversion efficace lumière-électricité multiniveaux permettant une photogénération d'électrons de faible énergie et une multiplication de porteurs libres supplémentaires. Il s'agit aussi d'un procédé de production précisant la façon de produire l'ensemble des niveaux d'énergie d'électrons qui servent à optimiser la conversion 20 en électricité du spectre solaire. SEG-MATTER : il s'agit d'un métamatériau basé sur les SEGTONs, c'est-à-dire d'un matériau convertissant la lumière en électricité, qui est constitué de SEGTONs en distribution homogène, qui forment des super réseaux ordonnés, en étant plongés dans un environnement 25 physique spécifique délimité par des nanomembranes, comme décrit et protégé par des brevets parallèles. Plus généralement, cette expression désigne également le procédé de production pour fabriquer la matière capable d'exploiter un ensemble de niveaux d'énergie des SEGTONs. 30 Nanomembrane : il s'agit de l'hétérointerface ou de la surface limite jouant un rôle d'interface, (verticale, horizontale, parallèle à la surface, plus ou moins sphérique ou non) où se fera le changement de modèle de bande, de mode de conduction et ainsi de suite. Il s'agit par exemple, de l'interface entre la SEG-MATTER et le matériau silicium environnant, qui sera caractérisée par la modification du mode de transport des électrons. 3067168 MTM : métamatériau basé sur du silicium a-Si : silicium amorphisé : phase amorphisée du silicium sous contrainte mécanique c-Si : silicium cristallin : phase cristalline du silicium sous contrainte mécanique Lacune : défaut structurel ponctuel formant une unité structurelle spécifique. Bilacune : défaut structurel ponctuel formé par deux lacunes interconnectées, formant une unité structurelle spécifique. BSF : champ électrique à la face arrière : une jonction de type LEI résultant d'une 15 modification graduelle ou abrupte de la densité d'impuretés dopantes. RIE : décapage par ions réactifs. LPCVD : dépôt chimique par vapeur à basse pression. 20 Nanoagrégats amorphisés : agrégats amorphisés ou nanogroupes de la matière cristalline localement transformée, préférentiellement de silicium, qui aura été incluse par n'importe quel procédé de production approprié dans le milieu cristallin. 25 Nanostructures insérées : nanoagrégats amorphisés, recouverts par une nanocouche de SEGMATTER, c'est-à-dire du métamatériau (MTM) capable de fournir de nombreux électrons secondaires résultant de collisions d'électrons chauds provenant d'une distribution optimale à l'intérieur du convertisseur, de préférence l'émetteur. 30 GPC : Giant PhotoConvertion - Photoconversion Géante permettant l'exploitation optimale de l'énergie, de tout le spectre solaire. 3067168 4 3. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Actuellement, la fabrication de dispositifs photovoltaïques commerciaux est basée sur des transformations d'un semi-conducteur, par exemple le dopage par des impuretés, la 5 formation de jonctions PN, la métallisation, la passivation électronique. L'architecture classique, plutôt assez simple d'une cellule photovoltaïque exploite des matériaux naturels qui ne peuvent être modifiés que dans une mesure limitée. La très large part des cellules est arrangée sous forme d'un dispositif semi-conducteur à simple jonction collectrice planaire. 10 Cette vision des choses peut être enrichie par la création dédiée de sous-régions, de sous-systèmes, de sous-structures, qui complètent à l'échelle nanométrique la conception classique de l'architecture des dispositifs photovoltaïques. Des années d'expérimentations multiples ont rendu possible l'apprentissage de méthodes effectives de modulation du matériau semi-conducteur (principalement du silicium) 15 à échelle nanométrique, pour atteindre des phénomènes relatifs à la photoconversion géante. L'état de l'art est largement illustré et documenté par la publication des demandes de brevets antérieures : W02012/131496 et ... ainsi que d'autres brevets déposés au nom de la société SEGTON AdT. 20 4. PROBLEME RESOLU PAR L'INVENTION L'ajustement d'un convertisseur lumière-électricité à une plus grande partie du spectre solaire est compliqué, d'une part parce que, pour des raisons de mécanique quantique, la conversion n'est efficace et optimale que dans une sous-bande spectrale très étroite, et, 25 d'autre part, parce que le spectre solaire total est trop étendu pour permettre des opérations performantes en utilisant des dispositifs à une seule jonction collectrice. Deux façons de procéder sont possibles. * conserver le même mécanisme unique d'interaction photons/électrons, exploité le plus efficacement dans des cellules en mode « TANDEM » (avec divers matériaux de la 30 famille GaAs), en créant un empilement de cellules ayant des bandes interdites complémentaires, permettant une photoconversion sur une étendue spectrale solaire plus importante, mais, en contrepartie, caractérisé par une collecte de courant compliquée ainsi que par des problèmes de concentration de lumière. 3067168 ' 5 * introduire des mécanismes additionnels comme, par exemple, la génération secondaire de faible énergie, avec ses nombreux mécanismes couplés comme la séparation fonctionnelle spécifique (les transformations locales du matériau, le transport local et collecte d'électrons). 