FR2912256A1

FR2912256A1 - Appareil pour traitement de surface au moyen d'une decharge a barriere dielectrique dans un gaz

Info

Publication number: FR2912256A1
Application number: FR0753087A
Authority: FR
Inventors: Denis Jahan; Alain Madec
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2007-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-08-08

Abstract

Appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement d'un substrat (3, 13) à deux faces par décharge à barrière diélectrique, comprenant une première électrode venant se placer au dessous de la face inférieure du substrat, une deuxième électrode venant se placer au dessus de la face supérieure du substrat, un moyen (6, 16) de mise en contact direct ou indirect de la première électrode (1, 11) avec la face inférieure du substrat (3, 13), un moyen (A/B) de maintien de la deuxième électrode à une distance constante de la première électrode, et/ou à une distance constante de la face supérieure du substrat,

Description

La présente invention concerne le domaine des traitements de surface par

décharge électrique dans un gaz selon le mode d'excitation dit à barrière diélectrique (DBD), que ce soit à la pression atmosphérique ou non (basse pression). Plus particulièrement, l'invention concerne un appareil adapté au dépôt industriel et continu de couches de nitrure de silicium sur des cellules photovoltaïques, par excitation d'une vapeur chimique au moyen d'une telle décharge à barrière diélectrique. La fabrication des cellules photovoltaïques est un procédé industriel nécessitant la mise en oeuvre de plusieurs étapes pour la réalisation des différents éléments des cellules. Les cellules photovoltaïques basées sur des substrats de silicium dominent le marché actuel. Ces cellules sont, dans la majorité des cas, caractérisées par le dépôt d'une couche de nitrure de silicium superficielle, qui doit être à la fois fine et résistante, et qui confère à la cellule photovoltaïque des propriétés antireflets et de passivation des défauts électroniques. Le plus souvent, la couche de nitrure de silicium est déposée sous vide par la technique PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), dans un mélange de gaz Silane (SiH4) / Ammoniac (NH3) (voir par exemple les travaux de A. Aberle parus dans Solar Energy Materials & Solar Cells, 65 (2001) 239-248). Ces processus à pression réduite imposent un traitement par lot des cellules, ce qui interrompt l'amenée continue de celles-ci dans la ligne de fabrication. Ainsi, les cadences de production se trouvent diminuées, ce qui nuit à la viabilité économique de la filière, d'autant plus que les moyens d'entretien du vide representent des coûts d'investissement et de fonctionnement supplémentaires.

Pour cette raison, un procédé PECVD mettant en oeuvre un plasma de décharge du type générique à barrière diélectrique (DBD) à pression atmosphérique a été développé et proposé par la littérature, permettant de fabriquer les cellules photovoltaïques de manière continue et donc d'augmenter la cadence de production. Un tel procédé permet de s'affranchir du matériel nécessaire pour réaliser le vide représentant une fraction significative du coût total de l'équipement. Ce procédé, décrit notamment dans le document US2003/0104141, comprend les étapes d'assembler un jeu d'électrodes en ménageant une barrière diélectrique sur la surface de l'électrode supérieure et/ou de l'électrode inférieure, l'espace inter-électrodes formant l'espace d'activation, de remplir ledit espace par un mélange gaz porteur/gaz réactif, de placer le substrat dans ledit espace d'activation, puis d'appliquer une différence de potentiel entre les deux électrodes pour créer une décharge dans l'espace d'activation, aboutissant à la formation d'un plasma, pour réaliser le revêtement du substrat. Cette possibilité est illustrée par les travaux de S. Martin, F. Massines, N. Gherardi et S. Jimenez pour le dépôt d'oxyde de silicium parus dans Surface and Coatings Technol., 177-178 (2004) 693-698. Malgré les multiples avantages apportés par ces procédés antérieurs, la qualité finale désirée pour la couche de nitrure de silicium déposée sur la cellule photovoltaïque n'est pas aisément obtenue. En effet, les conditions expérimentales exposées dans US2003/0104141 ne sont pas suffisantes pour aboutir au dépôt d'une couche de nitrure de silicium ayant les qualités et l'uniformité requises, ce qui est évidemment préjudiciable aux performances des cellules photovoltaïques ainsi produites. 3 Le problème technique auquel se propose de répondre la présente invention est donc la mise à disposition d'un appareil pour l'excitation (préférentiellement à pression atmosphérique) d'un plasma de décharge à barrière diélectrique permettant le dépôt d'une couche de nitrure de silicium de haute qualité et uniformité sur la surface du substrat. De manière surprenante et inattendue, les présents inventeurs ont pu identifier qu'une solution à ce problème résidait dans une disposition particulière des électrodes. Au cours de leurs recherches, ils ont ainsi déterminé que, pour obtenir un dépôt uniforme et de bonne qualité sur toute la surface du substrat, il est important que la distance inter-électrodes reste strictement constante alors que ce paramètre n'a pas un effet aussi radical dans le cas de plasmas entretenus par des décharges sous vide. Dans une DBD à pression atmosphérique, cette distance inter-électrodes est de l'ordre de quelques millimètres sur une longueur pouvant dépasser le mètre dans une configuration industrielle. Une faible variation de cette distance, inférieure à 10%, entraîne une forte variation de l'homogénéité de la décharge et donc de la vitesse de dépôt et/ou des propriétés de la couche déposée. Pour exprimer les choses autrement, il est important, du coté supérieur, de garder un espace gazeux constant entre l'électrode supérieure et le substrat pour obtenir les résultats recherchés. En général, la tolérance admissible sur la distance inter-électrodes est plus grande que la tolérance sur l'épaisseur des substrats, on peut donc au choix jouer sur l'un ou chacun des paramètres suivants : la distance inter-électrodes ou la distance entre la face supérieure du substrat et l'électrode supérieure.

