FR2975107A1 - TREATMENT OF A PRECURSOR BY INJECTION OF A REACTIVE ELEMENT IN A STEAM PHASE. - Google Patents
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Abstract
Description
Traitement d'un précurseur par injection d'un élément réactif en phase vapeur Treatment of a precursor by injection of a reactive element in the vapor phase
La présente invention concerne le domaine du traitement des matériaux, notamment pour un apport de matériau réactif sur un précurseur. The present invention relates to the field of the treatment of materials, in particular for a supply of reactive material on a precursor.
En particulier, notamment mais non exclusivement pour la fabrication d'alliages de type I-III-VI2 de structure cristallographique de type chalcopyrite et à propriétés photovoltaïques, on cherche à faire réagir à pression contrôlée un précurseur (en forme de couche mince) dans une atmosphère réactive. La notation «1 » (respectivement « III » et « VI ») désigne les éléments de la colonne I (respectivement III et VI) de la classification périodique des éléments, tels le cuivre (respectivement l'indium et/ou le gallium et/ou l'aluminium, et le sélénium et/ou le soufre). In particular, especially but not exclusively for the manufacture of type I-III-VI2 alloys of crystallographic structure of the chalcopyrite type and with photovoltaic properties, it is sought to react at controlled pressure with a precursor (in the form of a thin layer) in a reactive atmosphere. The notation "1" (respectively "III" and "VI") designates the elements of column I (respectively III and VI) of the periodic table of elements, such as copper (respectively indium and / or gallium and / or or aluminum, and selenium and / or sulfur).
Un problème qui se pose est comment effectuer des recuits réactifs pour obtenir des matériaux en couches minces à base de Cu (pour le cuivre), In (pour l'indium), Ga (pour le gallium), Al (pour l'aluminium), Se (pour le sélénium), S (pour le soufre), mais aussi plus généralement Zn (pour le zinc), ou Sn (pour l'étain) ou encore P (pour le phosphore). A problem that arises is how to perform reactive annealing to obtain thin-film materials based on Cu (for copper), In (for indium), Ga (for gallium), Al (for aluminum) , Se (for selenium), S (for sulfur), but also more generally Zn (for zinc), or Sn (for tin) or P (for phosphorus).
En particulier, on cherche à introduire un produit réactif (souvent sous forme gazeuse) dans une enceinte pour réagir avec des couches minces intermédiaires (appelées ci-après «précurseurs »), et ce, à haute température, typiquement pour des procédés capables d'appliquer des montées à 700°C en une minute, ces procédés étant qualifiés de traitements thermiques rapides (ou « Rapid Thermal Process »). In particular, it is sought to introduce a reactive product (often in gaseous form) in an enclosure to react with intermediate thin layers (hereinafter referred to as "precursors"), and this, at high temperature, typically for processes capable of apply up to 700 ° C in one minute, these processes being referred to as rapid thermal processes (or "Rapid Thermal Process").
On connaît deux solutions de contrôle de la pression telles que : - l'injection du gaz réactif dans une chambre de réaction avec pompage pour le contrôle de la pression (procédé appliquant un « vide dynamique ») ; - l'injection du gaz réactif dans une chambre de réaction sans pompage mais à basse pression maintenue (procédé appliquant un « vide statique »). Two pressure control solutions are known such as: the injection of the reactive gas into a pumping reaction chamber for the control of the pressure ("dynamic vacuum" method); - The injection of the reactive gas into a reaction chamber without pumping but at low pressure maintained (method applying a "static vacuum").
Dans les deux cas, le contrôle de la pression nécessite une enceinte fermée avec des parois chaudes pour éviter la condensation du produit réactif (initialement sous forme gazeuse). Cette enceinte doit intégrer des injecteurs pour injecter un gaz réactif (tel que Se, ou S, ou H2S, ou H2Se) ainsi que des soupapes de régulation pour contrôler la pression. In both cases, the pressure control requires a closed chamber with hot walls to avoid condensation of the reactive product (initially in gaseous form). This chamber must incorporate injectors to inject a reactive gas (such as Se, or S, or H2S, or H2Se) and control valves to control the pressure.
La présente invention vient améliorer la situation. The present invention improves the situation.
Elle propose à cet effet un procédé d'acheminement d'un gaz réactif sur un précurseur, l0 comportant les étapes : a) chauffer au moins un élément réactif jusqu'à obtenir une partie au moins de l'élément réactif en phase vapeur, b) faire circuler un gaz vecteur dans l'élément réactif en phase vapeur pour entraîner l'élément réactif en phase vapeur dans le gaz vecteur, et 15 c) injecter le gaz vecteur comportant de l'élément réactif en phase vapeur sur un précurseur. En particulier, à l'étape a), une température de chauffe de l'élément réactif est contrôlée pour contrôler en quantité l'élément réactif dans le gaz vecteur à l'étape b). To this end, it proposes a process for delivering a reactive gas to a precursor, 10 comprising the steps of: a) heating at least one reactive element until at least a portion of the vapor phase reactive element is obtained, b ) circulating a carrier gas in the vapor phase reactive element to drive the vapor phase reactive element into the carrier gas, and c) injecting the vector gas comprising the vapor phase reactive element onto a precursor. In particular, in step a), a heating temperature of the reactive element is controlled to control in quantity the reactive element in the carrier gas in step b).
20 Avantageusement, on contrôle, par la température de chauffe précitée, la pression de vapeur saturante de l'élément réactif à l'étape a), à un équilibre thermodynamique comportant la phase vapeur de l'élément réactif (par exemple par sublimation ou évaporation). Avantageusement, on contrôle ainsi la pression partielle de l'élément réactif dans le gaz vecteur à l'étape b) pour gérer la quantité exacte de gaz réactif 25 injectée sur le précurseur. Advantageously, by the above-mentioned heating temperature, the saturating vapor pressure of the reactive element in step a) is controlled at a thermodynamic equilibrium comprising the vapor phase of the reactive element (for example by sublimation or evaporation). ). Advantageously, the partial pressure of the reactive element in the carrier gas is thus controlled in step b) to manage the exact amount of reactive gas injected onto the precursor.
Avantageusement, l'étape a) comporte un contrôle en température d'un support de l'élément réactif pour contrôler la quantité d'élément réactif dans le gaz vecteur à l'étape b). Ce support peut être par exemple un creuset électriquement conducteur, 30 chauffé par circulation d'un courant d'intensité réglable pour contrôler la température du creuset, et de là, la quantité d'élément réactif dans le gaz vecteur à l'étape b). Advantageously, step a) comprises a temperature control of a support of the reactive element to control the amount of reactive element in the carrier gas in step b). This support may for example be an electrically conductive crucible, heated by circulation of a current of adjustable intensity to control the temperature of the crucible, and thence the amount of reactive element in the carrier gas in step b) .
L'étape b) comporte un mélange de l'élément réactif en phase vapeur au gaz vecteur, par perturbation d'écoulement du gaz vecteur et de l'élément réactif en phase vapeur. Step b) comprises a mixture of the reactive element in the vapor phase with the carrier gas, by disturbance of the flow of the carrier gas and the vapor phase reactive element.
Pour conserver l'élément réactif en phase vapeur lors de l'injection sur le précurseur, il peut être prévu avantageusement de chauffer le gaz vecteur à une température de l'ordre de quelques centaines de degrés Celsius. Dans un exemple de réalisation de sélénisation à basse pression, le gaz vecteur est porté à une température de l'ordre ou légèrement supérieure à la température de réaction avec le précurseur (de 300 à 350°C à basse pression). Elle peut être plus élevée (autour de 500°C) dans des conditions normales de pression. In order to keep the reactive element in the vapor phase during the injection on the precursor, it may advantageously be provided to heat the carrier gas at a temperature of the order of a few hundred degrees Celsius. In an exemplary embodiment of selenization at low pressure, the carrier gas is heated to a temperature of the order or slightly higher than the reaction temperature with the precursor (from 300 to 350 ° C at low pressure). It can be higher (around 500 ° C) under normal pressure conditions.