5 La présente invention concerne un procédé de fabrication de convertisseurs améliorés tout en silicium pour la photoconversion géante avec leurs sous-régions, sous-systèmes ou sous-structures, comme, par exemple, un système nanoscopique de couches enterrées, contenant du métamatériau photovoltaïque en silicium. Le procédé de fabrication conduit au dispositif intégrant la génération secondaire et la multiplication d'électrons à faible 10 énergie avec la collecte optimale des porteurs libres ainsi créés. La photoconversion géante représente une piste pour augmenter les rendements de la conversion de l'énergie lumineuse en électricité dans des dispositifs à une seule jonction collectrice. La multiplication des électrons à faible énergie est le premier mécanisme dans un semi-conducteur à « gap » indirect, qui a prouvé que le silicium pouvait être optimisé pour l'adapter à la conversion en électricité du spectre solaire. La présente invention est d'une importance particulière parce que le silicium qui domine largement l'industrie photovoltaïque (surtout sous sa forme cristalline), ne présente pas de problèmes de ressource étant donné son abondance et sa facilité d'accès dans l'écorce terrestre. Son extraction ne pose pas de problème significatif de nature écologique, notamment celui de la toxicité, ainsi que son recyclage. Les derniers développements des dispositifs en silicium qui constituent des dispositifs à photoconversion géante, représentent d'une certaine façon, un retour à la première génération photovoltaïque, et constituent une excellente base pour les perfectionnements développés dans cette invention. Une chaine de production de cellules classiques photovoltaïques en silicium peut 25 être transformée rapidement et à un coût raisonnable en une ligne de production de cellules à photoconversion géante. 5. DESCRIPTION ABREGEE 30 Le présent processus innovant est de nature nano technologique. Il utilise les moyens, les équipements et les technologies mis en oeuvre pour le silicium. Il est d'une grande importance de noter que presque tous ces éléments et opérations soient aujourd'hui accessibles et matures. - ' 6 3067168 Les étapes spécifiques du processus de fabrication comprennent une transformation du silicium cristallin, en un arrangement nanoscopique optimal pour former un système permettant d'améliorer le rendement de la conversion lumière-électricité à l'aide d'électrons chauds. Tous les paramètres, processus, procédures et étapes de la fabrication des dispositifs 5 de photoconversion géante ont été testés et validés séparément durant la fabrication d'une vingtaine de séries tests. La première étape de la fabrication consiste à réaliser une cellule classique à jonction unique. Le phosphore utilisé comme dopant est diffusé durant cette étape dans le silicium cristallin déjà pré dopé de façon homogène, par exemple, avec du bore, de densité 10 d'environ 5.1015 par centimètre cube. La modulation nanoscopique enterrée est ensuite opérée dans le silicium cristallin, par une implantation amorphisante suivie par un traitement thermique post implantation. Le faisceau d'ions incident amorphise le cristal de silicium localement quelque part en profondeur (des dizaines de nanomètres) avec une précision élevée. L'amorphisation 15 résultante n'a aucune utilité technique en tant que telle, et nécessite impérativement un traitement thermique complémentaire qui entrainera la recristallisation locale contrôlée. 6. BENEFICES ET AVANTAGES DE L'INVENTION 20 La présente invention utilise pour la production de cellules photovoltaïques des machines de fabrication exploitées individuellement dans le domaine de la microélectronique et de l'optoélectronique. Il faut quand même souligner que les méthodes d'exploitation de ces machines en microélectronique ne sont pas directement compatibles en tant que telles avec les procédés de fabrication de la photoconversion géante à cause, d'au moins une raison, la surface active du dispositif. Le but du procédé de production introduit ici est d'utiliser le plus largement possible des équipements existants, des méthodes validées, des sites de production PV existants, mais aussi ceux initialement mis en place pour des fabrications de microélectronique, optoélectronique ou pour des micro et nanotechnologies. Pratiquement tous les équipements, outils, machines, ensembles de machines, sont normalement disponibles sur le marché ainsi que des sites de production dédiés à l'électronique, le photovoltaïque et à la microélectronique. Toutes les étapes de la fabrication de cellules photovoltaïques GPC à photoconversion géante peuvent fonctionner sur des équipements existants avec des adaptations plutôt mineures. La fabrication à grande échelle 3067168 7 de cellules PV peut être opérée avec des machines dédiées pour les conditions bien définies et restrictives de la production de masse de convertisseurs convenablement adaptées et, par conséquent, notablement moins chères. 5 7. LES OBJECTIFS DE L'INVENTION Cette invention a trait à un procédé de production de dispositifs de convertisseurs lumière-électricité tout en silicium incorporant des systèmes nanoscopiques conditionnés en arrangements spécifiques à l'intérieur d'une plaquette de silicium cristallin pour une 10 application électronique par exemple pour une GPC. Le procédé de production développé et vérifié en pratique, mène à une modulation nanoscopique du matériau en évitant les conflits entre les différentes étapes successives de fabrication, qui résultent en une superposition de différentes phases matérielles de silicium, en respectant des facteurs géométriques nanoscopiques adaptés. 15 Comme cela a été montré précédemment, le problème le plus spécifique concerne la concaténation d'opérations, enchaînées consécutivement les unes aux autres, parce que certaines de ces opérations s'excluent l'une l'autre si l'ordre n'est pas correct. Il y a plusieurs méthodes et opérations qui sont bien connues à titre individuel, dans le domaine de la microélectronique, mais ne peuvent pas être appliquées en tant que tel, dans 20 un cycle complet de fabrication d'un dispositif de photoconversion géante. En général, la solution efficace requiert une séquence correcte et originale d'opérations connues, qui doivent être paramétrées d'après les spécificités propres aux convertisseurs à génération secondaire. 8. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS 25 Figurel : représente un organigramme général de toutes les étapes de fabrication d'un dispositif à photoconversion géante. Figtu-e2 : est un tableau présentant le procédé étape par étape. 