CH706028A1 - Electrode destinée à une installation de dépôt par vaporisation chimique sous plasma. - Google Patents

Abstract

L’invention concerne une électrode (26) pour une installation de dépôt de couches minces assisté par plasma. Cette électrode est morcelée, c’est-à-dire composée de pièces individuelles (28). Afin d’assurer l’uniformité du champ haute-fréquence permettant la création du plasma, l’électrode est constituée de pavés (28), disposés en matrice et encastrés dans une plaque isolante (24). L’espace entre les pavés (28) de la matrice va croissant, de manière symétrique, des extrémités de ses lignes et de ses colonnes vers leur centre.

Description

[0001] La présente invention se rapporte au domaine du dépôt de couches minces sur un substrat. Elle concerne, plus particulièrement, une électrode destinée à une installation de dépôt par vaporisation chimique sous plasma, désignée PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition). Cette technique, bien connue de l’homme de métier, est utilisée pour le dépôt de couches minces semi-conductrices ou d’oxyde. L’invention concerne également une installation dotée d’une telle électrode.

[0002] Les électrodes selon l’invention conviennent spécialement bien pour des installations PECVD avec couplage capacitif, utilisant une source d’énergie électrique à très haute fréquence, généralement comprise entre 30 et 300 MHz. L’enceinte dans laquelle est réalisée la vaporisation chimique est équipée de deux électrodes parallèles disposées l’une sur le substrat, l’autre en face de lui, qui permettent de créer un champ haute-fréquence grâce auquel les gaz introduits donnent lieu à la formation d’un plasma facilitant le dépôt de la couche désirée.

[0003] De manière très avantageuse, mais non exclusivement, les installations PECVD peuvent servir à la fabrication de panneaux photovoltaïques de grande surface, typiquement de 0,5 à 1 m<2>ou plus.

[0004] La fréquence d’excitation utilisée couramment dans la plupart des systèmes de dépôt du type PECVD, avec couplage capacitif, est la fréquence industrielle «standard» de 13.56 MHz. Toutefois, depuis les travaux de Curtins, Wyrsch et Shah (H. Curtins, N. Wyrsch et A. Shah, Electronic Letters, Vol. 23 (1987) pp.228-230. High-rate déposition of amorphous hydrogenated silicon: effect of plasma excitation frequency), un nombre croissant de fabricants utilisent aujourd’hui des fréquences d’excitation plus hautes, typiquement entre 40 et 100 MHz. De fait, en augmentant la fréquence d’excitation, on constate qu’on peut également augmenter le taux de dépôt, tout en préservant la qualité des couches déposées, que ce soit dans l’état initial de telles couches, ou bien, ce qui est encore plus important pour l’utilisation, dans l’état dégradé, aussi appelé «état stabilisé», comme expliqué par exemple par Kroll, Shah, Keppner, Meier, Torres et Fischer (Kroll U., Shah A., Keppner H., Meier J., Torres P., Fischer D., Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 48 (1997), pp. 343-350, Potential of VHF-plasmas for low-cost production ofa-Si: H solar cells ). Le taux de dépôt relève d’une importance particulièrement grande pour les cellules solaires du type microcristallin, comme indiqué par Torres, Meier, Goetz, Beck, Kroll, Keppner et Shah (Torres P., Meier J., Goetz M., Beck N., Kroll U., Keppner H., Shah A., Proceedings of the Materials Research Society Symposium, Vol. 452 (1997), pp. 883-888, Microcrystalline silicon solar cells at higher déposition rates by the VHF-GD ), ainsi que pour les tandems ou «cellules solaires empilées» du type amorphe/microcristallin, appelés également cellules «micromorphes», comme détaillé par Meier, Torres, Platz, Dubail, Kroll, Anna Selvan, Pellaton Vaucher, Hof, Keppner, Shah, Ufert, Giannoules et Koehler (Meier, J., Torres, P., Platz, R., Dubail, S., Kroll, U., Anna Selvan, J. A., Pellaton Vaucher, N., Hof, Ch., Keppner, H., Shah, A., Ufert, K. D., Giannoules, P., Koehler, J., Proceedings of the Materials Research Society Symposia, Vol. 420., (1996), pp. 3-14, On the way towards high efficiency thin film silicon solar cells by the «micromorph» concept), De fait, la couche de silicium microcristallin intrinsèque (non-dopé) requise pour de telles cellules a une épaisseur de typiquement 1 à 2 µm, ce qui est généralement 4 à 10 fois plus grande que celle de toutes les autres couches de ces mêmes cellules solaires. Dès lors, si on déposait la couche microcristalline avec un système PECVD excité à 13.56 MHz, donnant un taux de dépôt typique de 0.1 à 0.2 nm/s, on arriverait à des temps de dépôt de l’ordre de quelques dizaines de minutes, ce qui limiterait le rythme de production pour les panneaux solaires et engendrerait par là des coûts de fabrication élevés. Or, si on augmente la fréquence d’excitation dans un système de dépôt avec couplage capacitif, et en même temps on conserve une dimension de 0,5 à 1 m<2> ou plus, pour les surfaces à déposer, on arrive à la situation où la dimension la plus grande du système de dépôt, et notamment des électrodes utilisées pour alimenter le plasma, donc la diagonale de ces électrodes, commence à égaler ou dépasser les 5% de la longueur d’onde (dans le vide) attribuable à la tension d’excitation. A ce moment, on a forcément, selon les lois de la physique, des non-uniformités dues à la présence d’ondes stationnaires (standing waves) sur les électrodes du système. Les ondes stationnaires donnent, en général lieu à des non-uniformités pour le champ électrique agissant sur le plasma.