Bien entendu, la température du gaz vecteur peut être contrôlée par exemple à l'aide d'une circulation dans un circuit chaud (par exemple comportant une résistance chauffante par effet Joule dont l'intensité qui la traverse est contrôlée par un circuit de commande comprenant par exemple un variateur de type potentiomètre ou autre). Of course, the temperature of the carrier gas can be controlled for example by means of a circulation in a hot circuit (for example having a heating resistance by Joule effect whose intensity which passes through it is controlled by a control circuit comprising for example, a dimmer of potentiometer or other type).
En complément ou en variante, le procédé de l'invention peut comporter en outre une étape d) d'injection d'un gaz chaud pour favoriser une réaction de l'élément réactif avec le précurseur. Par exemple, dans une réalisation possible, l'élément réactif injecté peut se condenser et former une couche mince superficielle sur le précurseur. Ainsi, le gaz chaud injecté peut favoriser encore le passage en phase vapeur de l'élément réactif et la réaction du gaz ainsi formé avec le précurseur. In addition or alternatively, the method of the invention may further comprise a step d) of injecting a hot gas to promote a reaction of the reactive element with the precursor. For example, in one possible embodiment, the injected reactive element can condense and form a thin surface layer on the precursor. Thus, the hot gas injected can further promote the passage of the reactive element in the vapor phase and the reaction of the gas thus formed with the precursor.
En variante, lorsque le gaz vecteur est suffisamment chaud, l'élément réactif réagit avec le précurseur directement en phase vapeur à l'étape c). Alternatively, when the carrier gas is sufficiently hot, the reactive element reacts with the precursor directly in the vapor phase in step c).
Selon les essais réalisés, quelques paramètres importants se dégagent pour contrôler finement la température de l'élément réactif injecté sur le précurseur et, de là, contrôler la température de réaction avec le précurseur. Il s'agit typiquement : - de la température du gaz vecteur, - du débit du mélange de l'élément réactif en phase vapeur avec le gaz vecteur, et - de la distance entre le précurseur et une tubulure d'injection du mélange sur le précurseur. According to the tests carried out, a few important parameters emerge to finely control the temperature of the reactive element injected onto the precursor and hence to control the reaction temperature with the precursor. It is typically: - the temperature of the carrier gas, - the flow rate of the mixture of the reactive element in the vapor phase with the carrier gas, and - the distance between the precursor and an injection pipe of the mixture on the precursor.
Avantageusement, le procédé peut comporter aussi une étape de refroidissement selon un effet de trempe, après la réaction de l'élément réactif avec le précurseur, par injection d'un gaz froid. Advantageously, the process may also comprise a cooling step according to a quenching effect, after the reaction of the reactive element with the precursor, by injection of a cold gas.
Il peut être avantageux (notamment par exemple dans les procédés d'ajout de sélénium et de soufre) de prévoir un élément réactif comportant un mélange d'une pluralité d'éléments réactifs, entraînés par le gaz vecteur pour réagir ensemble. It may be advantageous (particularly for example in the processes for adding selenium and sulfur) to provide a reactive element comprising a mixture of a plurality of reactive elements entrained by the carrier gas to react together.
Il peut être prévu par exemple de déposer le précurseur lui-même par entrainement en phase vapeur d'éléments réactifs. Ainsi, ces éléments réactifs peuvent comporter des éléments des colonnes I et III et former une couche mince de ce précurseur, correspondant à un alliage I-III, sur un substrat. Il est possible alors de co-déposer avec le précurseur l'élément VI injecté en phase vapeur, en formant alors directement un dépôt I-III-VI2 sur le substrat. Une telle réalisation est décrite ci-après à titre d'exemple en référence à la figure 4. For example, it is possible to deposit the precursor itself by vapor phase entrainment of reactive elements. Thus, these reactive elements may comprise elements of columns I and III and form a thin layer of this precursor, corresponding to an alloy I-III, on a substrate. It is then possible to co-deposit with the precursor the VI element injected in the vapor phase, then directly forming a deposit I-III-VI2 on the substrate. Such an embodiment is hereinafter described by way of example with reference to FIG. 4.
Dans le cas où le précurseur est d'abord déposé sous forme d'alliage I-III, le procédé peut comporter en outre une étape préalable de recuit réducteur de cet alliage. In the case where the precursor is first deposited in the form of alloy I-III, the method may further comprise a preliminary step of reducing annealing of this alloy.
La présente invention vise aussi une installation pour la mise en oeuvre du procédé au sens de l'invention, comportant : - des moyens portant un précurseur, - des moyens de chauffage d'au moins un élément réactif pour amener en phase vapeur au moins une partie de l'élément réactif, - des moyens pour faire circuler un gaz vecteur dans l'élément réactif en phase vapeur et entraîner l'élément réactif en phase vapeur dans le gaz vecteur, et pour injecter le gaz vecteur comportant de l'élément réactif en phase vapeur sur le précurseur. The present invention also relates to an installation for carrying out the process within the meaning of the invention, comprising: - means carrying a precursor, - means for heating at least one reactive element to bring the vapor phase at least one part of the reactive element; means for circulating a carrier gas in the reactive element in the vapor phase and driving the reactive element in the vapor phase into the carrier gas, and for injecting the vector gas comprising the reactive element; in the vapor phase on the precursor.
L'installation comporte en particulier des moyens de commande des moyens de chauffage pour contrôler en quantité l'élément réactif dans le gaz vecteur injecté dans l'enceinte de réaction. The installation comprises in particular means for controlling the heating means for controlling in quantity the reactive element in the carrier gas injected into the reaction chamber.
Ainsi, de façon avantageuse, il est proposé un procédé et une installation pour un traitement thermique avec apport en produit réactif, par projection de gaz chaud à pression de gaz réactif contrôlée. En particulier, on contrôle la pression partielle d'élément réactif en établissant un équilibre thermodynamique entre l'élément réactif sous forme solide ou liquide et sa pression de vapeur saturante. Le gaz chaud vecteur de l'énergie thermique permettant le recuit de l'échantillon se charge de l'élément réactif à une pression partielle fixée par la température de sublimation. Thus, advantageously, there is provided a method and an installation for a heat treatment with supply of reactive product, by projection of hot gas with controlled reactive gas pressure. In particular, the reactive element partial pressure is controlled by establishing a thermodynamic equilibrium between the reactive element in solid or liquid form and its saturation vapor pressure. The hot gas vector of the thermal energy for annealing the sample is charged with the reactive element at a partial pressure set by the sublimation temperature.
Ce procédé ne nécessite alors plus de dispositifs de contrôle de pression (ni soupapes, ni injecteurs classiques, ni contrôleur fin de débit massique ou « massflow », etc.). This process then no longer requires pressure control devices (no valves, no conventional injectors, no end-of-mass flow controller, etc.).