30 9. DESCRIPTION COMPLETE DU PROCEDE DE FABRICATION L'invention englobe et contient les bases et le procédé général qui sont exposés ci-après selon la succession des étapes principales. Ce qui suit est une courte mais complète liste 3067168 8 descriptive, en tant qu'exemple concernant les principales spécifications de fabrication adaptées à un procédé industriel totalement complet de fabrication. En général, le procédé de production en petites séries de dispositifs de 5 photoconversion géante est basé sur un traitement multiniveaux de plaquettes de silicium. Le nombre de ces niveaux dépend entre autres de l'état initial des plaquettes de silicium plus ou moins pré-conditionnées. Exemples ci-dessous de quelques étapes principales de procédés : Choix d'épaisseur de la plaquette de silicium : l'épaisseur doit être adaptée du point de vue mécanique à toute la suite des opérations technologiques. 10 Surface : les premières étapes de fabrication concernent la qualité de surface de la plaquette de silicium (RCA, purification microélectronique), polissage à froid de la surface de la plaquette de silicium pour le libérer d'oxyde natif. Oxydation sacrificielle : oxydation dite profonde (à 100 nanomètres), décapage de l'oxydation initiale (95 nanomètres), conservation d'une nanocouche comme 15 nanocouche de base (environ 5 nanomètres d'épaisseur) ou de la surface pure de silicium elle-même, prête pour un dépôt de P205 comme nanocouche-source de la diffusion de P. Diffusion de donneurs : diffusion à partir de la nanosource de P205, profil P, interface de jonction PN, excellentes caractéristiques géométriques de planéité. 20 Masques de protection : protection des surfaces entre des opérations technologiques successives. Implantation : implantation d'ions à travers des nanocouches de protection (environ 5 nanomètres d'épaisseur). Masques d' implantation : pour des amorphisations enterrées discontinues 25 correspondant à des motifs de sous-structures. Traitement thermique : dépôt adapté de l'énergie thermique pour moduler le matériau modifié. Conditionnement des SEGTONs et de la SEG-MATTER : épitaxie en phase solide avec calibration des sous-systèmes actifs. 30 Sous-structures enterrées : sous-structures actives insérées dans l'émetteur, l'architecture de convertisseur. Passivations électroniques : couches de passivation et protection électroniques. Surface arrière : profil B, accepteur de diffusion, BSF, profil B par implantation, passivation, miroir arrière, grille de contact Miroir arrière : miroir arrière de SiO2/Al sur la face arrière. Recuit et conditionnement de contact. Ensuite, sont présentés quelques exemples sélectionnés de l'ensemble du processus de fabrication selon des séquences originales d'opérations connues individuellement surtout 3067168 9 en microélectronique, qui doivent être paramétrées selon les spécificités du cycle de fabrication d'un dispositif photoconversion géante. 9. Exemples d'enchainement des opérations d'un cycle du process de 5 fabrication 9. 1 Plaquette de silicium pré dopé préférentiellement avec du bore * Plaquette de silicium monocristallin CZOCHRALSKI - CZ-Si ou à zone flottée FZ-Si. * Dopage au phosphore (P) préférentiellement de l'ordre de 1018 parcentimètre cube avec le 10 prédopage au bore (B) en concentration usuelle de l'ordre de 1015 parcentimètre cube. * Face avant et arrière nettoyées mais pas nécessairement polies. * Orientation cristalline . 9.2 Nettoyage 15 * Bain RCA dans une station de nettoyage chimique. * Nettoyage par une oxydation sacrificielle thermique à une température de 850°C pendant approximativement 2 heures menant à une couche sacrificielle de Si02 ayant une épaisseur allant de 50 à 100 nanomètres. 20 9.3 Oxydation thermique Dans un four à diffusion d'ions oxygène. 9.4 Formation d'un champ à la face arrière. * Par des implantations d'ions de bore avec une relativement faible énergie sous quelques 25 degrés d'angle de décalage par rapport à la verticale, pour éviter la canalisation d'ions. * La profondeur de pénétration provient de l'énergie prédictible qui a été déterminée par des simulations opérées par les logiciels comme SRIM/TRIM ; par exemple 25 keV à travers une couche SiO2 de 100 nanomètres de passivation, dose : 5 - 10 x 1014 par centimètre carré. 30 9.5 Formation de la face avant, diffusion dopante de type n * Décapage de la couche de passivation protectrice Si02. * Dépôt de la source surfacique de diffusion de phosphore, par exemple, couche de P205. ' 10 3067168 * Diffusion à une température dite basse ( , - épaisseur de la plaquette de silicium utilisée : environ 150 - 500 micromètres, * diamètre de la plaquette de silicium utilisée : 4, 6 ou 12 pouces, 20 * prédopage de type p : densité homogène de bore avec une densité d'environ Na - 1 - 5.1015 - cm2 - l'opération doit laisser la durée de vie des porteurs minoritaires maximale dans la base du convertisseur (en évitant l'activation d'impuretés involontaires et les défauts), * oxydation sacrificielle de 50 nanomètres à une température inférieure à 100°C, * première implantation (BSF) sur la face arrière avec du bore, à une densité de 1015 cm-2, 25 avec un profil de densité maximale au niveau de la surface/interface, sauf dans la zone d'alignement (utilisation du masque de la grille arrière métallique), * décapage du Si02 à partir de la face avant, en utilisant du tampon HF, sauf dans la zone d'alignement, * pré dépôt sur la face avant d'une source de phosphore pour réaliser un dopage de type n 30 par diffusion, * le profil de diffusion à basse température est déterminé de façon prédictive par un logiciel de simulation, par exemple : ATHENA (marque déposée), * deuxième implantation de phosphore sur la face avant, énergie : 50 - 180 keV, dose 8.1014 cm-2, sauf sur la zone d'alignement (par utilisation des masques d'implantation), 35 * cycle de traitement thermique déterminé de façon prédictive par un code de simulation, 3067168 ' 15 * décapage partiel par attaque chimique du Si02 de la face arrière respectant le motif des doigts de contact en utilisant un masque, * métallisation de la face arrière avec une couche de 1 micron d'aluminium, * décapage du motif d'alignement sur la face arrière (un masque pour l'alignement), 5 * décapage lent de la couche de Si02 sur la face avant en utilisant HF : 1120, * tri-couche de métallisation de la grille de la face avant : Ti/Pd/Ag, * décapage de la couche métallisée de la face supérieure dans la zone d'alignement (2 masques pour l'alignement), * alignement infra rouge, 10 * décapage de la couche métallisée de la face avant (masque de la grille de la face avant). 