Le procédé de dépôt PECVD

La PECVD est une technique très répandue en industrie. Dans le domaine pho-tovoltaïque, elle est employée par de nombreuses sociétés comme Unisolar Co (aux USA), Kaneka Co (au Japon), T-Solar (en Espagne) et Moser Baer Solar (en Inde) pour le dépôt de couches minces de a-Si:H et de µc-Si:H. Ce procédé a l’avantage d’être très flexible, il permet de réaliser des dépôts sur de grandes surfaces et de travailler à basse température [109].

3.3.2.1 Principe du procédé PECVD

Un substrat est d’abord introduit dans l’enceinte du réacteur PECVD, où il est

fixé à une électrode et porté à une température entre 150◦C et 350◦C. Puis, un

mélange de gaz précurseurs à base de SiH4 est envoyé dans la chambre de dépôt où

règne un vide poussé (< 10−6mbar). Le flux et la pression des gaz peuvent être

ajus-tés et contrôlés. En appliquant un champ électrique, une énergie est communiquée au mélange gazeux pour amorcer un plasma. Ce dernier permet la dissociation des molécules de gaz précurseurs en radicaux qui en réagissant à la surface du substrat forment une couche mince de matériau. Il est nécessaire que l’énergie apportée au plasma soit supérieure aux différentes pertes pouvant avoir lieu dans le réacteur afin qu’il puisse être entretenu. En général, le champ électrique créé au sein du réac-teur est obtenu en appliquant une tension alternative radio-fréquence RF dont la fréquence standard est de 13,56 MHz [38, 108]. Cette tension est fournie par un gé-nérateur de puissance relié à une deuxième électrode du réacteur. Pour un couplage maximum de puissance (RF) au plasma, il est nécessaire d’adapter l’impédance du plasma à celle du générateur. Ceci se fait via un adaptateur d’impédance ou un réseau d’accord.

Pour le dépôt de couches intrinsèques de a-Si:H ou de µc-Si:H, on utilise

prin-cipalement du SiH4 dilué dans de l’hydrogène H2 nécessaire à la passivation des

liaisons pendantes. Dans le plasma, il se produit une dissociation des molécules de

SiH4 et de H2 en différentes espèces chimiques, comme illustré schématiquement à

la Figure 3.6. Puis, des réactions secondaires s’enchaînent dans le plasma entre les

espèces chimiques créées et les molécules mères de SiH4 et de H2 jusqu’à

l’aboutis-sement d’un régime stationnaire [110].

Pour expliquer le mécanisme de croissance du a-Si:H, plusieurs modèles ont été proposés dont le schéma de surface-diffusion illustré à la La Figure 3.7, basé sur

des résultats expérimentaux [111]. Il a été montré que les radicaux de SiH3

consti-tuent l’espèce dominante du plasma responsable de la croissance de la couche de a-Si:H [112].

Figure 3.6 – Schéma montrant la dissociation du SiH4 et du H2 dans le plasma en différentes espèces chimiques [110].

Le schéma montre les différents mécanismes en surface pouvant avoir lieu lors de la croissance d’une couche de a-Si:H.

Figure 3.7 – Schéma de surface-diffusion [111].

Le flux de radicaux SiH3 incident à la surface de dépôt est en partie réfléchi avec

une probabilité 1−β. Quant au reste, ils sont adsorbés en surface via les terminaisons d’atomes d’hydrogène et en diffusant, différentes réactions peuvent avoir lieu, comme illustré à la Figure 3.8.

On assiste à :

- l’abstraction d’un atome H de la surface par le SiH3 conduisant à la formation

d’une molécule de SiH4 et à la création en surface d’une liaison pendante

constituant un site de croissance pour les autres radicaux.

- l’interaction entre deux radicaux SiH3 en surface donnant lieu une molécule

de Si2H6.

- la diffusion de radicaux SiH3 vers les sites de croissance pour se fixer à la

liaison pendante et former une liaison Si-Si d’où la croissance de la couche de a-Si:H.

Les deux premières réactions ont lieu avec une probabilité dite recombinaison γ. Quant à la dernière, elle possède une probabilité dite de sticking (ou de collage) s.

