Reproduction de : Habilitation à diriger des recherches : Sciences physiques : Lille 1 : 2005. / Synthèse des travaux en français. Recueil de publications en anglais non reproduit dans la version électronique. N° d'ordre (Lille 1) : 472. Résumé. Curriculum vitae. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la suite de chaque partie. Liste des publications et des communications.

Cette thèse a été motivée par l’étude d’un procédé innovant de production de substrats ultra-minces (d’épaisseur variant de 15 μm à 70 μm), basé sur l’implantation d’hydrogène à haute énergie, dans notre cas comprise entre 1MeV et 2.5MeV. Une telle implantation suivie d’un traitement thermique approprié, conduit au détachement d’un film mince autoporté, appelé « substrat ultra-mince ». L’intérêt de ce procédé de détachement est purement économique, car il ne génère presque aucune perte de matière première. Nous l’avons particulièrement utilisé pour produire des substrats ultra-minces de silicium (100), pour la production des cellules PV bas-coûts. Dans le but d’élargir les champs d’applications du procédé, le détachement de substrats ultra-minces de deux autres matériaux (le Ge et le SiC) très utilisés en électronique a aussi été étudié. Ainsi, dans cette étude, les paramètres optimaux d’implantation (énergie et fluence) et de recuits conduisant au détachement de grandes surfaces de Si(100) ont tout d’abord été investigués. Ensuite, l’application technologique du procédé proposé a été validée par la réalisation des cellules solaires au moyen des substrats ultrafins de Si détachés (50 μm et 70 μm d’épaisseur). Les performances PV obtenues ont été assez proches de celles obtenues avec une cellule référence réalisée sur un substrat standard. Par la suite, une étude détaillée faite par TEM et par FTIR sur les défauts étendus à différents stades de recuits a permis de mettre en lumière la nature et la distribution spatiale des défauts précurseurs de la fracture dans le Si après implantation à haute énergie. Enfin, des essais de détachements réalisés avec le Ge et le SiC, lesquels ont été comparés au cas du Si, ont permis d’en savoir plus sur les critères de détachement. En effet, plus le matériau sera rigide, i.e. plus il aura un module d’Young élevé, plus la fluence et la température de recuit nécessaires pour le détachement seront élevées. / The motivation of this thesis was the study of an innovative process for the production of ultra-thin substrates (with thicknesses between 15 μm and 70 μm), based on the high energy hydrogen implantation, in our case in the range of 1 MeV to 2.5 MeV. Such an implantation followed by an appropriate thermal annealing, lead to the delamination of a freestanding thin layer, that we call “ultra-thin substrate”. The benefit of this delamination process is purely economic, since almost no raw material is lost. We have particularly used this process to produce ultra-thin (100) Si substrates, for the production of low-cost PV solar cells. In order to extend the process application fields, the delamination of ultra-thin substrates of two other materials (Ge and SiC) widely used in electronics has been also studied. In our work, the optimal implantation parameters (energy and fluence) and thermal annealing, leading to the delamination of large areas of Si (100) were first investigated. Subsequently, in order to validate the technological application of our process, solar cells have been performed with ultra-thin silicon substrates delaminated, with thicknesses of 50 μm and 70 μm. Results of PV performances obtained were quite close to those obtained with a reference solar cell achieved on a standard substrate. After that, in order to highlight the nature and the spatial distribution of fracture precursor defects after high energy hydrogen implantation in silicon, which had not yet done so far the subject of specific studies, characterizations have been carried out at different annealing stages, by means of TEM and FTIR. Finally, delamination results obtained with Ge and SiC, which were compared to the case of Si, helped us to learn more about delamination criteria. Indeed, we observed that, as the material rigidity increase, i.e. as the Young modulus is higher, the fluence and temperature require for the delamination will be also high.

La motivation de cette thèse est la production innovante de germes ultra-minces de silicium cristallin. L’utilisation de tels germes dans un procédé de fabrication de cellules solaires permettrait une réduction importante de la consommation de silicium, qui compte déjà pour 60% du coût de production des panneaux solaires de première génération. Dans le cadre de cette thèse, une méthode pionnière de détachement de germes minces a été mise en oeuvre. Dans cette méthode, une contrainte induite mécaniquement est guidée par des défauts étendus induits par l’implantation d’hydrogène. Par cette méthode, le détachement de germes minces d’environ 710nm d’épaisseurs a été obtenu. Le but est ensuite d’utiliser ces germes pour faire croitre du silicium cristallin avec des épaisseurs variables à souhait, soit une technique kerf-free : sans pertes. Cette étude présente ainsi les étapes menant à la mise en oeuvre de ce procédé : en premier lieu, un état de l’art des méthodes de détachement de films ultra-minces existants est réalisé. Celui-ci nous a ainsi guidés vers l’implantation d’hydrogène en tant que méthode viable du guidage de la fracture. Par la suite, différents tentatives de détachement de germes ultra-minces ont été réalisés puis caractérisés, notamment par MEB, MET, AFM et DRX. Dans de bonnes conditions de collage et de croissance de défauts, le détachement de germes ultra-minces de silicium cristallin a été réalisé. Par la suite, la croissance et la cristallisation de couches de silicium amorphe a été réalisée sur les germes détachés. Pour finir, certaines couches détachées ont été utilisées pour la production de cellules solaires prototypes. / The goal of this thesis is to find an innovative way to produce ultra-thin crystalline silicon seeds. The use of such seeds in a solar cell production process could lead to a significant reduction of the silicon consumption, which cost alone is worth 60% of the total cost of a first generation solar panel. Within the context of this PhD thesis, a pioneer seed exfoliation method was implemented. This method use the defects induced by hydrogen implantation to guide a stress-induced spalling process. This method has allowed the exfoliation of 710nm-thick crystalline silicon seeds. These seeds will then be used for the growth of crystalline silicon layers of any desired thickness, hence a totally kerf-free method. This thesis work presents the steps leading to the implementation of this process: firstly, the state of the art of ultra-thin films exfoliation methods is reviewed, which guided us towards the use of hydrogen implantation as a crack guide. Then, different ultra-thin seeds exfoliation processes were tried and characterized, specifically by SEM, TEM, AFM and XRD. In the right conditions of bonding and defects growth, ultra-thin silicon seeds were successfully exfoliated. The growth and crystallization of amorphous silicon layers on these seeds were then studied. Finally, several exfoliated layers were used for the production of prototype solar cells.