12. Procédé de production en petites séries de dispositifs de photoconversion géante - exemple A: implantation, amorphisation et dopage de type n à l'aide d'ions phosphore - un exemple de cycle avec des séquences non mutuellement exclusives 15 A. Implantation seulement Un exemple de solution du procédé fondé uniquement sur des implantations d'ions, caractérisé par les étapes suivantes : 20 1) Nettoyage RCA. 2) Oxydation thermique 1000 À. 3) Implantation n°1 : bore à travers la face arrière et l'oxyde thermique 1000 A. 4) Dépôt de résine sur la face arrière. 25 5) Photolithographie de la face arrière et figure de calibration (masque 1). 6) Amincissement de la face avant, jusqu'à 50 À. 7) Enlèvement de la protection résine sur la face arrière. 8) Masque d'implantation apposé sur une couche de polysilicium ayant une épaisseur de 0,2 micromètres. 30 9) Photolithographie de différents doigts avec différents espaces sur du polysilicium (100, 200 micromètres ayant une largeur identique pour tous de 500 micromètres (masque 6). 10) Implantation n°2 : implantation de phosphore amorphisant dans le canal 0. 180 keV 7.1014 At/cm2. 11) Enlèvement total du polysilicium. 306 7 16 8 16 12) Implantation n°3 avec un profil de surdopage, le phosphore est utilisé pour le canal de la face avant, avec les caractéristiques suivantes : 0,25 keV, 7.1014 At/cm2. 13) Traitement thermique post implantation. 14) Traitement de deux ensembles de plaquettes de silicium dans un mode de diffusion 5 parallèle « parfait ». 15) Protection intermédiaire de la face avant. 16) Décapage photolithographique du doigt de la grille sur la face arrière. 17) Décapage photolithographique du doigt d'attaque 1000 À de Si02. 18) Enlèvement de la résine de protection de la face avant. 10 19) Traitement total de la face arrière de la plaquette de silicium avec un dépôt d'aluminium de 2 micromètres. 20) Protection par résine de la face arrière. 21) Photolithographie du peigne de la face avant (masque 3). 22) Lithographie du peigne en décapage 50 À de Si02. 15 23) Enlèvement de la protection résine de la face arrière. 24) Décapage des contacts (masque 4) pour l'enlèvement. 25) Dépôt d'une couche double Ti/Au - 150 microns/1 micron. 26) Enlèvement par soulèvement (lift-off). 27) Dépôt de Si02 par CVD ou pulvérisation cathodique sur la face avant. 20 28) Protection de la face arrière par de la résine. 29) Décapage photolithographique de contact de la face avant (masque 5). 30) Décapage photolithographique sous oxyde du contact de la face avant. 31) Enlèvement de la résine de protection sur la face arrière. 32) Recuit des contacts sous atmosphère N2H2 pour une caractérisation en cours de 25 traitement. 33) Protection par de la résine sur la face avant pour la découpe. 34) Découpe de la cellule sur la plaquette de silicium en la collant sur du ruban adhésif bleu. 13. Procédé de production en petites séries de dispositifs de photoconversion géante - 30 exemple B: dopage de type n à l'aide de la diffusion phosphore, implantation, amorphisation à l'aide d'ions phosphore - un exemple de cycle avec des séquences non mutuellement exclusives B. Diffusion et implantation 3067168 17 Un exemple de solution du procédé fondé sur la diffusion et implantation d'ions, caractérisé par les étapes suivantes : 1) Nettoyage RCA. 5 2) Oxydation thermique 1000 A. 3) Implantation n°1 : bore sur la face arrière à travers la couche d'oxyde thermique de 1000 À. 4) Protection de la face arrière par de la résine. 5) Décapage lithographique de la zone active et de la figure de calibration de la face avant 10 (masque 1). 6) Enlèvement total du SiO2. 7) Enlèvement de la résine de protection sur la face avant. 8) Dépôt de l'oxyde P205 par source de diffusion et utilisation d'une couche de passivation 9) Diffusion P. 15 10) Amincissement de l'oxyde P sur la face avant. 11) Recuit du P diffusé. 12) Masque d'implantation dépôt d'une couche de polysilicium ayant une épaisseur de 0,2 micromètres. 13) Décapage photolithographique du polysilicium : plusieurs espacements des doigts 100, 20 200, 500 micromètres. Ils ont tous la même largeur de 500 nanomètres (masque 6). 14) Implantation amorphisante avec du phosphore sur la face avant dans un canal à 0 degrés d'angle avec 180 keV et 7.1014 At/cm2. 15) Enlèvement total du polysilicium. 16) Recuit après l'implantation. 25 14. Procédé de production en petites séries de dispositifs de photoconversion géante - exemple d'oxydation thermique L'oxydation thermique de la cellule GPC peut se faire dans un four d'oxydation, 30 exploité dans la microélectronique, atteignant 1000°C sous N2, 02, H2, HC1 et formant une couche d'oxyde de 0,5 à 1,6 uni d'épaisseur. 15. Procédé de production en petites séries de dispositifs de photoconversion géante - exemple de courant du faisceau d'ions 35 3067168 ' 18 Les caractéristiques d'implantation avec le spot focalisé nécessitent un courant de faisceau de 3 microampères à 2 milliampères, le voltage d'accélération s'étendant de 5 à 200 keV, jusqu'à 125 de masse atomique, avec la capacité de traiter des échantillons de plaquettes de silicium allant de 1 cm2 à 6 pouces de diamètre. 