Bien entendu, d'autres avantages et caractéristiques de l'invention, et notamment de l'installation au sens de l'invention, apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'exemples possibles de réalisation, présentée ci-après, et des dessins ci-annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe d'un réacteur selon un exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente des évolutions, en fonction de la température, de la pression de vapeur saturante de différentes formulations de sélénium (de Set à Se8), - la figure 3 illustre un mélangeur 15 dans un dispositif de réaction comportant un injecteur d'un élément réactif, - la figure 4 illustre un exemple à trois injecteurs d'éléments réactifs, - la figure 5 illustre l'évolution de la température T(V) en fonction du temps pour trois creusets de la figure 4, les températures de sublimation Ts des éléments réactifs étant marquées par des pointillés ; - la figure 6 représente schématiquement un dispositif pour un traitement thermique avec injection de gaz réactif mis en oeuvre dans le carde d'un procédé dit « roll-to-roll » ; - la figure 7 illustre un exemple d'une succession de traitements thermiques appliquée avec le dispositif de la figure 6 ; - la figure 8 illustre une variante du dispositif représenté sur la figure 6, avec en particulier un injecteur commun au moins pour l'apport en gaz réactif et le traitement thermique par injection d'un gaz chaud, neutre. Of course, other advantages and characteristics of the invention, and in particular of the installation in the sense of the invention, will appear on examining the detailed description of possible embodiments, presented below, and attached drawings in which: - Figure 1 is a schematic diagram of a reactor according to an exemplary embodiment of the invention, - Figure 2 shows changes, depending on the temperature, the saturated vapor pressure various formulations of selenium (from Set to Se8), - Figure 3 illustrates a mixer 15 in a reaction device comprising an injector of a reactive element, - Figure 4 illustrates an example with three injectors of reactive elements, - FIG. 5 illustrates the evolution of the temperature T (V) as a function of time for three crucibles of FIG. 4, the sublimation temperatures Ts of the reactive elements being marked by dotted lines; - Figure 6 schematically shows a device for a heat treatment with reactive gas injection implemented in the card of a so-called "roll-to-roll" process; FIG. 7 illustrates an example of a succession of heat treatments applied with the device of FIG. 6; - Figure 8 illustrates a variant of the device shown in Figure 6, with in particular a common injector at least for the supply of reactive gas and heat treatment by injection of a hot gas, neutral.
Ci-après, il est désigné par : - précurseur : un dépôt composé d'un ou plusieurs des éléments : Cu, In, Ga, Zn, Sn, Al, Se, S, O sur un substrat de Mo/verre ou bien un substrat souple type Mo/couche isolante/(inox, polymère ou autres) ; - recuit réducteur : recuit du précurseur avec un gaz composé d'un/des éléments : éthanol, méthanol, H2 ; - élément réactif : le soufre (S) ou le sélénium (Se) à l'état élémentaire ou sous forme de composés ou autres composés contenant Cu, In, Ga, Sn, Al, Zn; - recuit réactif : la réaction de cristallisation qui consiste à faire réagir le précurseur (ayant subi ou non un recuit réducteur) avec un élément réactif ; - Tr : température de réaction entre l'élément réactif et le précurseur ; - Ps : pression de sublimation de l'élément réactif ; - Ts : température de sublimation de l'élément réactif. On se réfère tout d'abord à la figure 1, sur laquelle un flux d'entrée du gaz vecteur 1 parcourt une enceinte de réaction 3, comportant une alimentation électrique 2 pour activer un élément chauffant 4 (résistance électrique par exemple) pour, dans l'exemple décrit ici, porter le gaz vecteur à une température Tr (flèche 5 de la figure 1). La référence 6 de la figure 1 désigne un injecteur d'un ou plusieurs éléments réactifs sous forme gazeuse à une pression Ps (et à une température Ts). Ce gaz réactif est injecté sur une couche mince sur substrat SUB, devant, en tant que précurseur (par exemple à base de Cu, In, Ga, Zn, Sn, Al), subir une réaction avec le gaz réactif (par exemple Se et/ou S, mais aussi possiblement Cu, In, Ga, Zn, Sn, Al), et ce : - à une température de réaction Tr, et - à une pression Ps (associée à la température de sublimation Ts). Hereinafter, it is designated by: - precursor: a deposit composed of one or more of the elements: Cu, In, Ga, Zn, Sn, Al, Se, S, O on a Mo / glass substrate or a flexible substrate type Mo / insulating layer / (stainless steel, polymer or other); - Reductive annealing: annealing of the precursor with a gas composed of one or more elements: ethanol, methanol, H 2; reactive element: sulfur (S) or selenium (Se) in the elemental state or in the form of compounds or other compounds containing Cu, In, Ga, Sn, Al, Zn; reactive annealing: the crystallization reaction which consists in reacting the precursor (which has or has not undergone a reducing annealing) with a reactive element; Tr: reaction temperature between the reactive element and the precursor; Ps: sublimation pressure of the reactive element; Ts: sublimation temperature of the reactive element. Reference is first made to FIG. 1, in which an input flow of the carrier gas 1 passes through a reaction chamber 3, comprising a power supply 2 for activating a heating element 4 (electrical resistance for example) for, in the example described here, bring the carrier gas to a temperature Tr (arrow 5 of Figure 1). Reference 6 in FIG. 1 denotes an injector of one or more reactive elements in gaseous form at a pressure Ps (and at a temperature Ts). This reactive gas is injected onto a thin film on SUB substrate, in front of it, as a precursor (for example based on Cu, In, Ga, Zn, Sn, Al), undergo a reaction with the reactive gas (for example Se and / or S, but also possibly Cu, In, Ga, Zn, Sn, Al), and this: - at a reaction temperature Tr, and - at a pressure Ps (associated with the sublimation temperature Ts).
La référence 8 désigne une sortie de récupération des gaz (vecteur et réactifs). Reference 8 designates a gas recovery outlet (vector and reagents).
On décrit ci-après des exemples de gaz réactifs susceptibles d'intervenir dans des exemples de réalisation de la présente invention, ainsi que leur propriété de variation de pression de vapeur saturante en fonction de la température. Examples of reactive gases that may be used in exemplary embodiments of the present invention, as well as their property of variation of saturation vapor pressure as a function of temperature, are described below.
Dans un exemple de réalisation particulier où il est recherché de faire réagir un élément VI de type sélénium ou soufre avec un précurseur I-III, on cherche à sublimer le sélénium (Se) et/ou le soufre (S) sur une couche mince d'un tel précurseur (par exemple un matériau de type CuInnGai_X). Néanmoins, d'autres exemples de réalisation pourraient concerner aussi la formation du précurseur lui-même, ou encore le dépôt direct d'une couche I-III-VI2 sans nécessairement de précurseur. A ce titre, il est donné ici des informations complémentaires sur des éléments tels que : Cu, In, Ga, Zn, Sn, Na, Al puisque leur utilisation dans des exemples de réalisation du procédé est envisageable. In a particular embodiment where it is desired to react a selenium or sulfur-type VI element with a precursor I-III, it is sought to sublimate the selenium (Se) and / or the sulfur (S) on a thin film. such a precursor (for example a material of CuInnGai_X type). However, other embodiments could also concern the formation of the precursor itself, or the direct deposition of a layer I-III-VI2 without necessarily precursor. As such, it is given here additional information on elements such as: Cu, In, Ga, Zn, Sn, Na, Al since their use in exemplary embodiments of the process is possible.