Figure 3.8 – Différentes réactions du radical SiH3 en surface de la couche de a-Si:H

en croissance (d’après [110]).

Par ailleurs, le dopage de type n par le phosphore et le dopage de type p par le

bore s’obtiennent en introduisant de la phosphine (PH3) et du diborane (B2H6),

res-pectivement dans la chambre de dépôt. Le dopage type p peut se faire fait également

avec du triméthylbore (TMB, B(CH3)3) [113]. L’incorporation du carbone dans les

couches p en vue de l’élaboration des couches fenêtres est obtenue par l’adjonction

du gaz méthane (CH4) au plasma [60].

D’un point de vue industriel, l’inconvénient avec la technique PECVD réside dans

la faible vitesse de dépôt comprise entre 1 et 2 Å · s−1. Afin d’augmenter les vitesses

de dépôts tout en gardant un matériau de bonne qualité, différentes solutions ont été apportées [114]. En augmentant la pression et la puissance du plasma, le dépôt

des couches minces peut être réalisé à une vitesse de dépôt de 12 Å · s−1 [115]. Une

autre solution proposée par l’Institut de MicroTechnologie (IMT) de l’Université de Neuchâtel [116] consiste à augmenter la fréquence du plasma jusqu’à 300 MHz. Il s’agit du procédé VHF GD PECVD (Very High Frequency Glow Discharge PECVD)

permettant d’obtenir une vitesse de dépôt de 10 Å · s−1. Ce procédé sera détaillé

dans la section 3.3.2.2. Une autre méthode basée sur la dissociation du SiH4 par

un filament chauffé entre 1600◦C et 2000◦C, appelée Hot Wire CVD (HWCVD) ou

encore catalytique CVD (CAT-CVD) permet d’atteindre des vitesses de dépôt de

3.3.2.2 Système de dépôt VHF-GD-PECVD

La technique de dépôt chimique assistée d’un plasma haute fréquence ou VHF-GD-PECVD (Very High Frequency - Glow Discharge - Plama Enhanced Chemical Vapor Deposition), appelée encore dépôt par décharge capacitive, a été mise en oeuvre par l’équipe de l’IMT de l’Université de Neuchâtel [116]. Le système de dépôt VHF-PECVD est représenté schématiquement à la Figure 3.9.

Figure 3.9 – Schéma du système de dépôt par VHF-GD-PECVD [62]. Il est composé d’une chambre unique de dépôt et une chambre de chargement-déchargement (load lock). Le substrat, fixé sur un porte-substrat, est introduit

préa-lablement dans la chambre de chargement où une pression de 10−5mbar peut être

obtenue grâce à un pompage. Le porte-substrat est ensuite transféré dans la chambre de dépôt à l’aide d’une tige de chargement pour être fixé à l’électrode de masse ré-glable en hauteur. Une seconde électrode est alimentée par un générateur VHF réglé à une fréquence de 70 MHz. Un adaptateur d’impédance permet d’optimiser la puis-sance injectée dans le plasma (minimisation de la puispuis-sance réfléchie). La proportion de chaque gaz est contrôlée à l’aide de régulateurs de flux (un par type de gaz) et leur pression est régulée par une vanne papillon située sur le passage de « process ». Les gaz généralement utilisés dans le système de dépôt VHF-PECVD sont résumés dans le Tableau 3.1. Le plasma est initié par une décharge électrostatique obtenue à l’aide d’un dispositif piézo-électrique. Idéalement, le plasma est confiné entre les deux électrodes [62].

Noms Symboles Dilutions Applications

Silane SiH4 Dépôts de silicium

Hydrogène H2 Dilution-Traitements d’interfaces Phosphine PH3 PH3/H2(1000 ppm) Dopage type n

Diborane B2H6 B2H6/H2(500 ppm) Dopage type p

Méthane CH4 Apport de carbone pour les couches carbonées Dioxyde de carbone CO2 Traitements d’interfaces

Argon Ar Nettoyage et purges

Tableau 3.1 – Gaz utilisés dans le système de dépôt par PECVD-VHF [62].