5 16. Procédé de production en petites séries de dispositifs de photoconversion géante - exemple de la création d'un champ de la face avant La création d'un champ électrostatique sur la face avant de la plaquette de silicium 10 pour fabriquer une cellule GPC peut se faire à l'aide d'implantation peu profonde d'ions phosphore (profondeur ) et la densité des SEGTONs, greffés sont autocontrôlées durant la fabrication, par la contrainte mécanique locale, (provenant de dilatations entre a-Si et c-Si), induites par, et résultant de, la recristallisation en cycles (épitaxie en phase solide) intervenant à des températures adaptées. Des expérimentations (rayons X, LEED) montrent que du côté de la phase cristalline (bien 10 visualisée par des techniques disponibles) l'épaisseur finale de la nanocouche SEG-MATTER est de l'ordre de 5 à 10 nanomètres. En gardant à l'esprit toutes les étapes individuelles, on a besoin d'un procédé de production pour les intégrer dans un seul et complet procédé de fabrication du type industriel. Comme résultat, les données principales relatives au SEG-MATTER concernent : 15 une profonde transformation locale des semi-conducteurs (préférablement c-Si) possible à échelle nanométrique qui conduit à un métamatériau en silicium dénommé SEGMATTER, ,-.20 - une densité importante (1020 cm-3) des SEGTONs dans le métamatériau avec une répartition homogène, 20 - composition uniforme et stabilisée des nanocouches de SEG-MATTER, quantité suffisante de l'ensemble des nanocouches de métamatériaux correspondant à l'intensité du flux incident de photons, position spatiale adaptée du système SEG-MATTER qui doit être proche de l'endroit où il y a l'absorption des photons énergétiques (optimisation spatiale) : 25 * proximité et/ou unité de la zone d'absorption et des zones de génération secondaire ; * surface maximale et optimisée d'exposition (formes et arrangements) pour des interactions de collisions avec des électrons chauds. La nanocouche de métamatériau est faite pour résister et persister à des traitements se faisant à des températures inhabituellement relativement élevées (450 - 550°C et 250 - 30 450°C) pour les bilacunes à cause du maintien des contraintes mécaniques locales. Cette caractéristique se différencie du fait bien connu de l'homme du métier que les bilacunes se recombinent à des températures inférieures à 250°C. Les problèmes les plus spécifiques concernent la concaténation des opérations se suivant consécutivement, car certaines s'excluent l'une l'autre. Par exemple, dans la présente 3067168 ' 22 invention les températures des processus successifs dans le cycle de fabrication, s'étagent impérativement des plus élevées vers les plus basses, en respectant chacune des étapes décrites précédemment. Des convertisseurs lumière-électricité contenant les sous-structures (continues ou 5 discontinues) dans l'émetteur ont été décrites auparavant. Un des plus importants éléments constituant la sous-région, sous-système et sous-structure dédiés, est un composant artificiel à nanoéchelle qui devrait être capable de compléter la conversion classique par de nouveaux mécanismes. Ceci peut être assuré par un matériau artificiel (SEG-MATTER), formé entre autre, à 10 partir de unités de construction bien définis, ayant une densité bien déterminée et localisée d'une façon bien définie dans le volume bien déterminé du convertisseur. Pour assurer la complète fonctionnalité de la conversion des SEGTONs et de la SEG-MATTER on doit remplir un nombre de conditions strictes. En général, la solution nécessite de bonnes séquences spécifiques d'opérations 15 connues, qui doivent être paramétrées d'après les données du processus et celles des constructeurs des machines La fabrication d'un dispositif GPC nécessite l'intégration d'une série d'opérations qui sont, d'une part bien connues dans la technologie photovoltaïque et microélectronique (opérations, procédures, machines) et d'autre part, ne peuvent pas être appliquées telles 20 quelles, à cause de leurs de conditions spécifiques provenant des grandes surfaces actives des dispositifs. La fabrication peut être entreprise sur des équipements existants grâce à quelques adaptations mineures. Pratiquement toutes les machines nécessaires et les outils ont été testés et sont normalement disponibles dans les laboratoires. La future fabrication à grande échelle 25 sera opérationnelle sur des machines de production dédiées, plus simples et notablement moins onéreuses. Par exemple, la structure d'un dispositif test contient une passivation électronique Si02 réalisée par une méthode de dépôt par vapeur sous faible pression. La couche de passivation a une épaisseur de 100 nanomètres. Le silicium cristallin dopé au phosphore, 30 présente une épaisseur égale ou plus faible de 170 nanomètres, l'épaisseur de la couche, fortement dopée de silicium amorphisé, a une épaisseur de 20 nanomètres, la jonction PN est à 1 micron sous la surface (cette donnée est peu contraignante). La couche amorphisée est gonflée en provoquant une contrainte mécanique provenant du désaccord du réseau cristallin et de l'amorphisation. 3067168 ' 23 Le contact de face arrière peut-être réalisé en aluminium et les électrodes de face avant peuvent être en argent ou en tri couche métallique. L'originalité principale de la technologie de fabrication inventée réside dans l'éventail des opérations spécifiques par rapport à la technologie habituelle des cellules Si et dans 5 l'organisation des étapes de fabrication. Les contraintes principales provenant du fait que les sous structures GPC ne peuvent pas être chauffées au-delà de 500°C. Une fois la couche de métamatériau fabriquée, pour créer la couche de passivation sans chauffer, il faut utiliser le dépôt chimique en phase vapeur, qui peut être réalisé à basse température (ce qui n'est pas le cas de l'oxydation thermique). Ainsi, la meilleure façon de 10 procéder est d'utiliser un compromis : procéder d'abord à une première oxydation thermique, - l'amincir ensuite la couche de SiO2 par un décapage jusqu'à 5 nanomètres, - créer la couche nanostructurée par implantation d'ions à faisceau large, - ajuster le système de nanocouches par un recuit à cycles, 15 - revenir à la passivation pour augmenter son épaisseur par dépôt chimique. Exemple : * matériau : silicium CZ ou FZ sous la forme de plaquettes avec une orientation cristallographique de , 20 * pré dopage de type p au bore de 1 à 5.1015 At par centimètre cube de densité homogène, * la durée de vie des porteurs minoritaires doit être aussi longue que possible (elle dépend de la qualité, surtout structurelle, du matériau initial), * diamètre et épaisseur de la plaquette de silicium : 4 pouces ou 6 pouces, 150 - 500 micromètres d'épaisseur, 25 * épaisseur de la couche d'oxydation