INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE â INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE TOULOUSE â LABORATOIRE D'ANALYSE ET D'ARCHITECTURE DES SYSTEMES â UNIVERSITE PAUL SABATIER
A T E L I E R I N T E R U N I V E R S I T A I R E D E M I C R O - N A N O - Ă L E C T R O N I Q U E
P ĂŽ l e C N F M d e T O U L O U S E
AIME â Campus INSA â 135 Avenue de Rangueil â 31077 TOULOUSE Cedex 4 â France TĂ©l.: +33 (0) 5.61.55.98.72 â Fax.: +33 (0) 5.61.55.98.70 â http://www.aime-toulouse.fr/
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Sommaire
CONSIGNES DâĂVACUATION ....................................................................................................... 3
CONSIGNES DE SĂCURITĂ ............................................................................................................ 4
DIRECTIVES DE MANIPULATION .................................................................................................. 4
PROCĂDURE DâENTRĂE EN SALLE BLANCHE ................................................................................. 5
FICHE DE PROCESS ...................................................................................................................... 6
I- CARACTERISATION DU SUBSTRAT : ............................................................................................... 6 II- OXYDATION DE MASQUAGE : ....................................................................................................... 6
1- Nettoyage avant oxydation : .................................................................................................. 6 2- Oxydation thermique humide : ............................................................................................... 7
III- PHOTOGRAVURE N° 1 (OUVERTURE POUR LA DIFFUSION DE LA CATHODE) : ............................ 7 1- Photolithographie : ................................................................................................................. 8 2- Protection face arriÚre : .......................................................................................................... 8
3- Gravure de l'oxyde de masquage ........................................................................................... 9 IV- DIFFUSION DE LA CATHODE : .................................................................................................... 11 V. DĂSOXYDATION DES FENĂTRES DE DIFFUSION : ........................................................................ 12 VI. MĂTALLISATION FACE AVANT : ................................................................................................. 13
- Pour lâĂ©vaporation thermique : .............................................................................................. 13 - Pour la pulvĂ©risation cathodique : .......................................................................................... 13
VII. PHOTOGRAVURE N°2 (GRAVURE MĂTAL) : ............................................................................. 14 VIII. MĂTALLISATION FACE ARRIĂRE : ............................................................................................. 15
- Pour lâĂ©vaporation thermique : .............................................................................................. 15 - Pour la pulvĂ©risation cathodique : .......................................................................................... 15
IX. ASSEMBLAGE : ........................................................................................................................... 16 1- DĂ©coupe ................................................................................................................................. 16 2- Montage ................................................................................................................................ 16 3- Micro-soudure ....................................................................................................................... 16
VUES EN COUPE DES DIFFĂRENTES ĂTAPES DU PROCESS ........................................................... 17
FICHE DE CARACTERISATION MATERIAU ................................................................................... 18
CARACTERISATION ELECTRIQUE DES CELLULES SOLAIRES .......................................................... 19
LES MASQUES DE LUMELEC ...................................................................................................... 29 1- Les niveaux ............................................................................................................................ 29 2- Les marques dâalignement .................................................................................................... 30 3- Les zones de test .................................................................................................................... 30
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CONSIGNES DâĂVACUATION
Consignes destinées aux enseignants
RAPPEL : chaque enseignant est responsable de l'Ă©vacuation dans l'ordre et le calme de tous les Ă©tudiants qu'il a en charge au moment de l'alerte.
âș EN SALLES BLANCHES N°1 ET N°3 :
Ăvacuer lâensemble des personnes prĂ©sentes par les issues de secours qui donnent directement dans le hall d'entrĂ©e.
Ne pas repasser par le SAS, ne pas se déshabiller.
âș EN SALLES BLANCHES N°2 ET N°4 :
Ăvacuer les Ă©tudiants par lâissue de secours qui donne en galerie d'observation puis sur la pelouse arriĂšre.
Rassembler tous les Ă©tudiants devant lâentrĂ©e de lâA.I.M.E.
Effectuer un recensement.
Ne pas rĂ©intĂ©grer les locaux sans lâavis des pompiers ou du directeur (ou du responsable technique prĂ©sent).
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CONSIGNES DE SĂCURITĂ REPEREZ LES EQUIPEMENTS DE SECURITE : - issues de secours - douches de sĂ©curitĂ© - extincteurs - Ă©quipements respiratoires autonomes LE PORT DES LUNETTES DE PROTECTION EST OBLIGATOIRE POUR : - nettoyages chimiques (R.C.A.1 et H2SO4 - H2O2) - toute attaque humide IL EST INTERDIT AUX STAGIAIRES DE TRANSPORTER LES PRODUITS CHIMIQUES D'UN POSTE DE TRAVAIL Ă UN AUTRE. GARDEZ PRĂSENT Ă L'ESPRIT QUE : - le port des gants est obligatoire mais ils ne constituent pas une protection
suffisante contre les hautes températures ou les produits corrosifs - certains bains dégagent des vapeurs nocives, normalement aspirées par les
hottes Ă flux laminaire - les couvre-chaussures rendent parfois le sol trĂšs glissant.