[0005] Différentes solutions ont été proposées pour remédier à ce défaut d’uniformité qui réduit la surface utile du substrat et affecte donc le rendement de l’opération.

[0006] Par exemple, la demande de brevet US 8 056 504 décrit une méthode qui consiste à donner à au moins une des deux électrodes une forme concave. Cette méthode conserve certaines propriétés avantageuses du système de base, telle la facilité de procéder à des nettoyages et des révisions du réacteur. Le schéma classique pour le flux des gaz de dépôt (silane, hydrogène, diborane, phosphine, germane, etc.) est également conservé. Cette méthode a pourtant deux désavantages majeurs. En effet, la fabrication d’une telle électrode concave est d’emblée difficile et coûteuse et la distance dinterélectroden’est plus une constante, mais est différente pour différents emplacements sur l’électrode.

[0007] La demande de brevet EP 1 548 150 décrit un réacteur PECVD avec une des deux électrodes en forme d’une échelle, contenant des barres, et avec une alimentation électrique sophistiquée pour les barres individuelles. Avec cette méthode, on a les avantages suivants: primo, la distance dinterélectrodeest constante, comme dans le schéma classique; secundo, comme la surface totale de l’électrode composée de barres individuelles est nettement plus petite que la surface totale de l’autre électrode, le bombardement ionique sur le substrat, qui est fixé justement sur l’autre électrode, donc sur celle qui est de forme continue, est fortement réduit, selon des considérations physiques originalement introduites par Koenig et Maissel et peaufinées par Kaspar, Böhm et Hirschauer (Kasper, W., Böhm, H., Hirschauer, B., Journal of Applied Physics, Vol. 71 (1992), pp. 4168-4172, The influence of électrode areas on radio-frequency glow discharge); ces derniers trouvent la relation suivante pour les tensions électriques VA et VB, appelées tensions des gaines, qui sont la cause du bombardement ionique sur des électrodes A et B, ayant des surfaces AB et AA, respectivement: VA/VB≈ (AB/AA)<2>.

[0008] Cette relation nous enseigne que si on a affaire avec deux électrodes d’une surface totale différente, on aura un fort bombardement ionique sur celle qui a une petite surface, et un bombardement ionique réduit sur celle qui a une grande surface. Le résultat d’une telle réduction du bombardement ionique est qu’on peut augmenter la puissance électrique fournie au plasma, et donc aussi le taux de dépôt, sans pour autant diminuer la qualité des couches déposées. Par contre, cette méthode a deux désavantages importants: il est relativement difficile de procéder à des nettoyages et des révisions du réacteur; et le schéma classique pour le flux des gaz de dépôt n’est point conservé.

[0009] La présente invention a pour but de fournir une solution qui cumule tous les avantages des méthodes antérieures, mentionnées ci-dessus. Grâce à cette solution: <tb>1)<sep>La distance dinterélectrode constante, comme dans le schéma classique. <tb>2)<sep>La surface totale d’une des deux électrodes peut être choisie telle qu’elle devient nettement plus petite que la surface totale de l’autre électrode: ainsi on peut obtenir des taux de dépôt nettement plus hauts pour des substrats fixés sur la deuxième électrode. <tb>3)<sep>La fabrication du système est relativement simple et donc peu coûteuse. <tb>4)<sep>Le schéma classique pour le flux des gaz de dépôts (silane, hydrogène, diborane, phosphine, germane, etc.) est conservé.