Le tableau 1 ci-après récapitule les valeurs de point triple Tp, de température de fusion Tm, de température de sublimation Tb à pression atmosphérique des éléments précités. Ces valeurs sont extraites de Handbook of chemistry and physics, W.M Haynes 91 st Edition, 2010-2011. Elément Tp (°C) Tm (°C) Tb (°C) Al 660.32 2519 Cu 1084.62 2562 Ga 29.7666 2204 In 156.5936 156.6 2072 Na 97.794 882.940 S (rhombic) 95.3 444.61 S(monoclinic) 115.21 444.61 Se (vitreux) 180 685 Se (gris) 220.8 685 Sn (gris) 13.2 2602 Sn (blanc) 231.93 2602 Zn 419.53 907 Tableau 1 On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire plus précisément le cas particulier des éléments S et Se, et plus particulièrement celui du sélénium (le cas du soufre, possédant des propriétés similaires, s'en déduisant du sélénium). Table 1 below summarizes the triple point values Tp, melting temperature Tm, sublimation temperature Tb at atmospheric pressure of the abovementioned elements. These values are taken from Handbook of Chemistry and Physics, W.M Haynes 91 st Edition, 2010-2011. Element Tp (° C) Tm (° C) Tb (° C) Al 660.32 2519 Cu 1084.62 2562 Ga 29.7666 2204 In 156.5936 156.6 2072 Na 97.794 882.940 S (rhombic) 95.3 444.61 S (monoclinic) 115.21 444.61 Se (glassy) 180 685 Se (gray) 220.8 685 Sn (gray) 13.2 2602 Sn (white) 231.93 2602 Zn 419.53 907 Table 1 Reference is now made to FIG. 2 to describe more precisely the particular case of the elements S and Se, and more particularly that of the selenium (the case of sulfur, with similar properties, deducing selenium).
Ces éléments existent sous plusieurs formes à l'état de vapeur. L'évolution des pressions de vapeur des différentes espèces gazeuses de Se notamment, en équilibre avec la phase condensée, en fonction de la température, est montrée sur le diagramme de la figure 2. Ainsi, par exemple, lorsque du sélénium est chauffé à 690°K, sa pression de vapeur saturante est de l'ordre de 0,004 atm (courbe en trait plein), et il commence à se former une vapeur de sélénium qui peut être entraînée par un gaz vecteur comme on le verra plus loin. On comprendra ici que le contrôle de la température du sélénium permet un contrôle en pression de vapeur saturante et, de là, un contrôle de la pression partielle du sélénium dans le mélange qu'il constitue avec le gaz vecteur. These elements exist in several forms in the vapor state. The evolution of the vapor pressures of the various gaseous species of Se in particular, in equilibrium with the condensed phase, as a function of the temperature, is shown in the diagram of FIG. 2. Thus, for example, when selenium is heated to 690.degree. ° K, its saturated vapor pressure is of the order of 0.004 atm (curve solid line), and begins to form a selenium vapor that can be driven by a carrier gas as discussed below. It will be understood here that the control of the selenium temperature allows control of saturated vapor pressure and thence a control of the partial pressure of the selenium in the mixture it constitutes with the carrier gas.
Plus particulièrement, la figure 2 représente l'évolution des pressions de vapeur saturantes des différentes espèces gazeuses du sélénium (Se2 : a ; Sei : b ; Seo : c ; Ses : d ; Se6 : e ; Sel : f ; Se8 : g , la pression totale étant représentée par les courbes en trait plein h), en équilibre avec la phase condensée, en fonction de la température. Cette 15 figure est extraite de la thèse de Jean-François Guillemoles « Contribution à la maîtrise des propriétés semi conductrices du CuInSe2 électro-déposé et à l'amélioration de ses propriétés photovoltaïques » (Université Pierre et Marie Curie, 1994). More particularly, FIG. 2 shows the evolution of the saturating vapor pressures of the various gaseous selenium species (Se2: a; Sei: b; Seo: c; Ses: d; Se6: e; Sel: f; Se8: g; the total pressure being represented by the curves in solid line h), in equilibrium with the condensed phase, as a function of the temperature. This figure is taken from Jean-François Guillemoles' thesis "Contribution to the control of the electrically-deposited CuInSe2 semiconductor properties and to the improvement of its photovoltaic properties" (Pierre and Marie Curie University, 1994).
Pour les autres espèces précitées (cuivre, indium, gallium, etc.), le tableau 2 présente les valeurs de constantes A, B, C de la relation entre la pression de vapeur P et la température T : log(P/atm) = A + B/T + C logT, (valeurs extraites de Handbook of chemistry and physics, W.M Haynes 91 st Edition, 2010-2011, pages 4-124 à 4-125). Elément A B C Al (solide) 9.459 -17342 -0.7927 Al (liquide) 5.911 -16211 Cu (solide) 9.123 -17748 -0.7317 Cu (liquide) 5.849 -16415 Ga (solide) 6.657 -14208 Ga (liquide) 6.754 -13984 -0.3413 In (solide) 5.991 -12548 In (liquide) 5.374 -12276 Na (solide) 5.298 -5603 Na (liquide) 4.704 -5377 Sn (solide) 6.036 -15710 Sn (liquide) 5.262 -15332 Zn (solide) 6.102 -6776 Zn (liquide) 5.378 -6286 Tableau 2 Les éléments peuvent être introduits en phase vapeur sous forme élémentaire mais aussi sous forme de composés (H2S, par exemple), en particulier dans le cas des 5 métaux dont les tensions de vapeur aux températures considérées sont faibles (Ga, In, notamment). Dans ce cas, on peut utiliser des précurseurs plus volatils comme des acetylacetonates, des composés organométalliques (du type tri-méthyle-gallium, diéthyle-zinc, etc.), des halogénures, des sels de sodium (NaCl, NaI, NaF). Les réactifs peuvent aussi être introduits par nébulisation de solution ou injection de poudres solides. For the other aforementioned species (copper, indium, gallium, etc.), Table 2 presents the values of constants A, B, C of the relation between the vapor pressure P and the temperature T: log (P / atm) = A + B / T + C logT, (values extracted from Handbook of Chemistry and Physics, WM Haynes 91 st Edition, 2010-2011, pages 4-124 to 4-125). Element ABC Al (solid) 9.459 -17342 -0.7927 Al (liquid) 5.911 -16211 Cu (solid) 9.123 -17748 -0.7317 Cu (liquid) 5.849 -16415 Ga (solid) 6.657 -14208 Ga (liquid) 6.754 -13984 -0.3413 In (solid) 5.991 -12548 In (liquid) 5.374 -12276 Na (solid) 5.298 -5603 Na (liquid) 4.704 -5377 Sn (solid) 6.036 -15710 Sn (liquid) 5.262 -15332 Zn (solid) 6.102 -6776 Zn (Liquid) 5.378 -6286 Table 2 The elements can be introduced in the vapor phase in elemental form but also in the form of compounds (for example, H 2 S), in particular in the case of metals whose vapor pressures at the temperatures considered are low. (Ga, In, in particular). In this case, it is possible to use more volatile precursors such as acetyl acetonates, organometallic compounds (of the tri-methyl-gallium, diethyl-zinc type, etc.), halides, sodium salts (NaCl, NaI, NaF). The reagents can also be introduced by nebulization of solution or injection of solid powders.