DIRECTIVES DE MANIPULATION Attention : les boĂźtes de plaquettes s'ouvrent en tournant le couvercle dans le sens des aiguilles d'une montre. Pour prendre une plaquette avec la pince : - profiter du mĂ©plat dans le cas oĂč la plaquette est dans la boĂźte - pincer Ă au moins 5 mm du bord de la plaquette pour rĂ©duire le risque de
rupture - si la plaquette est sur une surface plane, la faire glisser jusqu'au bord pour la
saisir plus facilement. Toute plaquette sortant d'un traitement humide doit subir Ă la fin un rinçage Ă l'eau D.I. et un sĂ©chage mĂ©canique avant d'ĂȘtre rangĂ©e dans sa boĂźte. Un bon rinçage doit inclure un changement de pince, il faut avoir une seconde pince disponible et propre. Les becs des pinces ne doivent pas ĂȘtre essuyĂ©s (ni sur la blouse, ni sur du papier), ils doivent ĂȘtre rincĂ©s Ă l'eau D.I. et sĂ©chĂ©s Ă l'azote. La fonction des gants est de protĂ©ger les composants contre la contamination. Il faut aussi Ă©viter de contaminer les gants. Le plastique des boĂźtes ne supporte pas la tempĂ©rature des plaquettes sortant juste d'un four : laisser celles-ci refroidir environ 20 secondes Ă l'air libre. Le papier est une source de contamination, faites-en l'usage minimum.
1 RCA : Radio Corporation of America
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PROCĂDURE DâENTRĂE EN SALLE BLANCHE Laisser les vĂȘtements de ville et les sacs dans les casiers de l'espace Ă©tudiant, verrouillables par monnayeur.
âș ENTRĂE EN SALLE BLANCHE Blouse : - blanche : personnel permanent - bleue : stagiaire - verte : visiteur Couvre-chaussures : - mis Ă disposition dans le meuble bas Ă couvercles mĂ©talliques - Ă chausser en plaçant la couture Ă l'intĂ©rieur
- ne poser le pied dans la partie propre du sas qu'une fois chaussé.
Charlottes : mises Ă disposition dans le distributeur mural. Gants latex : 2 tailles mises Ă disposition dans 2 distributeurs muraux.
(en cas dâallergie au latex, des gants nitrile peuvent ĂȘtre fournis).
âș SORTIE DE LA SALLE BLANCHE Blouse : Ă suspendre au cintre numĂ©rotĂ© correspondant Ă chaque
binĂŽme Couvre-chaussures : Ă jeter Ă la poubelle Charlottes : Ă garder dans la manche de la blouse Gants latex : Ă jeter Ă la poubelle
âș RECOMMANDATIONS Veiller Ă ne pas entrer dans le sas avec des chaussures de ville boueuses ou mouillĂ©es (utiliser le paillasson Ă l'entrĂ©e de l'AIME). Limiter le nombre d'objets et de documents qui entrent en salle blanche (crayon Ă mine carbone proscrit).
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FICHE DE PROCESS
Remarque prĂ©liminaire : Pendant toute la durĂ©e du process, le contrĂŽle de la qualitĂ© de chaque Ă©tape doit ĂȘtre un souci permanent si lâon veut aboutir Ă un composant final en Ă©tat de marche, ainsi quâĂ un bon rendement sur lâensemble de la plaquette. Dans ce but, on utilisera, en parallĂšle avec la plaquette « composants », une plaquette « tĂ©moin » qui permettra de caractĂ©riser avec prĂ©cision chaque Ă©tape rĂ©alisĂ©e avant de passer Ă la suivante. I- CARACTERISATION DU SUBSTRAT :
Le substrat utilisĂ© est du silicium de type P (dopĂ© Bore), d'orientation <100>, dont vous devrez dans un premier temps dĂ©terminer les caractĂ©ristiques indiquĂ©es ci-dessous et les reporter sur la fiche de caractĂ©risation (p.19) Ces mesures se font sur les plaquettes nâayant subi aucun traitement.
Opérations Valeurs des paramÚtres
⥠1°) Mesure épaisseur wafer e = ”m
⥠2°) Mesure « 4 pointes » V/I = Ω
⥠3°) Calcul résistance/carré R = Ω/
⥠4°) Calcul rĂ©sistivitĂ© Ïs = Ω.cm
⥠5°) Concentration dopant NA = at.cm-3
II- OXYDATION DE MASQUAGE :
Cette Ă©tape est gĂ©nĂ©ralement rĂ©alisĂ©e par le personnel de lâAIME. Elle consiste Ă nettoyer la surface de la plaquette pour rĂ©aliser une oxydation thermique permettant de former un oxyde SiO2 Ă©pais. Cet oxyde dit « oxyde de masquage » protĂšge lâensemble de la plaquette. Par photogravure on ouvre les diffĂ©rentes « fenĂȘtres » nĂ©cessaires aux Ă©tapes ultĂ©rieures du process (oxydation mince, ouvertures de contact,âŠ).
1- Nettoyage avant oxydation :
Opérations Conditions
⥠1°) Dégraissage Acétone, eau DI
⥠2°) Oxydation chimique H2SO4 + H2O2 (1 / 1) â 2 min
⥠3°) Rinçage Eau DI
⥠4°) Attaque SiO2 HF dilué - 30 s
⥠5°) Rinçage Eau DI
⥠6°) Séchage Tournette de séchage
⥠7°) Lavage - sĂ©chage Laveur-sĂ©cheur â 4 min
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2- Oxydation thermique humide : Cette opération s'effectue en cinq étapes dans le four N° 2-2
Température Temps Débit
⥠de 600 à 1100 °C 20 min N2 = 1 l/min
⥠1100 °C 35 min H2 = 2,7 l/min - O2 = 1,5 l/min
⥠1100 °C 30 min O2 = 2,2 l/min
⥠1100 °C 10 min Ar = 1,5 l/min
⥠de 1100 à 600 °C 60 min N2 = 1 l/min
A la fin de cette Ă©tape dâoxydation, vous rĂ©cupĂšrerez deux plaquettes : - une plaquette dite « composant » oĂč seront rĂ©alisĂ©es les cellules photovoltaĂŻques - une plaquette dite « tĂ©moin » servant Ă caractĂ©riser les principales Ă©tapes du process.