De plus, sachant par expérience que la présence d'une lame d'air entre la face arrière du substrat et l'électrode inférieure favorise la création de décharges parasites altérant l'uniformité et la qualité du dépôt sur la face supérieure du substrat, les inventeurs ont déterminé que le substrat devra donc se trouver à tout moment en contact très intime par sa face arrière avec l'électrode inférieure, recouverte ou non d'un diélectrique, qui le supporte.

Comme il apparaîtra clairement à l'homme du métier les appareillages de dépôt peuvent indifféremment se présenter en position horizontale ou verticale donc on peut parler indifféremment selon les vocables d'électrodes inférieure et supérieure, de faces inférieure et supérieure du substrat ou encore de face avant et face arrière du substrat, l'homme du métier comprend dans tous les cas de quelle face on parle.

Les inventeurs ont ainsi développé un système original de mise en contact de l'électrode inférieure avec la face arrière du substrat et de maintien de la distance inter-électrodes.

La présente invention a donc pour objet un appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement d'un substrat possédant deux faces, par un plasma de décharge à barrière diélectrique, préférentiellement à pression atmosphérique, comprenant : une première électrode venant se placer au 30 dessous de la face inférieure du substrat, une deuxième électrode venant se placer au dessus de la face supérieure du substrat, un moyen de mise en contact direct ou indirect de la première électrode avec la face inférieure du substrat, un moyen de maintien de la deuxième électrode à une distance constante de la première électrode, ou à une distance constante de la face supérieure du substrat, lesdites première et deuxième électrodes étant reliées 5 à une source d'alimentation électrique de façon à ce que la décharge se fasse entre les électrodes, et l'une au moins des électrodes étant recouverte d'une barrière diélectrique.

Au sens de l'invention, le substrat est de préférence plan, et sera de préférence traité sur sa face supérieure uniquement. Dans un mode de réalisation particulier, l'appareil selon l'invention comprend en outre un moyen d'amenée du substrat entre les deux électrodes. Préférentiellement, ledit moyen d'amenée du substrat permet le défilement de manière continue de substrats entre l'électrode supérieure et l'électrode inférieure. Encore plus préférentiellement, le moyen d'amenée est un tapis roulant ou un système de rouleaux. Dans un mode de réalisation, l'appareil selon l'invention peut comprendre en outre un moyen de support dudit substrat venant se placer sous ledit substrat. Au sens de l'invention, les termes support et porte-substrat sont équivalents et peuvent être utilisés de manière interchangeables. Préférentiellement, le support est constitué d'un matériau diélectrique, notamment choisi parmi le verre, les céramiques, des plastiques et les polyoléfines telles que le polypropylène.

L'homme du métier est à même d'utiliser ou non un porte-substrat en fonction, en outre, de la fragilité du substrat. Par mise en contact direct de la première électrode avec la face arrière du substrat , on entend au sens de 6 l'invention que la première électrode rentre en contact avec le substrat sans autre interface entre les deux. Par mise en contact indirect de la première électrode avec la face arrière du substrat , on entend au sens de l'invention que la première électrode ne rentre pas directement en contact avec le substrat, mais par l'intermédiaire notamment d'un diélectrique fixé sur la face supérieure de la première électrode (et qui fait alors office de barrière diélectrique), ou par l'intermédiaire de la face inférieure du porte-substrat.