Ce manuscrit présente l'étude de la fabrication de couches minces de silicium basée sur des différents types de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) pour des applications dans le photovoltaïque. Tout d'abord, nous avons combiné une chimie du plasma halogéné en utilisant un mélange de SiF4/H2 et la technique plasmas distributés matriciellement à résonance cyclotronique électronique (MDECR) PECVD pour le dépôt de μc-Si:H à grande vitesse. Nous trouvons que les conditions d'énergie ionique modérée sont bénéfiques pour obtenir une diminution significative de la densité des nano-vides, et ainis nous pouvons obtenir un matériaux de meilleure qualité avec une meilleure stabilité. Une méthode de dépôt en deux étapes a été introduite comme moyen alternatif d'éliminer la formation d'une couche d'incubation amorphe pendant la croissance du film. Ensuite, nous avons exploré la technique d'excitation Tailored Voltage Waveform (TVW) pour les processus plasma radiofréquence capacitivement couplé (RF-CCP). Grâce à l'utilisation de TVW, il est possible d'étudier indépendamment l'influence de l'énergie ionique sur le dépôt de matériaux à une pression de processus relativement élevée. Basé sur ce point, nous avons étudié le dépôt de μc-Si:H et a-Si:H à partir des plasma de SiF4/H2/Ar et de SiH4/H2, respectivement. A partir d'une analyse des propriétés structurelles et électroniques, nous constatons que la variation de l'énergie ionique peut directement traduite dans la qualité du matériaux. Les résultats se sont appliqués aux dispositifs photovoltaïques et ont établi des liens complets entre les paramètres de plasma contrôlables par TVW et les propriétés de matériaux déposé, et finalement, les performances du dispositif photovoltaïque correspondant. Enfin, nous avons trouvé que dans le cas du dépôt de couches minces de silicium à partir du plasma de SiF4/H2/Ar à l'aide de sawtooth TVW, on peut réaliser un processus de dépôt sur une électrode, sans aucun dépôt ou gravure. contre-électrode. Ceci est dû à deux effets: la nature multi-précurseur du processus de surface résultant et la réponse de plasma spatiale asymétrique par l'effet d'asymétrie de pente de la sawtooth TVW. La découverte de tels procédés “electrode-selective” encourage la perspective que l'on puisse choisir un ensemble de conditions de traitement pour obtenir une grande variété de dépôts désirés sur une électrode, tout en laissant l'autre vierge. / This thesis describes the study of silicon thin film materials deposition and the resulting photovoltaic devices fabrication using different types of plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) techniques.In the first part, we combine a SiF4/H2 plasma chemistry with the matrix-distributed electron cyclotron resonance (MDECR) PECVD to obtain high growth rate microcrystalline silicon (µc-Si:H). Due to the special design of MDECR system, careful investigation of the impact energy of impinging ions to material deposition can be accessible. We find that moderate ion energy conditions is beneficial to achieve a significant drop in the density of nano-voids, thus a higher quality material with better stability can be obtained. A two-step deposition method is introduced as an alternative way to eliminate the existence of amorphous incubation layer during film growth.The second part of work is dedicate to the exploration of the Tailored Voltage Waveforms (TVWs) excitation technique for capacitively coupled plasmas (CCP) processes. As an advantage over the conventional sinusoidal excitations, TVWs technique provide an elegant solution for the ion flux-energy decoupling in CCP discharges through the electrical asymmetry effect, which makes the independent study of the impact of ion energy for material deposition at relatively high process pressure possible. Based on this insight, we have studied the deposition of µc-Si:H and amorphous silicon (a-Si:H) from the SiF4/H2/Ar and SiH4/H2 plasma chemistry, respectively. From the structural and electronic properties analysis, we find that the variation of ion energy can be directly translated into the material quality. We have further applied these results to photovoltaic applications and established bottom-up links from the controllable plasma parameters via TVWs to the deposited material properties, and eventually to the resulting device quality.In the last part, as a further application of TVWs, an “electrode-selective” effect has been discovered in the CCP processes. In the case of silicon thin film deposition from the SiF4/H2/Ar plasma chemistry, one can achieve a deposition process on one electrode, while at the same time either no deposition or an etching process on the counter electrode. This is due to two effects: the multi-precursor nature of the resulting surface process and the asymmetric plasma response through the utilization of TVWs. Moreover, such deposition/etching balance can be directly controlled through H2 flow rate. From a temporal asymmetry point of view, we have further studied the impact of process pressure and reactor geometry to the asymmetric plasma response for both the single-gas and multi-gas plasmas using the sawtooth waveforms. The product of pressure and inter-electrode distance P·di is deduced to be a crucial parameter in determine the plasma heating mode, so that a more flexible control over the discharge asymmetry as well as the relating “electrode-selective” surface process can be expected.