III- PHOTOGRAVURE n° 1 (OUVERTURE POUR LA DIFFUSION DE LA CATHODE):
Cette Ă©tape est destinĂ©e Ă graver lâoxyde de masquage prĂ©cĂ©demment formĂ© sur la face avant de la plaquette composant. Elle se dĂ©roule en deux phases successives : une premiĂšre opĂ©ration dite de photolithographie au cours de laquelle une rĂ©sine est dĂ©posĂ©e puis dĂ©veloppĂ©e aprĂšs insolation Ă travers le masque n°1. A ceci sâajoute une Ă©tape intermĂ©diaire de protection de la face arriĂšre et enfin une Ă©tape dite de gravure humide (wet-etching en anglais) du SiO2. Les opĂ©rations nĂ©cessaires Ă ces diffĂ©rentes Ă©tapes sont dĂ©crites ci-dessous :
Silicium P
SiO2 oxyde de masquage
SiO2
Silicium P
SiO2 oxyde de masquage
SiO2
Plaquette composant Plaquette témoin
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1- Photolithographie :
Opérations Conditions
⥠1°) SĂ©chage Plaque chauffante 120 °C â 2 min
⥠2°) DĂ©pĂŽt promoteur dâadhĂ©rence HMDS, tournette (4000 tr/min - 30s)
⥠3°) DépÎt résine (cf. fig *) Microposit S1813 (4000 tr/min - 30s)
⥠4°) 1Ăšre cuisson Plaque chauffante 100 °C â 1 min
⥠5°) Alignement - Insolation Masque n°1 â 4 s
⥠6°) DĂ©veloppement (cf. fig **) Bain Ă 20 °C â 30 s
⥠7°) Rinçage Eau DI
⥠8°) Séchage Tournette de séchage
⥠9°) Observation Microscope optique
⥠10°) 2Ăšme cuisson Plaque chauffante 120 °C â 45 s
2- Protection face arriĂšre : A cette Ă©tape du process, la protection de la face arriĂšre est nĂ©cessaire afin de prĂ©server la couche dâoxyde Ă©paisse qui Ă©vitera la formation de jonctions parasites sur la face arriĂšre lors de lâĂ©tape de diffusion. Cette protection est assurĂ©e par un film adhĂ©sif, rĂ©sistant aux attaques acides et aux solvants, et retirĂ© aprĂšs exposition aux UV.
Opérations Conditions
⥠11°) Protection face AR Film « UV »
Silicium P
SiO2
RĂ©sine
SiO2
AprĂšs protection face arriĂšre
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3- Gravure de l'oxyde de masquage : Attention : afin de gagner du temps, nous vous proposons de sauter les Ă©tapes suivantes n°1 Ă n°6 qui ne sont pas obligatoires et ainsi de graver lâoxyde de masquage directement sur la plaquette composant (Ă©tape n°11). Vous vĂ©rifierez sur la zone de test situĂ©e prĂšs du mĂ©plat le caractĂšre hydrophile/hydrophobe (le temps de gravure Ă©tant gĂ©nĂ©ralement compris entre 5 et 10mn). Le but de cette Ă©tape est de graver, Ă travers le masque de rĂ©sine, lâoxyde de masquage et de dĂ©limiter ainsi des rĂ©gions de la plaquette oĂč apparaĂźt le silicium Ă nu. Ces rĂ©gions sont appelĂ©es « fenĂȘtres de diffusion » car câest Ă travers elles quâaura lieu la diffusion du dopant, lâoxyde de masquage faisant ailleurs office de barriĂšre Ă la diffusion. Cette gravure est une gravure dite humide qui sâeffectue par immersion de la plaquette dans une solution acide appropriĂ©e. Cette solution gravera sĂ©lectivement lâoxyde vis Ă vis du silicium. Il est important de connaĂźtre le temps dâattaque du bain employĂ© car celui-ci peut varier dâun bain Ă un autre ou encore selon la tempĂ©rature et lâĂąge de la solution. La dĂ©termination de cette vitesse, et donc du temps dâattaque Ă employer, sâeffectuera sur la plaquette tĂ©moin Ă lâaide des opĂ©rations suivantes :
Opérations
⥠1°) Appliquer le film UV sur la moitié droite du témoin (méplat vers le bas)
⥠2°) Plonger le tĂ©moin dans le buffer HF en dĂ©terminant le temps dâattaque t1
de lâoxyde Ă©pais
⥠3°) Enlever le film UV (en plaçant le témoin 4mn sous la lampe UV)
Nota : 1 - Toute solution aqueuse glisse sur le Si tandis quâelle mouille sur le SiO2. Lâattaque sera donc terminĂ©e lorsquâon constatera visuellement que le HF ne tient plus sur la plaquette. 2 â Comment appliquer le film UV :
- Découper une portion de film légÚrement plus grande que la surface à couvrir - Enlever la pellicule protégeant la face collante et appliquer le film sur la surface
en veillant surtout Ă ce quâil adhĂšre parfaitement aux bords de la surface Ă couvrir - AprĂšs lâĂ©tape de gravure humide, placez le morceau de wafer pendant environ
4mn sous la lampe UV afin de dégrader la colle, et soulevez ensuite le film qui ne doit pratiquement plus opposer de résistance.