sacrificielle initiale accrue à une température inférieure à 1000°C, * première implantation à la face arrière avec du bore : 1015 At/cm2, menant à un profil ayant un maximum à la surface sauf sur la zone d'alignement, * décapage du Si02 à partir de la face avant avec du tampon HF, sauf sur la zone 30 d'alignement, * pré dépôt d'une source de diffusion de phosphore sur la face avant, * diffusion avec un profil déterminé par la simulation préalable établie avec le logiciel, par exemple ATHENA, 3067168 - 24 * deuxième implantation sur la face avant du phosphore, énergie 180 keV dose 8x1014 At/cm2, sauf sur la zone d'alignement ; amorphisation « droite ». Cycle de traitement thermique 5 * décapage partiel du Si02 de la face arrière, en respectant les motifs des doigts de contact, * métallisation de la face arrière ; dépôt d'une couche Al de 1 jim, * décapage de la face arrière selon les motifs d'alignement (masque éventuel), * décapage lent du Si02 de la face avant avec HF:H20, * métallisation tri couche de la face avant : Ti/Pd/Ag, 10 * décapage du métal de la face selon le motif de la zone de contact. 20. Machines pouvant servir de référence pour mettre en oeuvre le procédé de production selon la présente invention 15 La liste figurant ci-après est un exemple non exhaustif Machine pour le décapage ionique réactif de la plaquette de silicium : des machines de décapage par plasma à couplage inductif par exemple la machine AVI21 TEC OMEGA 201 ayant une puissance inductive RF de 600W (13,56 MHz) une puissance de serrage RF 20 de 600W (13,56 MHZ), une température de traitement de 10 à 20 degrés Celsius et la possibilité d'utiliser les gaz suivants : SF6, CF4, 02, CHF3, AR avec le refroidissement de la face arrière du GPC par hélium ; - Equipement standard de photolithographie de production (masque courant d'ateliers en tant qu'instruments) nécessaire uniquement dans le cas d'un GPC avec sous-structures 25 discontinues. Le masque d'alignement constitue un exemple des instruments nécessaires ; - Implanteur d'ions pour le second traitement de la cellule GPC; Deuxième étape de recuit pour la cellule GPC : four identique à celui utilisé pour la première étape de recuit à variation rapide de température pilotable par ordinateur ; Machine de pulvérisation cathodique pour la métallisation des contacts arrière de la cellule 30 GPC, comme par exemple la UNIVEX 450C, le métal pouvant être de l'aluminium, la puissance RF ou DC et la limite de vide nécessaire étant de 1.10-7torr ; - Machine VARIAN 3 6 16 pour la métallisation des contacts avant avec du titane, du palladium ou de l'argent de la cellule GPC en utilisant un canon à électrons pour 3067168 - 25 , l'évaporation, de puissance 6 kW avec une pompe cryogénique, et un minimum de pression est 5.10-7 bar ; - Instrument pour la création d'une couche de protection de 100 nanomètres en Si02 pour la passivation de la cellule GPC par un four LPCVD tel que le LPCVD6 dont les 5 caractéristiques sont : température maximale 580 °C, longueur de la zone plateau 50 cm, gaz : N2, N-H3, Si1-14, Sill2C12, N20; Machine de pulvérisation cathodique de Si02 ou ITO sur la cellule GPC telle que l'ALCATEL 600 avec une pompe cryogénique et une source électrique RF ou DC et une pression de 10-7 ton; 10 - Machine pour le nettoyage fmal de la cellule GPC pour circuits de microélectronique ayant un contrôle atmosphérique de classe 100, des sécheurs à azote utilisant de l'eau débarrassée d'ions, une fonction de mesure de résistivité pour mesurer la qualité du séchage et du nettoyage entre les différents bains, les vapeurs étant extraites par le fond en haut du dispositif. 15 La présente invention n'est naturellement pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais couvre toutes les variantes ou alternatives ou changements qui peuvent être opérés ou les équivalents utilisés sans sortir de l'esprit et du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de production caractérisé en ce qu'elle consiste dans la transformation localisée à échelle nanoscopique du silicium cristallin en un arrangement optimal d'un matériau pour former un système SEG-MATTER cristallin autour des amorphisations enterrées, selon une distribution et une profondeur déterminées dans l'émetteur, de façon à améliorer l'efficacité de la conversion lumière-électricité, au moyen d'électrons chauds. 2. Procédé de production selon la revendication 1 d'un dispositif de photoconversion géante lumière-électricité tout en silicium présentant des sous-systèmes nanoscopiques conditionnés en arrangements spécifiques à l'intérieur du silicium cristallin, par des faisceaux d'énergie de préférence un faisceau d'ions, autour des amorphisations contrôlées, caractérisé par les étapes suivantes : A. Préparation du processus de fabrication; choix et état initial du matériau et de la structure semi-conductrice appropriés pour le traitement et l'ouvrage d'un dispositif de photoconversion géante * Plaquette de silicium monocristallin CZ-Si (ou zone flottante - FZ-Si) ou équivalent. 20 * Type-p dopé préférentiellement avec du bore (concentration usuelle 1015 par centimètre carré) * Face avant et arrière convenablement nettoyées, mais pas nécessairement polies * Orientation cristalline B. Nettoyage 25 * Bain RCA dans une station de nettoyage chimique Nettoyage électronique en utilisant une oxydation thermique sacrificielle pendant, à peu près, 2 heures, pour aboutir à une couche de SiO2 de 50 à 100 nanomètres. C. Oxydation thermique Dans un four, avec diffusion d'ions oxygène. 30 D. Formation de champ de surface (BSF) sur la face arrière par du bore, avec une implantation ionique de relativement faible énergie, avec un angle par rapport à la verticale, de quelques degrés, pour éviter la canalisation d'ions * implantation en profondeur prédictible par simulation * 25 keV à travers 100 nanomètres de Si02 de passivation 3067168 27 * dose 5.1014par centimètre carré E. Formation de la face avant - diffusion dopante de type n * décapage de la couche protectrice Si02 de passivation * dépôt de la source de diffusion de surface, par exemple une couche P205 5 * diffusion à basse température 3. Procédé de production en petites séries de dispositifs de photoconversion 25 géante selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'implantation d'ions s'effectue par une amorphisation droite. 