On comprendra ainsi que le procédé au sens de l'invention propose un contrôle fin de 10 la pression partielle dans le mélange du gaz réactif au gaz vecteur. La pression partielle du gaz réactif est alors un premier paramètre de la réaction avec le précurseur. Un deuxième paramètre qu'il est proposé aussi de contrôler, dans une réalisation particulièrement avantageuse du procédé au sens de l'invention, concerne la température de la réaction. 15 En particulier, la température de réaction est avantageusement contrôlée à travers la température du gaz vecteur. Une solution existante, pour un tel contrôle et qui s'adapte convenablement dans une réalisation au sens de l'invention, concerne l'intégration d'un mélangeur. Une solution de mélangeur est présentée sur la figure 3, laquelle 20 illustre l'intégration d'un tel mélangeur de la vapeur réactive au gaz vecteur chaud. Sur la figure 3, l'arrivée du gaz vecteur porte la référence 11 et il est chauffé préalablement à une température choisie. En particulier, on prévoit, dans un exemple de réalisation, un creuset 12, support de l'élément réactif (qui sera détaillé ci-après en 25 référence à la figure 4), porté à haute température (de l'ordre de 400 à 700°C par exemple) par une résistance chauffante 13, laquelle est alimentée électriquement (en courant ou en tension V). En particulier, on prévoit des moyens tels qu'un potentiomètre 14 pour contrôler l'alimentation électrique de la résistance chauffante, et, de là, la température du creuset 12 et de son contenu, ce qui revient donc à contrôler 30 la pression de vapeur saturante de l'élément réactif (via le contrôle de sa température dans le creuset), et ainsi, de sa pression partielle dans le mélange. L'élément réactif est sublimé dans le creuset 12. Les particules de l'élément réactif s'évaporent et sont entraînées par le gaz vecteur 11. Les particules rencontrent un diffuseur 15. Au contact du diffuseur 15 (jouant alors le rôle de mélangeur), les particules se propagent et leur répartition devient homogène dans le gaz vecteur. La réaction sur la surface du précurseur (illustré par son substrat SUB sur la figure 3) peut être ainsi réalisée à température et pression contrôlée de façon homogène. It will thus be understood that the process within the meaning of the invention proposes a fine control of the partial pressure in the mixture of the gas reactive with the carrier gas. The partial pressure of the reactive gas is then a first parameter of the reaction with the precursor. A second parameter that is also proposed to control, in a particularly advantageous embodiment of the process within the meaning of the invention, relates to the temperature of the reaction. In particular, the reaction temperature is advantageously controlled through the temperature of the carrier gas. An existing solution for such a control and which fits suitably in an embodiment within the meaning of the invention relates to the integration of a mixer. A mixer solution is shown in FIG. 3, which illustrates the integration of such a reactive steam mixer with the hot carrier gas. In FIG. 3, the arrival of the carrier gas bears the reference 11 and is heated beforehand to a chosen temperature. In particular, provision is made in one exemplary embodiment of a crucible 12 supporting the reactive element (which will be detailed hereinafter with reference to FIG. 4), raised to a high temperature (of the order of 400 to 700 ° C for example) by a heating resistor 13, which is electrically powered (current or voltage V). In particular, means are provided such as a potentiometer 14 for controlling the power supply of the heating resistor, and hence the temperature of the crucible 12 and its contents, which is therefore equivalent to controlling the vapor pressure saturating the reactive element (via the control of its temperature in the crucible), and thus its partial pressure in the mixture. The reactive element is sublimed in the crucible 12. The particles of the reactive element evaporate and are entrained by the carrier gas 11. The particles meet a diffuser 15. In contact with the diffuser 15 (then acting as a mixer) the particles propagate and their distribution becomes homogeneous in the carrier gas. The reaction on the surface of the precursor (illustrated by its substrate SUB in FIG. 3) can thus be carried out at homogeneously controlled temperature and pressure.
Un dispositif du type représenté sur la figure 3 (à un seul injecteur) convient avantageusement pour la sublimation d'une espèce et sa réaction avec un précurseur. A device of the type shown in FIG. 3 (with a single injector) is advantageously suitable for the sublimation of a species and its reaction with a precursor.
Bien entendu, il peut être prévu une pluralité d'injecteurs pour faire réagir respectivement plusieurs gaz réactifs, comme représenté sur la figure 4 (illustrant trois injecteurs dans l'exemple représenté), sur laquelle : - une alimentation électrique (pilotée par exemple en tension V1) d'une résistance chauffante 31 permet de chauffer un creuset 21, support d'un premier élément réactif, - une alimentation électrique (pilotée par exemple en tension V2) d'une résistance chauffante 32 permet de chauffer un creuset 22, support d'un deuxième élément réactif, et - une alimentation électrique (pilotée par exemple en tension V3) d'une résistance chauffante 33 permet de chauffer un creuset 23, support d'un troisième élément réactif, la référence 40 désignant, dans l'exemple représenté, la section d'un conduit d'amenée du gaz vecteur (vu de face). Of course, a plurality of injectors may be provided to react respectively several reactive gases, as shown in FIG. 4 (illustrating three injectors in the example shown), in which: a power supply (controlled for example in voltage V1) of a heating resistor 31 for heating a crucible 21, support of a first reactive element, - a power supply (controlled for example by voltage V2) of a heating resistor 32 for heating a crucible 22, support of a second reactive element, and - a power supply (driven for example by voltage V3) of a heating resistor 33 is used to heat a crucible 23, support of a third reactive element, the reference 40 designating, in the example shown , the section of a vector gas supply duct (seen from the front).
L'exemple de réalisation de la figure 4 montre donc bien la compatibilité du procédé de recuit avec plusieurs injecteurs (trois dans l'exemple représenté). Chaque creuset est chauffé indépendamment. On contrôle ainsi la sublimation des éléments réactifs de façon indépendante car la température du creuset T dépend de la tension appliquée V, notée ci-après T(V).30 Il est alors possible de définir des températures évoluant dans le temps et pour chaque creuset, et ainsi définir des séquences de réactions. La figure 5 montre à titre d'exemple une séquence de sublimation d'un procédé à trois éléments réactifs, à partir d'un dispositif du type représenté sur la figure 4. The embodiment of Figure 4 thus shows the compatibility of the annealing process with several injectors (three in the example shown). Each crucible is heated independently. The sublimation of the reactive elements is thus controlled independently because the temperature of the crucible T depends on the applied voltage V, denoted hereinafter T (V) .30 It is then possible to define temperatures changing over time and for each crucible. , and thus define reaction sequences. FIG. 5 shows, by way of example, a sublimation sequence of a method with three reactive elements, from a device of the type shown in FIG.
Ainsi : - pour un temps t tel que t<tl, tous les creusets sont à température ambiante ; - pour un temps t tel que tl<t<t2, le creuset 21 est à la température Tl(Vl) > Tsl et le premier élément réactif est donc sublimé à une pression P 1(T 1) ; - pour un temps t tel que t2<t<t3, le creuset 22 est à la température T2(V2) > Ts2 et le deuxième réactif est sublimé à une pression P2(T2), de sorte que les premier et deuxième éléments réactifs sont sublimés en même temps aux pressions respectives Pl et P2 ; - pour un temps t tel que t3<t<t4, le creuset 21 est refroidi, avec Tl(Vl) < Tsl, de 15 sorte que seul le deuxième élément réactif est sublimé ; - pour un temps t tel que t4<t<t5, le creuset 22 est refroidi (T2(V2) < Ts2) et aucun élément n' est sublimé ; enfin - pour un temps t tel que t5<t, le creuset 23 est à la température T3(V3) > Ts3 et seul le troisième élément réactif est sublimé à une pression P3(T3). 20 On comprendra alors qu'un exemple possible de dépôt obtenu par une telle séquence peut être : - du cuivre par exemple, pour le premier élément, - de l'indium par exemple, pour le deuxième élément, et 25 - du sélénium par exemple, pour le troisième élément, pour une réaction ultérieure (t>t5) dite de «sélénisation », dans laquelle le sélénium réagit à haute température avec un précurseur I-III. Le maintien de la haute température, pour la sélénisation, peut être assuré au niveau du précurseur par l'injection d'un gaz vecteur caloporteur judicieusement choisi. 30 5 25 A cet égard, on a représenté dans le tableau 3 ci-après des gaz vecteurs compatibles avec les éléments réactifs à véhiculer. Ainsi, la souplesse du procédé au sens de l'invention vis-à-vis du gaz d'entrée et de l'élément réactif permet de produire une large gamme de gaz réactifs. Gaz vecteur Elément réactif Gaz réactif Argon, Azote Cu, In, Ga, Zn, Sn, Se, S Cu, In, Ga, Zn, Sn, Se, S Alcool, NH3, H2, Hydrazine Se, S H2S, H2Se Tableau 3 Thus: for a time t such that t <tl, all the crucibles are at ambient temperature; for a time t such that tl <t <t2, the crucible 21 is at the temperature Tl (Vl)> Tsl and the first reactive element is thus sublimed at a pressure P 1 (T 1); for a time t such that t2 <t <t3, the crucible 22 is at the temperature T2 (V2)> Ts2 and the second reagent is sublimated at a pressure P2 (T2), so that the first and second reactive elements are sublimated at the same time at the respective pressures P1 and P2; for a time t such that t3 <t <t4, the crucible 21 is cooled, with Tl (Vl) <Tsl, so that only the second reactive element is sublimed; for a time t such that t4 <t <t5, the crucible 22 is cooled (T2 (V2) <Ts2) and no element n 'is sublimated; finally - for a time t such that t5 <t, the crucible 23 is at the temperature T3 (V3)> Ts3 and only the third reactive element is sublimated at a pressure P3 (T3). It will then be understood that a possible example of deposition obtained by such a sequence may be: copper, for example, for the first element, indium for example, for the second element, and selenium for example for the third element, for a subsequent reaction (t> t5) called "selenization", in which the selenium reacts at high temperature with a precursor I-III. Maintaining the high temperature, for selenization, can be ensured at the precursor by the injection of a carefully chosen coolant vector gas. In this regard, there is shown in Table 3 below carrier gases compatible with the reactive elements to be conveyed. Thus, the flexibility of the process in the sense of the invention vis-à-vis the inlet gas and the reactive element allows to produce a wide range of reactive gases. Vector gas Reactive gas Argon, Nitrogen Cu, In, Ga, Zn, Sn, Se, S Cu, In, Ga, Zn, Sn, Se, S Alcohol, NH3, H2, Hydrazine Se, S H2S, H2Se Table 3
10 On peut avantageusement contrôler un traitement thermique d'un précurseur, à plusieurs niveaux avec, par exemple : - l'application d'un recuit réducteur tel que l'éthanol ou l'hydrogène H2 ; - le dépôt de l'élément réactif sur le substrat ; - l'application d'un recuit réactif avec/sans propulsion de l'élément réactif; 15 - et enfin, l'application d'une trempe. On comprendra alors que pour l'application de l'effet de trempe, un gaz d'injection (qui peut être par exemple de même nature que le gaz vecteur lui-même, ou encore un gaz neutre) peut subir un refroidissement dans un circuit adapté. Le terme de « gaz neutre » est à considérer de façon générale comme un gaz neutre dans la réaction de 20 l'élément réactif avec le précurseur. Advantageously, it is possible to control a thermal treatment of a precursor at several levels with, for example: the application of a reducing annealing such as ethanol or hydrogen H 2; depositing the reactive element on the substrate; the application of a reactive annealing with / without propulsion of the reactive element; And finally, the application of a quench. It will then be understood that for the application of the quenching effect, an injection gas (which may for example be of the same nature as the carrier gas itself, or a neutral gas) may undergo cooling in a circuit adapted. The term "neutral gas" is generally to be considered as a neutral gas in the reaction of the reactive element with the precursor.
Un tel exemple de séquence peut avantageusement s'intégrer dans une ligne de traitement de type dit « roll-to-roll » pour la sélénisation (et/ou la sulfuration) d'un précurseur pour obtenir une couche mince I-III-VI2. En référence à la figure 6 illustrant un procédé de ce type, une paire de rouleaux R1, R2 tendent un substrat souple SUB (par exemple métallique) sur lequel est déposé un précurseur destiné à subir une séquence de traitements S1, S2, S3, en défilant devant des injecteurs correspondants, avec : - le traitement S1 correspondant à un traitement thermique réducteur, - le traitement S2 correspondant à une cristallisation du précurseur, avec une insertion de l'élément réactif dans le cristal, et - le traitement S3 correspondant à une trempe à basse température. Such an example of a sequence can advantageously be integrated in a so-called "roll-to-roll" processing line for selenization (and / or sulphidation) of a precursor to obtain a thin layer I-III-VI2. With reference to FIG. 6 illustrating a method of this type, a pair of rollers R1, R2 tend to a flexible substrate SUB (for example metal) on which is deposited a precursor intended to undergo a treatment sequence S1, S2, S3, in running in front of corresponding injectors, with: the treatment S1 corresponding to a reducing heat treatment, the treatment S2 corresponding to a crystallization of the precursor, with an insertion of the reactive element into the crystal, and the treatment S3 corresponding to a tempering at low temperature.
La surface à traiter subit donc un recuit réducteur S1, puis se déplace pour le traitement S2 qui peut être effectué selon deux réalisations variantes l'une de l'autre : - l'élément réactif peut être apporté par un gaz vecteur ; il peut se condenser ensuite sur la surface du précurseur (sous forme de couche superficielle) ; puis un gaz neutre chaud est propulsé pour cristalliser et intégrer l'élément réactif au précurseur, selon une réaction de sélénisation et/ou sulfuration précitée ; - ou le gaz chaud est propulsé et la pression partielle de l'élément réactif est contrôlée via le contrôle de la température de sublimation, pour rester en phase vapeur et réagir directement, dans cet état, avec le précurseur. The surface to be treated thus undergoes a reducing annealing S1, then moves for the treatment S2 which can be carried out according to two embodiments which are different from each other: the reactive element can be provided by a carrier gas; it can then condense on the surface of the precursor (in the form of a surface layer); then a hot neutral gas is propelled to crystallize and integrate the reactive element to the precursor, according to a selenization and / or sulfidation reaction above; or the hot gas is propelled and the partial pressure of the reactive element is controlled via control of the sublimation temperature, to remain in the vapor phase and react directly, in this state, with the precursor.
Or, la température de l'élément réactif projeté par le gaz vecteur sur le précurseur dépend de : - la température du mélange de l'élément réactif dans le gaz vecteur (donc de la température du gaz vecteur lui-même), - du débit du mélange gazeux injecté sur le substrat, - et de la distance entre la tubulure d'injection du mélange et la surface du substrat SUB recevant le mélange gazeux. However, the temperature of the reactive element projected by the carrier gas on the precursor depends on: the temperature of the mixture of the reactive element in the carrier gas (and therefore of the temperature of the carrier gas itself); the gaseous mixture injected onto the substrate, and the distance between the injection pipe of the mixture and the surface of the SUB substrate receiving the gaseous mixture.
Ainsi, il est possible de contrôler le choix de l'une ou de l'autre des réalisations ci-dessus, en contrôlant les paramètres suivants : - la température du gaz vecteur en particulier (puisque la température de l'élément réactif avant le mélange au gaz vecteur est fixée par la température de sublimation), - le débit du mélange gazeux injecté sur le substrat, et - la distance entre l'injecteur et le substrat. Thus, it is possible to control the choice of one or the other of the embodiments above, by controlling the following parameters: the temperature of the carrier gas in particular (since the temperature of the reactive element before mixing the carrier gas is fixed by the sublimation temperature), the flow rate of the gaseous mixture injected onto the substrate, and the distance between the injector and the substrate.
Si la température d'injection de l'élément réactif est inférieure à la température Tr de réaction de sélénisation ou de sulfuration, l'élément réactif se condense en phase solide sur le précurseur et l'injection d'un gaz chaud ensuite amorce la réaction de sélénisation ou de sulfuration. If the injection temperature of the reactive element is lower than the selenization reaction or sulfuration reaction temperature, the reactive element condenses in solid phase on the precursor and the injection of a hot gas then initiates the reaction. selenization or sulphidation.