Silicium P
SiO 2 oxyde de masquage
SiO 2
Silicium P
SiO 2
Silicium P
SiO 2 oxyde de masquage e m SiO 2
I. découpe II. Film UV
Film UV
MĂ©plat
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⥠4°) Couper au « scribing » deux bandes dâenviron 1 cm parallĂšlement au mĂ©plat et Ă lâopposĂ© de celui-ci
⥠5°) Confirmer et affiner la prĂ©cision sur le temps t1 en effectuant la mĂȘme opĂ©ration que lâopĂ©ration 2°) sur une des deux bandes dĂ©coupĂ©es. Vous utiliserez alors ce temps pour la plaquette composant.
⥠6°) Conserver lâautre bande comme bande tĂ©moin
Attention : il faudra veiller Ă utiliser lors de lâattaque de la plaquette composant le mĂȘme buffer que celui qui a permis dâĂ©valuer le temps dâattaque sur la plaquette tĂ©moin.
Opérations Conditions
⥠11°) Gravure SiO2 Buffer HF (sur plaquette composant pendant t1 dâaprĂšs tĂ©moin)
⥠12°) Rinçage Eau DI
⥠13°) Séchage Tournette de séchage
⥠14°) ContrÎle gravure Microscope optique
⥠15°) Détachement Film UV 4 min sous UV face arriÚre
⥠16°) Dissolution résine Acétone, eau DI (Plaquette & Témoin)
⥠17°) Nettoyage H2SO4+H2O2 (1 :1) - 2 min
⥠18°) Rinçage Eau DI
⥠19°) Séchage Tournette de séchage
LâĂ©paisseur de lâoxyde de masquage initial (em) sera mesurĂ©e sur la plaquette tĂ©moin Ă lâaide du profilomĂštre (TENCOR) et de lâellipsomĂštre, et sera reportĂ©e sur la fiche de caractĂ©risation (p.19). A ce stade du process, le profil en coupe de la plaquette « composant » est le suivant :
Nota : A cette Ă©tape, les parties dâoxyde de masquage restantes sur les bords de la fenĂȘtre retiennent le liquide HF par un simple effet gĂ©omĂ©trique. La transition hydrophile/hydrophobe est donc difficile Ă observer. Nous vous conseillons donc de vĂ©rifier la gravure en immergeant la zone de test situĂ©e prĂšs du mĂ©plat et ainsi observer le caractĂšre hydrophobe de la surface.
Silicium P
SiO2
SiO2
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IV- DIFFUSION DE LA CATHODE :
Nous allons maintenant aborder la fabrication de la jonction PN de la cellule photovoltaĂŻque. Rappel : dans notre procĂ©dĂ©, la plaquette (ou le substrat de silicium) est de type P (les trous sont les porteurs majoritaires) et constitue lâanode de la diode. La cathode sera donc de type N (les Ă©lectrons sont les porteurs majoritaires) et sera obtenue par diffusion dâun dopant de type donneur, comme le phosphore dans notre cas. Nota : La grosse partie de la plaquette tĂ©moin issue de lâĂ©tape 3) subira elle aussi cette diffusion. En rĂ©sumĂ©, cette Ă©tape permet de diffuser une zone dopĂ©e N dans le silicium de dĂ©part dopĂ© P.
La diffusion sâeffectue dans le four n°1-1. Elle consiste Ă placer, Ă haute tempĂ©rature, les tranches de silicium dans un tube balayĂ© par : - un gaz neutre N2, - de lâoxygĂšne, - un composĂ© gazeux contenant lâĂ©lĂ©ment dopant, ici du POCl3. On rĂ©alise donc la diffusion des impuretĂ©s de type N (phosphore) au voisinage de la surface du silicium:
Température Temps Débit
⥠1050 °C 5 min N2 = 2 l/min - O2 = 0,1 l/min
⥠1050 °C 10 min N2 = 2 l/min - O2 = 0,1 l/min POCl3 = 5 mg/min
⥠1050 °C 5 min N2 = 2 l/min - O2 = 0,1 l/min
A haute tempĂ©rature, lâoxygĂšne rĂ©agit avec la surface du silicium pour former un oxyde dopĂ© (« verre ») qui sert de source Ă la diffusion.
Silicium P
SiO2
SiO2
Oxyde dopé phosphore
Pré-dépÎt
Si N
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V. DĂSOXYDATION DES FENĂTRES DE DIFFUSION :
Afin de prendre les contacts de cathode en face avant, on attaquera lâoxyde de prĂ©-dĂ©pĂŽt de maniĂšre Ă revenir au niveau de la surface de silicium dans les fenĂȘtres de diffusion. Il faudra donc auparavant mesurer le temps dâattaque t2 nĂ©cessaire Ă cette gravure sur la partie gauche de la plaquette tĂ©moin. On effectuera en rĂ©alitĂ© une lĂ©gĂšre sur-gravure pour ĂȘtre sĂ»r dâĂ©liminer tout lâoxyde et dâobtenir ainsi des contacts de bonne qualitĂ©.
* ETAPE DE CARACTERISATION DU MATERIAU (valeurs Ă reporter dans la FICHE DE CARACTERISATION MATERIAU â p.19 ) : - les Ă©paisseurs dâoxydes eâm et er seront mesurĂ©es sur cette plaquette tĂ©moin Ă lâaide du profilomĂštre (TENCOR) et de l'ellipsomĂštre, - la concentration en phosphore de la zone diffusĂ©e sera dĂ©duite de la profondeur de jonction xj et du rapport V/I obtenus Ă partir de mesures effectuĂ©es sur la partie gauche du tĂ©moin, - la concentration en bore du substrat de dĂ©part sera dĂ©duite des mesures effectuĂ©es soit sur la bande dĂ©soxydĂ©e de la plaquette tĂ©moin de lâĂ©tape 3), soit sur la partie droite de cette plaquette tĂ©moin.
Opérations Conditions
⥠1°) Gravure SiO2 Buffer HF (temps t2 dâaprĂšs tĂ©moin)
⥠2°) Rinçage Eau DI
⥠3°) Séchage Tournette de séchage
⥠4°) ContrÎle gravure Microscope optique
Silicium P
SiO2
Si N
Silicium P
SiO2
Si N
eâmer
Ox. masquage
(b)
Silicium P
SiO2
SiO2
Si N
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VI. MĂTALLISATION FACE AVANT :
Cette opĂ©ration consiste Ă dĂ©poser sur la face avant de la plaquette une couche dâaluminium de 5000Ă environ, obtenue par pulvĂ©risation cathodique ou par Ă©vaporation thermique. Dans les deux cas, il est nĂ©cessaire dâavoir un vide suffisant dans lâenceinte de dĂ©pĂŽt pour garantir la puretĂ© de la couche mĂ©tallique. Il faudra noter les paramĂštres du dĂ©pĂŽt dans l'un ou l'autre des tableaux suivants :
- pour lâĂ©vaporation thermique :
Opérations Conditions
⥠1°) Dégazage T(subst.) = °C Temps = min
⥠2°) DépÎt Pression avant dépÎt = mbar Pression pendant dépÎt = mbar
- pour la pulvérisation cathodique :
Opérations Conditions
⥠1°) DépÎt
Pression avant dépÎt = mbar Pression pendant dépÎt = mbar Puissance RF = W Distance cible-substrat = mm Temps de dépÎt = min
Silicium P
SiO2
SiO2
Si N
Al
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VII. PHOTOGRAVURE N°2 (GRAVURE MĂTAL) :
Le deuxiĂšme niveau de masque a pour but de venir protĂ©ger les rĂ©gions du composant oĂč lâon souhaite conserver le dĂ©pĂŽt dâaluminium (sur la cathode). Les conditions de la photolithographie sont rĂ©sumĂ©es ci-dessous :
Opérations Conditions
⥠1°) HomogĂ©nĂ©iser le bain dâattaque Al*
Mettre le bain dâattaque dans les ultra-sons
⥠2°) SĂ©chage Plaque chauffante 120 °C â 2 min
⥠3°) DĂ©pĂŽt rĂ©sine Microposit S1813 (4000 tr/min â 30 s)
⥠4°) 1Úre cuisson Plaque chauffante 100°C - 1min
⥠5°) Alignement - Insolation Masque n°2 â 4 s
⥠6°) Développement Bain à 20°C- 30s
⥠7°) Rinçage Eau DI
⥠8°) Séchage Tournette de séchage
⥠9°) Observation Microscope optique
⥠10°) 2Úme cuisson Plaque chauffante 120°C - 45s
* Le bain dâattaque de lâaluminium doit ĂȘtre parfaitement homogĂšne pour son utilisation Ă lâĂ©tape 11. Dans ce but, on le plongera dans le bac Ă ultra-sons avant de commencer le dĂ©pĂŽt de la rĂ©sine (Ă©tape 2 du tableau ci-dessus).
La procédure à suivre pour la gravure métal est la suivante :
Opérations Conditions
⥠11°) Gravure Aluminium** H3PO4+HNO3+H2O - contrÎle visuel
⥠12°) Rinçage Eau DI
⥠13°) Séchage Tournette de séchage
⥠14°) ContrÎle Gravure Microscope optique
⥠15°) Protection face AV Film UV
⥠16°) Désoxydation face AR Buffer HF
⥠17°) Détachement Film UV Lampe UV 5 mn
⥠18°) Dissolution résine Acétone, eau DI
⥠19°) Séchage Tournette de séchage
Silicium P
SiO2
SiO2
Si N
RĂ©sine
Al
AprÚs le dépÎt de la résine AprÚs le développement de la résine
Silicium P
SiO2
SiO2
Si N
AlRĂ©sine
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** Lâattaque de lâaluminium sera poursuivie pendant 20 ou 30 secondes au-delĂ de lâinstant oĂč tous les motifs de la tranche seront apparus.
VIII. MĂTALLISATION FACE ARRIĂRE :
Cette opĂ©ration consiste Ă dĂ©poser sur la face arriĂšre de la plaquette composant une couche dâaluminium pleine plaque afin de pouvoir rĂ©cupĂ©rer le contact de la zone P (anode). Cette couche sera obtenue par pulvĂ©risation cathodique ou par Ă©vaporation thermique. Dans les deux cas, il est nĂ©cessaire dâavoir un vide suffisant dans lâenceinte de dĂ©pĂŽt pour garantir la puretĂ© de la couche mĂ©tallique. Il faudra noter les paramĂštres du dĂ©pĂŽt dans l'un ou l'autre des tableaux suivants :
- pour lâĂ©vaporation thermique :
Opérations Conditions
⥠1°) Dégazage T(subst.) = °C Temps = min
⥠2°) DépÎt Pression avant dépÎt = mbar Pression pendant dépÎt = mbar
- pour la pulvérisation cathodique :
Opérations Conditions
⥠1°) DépÎt
Pression avant dépÎt = mbar Pression pendant dépÎt = mbar Puissance RF = W Distance cible-substrat = mm Temps de dépÎt = min
Silicium P
SiO2
SiO2
Si N
AlRĂ©sine
Silicium P
SiO2
SiO2
Si N
RĂ©sine
Film UV
Al
Silicium P
SiO2
Si N
RĂ©sine
Film UV
Al
Silicium P
SiO2
Si N
Al
Désoxydation face arriÚreRetrait film UV et résine
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Au final, on procÚde à un recuit des différentes métallisations en une étape unique.
