Étude de la nitruration de surface de silicium par plasma N2 et de son impact sur l'interface avec une couche antireflet de type SiN(O)

Study of surface nitridation of silicon by N2 plasma and its impact on the interface with antireflective layer SiN(O)

• Auteur / Autrice : Hiba Beji
• Direction : Christine Robert-Goumet, Eric Tomasella
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses et matériaux
• Date : Soutenance le 22/05/2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) - Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Dagou Zeze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Monier, Angélique Bousquet, Damien Aureau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, Mohammed Belmahi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Nitruration

Mots clés libres

Nitruration de surface

Modélisation des signaux AR-XPS

Spectroscopie electronique

Pulvérisation cathodique magnétron

Interface couche antireflet/silicium

Mesures électriques C-V et G-V

Surface Nitridation

Modeling of AR-XPS intensity

Electronic spectroscopy

Magnetron sputtering

Interface between anti-Reflective coating and silicon

Electrical measurements C-V and G-V

Résumé

Dans le domaine photovoltaïque, les performances des cellules solaires sont impactées par deux problématiques majeures : les pertes par réflexion et les pertes par recombinaisons. Le premier objectif de ce travail est de diminuer la réflexion de la lumière à la surface du silicium en utilisant une couche antireflet de nitrure de silicium. Cette dernière est réalisée par pulvérisation cathodique magnétron en utilisant des gaz non toxiques (Ar, N2). Le deuxième objectif de cette étude est la passivation des centres de recombinaison au niveau de l'interface couche antireflet/silicium. Pour cela, une approche est proposée, consistant à modifier la surface du silicium par nitruration plasma N2 générée par deux types de sources plasma : une source ECR (Electron Cyclotron Résonance) et une source GDS (Glow Discharge Source). Une couche tampon SiNx d'une épaisseur inférieure à 10 nm est alors réalisée.Une première étude de la nitruration par plasma N2, reposant sur la modélisation des signaux AR-XPS, a permis de déterminer la composition chimique en profondeur, l’épaisseur de la couche nitrurée et d’identifier les différents phénomènes physiques se déroulant lors du processus de nitruration. Ces résultats nous a permis de comprendre et maîtriser le processus de nitruration sur deux orientations de substrats Si (100) et (111). Une deuxième étude a été menée pour déterminer la composition chimique ainsi que les propriétés optiques de couches antireflets de nitrure de silicium élaborées par pulvérisation RF sur les surfaces de silicium nitrurées et non nitrurées. Cette étude a révélé que ces films pourraient être employés comme couches antireflets pour les cellules photovoltaïques à base de silicium. La dernière partie de ce travail a porté sur l’étude de l’interface couche antireflet/silicium. Les résultats de mesures électriques n’ont pas montré une amélioration conséquente des propriétés électriques lors de l’ajout d’une couche tampon SiNx. Néanmoins, nous avons suggéré des paramètres optimaux pour diminuer les perturbations engendrées par les différents processus de dépôt.

In the photovoltaic field, efficiency of solar cells is impacted by two major issues: reflection losses and recombination losses. The first objective of this work is to reduce light reflection at the silicon surface by using a silicon nitride anti-reflective coating. This layer is deposited by magnetron sputtering using non-toxic gases (Ar, N2). The second objective of this study is the passivation of recombination centers at the interface between the anti-reflective coating and silicon substrate. The approach developed here to achieve this consisting in modifying the silicon surface by nitridation using a N2 Glow Discharge Source (GDS) and Electron Cyclotron Resonance (ECR) source). A SiNx buffer layer with a thickness of less than 10 nm is then deposited.A first study of nitridation using N2 plasma, based on the modeling of AR-XPS intensity, allowed us to determine the chemical composition in depth, the thickness of the nitrided layer, and to identify the various physical phenomena occurring during the nitridation process. These results enabled us to understand and to master the nitridation process on two orientations of the Si substrate (100) and (111). A second study was carried out to determine the chemical composition and the optical properties of the silicon nitride anti-reflective coating elaborated by RF sputtering on both nitrided and unnitrided silicon surfaces. This study revealed that these films could be used as an anti-reflective coating for silicon photovoltaic cells. The last part of this work focused on studying the interface between anti-reflective coating and silicon. The results of electrical measurements did not show a significant improvement in electrical properties with the addition of a SiNx buffer layer. Nevertheless, we suggested optimal parameters to reduce defects induced by the various deposition processes.