Dans un autre mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, le moyen de mise en contact direct ou indirect de la première électrode avec la face inférieure du substrat est un moyen permettant d'exercer une poussée vers la face inférieure du substrat, préférentiellement perpendiculairement au substrat. Préférentiellement, le moyen de mise en contact direct ou indirect de la première électrode avec la face inférieure du substrat est choisi parmi au moins un ressort, un vérin ou un piston. De préférence, au moins deux moyens permettant d'exercer une poussée vers la face inférieure du substrat sont fixés sur la face inférieure (arrière) de la première électrode, le nombre de moyens pouvant être adapté en fonction de la surface à traiter et/ou en fonction du type d'électrode utilisé. De plus, la poussée du ressort, vérin ou piston est adaptable par l'homme du métier en fonction du modèle de la première électrode, de sa distance avec la face inférieure du substrat et de la force à appliquer sur celle-ci pour la maintenir en contact avec la face inférieure du substrat. Dans un autre mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, le moyen de maintien de la deuxième électrode à distance contrôlée de la face supérieure du substrat est 7 un moyen permettant d'exercer une poussée vers la face supérieure du substrat, préférentiellement perpendiculaire au substrat. Préférentiellement, le moyen de maintien en question comprend au moins un ressort, un vérin ou un piston. Préférentiellement encore, plusieurs moyens de maintien de la deuxième électrode à distance contrôlée de la face supérieure du substrat sont présents, généralement disposés de part et d'autre de la deuxième électrode. Classiquement, ce ou ces moyens peut/peuvent consister en une tige en matériau rigide, sur laquelle est fixé ledit au moins un ressort, vérin ou piston, ladite tige comportant au moins un point d'appui sur le substrat ou le porte-substrat. Ledit point d'appui de la tige sur le substrat ou le porte-substrat peut être constitué par une roulette, facilitant le déplacement du substrat entre les électrodes. Si des roulettes ne sont pas prévues, le ou les point(s) d'appui pourront être des patins glissants, de préférence constitué(s) ou revêtu(s) d'un matériau glissant de type feutrine, kevlar ou silicone, ou tout type de matériau possédant de faibles propriétés de frottement. Ainsi, la force dégagée par le ressort, le vérin ou le piston est répartie au niveau des points d'appui de la tige sur le substrat ou le porte-substrat. Avantageusement, le ou les point(s) d'appui se font sur une partie nue de la surface du porte-substrat, et non directement sur la plaquette elle-même, de manière à éviter tout endommagement éventuel du substrat. Dans un autre mode de réalisation particulier de l'appareil selon l'invention, le moyen de maintien de la deuxième électrode à une distance constante de la première électrode consiste en une cale de hauteur réglable reliant la première électrode et la deuxième électrode. Dans un tel mode de réalisation, le substrat circule alors dans une fente formée par les deux électrodes reliées à chacune de 8 leurs extrémités par une cale. Cette cale est de préférence réalisée en matériau diélectrique, ledit matériau étant notamment choisi parmi le verre, les céramiques, des plastiques et des polyoléfines telles que le polypropylène.

Il est à la portée de l'homme du métier d'adapter la hauteur de la cale, c'est-à-dire la distance inter-électrode, pour obtenir la meilleure qualité de dépôt sur le substrat. De plus, ce système de cale réglable permet aisément à l'homme de l'art d'adapter l'appareil à tout type de substrat, en fonction de son épaisseur.

La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description détaillée de certains modes de réalisation tels que décrits sur les dessins annexés. Ces modes de réalisation particuliers ne sont présentés que dans un but d'illustration et ne peuvent être considérés comme limitatifs de l'invention. La figure 1 représente une vue éclatée d'un appareil selon un premier mode de réalisation de l'invention.

La figure 2 représente une vue éclatée d'un appareil selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente un appareil conforme à l'invention pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement d'un substrat par un plasma de décharge à barrière diélectrique à pression atmosphérique. L'appareil comprend une première électrode 1 inférieure et une deuxième électrode 2 supérieure. Lesdites électrodes 1, 2 présentent des faces planes en regard l'une de l'autre et parallèles. Généralement, lesdites électrodes 1,2 sont de forme globale parallélépipédique, placées de manière transversale par rapport au substrat 3. Le substrat 3 est supporté par un porte-substrat 4 amené entre les deux électrodes par un système de rouleaux 5. La face supérieure de la première électrode 1 est maintenue en contact avec la 9 face arrière (ou inférieure) du porte-substrat par deux ressorts 6 situés sur la face arrière (inférieure) de l'électrode et appliquant une force perpendiculaire au plan du substrat en direction de celui-ci. Dans ce mode de réalisation de la figure 1, le maintien de la distance inter- électrodes et le maintien du substrat à distance constante de la deuxième électrode (supérieure) 2 est réalisé par un seul et même moyen, consistant en deux dispositifs A, situés de part et d'autre de la deuxième électrode 2. Chaque dispositif A comprend une tige 7, parallèle au plan du substrat, fixée en deux points sur le coté de l'électrode 2, ladite tige étant munie de deux ressorts 9, permettant d'appliquer une force perpendiculaire au plan du substrat et orientée vers la face avant de celui-ci, chaque extrémité de la tige étant reliée à une roulette 8 prenant appui contre le porte-substrat 4. Pour que le système fonctionne correctement, il est évidemment hautement recommandé que la résultante des forces de poussée vers le bas exercées sur le porte-substrat par les dispositifs 7, 8 ,9 soit supérieure à la résultante des forces de poussée vers le haut exercées par les dispositifs 6 sur l'électrode inférieure. La figure 2 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation conforme à l'invention d'un appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement d'un substrat 13 par un plasma de décharge à barrière diélectrique à pression atmosphérique. L'appareil comporte une première électrode 11 et une deuxième électrode 12 reliées entre elles, à chacune de leurs extrémités, par une cale 10 de hauteur réglable, permettant le maintien d'une distance inter-électrodes constante. Le substrat 13 est supporté par un porte-substrat 14 amené entre les deux électrodes par un système de rouleaux 15 et maintenu grâce à deux dispositifs B, situés de part et d'autre de l'électrode 12. Chacun des dispositifs B comprend une tige 17 sur laquelle est fixé un ressort 19 permettant d'appliquer une force perpendiculaire au plan du substrat et orientée vers la face supérieure de celui-ci, chaque extrémité de la tige 17 étant reliée à une roulette 18 prenant appui contre le porte-substrat 14. La première électrode 11 vient se placer contre la face inférieure du substrat et deux ressorts 16, fixés sur la face inférieure de la première électrode 11, exercent une poussée perpendiculaire au plan du substrat en direction de celui-ci, permettant de maintenir le contact entre ladite électrode 11 et le porte-substrat 14. Grâce à la cale 10, la deuxième électrode 12 reste à distance constante de la première électrode 11 et du substrat 13.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement d'un substrat par décharge à barrière diélectrique, comprenant ù une première électrode venant se placer au dessous de la face inférieure du substrat, ù une deuxième électrode venant se placer au dessus de la face supérieure du substrat, ù un moyen (6, 16) de mise en contact direct ou indirect de la première électrode (1, 11) avec la face inférieure du substrat (3, 13), ù un moyen (A/B) de maintien de la deuxième électrode à une distance constante de la première électrode, et/ou à une distance constante de la face supérieure du substrat, lesdites première et deuxième électrodes étant reliées à une source d'alimentation électrique de façon à ce que la décharge se fasse entre les électrodes, et l'une au moins des électrodes étant recouverte d'une barrière diélectrique.

2. Appareil selon la revendication 1, comprenant en outre un moyen d'amenée (5, 15) du substrat (3, 13) entre les deux électrodes.

3. Appareil selon la revendication 2, dans lequel ledit moyen d'amenée (5, 15) du substrat (3, 13) permet le défilement de manière continue de substrats entre ladite première électrode (1, 11) et ladite deuxième électrode (2, 12).

4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel le moyen d'amenée (5, 15) est un tapis roulant ou un système de rouleaux.

5. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un moyen de support (4, 14) dudit substrat (3, 13) venant se placer sous ledit substrat.

6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen (6, 16) de mise en contact direct ou indirect de la première électrode (1, 11) avec la face inférieure du substrat (3, 13) est un moyen permettant d'exercer une poussée vers la face inférieure du substrat, de préférence perpendiculaire au substrat.

7. Appareil selon la revendication 6, dans lequel ledit moyen (6, 16) de mise en contact direct ou indirect de la première électrode (1, 11) avec la face inférieure du substrat (3, 13) est choisi parmi au moins un ressort, un vérin ou un piston.

8. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moyen (A, B) de maintien de la deuxième électrode (2, 12) à une distance constante de la première électrode (1, 11) et/ou à une distance constante de la face supérieure du substrat (3, 13) est un moyen permettant d'exercer une poussée vers la face supérieure du substrat, de préférence perpendiculaire au substrat.

9. Appareil selon la revendication 8, dans lequel ledit moyen de maintien (A, B) comprend au moins un ressort, un 30 vérin ou un piston.

10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel ledit moyen de maintien de la deuxième électrode à une distance constante de la premièreélectrode, consiste en une cale (10) de hauteur réglable reliant la première électrode (11) et la deuxième électrode (12) de part et d'autre du substrat (13).

11. Appareil selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que lesdits moyens sont aptes à permettre que la résultante des forces de poussée exercées sur la face supérieure du substrat soit supérieure à la résultante des forces de poussée s'exerçant sur la face inférieure du substrat.