[0010] De façon plus précise, l’invention concerne une électrode pour une installation de dépôt de couches minces assisté par plasma. Cette électrode présente la particularité d’être morcelée, c’est-à-dire composée de pièces individuelles.

[0011] L’électrode selon l’invention est avantageusement constituée de pavés disposés en matrice et encastrés dans une plaque isolante. L’espace entre ces pavés va croissant, de manière symétrique, des extrémités des lignes et des colonnes de la matrice vers leur centre.

[0012] D’autres caractéristiques de l’invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé, dans lequel: <tb>La fig. 1<sep>est une vue en plan de l’électrode revendiquée; et <tb>La fig. 2<sep>est une vue en coupe selon AA d’une installation dotée de cette électrode.

[0013] On se référera, pour commencer, à la fig. 2qui montre en 10 une enceinte métallique raccordée par des moyens appropriés, non représentés car bien connus de l’homme de l’art, à des sources de composés destinés à créer la couche mince désirée.

[0014] La paroi supérieure de l’enceinte est liée mécaniquement à une plaque métallique en cuivre 12, faisant office d’électrode, sur laquelle est disposé un substrat 14 destiné à accueillir la couche mince désirée.

[0015] A l’opposé, l’enceinte 10 comporte une plaque métallique de contact inférieure en cuivre 16 que le conducteur central 18 d’un câble coaxial permet de relier à un générateur VHF, tandis que son conducteur externe 20, relié à l’enceinte 10, sert de mise à la masse pour assurer, en coopération avec la plaque métallique supérieure 12, l’alimentation en énergie VHF à une fréquence comprise entre 30 et 300 MHz.

[0016] Selon une caractéristique importante de l’invention, la plaque 16 est reliée électriquement, par une pluralité de plots 22, en cuivre, cuivre argenté ou aluminium, isolés les uns des autres par une plaque 24, en polymère ou céramique, à une électrode morcelée en cuivre 26, de forme carrée, dont la structure est représentée sur la fig. 1.

[0017] Cette figure montre que l’électrode 26 est constituée de pavés 28, disposés en matrice, sensiblement carrés et encastrés dans une plaque isolante 30 en polymère ou céramique. Selon une caractéristique importante de l’invention, l’espace entre les pavés de la matrice va croissant, de manière symétrique, des extrémités des lignes et des colonnes vers leur centre.

[0018] Ainsi est constituée une électrode morcelée dont la densité des éléments décroit des bords vers le centre, la densité la plus élevée se situant à ses quatre angles. Grâce à cette configuration, le champ électrique haute-fréquence permet la production d’un plasma assurant le dépôt d’une couche plus uniforme sur le substrat.

[0019] A titre indicatif, les dimensions des composants individuels de l’électrode selon l’invention sont les suivantes: surface de I’ électrode 26 et de la plaque (électrode) 12:1 mètre par 1 mètre surface des pavés 28: 1 cm<2> distance entre électrodes dinterélectrode: 8 à 24 mm épaisseur de pavés 28: 1 à 2 mm épaisseur de la plaque de contact 16: 1 à 3 mm longueur des plots 22: 20 à 40 mm

[0020] La présente description a été faite en se référant à une installation dont une seule des électrodes est morcelée mais il va de soi que, pour parfaire l’uniformité des couches déposées, les deux électrodes pourraient avoir la même structure.

Claims (7)

1. Electrode (26) pour une installation de dépôt de couches minces assisté par plasma, caractérisée en ce qu’elle est morcelée, c’est-à-dire composée de pièces individuelles (28).

2. Electrode (26) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle est constituée de pavés (28), disposés en matrice et encastrés dans une plaque isolante (24).

3. Electrode (26) selon la revendication 2, caractérisée en ce que l’espace entre les pavés (28) de la matrice va croissant, de manière symétrique, des extrémités des lignes et des colonnes vers leur centre.

4. Electrode (26) selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que chacun desdits pavés (28) est relié électriquement par des plots (22) à une plaque de contact (16).

5. Electrode (26) selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits plots (22) sont séparés les uns des autres par une plaque isolante (24).

6. Installation de dépôt de couches minces assisté par plasma, comportant deux électrodes parallèles (12, 26) disposées de part et d’autre du substrat destiné à recevoir lesdites couches, caractérisée en ce que l’une (26), au moins desdites électrodes est celle définie par l’une des revendications 1 à 5.

7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites électrodes servent à établir entre elles un champ électrique haute-fréquence compris entre 30 et 300 MHz.