4. Procédé de production en petites séries de dispositifs de photoconversion géante, selon la revendication 1 ou 2 , basé sur un traitement multi étapes de plaquettes 30 de silicium, le nombre d'étapes dépendant entre autres de l'état initial des plaquettes de silicium achetées caractérisé par les étapes principales suivantes de la fabrication : 3067168 29 Surface : la première étape concerne la qualité de surface de la plaquette de silicium (RCA, purification microélectronique), polissage à froid de la surface de la plaquette de silicium pour le libérer d'oxyde natif. Epaisseur de la plaquette de silicium : doit être adaptée à toute la suite des opérations 5 Oxydation sacrificielle : oxydation profonde (à 100 nanomètres) décapage de l'oxydation initiale (95 nanomètres) conservation d'une nanocouche comme nanocouche de base (environ 5 nanomètres d'épaisseur) ou de la surface pure de silicium elle-même, prête pour un dépôt de P205 par la source de nanocouche pour la diffusion de P. Masques de protection : surface protégée entre des opérations successives, implantation 10 de masques correspondant à des motifs de sous-structures. Surface arrière : profil B, accepteur de diffusion, BSF, profil B pour implantation, passivation, miroir arrière, grille de contact. Diffusion de donneurs : diffusion à partir de la nanosource de P205, profil P, interface de jonction PN, excellentes caractéristiques géométriques de planéité, couche 15 nanoscopique de base P2O5 d'environ 5 nm d'épaisseur. Sous-structures enterrées : sous-structures actives insérées dans l'émetteur, l'architecture de convertisseur. Implantation : implantation d'ions à travers la nanocouche de base (environ 5 nanomètres d'épaisseur). 20 Traitement thermique : dépôt adapté de l'énergie thermique pour moduler le matériau modifié. Conditionnement SEGTON et SEG-MATTER : est réalisé par épitaxie en phase solide avec calibration des sous-systèmes actifs. Miroir arrière : miroir arrière de Si02/A1 sur la face arrière. 25 Recuit de contact 5. Procédé de production d'un dispositif de photoconversion géante lumière- électricité, tout en silicium avec des systèmes nanoscopiques selon la revendication 1 ou 2 caractérisé par les étapes et propriétés suivantes : 30 * silicium utilisé : plaquette de silicium CZ ou FZ avec une orientation cristallographique épaisseur de la plaquette de silicium utilisée : environ 150 - 500 micromètres diamètre de la plaquette de silicium utilisée : 4 pouces, 6 pouces, ou plus .30 3067168 * prédopage de type p : densité homogène de bore avec une densité d'environ Na - 1 - 5.1015 par centimètre carré l'opération doit laisser la durée de vie maximale aux porteurs minoritaires dans la base du convertisseur (en évitant l'activation d'impuretés et les défauts) 5 * oxydation sacrificielle de 50 nanomètres à une température inférieure à 100 degrés Celsius * première implantation (BSF) sur la face arrière avec du bore, à une densité de 1015 par centimètre carré, avec un profil de densité maximale au niveau de la surface/interface, sauf dans la zone d'alignement (utilisation du masque de la grille 10 arrière métallique) * décapage du Si02 à partir de la face avant, en utilisant du tampon HF, sauf dans la zone d'alignement pré dépôt sur la face avant d'une source de phosphore pour réaliser un dopage de type n par diffusion 15 * le profil de diffusion à basse température est déterminé de façon prédictive par un logiciel de simulation : ATHENA * deuxième implantation de phosphore sur la face avant, énergie : 50 - 180 keV, dose 8.1014 par centimètre carré, sauf sur la zone d'alignement (par utilisation des masques d'implantation) 20 * cycle de traitement thermique déterminé de façon prédictive par un code de simulation * décapage partiel par attaque chimique du Si02 de la face arrière respectant le motif des doigts de contact en utilisant un masque * métallisation de la face arrière avec une couche de 1 micron d'aluminium 25 * décapage du motif d'alignement sur la face arrière (un masque pour l'alignement) * décapage lent de la couche de Si02 sur la face avant en utilisant HF: H20 tri couche de métallisation de la grille de la face avant : Ti/Pd/Ag * décapage de la couche métallisée de la face supérieure dans la zone d'alignement (2 masques pour l'alignement) 30 * alignement infra rouge * décapage de la couche métallisée de la face avant (masque de la grille de la face avant) 31 3067168 6. Procédé pour la production de cellules à photoconversion géante lumière-électricité selon la revendication 1 ou 2 caractérisé par les étapes suivantes : A. Implantation seulement 1) Nettoyage RCA 5 2) Oxydation thermique 1000 Â 3) Implantation n°1 : bore à travers la face arrière et l'oxyde thermique 1000 Â 4) Dépôt de résine sur la face arrière 5) Photolithographie de la face arrière et figure de calibration 6) Amincissement de la face avant, jusqu'à 50 Â 10 7) Enlèvement de la protection résine sur la face arrière 8) Masque d'implantation apposé sur une couche de polysilicium ayant une épaisseur de 0,2 micromètres 9) Photolithographie de différents doigts avec différents espaces sur du polysilicium (100, 200 micromètres) ayant une largeur identique pour tous de 500 15 micromètres 10) Implantation n°2 : implantation de phosphore amorphisant 180 keV 7.1014At/cm2 11) Enlèvement total du polysilicium 12) Implantation n°3 avec un profil de surdopage, le phosphore est utilisé pour la face avant, avec les caractéristiques suivantes : 0,25 keV, 7.1014 At/cm2 20 13) Traitement thermique post implantation 14) Traitement de deux ensembles de plaquettes de silicium dans un mode de diffusion parallèle « parfait » 15) Protection intermédiaire de la face avant 16) Décapage photolithographique du doigt de la grille sur la face arrière 25 17) Décapage photolithographique du doigt d'attaque 1000 Â de Si02 