En revanche, si la température d'injection de l'élément réactif est supérieure ou voisine de la température Tr de sélénisation ou de sulfuration, l'élément réactif s'incorpore directement en phase gazeuse dans le précurseur pendant la réaction de sélénisation ou de sulfuration. On the other hand, if the injection temperature of the reactive element is greater than or close to the selenization or sulphurization temperature Tr, the reactive element is incorporated directly into the precursor gas phase during the selenization or sulphurization reaction. .
Enfin, le traitement de trempe S3 peut être effectué à la surface du cristal obtenu en faisant transiter un gaz à température ambiante (autour de 20°C) sans traverser une enceinte chaude. Préférentiellement, il s'agit d'un gaz neutre avec de bonnes propriétés de caloporteur. Il peut en être de même pour le gaz vecteur lui-même. Finally, the quenching treatment S3 can be carried out on the surface of the crystal obtained by passing a gas at ambient temperature (around 20 ° C.) without passing through a hot chamber. Preferably, it is a neutral gas with good heat transfer properties. It may be the same for the carrier gas itself.
Les séquences de variations de température appliquées au substrat de la figure 6 sont représentées sur la figure 7. The sequences of temperature variations applied to the substrate of FIG. 6 are shown in FIG.
La séquence de traitement thermique du substrat proposée est la suivante : - l'origine des temps correspond à l'instant où le substrat est positionné sous l'injecteur pour le traitement S1, à une température Tl ; - le substrat subit une montée en température de Tl à T3 pendant un temps tl, suivi d'un palier à la température T3 pendant une durée (t2-tl) ; le traitement thermique se fait sous un gaz vecteur réducteur (hydrogène par exemple) ; - entre les temps t2 et t3, le substrat transite par action des rouleaux pour subir le traitement S2 et se refroidit de la température T3 à la température T2 ; - ensuite, un traitement thermique réactif lui est appliqué : une montée en température (de T2 à T4) est appliquée pendant une durée (t4-t3), suivie d'un palier à la température T4 pendant une durée (t5-t4) ; ce traitement thermique est accompagné, dans l'exemple représenté, d'une amenée d'élément(s) réactif(s) en phase vapeur à la surface du précurseur ; - entre les temps t5 et t6, le substrat transite ensuite (ce qui entraîne un refroidissement de la température T4 à la température T3), pour subir finalement le traitement de trempe S3 de la température T3 à la température Tl pendant une durée (t7-t6). The thermal treatment sequence of the proposed substrate is as follows: the origin of the times corresponds to the moment when the substrate is positioned under the injector for the treatment S1, at a temperature T1; the substrate undergoes a rise in temperature from T1 to T3 for a time t1, followed by a plateau at temperature T3 for a period of time (t2-t1); the heat treatment is done under a reducing carrier gas (hydrogen for example); between times t2 and t3, the substrate passes through the rollers to undergo treatment S2 and cools from temperature T3 to temperature T2; - Next, a reactive heat treatment is applied thereto: a rise in temperature (T2 to T4) is applied for a period (t4-t3), followed by a plateau at the temperature T4 for a period (t5-t4); this heat treatment is accompanied, in the example shown, a supply of reactive element (s) in the vapor phase on the surface of the precursor; between times t5 and t6, the substrate then passes (which causes a cooling of the temperature T4 to the temperature T3), to finally undergo the quenching treatment S3 of the temperature T3 at the temperature Tl for a period of time (t7- t6).
On comprendra ainsi que le procédé au sens de l'invention peut avantageusement comporter une succession d'étapes d'injection d'éléments réactifs successifs, définissant alors un profil temporel de traitement du précurseur comme celui illustré à titre d'exemple sur la figure 7. It will thus be understood that the process according to the invention may advantageously comprise a succession of stages of injection of successive reactive elements, thus defining a temporal profile of treatment of the precursor such as that illustrated by way of example in FIG. .
On décrit maintenant en référence à la figure 8 une variante du dispositif représenté sur la figure 6. Une autre approche consiste à apporter le substrat sous le conduit de projection de gaz puis de lui appliquer séquentiellement les différents traitements à partir d'un même conduit 56. L'arrivée de gaz neutre porte la référence 51. L'arrivée de gaz réducteur porte la référence 54. On prévoit en outre une voie 55 d'amenée d'un gaz à température ambiante pour la trempe, ainsi qu'une première vanne 52 à trois voies, et une deuxième vanne 53 à trois voies. A variant of the device shown in FIG. 6 will now be described with reference to FIG. 8. Another approach consists in bringing the substrate under the gas projection duct and then sequentially applying the different treatments to it from the same duct. The supply of neutral gas carries the reference 51. The inlet of reducing gas is designated 54. There is furthermore a channel 55 for supplying a gas at ambient temperature for quenching, as well as a first valve. 52 three-way, and a second valve 53 three-way.
Ainsi, le substrat SUB à traiter n'a qu'un déplacement à subir pour recevoir les différents traitements thermiques. En effet, par action des rouleaux R1, R2, le substrat SUB se place sous le conduit principal 56. Le gaz réducteur (voie 54) est orienté par la vanne 53 pour traverser une enceinte chaude 57 et réduire le précurseur. Lorsque la réduction est terminée, la vanne 53 est fermée. Le gaz neutre (voie 51) comportant l'élément réactif est orienté ensuite vers l'enceinte chaude 57 via les vannes 52 et 53. Thus, the SUB substrate to be treated has only one displacement to undergo to receive the different heat treatments. Indeed, by the action of the rollers R1, R2, the SUB substrate is placed under the main conduit 56. The reducing gas (channel 54) is oriented by the valve 53 to pass through a hot chamber 57 and reduce the precursor. When the reduction is complete, the valve 53 is closed. The neutral gas (channel 51) comprising the reactive element is then directed towards the hot chamber 57 via the valves 52 and 53.
On observe par exemple pour la sélénisation du précurseur Cu-In (pour obtenir l'alliage cristallin CulnSe2) qu'une température de 450°C environ est habituellement requise, tandis que la sélénisation du précurseur Cu-Ga (pour l'obtention de l'alliage cristallin CuGaSe2) requiert une température de l'ordre de 550°C. For example, for the selenization of the Cu-In precursor (to obtain the crystalline alloy CulnSe2), it is observed that a temperature of about 450 ° C. is usually required, whereas the selenization of the Cu-Ga precursor (for obtaining the Crystalline alloy CuGaSe2) requires a temperature of the order of 550 ° C.
Ainsi, pour contrôler la température du substrat SUB et favoriser la réaction de cristallisation (globalement entre 400 et 700°C, en fonction de la composition d'alliage), on peut bien entendu contrôler en amont la température du gaz neutre dans l'enceinte de chauffage 57 avant son injection, mais aussi deux paramètres liés à son injection : - son débit, en sortie du conduit 56, et - la distance entre la tubulure de sortie du conduit 56 et la surface du substrat SUB. Thus, to control the temperature of the substrate SUB and to promote the crystallization reaction (generally between 400 and 700 ° C., as a function of the alloy composition), it is of course possible to control the temperature of the neutral gas in the enclosure upstream. heating 57 before its injection, but also two parameters related to its injection: - its flow at the outlet of the conduit 56, and - the distance between the outlet pipe of the conduit 56 and the substrate surface SUB.
Le précurseur peut alors cristalliser, avec l'élément réactif ajouté, selon les deux modes décrits précédemment : condensation puis réaction, ou réaction à pression gazeuse contrôlée. The precursor can then crystallize, with the added reactive element, according to the two modes described above: condensation and reaction, or reaction at controlled gas pressure.