⥠1°) Recuit métal T=400°C, t=20mn, N2+H2 (5%) = 1l/min
IX. ASSEMBLAGE :
1- DĂ©coupe : Une scie diamantĂ©e Ă commande numĂ©rique permet de dĂ©couper la plaquette composant et dâindividualiser les puces sĂ©lectionnĂ©es.
2- Montage : Les puces sont fixées par leur face arriÚre sur un circuit imprimé permettant de regrouper les quatre cellules élémentaires réalisées.
3- Micro-soudure : Les contacts en face avant sont pris sur les plots mĂ©tallisĂ©s de sortie Ă lâaide de fils dâaluminium qui doivent ĂȘtre soudĂ©s. La technique utilisĂ©e pour cela est celle du wedge-bonding faisant appel aux ultra-sons qui effectuent une interpĂ©nĂ©tration molĂ©culaire entre le fil et le plot de contact. Cette Ă©tape est rĂ©alisĂ©e Ă la tempĂ©rature ambiante.
Silicium P
SiO2
Si N
Al
Aluminium face arriĂšre
K
A
cathode
anode
Embase métallisée du circuit imprimé
Silicium P
SiO2
Si N
Al
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VUES EN COUPE DES DIFFĂRENTES ĂTAPES DU PROCESS
Si P
SiO2 oxyde de masquage
Oxydation de masquage
Photogravure I
SiO2 oxyde de masquage
Protection face arriĂšre
Ouverture de diffusion
Si P
SiO2
SiO2 oxyde de masquage
SiO2
Diffusion + redistribution
Si P
SiO2
SiO2 oxyde de masquage
SiO2
Si N
Métallisation Face avant Gravure métal
Protection face avant
Si P
SiO2
SiO2 oxyde de masquage
SiO2
Si N
Al
DĂ©soxydation face arriĂšreMĂ©tallisation face arriĂšre
Si P
SiO2 SiO2
Si N
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FICHE DE CARACTĂRISATION MATĂRIAU
Caractérisation du substrat de départ
1°) Ăpaisseur wafer e = ”m
2°) Méthode « 4 pointes » V/I = Ω
3°) Résistance/carré R =
4°) RĂ©sistivitĂ© Ïs = Ω.cm
5°) Concentration dopant NA = at.cm-3
Ăpaisseurs d'oxydes
1°) Oxyde de masquage initial em = ”m
2°) Oxyde de diffusion ed= ”m
3°) Oxyde de masquage final e'm = ”m
Caractérisation de la diffusion
1°) Méthode « 4 pointes » V/I = Ω
2°) Résistance/carré R =
3°) Profondeur de jonction xj = ”m
4°) RĂ©sistivitĂ© couche diffusĂ©e Ïd = Ω.cm
5°) Concentration en surface Cs = cm-3
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CARACTĂRISATION ĂLECTRIQUE DES CELLULES SOLAIRES
Lâeffet photovoltaĂŻque dĂ©couvert par Edmond Becquerel en 1839 a mis en Ă©vidence le fait que des matĂ©riaux comme le silicium Ă©mettent de lâĂ©lectricitĂ© quand ils reçoivent de la lumiĂšre. Il est mis en application dans les cellules photovoltaĂŻques, petits composants Ă©lectroniques Ă base de silicium. Sans piĂšce mĂ©canique, sans bruit, sans production de polluants, elles convertissent directement lâĂ©nergie solaire en Ă©lectricitĂ©, sous forme de courant continu.
Il existe trois principales qualités de cellules en silicium :
- le silicium monocristallin : c'est le plus onéreux mais son rendement (de 12 à 17%) est supérieur aux autres qualités,
- le silicium polycristallin : c'est le plus courant actuellement sur le marchĂ© car moins onĂ©reux mĂȘme si son rendement est un peu plus faible,
- le silicium amorphe : moins performant, il est nettement moins cher car il peut ĂȘtre fabriquĂ© par vaporisation sur un support (plastique, verre, etc)
Chaque cellule photovoltaĂŻque dĂ©livre un courant sous une tension qui lui est propre. Sa tension lorsqu'aucun courant ne circule Ă ses pĂŽles est appelĂ©e "tension en circuit ouvert" (VCO) et le courant circulant lorsquâil nây a aucune tension est le "courant de court-circuit" (Icc). Ce sont les deux situations extrĂȘmes de la cellule pour laquelle aucune puissance n'est dĂ©livrĂ©e par la cellule. On recherche toujours Ă Ă©viter cette situation en faisant fonctionner le panneau solaire photovoltaĂŻque avec une tension et un courant Ă puissance maximale (Vm et Im). Ces deux paramĂštres servent Ă dĂ©terminer le rendement nominal du panneau photovoltaĂŻque dont la puissance est alors exprimĂ©e en Wc (Watt crĂȘte).