18) Enlèvement de la résine de protection de la face avant 19) Traitement total de la face arrière de la plaquette de silicium avec un dépôt d'aluminium de 2 micromètres 20) Protection par résine de la face arrière 30 21) Photolithographie du peigne de la face avant 22) Lithographie du peigne en décapage 50 Â de SiO2 23) Enlèvement de la protection résine de la face arrière 24) Décapage des contacts pour l'enlèvement 32 3067168 25) Dépôt d'une couche double Ti/Au - 150 microns/1 micron 26) Enlèvement par soulèvement (lift off) 27) Dépôt de SiO2 par CVD ou pulvérisation cathodique sur la face avant 28) Protection de la face arrière par de la résine 5 29) Décapage photolithographique de contact de la face avant 30) Décapage photolithographique sous oxyde du contact de la face avant 31) Enlèvement de la résine de protection sur la face arrière 32) Recuit des contacts sous atmosphère N2H2 pour une caractérisation en cours de traitement. 10 33) Protection par de la résine sur la face avant pour la découpe 34) Découpe de la cellule sur la plaquette de silicium en la collant sur du ruban adhésif bleu B. Diffusion et implantation 1) Nettoyage RCA 15 2) Oxydation thermique 1000 Â 3) Implantation n°1 : bore sur la face arrière à travers la couche d'oxyde thermique de 1000 Â 4) Protection de la face arrière par de la résine 5) Décapage lithographique de la zone active et de la figure de calibration de la face 20 avant 6) Enlèvement total du Si02 7) Enlèvement de la résine de protection sur la face avant 8) Dépôt de l'oxyde P205 par source de diffusion et utilisation d'une couche de passivation 25 9) Diffusion P 10) Amincissement de l'oxyde P sur la face avant 11) Recuit du P diffusé 12) Masque d'implantation dépôt d'une couche de polysilicium ayant une épaisseur de 0,2 micromètres 30 13) Décapage photolithographique du polysilicium : plusieurs espacements des doigts 100, 200, 500 micromètres. Ils ont tous la même largeur de 500 nanomètres 14) Implantation amorphisante avec du phosphore sur la face avant avec 180 keV et 7.1014At/cm2 3067168 33 15) Enlèvement total du polysilicium 16) Recuit après l'implantation 5 7. Procédé de production selon la revendication 2, caractérisé par une oxydation thermique de la cellule GPC dans un four d'oxydation, réalisé pour la microélectronique, atteignant 1000°C sous Nz, Oz, Hz, HC1 sous forme gazeuse et une couche d'oxyde allant de 0,5 à 1,6 micron en épaisseur. 10 8. Procédé de production selon la revendication 2, caractérisé par la formation d'un champ de face arrière (BSF) et dans le cas de la cellule GPC avec un implanteur d'ions du bore. 9. Procédé de production selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les 15 caractéristiques d'implantation nécessitent un courant de faisceau de 3 microampères à 2 milliampères ou plus, le voltage d'accélération s'étendant de 5 à 200 keV, jusqu'à 125 de masse atomique, avec la capacité de traiter des échantillons de plaquettes de silicium allant de 1 cm2 à 6 ou plus pouces de diamètre. 20 10. Procédé de production selon la revendication 3, caractérisé par la création d'un champ sur la face avant (FSF) de la plaquette de silicium GPC par implantation d'ions, grâce à un implanteur d'ions phosphore. 11. Procédé de production selon la revendication 2, caractérisé par un décapage 25 par ions réactifs (RIE) d'une plaquette de silicium GPC avec un plasma à couplage inductif, en utilisant une machine appropriée, par exemple, AVI 21 TEC OMEGA 101, ayant une puissance d'induction RF de 600W à 13,56 MHZ, une puissance RF de serrage de 600 W et une température de traitement de 10 à 20 degrés Celsius, avec la possibilité d'utiliser un des gaz suivants SF6, CF4, Oz, CHF3, Ar, avec un refroidissement de la partie 30 arrière de la plaquette de silicium par de l'hélium. 34 3067168 12. Procédé de production selon les revendications 2 et 6, caractérisé par un deuxième traitement de la cellule GPC pour une deuxième implantation, avec le même implanteur d'ions. 5 13. Procédé de production selon la revendication 2, caractérisé par une métallisation des contacts de la face arrière, en utilisant une machine de pulvérisation cathodique, par exemple, telle que l'UNIVEX 450 C, avec l'aluminium, une puissance RF ou DC et une limite de vide de 1.10-' torr. 10 14. Procédé de production selon la revendication 2, caractérisé par la création d'une couche de protection de 100 nanomètres d'épaisseur, réalisée en Si 02 pour la passivation électrique de la cellule GPC, en utilisant un four LPCVD comme, par exemple, le LPCVD 6, ayant les caractéristiques suivantes : température maximale 580°C, dimension de la zone active 50 centimètres, gaz N2, NH3, S1H4, SiH2C12, N20. 15 15. Procédé de production selon la revendication 2, caractérisé par un nettoyage final de la cellule GPC à l'aide d'un nettoyeur de classe 100, pour le contrôle atmosphérique, dédié habituellement au nettoyage des circuits microélectroniques, un séchage à sécheur à azote utilisant de l'eau sans ions, et une fonction de mesure par 20 résistivité de la qualité du séchage et du nettoyage après les bains, les vapeurs étant extraites par le fond en haut du dispositif. 16. Procédé de production selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier recuit de la cellule GPC est à environ 500°C et en ce que la seconde opération de 25 recuit est un cycle de traitement thermique avec des étapes de chauffage et de refroidissement comme décrit précédemment, réalisé avec le même four que celui utilisé pour l'étape de premier recuit. 17. Procédé de production selon la revendication 2, caractérisé par le dépôt d'une 30 couche de protection de Si02 de 100 nanomètres pour la passivation électronique de la cellule GPC, la couche étant déposée par LPCVD à une température inférieure à 350°C, les gaz N2, NH3, SiH2C12, N20 pouvant être utilisés. 3067168 18. Convertisseur lumière-électricité tel que résultant du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 19. Cellule photovoltaïque à photoconversion géante telle que résultant du 5 procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes.