Nouveaux concepts dans le dépôt de couches minces de silicium par PECVD : de la chimie du plasma aux applications de dispositifs photovoltaïques

Novel Concepts in the PECVD Deposition of Silicon Thin Films : from Plasma Chemistry to Photovoltaic Device Applications

• Auteur / Autrice : Junkang Wang
• Direction : Erik Johnson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 10/10/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Le Quéré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Erik Johnson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Holger Kersten, Agnès Granier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ions

Résonance cyclotronique

Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Effet photovoltaïque

Couches minces

Silicium

Mots clés libres

Silicium couches minces

Photovoltaïque

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

Résonance cyclotron électronique

Tailored voltage waveforms

Énergie des ions

Silicon thin film

Photovoltaic

Plasma enhanced chemical vapor deposition

Electron cyclotron resonance

Tailored voltage waveforms

Ion energy

Résumé

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.