A chaque cellule sont donc attachées des caractéristiques précises obtenues en usine aux conditions "normales" et listées ci-dessous :
- Courant de court circuit : Icc (A)
- Tension en circuit ouvert : Vco (V)
- Facteur de Forme (filling factor) : FF
- Point de fonctionnement : (Vm, Im) => Pm
- Rendement de conversion optimum :
- Le paramĂštre FF est le facteur de remplissage ou facteur de forme, il mesure le caractĂšre rectangulaire de la courbe I(V). Il peut varier de 0.25 pour une cellule Ă faible rendement Ă 0.9 pour une cellule idĂ©ale. Il peut ĂȘtre dĂ©fini par :
.
- Le rendement de conversion optimum est défini par le rapport de la puissance électrique maximale disponible à la puissance lumineuse incidente :
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AssemblĂ©es en sĂ©rie, les cellules fournissent la tension et le courant Ă©lectrique utiles, on obtient ainsi des modules photovoltaĂŻques. Ce sont eux quâon commercialise. Le matĂ©riau utilisĂ© Ă©tant trĂšs fragile, il est nĂ©cessaire de le protĂ©ger des intempĂ©ries par un verre transparent et solide. Les enveloppes employĂ©es actuellement sont Ă©tudiĂ©es pour rĂ©sister de vingt Ă trente ans aux agressions de lâenvironnement. L'objet de cette sĂ©ance de caractĂ©risation est de vous faire dĂ©couvrir les cellules solaires, les panneaux solaires (modules) et acquĂ©rir quelques notions de radiomĂ©trie.
Les expériences installées en salle de caractérisation vous permettront d'aborder plusieurs problématiques liées à la production d'énergie électrique à partir de l'énergie lumineuse :
- Tracer et comprendre une caractéristique de cellule solaire,
- Monter en sĂ©rie et en parallĂšle des cellules solaires pour la rĂ©alisation dâun module,
- Mettre en Ă©vidence les effets dâombrage. Au programme des caractĂ©risations :
- Dans un premier temps, nous tracerons et commenterons les caractĂ©ristiques I=f(V) et P=f(V) dâune cellule photovoltaĂŻque (notĂ©e en abrĂ©gĂ© "cellule PV").
- Dans un deuxiĂšme temps, nous Ă©tudierons les associations sĂ©rie et parallĂšle de cellules afin dâaugmenter la puissance Ă©lectrique disponible.
1 - Protocole de caractérisation des cellules et modules photovoltaïques : Montage et réglages préliminaires :
- Le relevĂ© des caractĂ©ristiques I=f(V) se fait avec le SMU (Source Monitor Unit) du KEITHLEY pilotĂ© par le PC. Vous utiliserez alors le logiciel LABTRACER 2.0 dont des copies dâĂ©cran des panneaux de SETUP du programme sont prĂ©sentĂ©es ci-dessous :
SMU (KEITHLEY)I, V
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Veillez Ă ce que les paramĂštres que vous utiliserez soient identiques Ă ceux-ci. Ensuite, vous sĂ©lectionnerez votre plage de mesure (tension et courant) dans lâonglet SOURCE. - Vous placerez le banc de mesure « lampe-plaque PCB » de façon Ă ce que les cellules soient Ă©clairĂ©es de façon homogĂšne et avec le maximum de lumiĂšre. L'ensemble ne devra pas ĂȘtre dĂ©placĂ© durant toute la phase de mesure. 1 - A lâaide du luxmĂštre, mesurez lâintensitĂ© lumineuse IL de votre source exprimĂ©e en lux, 2 - Mesurez la surface Ă©clairĂ©e par la lampe exprimĂ©e en cm2, 3 - A lâaide du fichier Excel « Fichier_CelluleSolaire.xls » fourni en salle, calculez la puissance lumineuse incidente P exprimĂ©e en W/m2 : Feuille DATA : Ligne 1 => Surface Ă©clairĂ©e Feuille DATA : Ligne 3 => IntensitĂ© incidente (lux)
Feuille DATA : Ligne 4 => RĂ©sultat du calcul de Puissance lumineuse incidente P (W/m2) Remarque : Pour importer les donnĂ©es des fichiers textes dans OpenOffice, adoptez la procĂ©dure suivante : 1 â Remplacez les points par des virgules directement dans le fichier texte (CTRL+F) 2 â Dans Open Office, ouvrez le fichier sous le type « .csv ». 3 â Copiez/Coller les valeurs dans le fichier « Fichier_CelluleSolaire.xls » 2 - RelevĂ© de la caractĂ©ristique dâune seule cellule PV :
a) RĂ©glez le banc de manipulation, b) RĂ©alisez les mesures I(V) de 0 Ă 100% dâĂ©clairement par pas de 20%, c) Remplissez le tableau suivant pour la puissance lumineuse incidente maximale (100%) :
Tension de circuit ouvert VCO (mV) VCO =
Courant de court-circuit ICC (mA) ICC =
Puissance Ă©lectrique maximale PMAX (mW) PMAX =
Rendement de conversion optimum (%) =
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d) Quel paramĂštre de la caractĂ©ristique I=f(V) de la cellule lâĂ©clairement fait-il varier ? e) Donner les coordonnĂ©es (V, I, P) ainsi qu'un nom Ă ce point particulier oĂč cette puissance
est maximale. f) D'aprĂšs le domaine de variation autour de ce point, la cellule se comporte-t-elle comme un