Lorsque la cristallisation est terminée, la vanne 53 coupe l'arrivée du gaz chaud. Ce dernier peut transiter directement par les voies 51, puis 55, sans être chauffé pour appliquer une trempe au cristal obtenu sur le substrat SUB. Il est à noter que dans les procédés connus, on ne propose pas un tel refroidissement entre les traitements thermiques à cause des temps de transferts thermiques, en particulier à cause du délai entre deux traitements. When the crystallization is complete, the valve 53 interrupts the arrival of the hot gas. The latter can pass directly through the channels 51 and 55, without being heated to apply quenching to the crystal obtained on the substrate SUB. It should be noted that in the known processes, such cooling is not proposed between the heat treatments because of the heat transfer times, in particular because of the delay between two treatments.
Bien entendu, le déplacement du substrat SUB par rapport au conduit principal 56 est « relatif », au sens large. Ainsi, le conduit 56 peut comporter une tubulure évasée pour couvrir toute la largeur du substrat (dans une direction parallèle aux axes des rouleaux R1, R2), le substrat se déplaçant simplement en translation entre les deux rouleaux. Of course, the displacement of the SUB substrate relative to the main conduit 56 is "relative" in the broad sense. Thus, the conduit 56 may comprise a flared tubing to cover the entire width of the substrate (in a direction parallel to the axes of the rollers R1, R2), the substrate simply moving in translation between the two rollers.
Dans une variante, le conduit 56 peut comporter une buse déplaçable en différents points de la surface du substrat SUB, pour y appliquer les traitements thermiques localement, jusqu'à couvrir toute la surface du substrat. Alternatively, the conduit 56 may comprise a nozzle movable at different points on the surface of the substrate SUB, to apply the heat treatment locally, to cover the entire surface of the substrate.
La présente invention trouve de nombreuses applications. Le précurseur peut être déposé sur un feuillard métallique ou un polymère souple, en tant que substrats possibles, en défilement animé par les rouleaux R1, R2, motorisés. Dans ce cas, le substrat peut s'enrouler sur un rouleau et se dérouler de l'autre rouleau. Toutefois, dans une variante possible, le précurseur peut être déposé sur un substrat de verre recouvert de molybdène. Dans cette variante, le substrat SUB est déposé à plat entre les rouleaux et véhiculé par un tapis « roulant » animé par le mouvement des rouleaux. The present invention finds many applications. The precursor may be deposited on a metal strip or a flexible polymer, as possible substrates, in scrolling driven by the rollers R1, R2, motorized. In this case, the substrate can be wound on one roll and unwind from the other roll. However, in one possible variant, the precursor may be deposited on a molybdenum-coated glass substrate. In this variant, the SUB substrate is deposited flat between the rollers and conveyed by a "rolling" belt driven by the movement of the rollers.
Il est possible d'utiliser les tubulures d'injection au même titre que des pistolets à air chaud avec propulsion d'éléments réactifs. On peut utiliser aussi des pistolets de ce type pour recuire des précurseurs provenant d'une étape antérieure de fabrication (issus d'électrolyse, de pulvérisation ou « sputtering », ou encore de techniques d'impression d'encre liquide comportant les éléments du précurseur), en présence ou non d'agents réactifs. It is possible to use injection tubing as well as hot air guns with propulsion of reactive elements. It is also possible to use pistols of this type to anneal precursors originating from an earlier stage of manufacture (from electrolysis, sputtering or sputtering, or from liquid ink printing techniques comprising the elements of the precursor ), in the presence or absence of reagents.
En outre, on a décrit ci-avant des creusets pour faire chauffer (par effet Joule typiquement) les éléments réactifs qu'ils contiennent. Néanmoins, des variantes sont possibles. Par exemple, il est possible de prévoir les éléments réactifs sous forme de cibles chauffées par des tirs lasers ou par plasmas. D'ailleurs, l'élément réactif peut être en phase solide avant son chauffage ou encore en phase liquide, l'équilibre thermodynamique entre l'une de ces phases et la phase vapeur étant atteint par chauffage contrôlé de l'élément réactif. In addition, crucibles have been described above to heat (typically Joule effect) the reactive elements they contain. Nevertheless, variants are possible. For example, it is possible to provide the reactive elements in the form of targets heated by laser firing or by plasmas. Moreover, the reactive element can be in the solid phase before its heating or in the liquid phase, the thermodynamic equilibrium between one of these phases and the vapor phase being reached by controlled heating of the reactive element.
L'invention trouve bien entendu des applications dans la fabrication de panneaux solaires à propriétés photovoltaïques mettant en oeuvre un procédé de recuit rapide pour la synthèse d'un absorbeur de lumière photovoltaïque à base de Cu, Ag, In, Ga, Zn, Sn, Al, Se, Te, S, P le procédé au sens de l'invention étant tout particulièrement bien adapté pour la fabrication de tels matériaux, et ce, à faible coût de mise en oeuvre, tout en augmentant leur cadence de fabrication. The invention naturally has applications in the manufacture of solar panels with photovoltaic properties using a rapid annealing process for the synthesis of a photovoltaic light absorber based on Cu, Ag, In, Ga, Zn, Sn, Al, Se, Te, S, P the process in the sense of the invention is particularly well suited for the manufacture of such materials, and low cost of implementation, while increasing their production rate.
D'ailleurs, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemple ; elle trouve d'autres applications.30 Par exemple, on a décrit ci-avant une application possible à la sélénisation (ou à la sulfuration) de précurseurs de type I-III. Dans cet exemple de réalisation, le précurseur est donc une couche mince d'alliage d'éléments des colonnes I et III de la classification périodique, et l'élément réactif comporte au moins un élément de la colonne VI pour la fabrication d'alliage à propriétés photovoltaïques de type I-III-VI2. Moreover, the present invention is not limited to the embodiments described above by way of example; For example, there has been described above a possible application to the selenization (or sulfidation) of precursors type I-III. In this embodiment, the precursor is therefore a thin layer of alloy of elements of columns I and III of the periodic table, and the reactive element comprises at least one element of column VI for the production of alloys. photovoltaic properties of type I-III-VI2.
Toutefois, dans une variante possible de réalisation, le précurseur peut se présenter sous la forme d'une couche mince d'alliage d'éléments des colonnes I, II et IV de la classification périodique, pour la fabrication d'alliages à propriétés photovoltaïques de type I2-II-IV-VI4 (tel que par exemple Cu2ZnSn(SXSei_X)4), et l'élément réactif comporte au moins un élément de la colonne VI (S ou Se). However, in a possible variant embodiment, the precursor may be in the form of a thin layer of alloy of elements of columns I, II and IV of the periodic table, for the production of alloys with photovoltaic properties of type I2-II-IV-VI4 (such as for example Cu2ZnSn (SXSei_X) 4), and the reactive element comprises at least one element of column VI (S or Se).
Plus généralement, l'invention peut s'appliquer dans un cadre autre qu'une sélénisation ou une sulfuration, par exemple pour la fabrication d'alliages à propriétés photovoltaïques de type II-IV-V. Dans ce cas, le précurseur est une couche mince d'alliage d'éléments des colonnes II et IV de la classification périodique. L'élément réactif comporte au moins un élément de la colonne V, par exemple le phosphore P pour l'obtention de l'alliage ZnSnP. More generally, the invention may be applied in a context other than selenization or sulphurization, for example for the manufacture of alloys with photovoltaic properties of type II-IV-V. In this case, the precursor is a thin layer of alloy of elements of columns II and IV of the periodic table. The reactive element comprises at least one element of column V, for example phosphorus P for obtaining the ZnSnP alloy.
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