générateur de courant ou de tension ? 3 - Relevé des caractéristiques I(V) des autres cellules PV :
a) RĂ©glez le banc de manipulation au maximum de sa puissance lumineuse incidente. b) RĂ©alisez les mesures I(V) Ă 100% dâĂ©clairement pour chacune des trois autres cellules c) Remplissez le tableau suivant pour chaque cellule :
Tension de circuit ouvert VCO (mV) VCO =
Courant de court-circuit ICC (mA) ICC =
Puissance Ă©lectrique maximale PMAX (mW) PMAX =
Rendement de conversion optimum (%) =
4 - Association de cellules : module solaire : On veut augmenter la puissance disponible du gĂ©nĂ©rateur. Pour cela on rĂ©alise une association de plusieurs cellules nommĂ© "module". Dans toute la suite du TP, on se placera dans les conditions dâĂ©clairement maximum. 4.1 - Association SĂ©rie : a) Lorsque des gĂ©nĂ©rateurs sont associĂ©s en sĂ©rie, quelle est la grandeur Ă©lectrique commune ? b) Quelle grandeur Ă©lectrique augmente-t-on en associant des gĂ©nĂ©rateurs en sĂ©rie ? c) RĂ©aliser l'association en sĂ©rie de deux cellules et refaire les mĂȘmes mesures qu'Ă la question 2 :
Tension de circuit ouvert VCO (mV) VCO =
Courant de court-circuit ICC (mA) ICC =
Puissance Ă©lectrique maximale PMAX (mW) PMAX =
4.2 - Association ParallĂšle :
4.2.1 - Association simple :
a) Quand des gĂ©nĂ©rateurs sont associĂ©s en parallĂšle, quelle est la grandeur Ă©lectrique commune ? b) Quelle grandeur Ă©lectrique augmente-t-on en associant des gĂ©nĂ©rateurs en parallĂšle ? c) RĂ©aliser l'association en parallĂšle de deux cellules, Ă©clairez-les simultanĂ©ment avec la mĂȘme intensitĂ© lumineuse et mesurez VCO Ă lâaide dâun multimĂštre et ICC Ă lâaide du montage suivant :
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Tension de circuit ouvert VCO (mV) VCO =
Courant de court-circuit ICC (mA) ICC =US/R2
Puissance Ă©lectrique maximale PMAX (mW) PMAX =
d) Que pouvez-vous en déduire sur le mode de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque ?
4.2.2 - Association avec diode anti-retour :
Lorsque les panneaux solaires sont associĂ©s en parallĂšle, il est nĂ©cessaire de placer une diode anti-retour (DAR) en sĂ©rie avec chaque cellule ou module. En effet, en cas de dĂ©sĂ©quilibre d'ensoleillement entre panneaux, il ne faut pas que les modules les plus Ă©clairĂ©s dĂ©bitent du courant dans les modules les moins Ă©clairĂ©s (au risque de les endommager). Dans le cas oĂč les cellules chargeraient une batterie ces diodes protĂšgent Ă©galement du courant que la batterie pourrait dĂ©biter pendant les pĂ©riodes de faible ensoleillement. RĂ©aliser l'association en parallĂšle avec DAR de deux cellules et refaire les mĂȘmes mesures qu'Ă la question 4.2.1 en condition dâĂ©clairement maximum :
a) Relevez les caractéristiques I=f(V) et P=f(V) des deux cellules associées en parallÚle avec DAR,
Tension de circuit ouvert VCO (mV) VCO =
Courant de court-circuit ICC (mA) ICC =
Puissance Ă©lectrique maximale PMAX (mW) PMAX =
b) Que vaut ici la puissance Ă©lectrique maximale ? c) Comparez-lĂ Ă celle d'une seule cellule et Ă celle du montage sĂ©rie. D'oĂč viennent les diffĂ©rences ? d) Quel est la tension de seuil des DAR ? La vĂ©rifier Ă©ventuellement avec le multimĂštre en position "test diode", e) Quelle est la puissance Ă©lectrique perdue PP Ă cause des diodes DAR ?
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4.3 - Association SĂ©rie & ParallĂšle : a) Lorsque des gĂ©nĂ©rateurs sont associĂ©s en sĂ©rie et en parallĂšle, quelle sont les grandeurs Ă©lectriques communes ? b) RĂ©alisez l'association en parallĂšle de deux branches contenant chacune une association sĂ©rie de deux cellules, Ă©clairez-les simultanĂ©ment avec la mĂȘme intensitĂ© lumineuse et refaire les mĂȘmes mesures qu'Ă la question prĂ©cĂ©dente :
Tension de circuit ouvert VCO (mV) VCO =
Courant de court-circuit ICC (mA) ICC =
Puissance Ă©lectrique maximale PMAX (mW) PMAX =
5 - Exploitation du module solaire : Nous mettons Ă votre disposition :
- Un moteur surmontĂ© dâun ventilateur
- Une LED rouge « classique » Trouvez et rĂ©alisez le ou les montages permettant de faire fonctionner : 1 - le moteur 2 - la LED 3 - le moteur et la LED en mĂȘme temps. Extrait de la Datasheet dâune LED rouge de chez VISHAY :
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LES MASQUES DE LUMELEC
1 - LES NIVEAUX :
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2 - LES MARQUES DâALIGNEMENT :
3 - LES ZONES DE TESTS :
Zone de test pour lâĂ©paisseur dâaluminium
Zone de test pour :
- LâĂ©paisseur dâoxyde de masquage,
- les tests « 4 points » et
- la mesure du xj