Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Centre de recherches en physique des plasmas CRPP (CRPP Association Euratom CRPP-AE)

Study of radio-frequency plasma deposition of amorphous silicon for the improvement of solar cell production

Ballutaud, Juliette ; Howling, Alan A. (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2900.

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    Summary
    Plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) of thin films such as amorphous silicon has widespread applications especially in the field of photovoltaic solar cells and thin-film transistors for flat screen production. Industrial applications require high depositions rates over large areas with a good uniformity in layer thickness. In this thesis, some aspects of PECVD in large surface, industrial type, capacitive radio frequency reactor are investigated. The aim of this work is to study the plasma process conditions to increase the deposition rate of uniform, good quality, a-Si:H layer for solar cell application in a single chamber reactor. The studies realized during this thesis have necessitated the development and the comprehension of diagnostics such as deposition rate measurement by in-situ interferometry, plasma power measurement and layer density measurement by ellipsometry. During the thesis, we have also elaborated a matching-box circuit for using process frequencies of 27.12 MHz and 40.68 MHz. Deposition of a-Si:H in small electrode gap reactor has been studied. At present industrial reactors have a standard electrode gap of 2.4 cm. We modified a reactor to reach a small gap of 1.7 cm. It appears that we have obtained faster deposition rate in the small gap reactor but non-uniformity problems increase due to edge focusing and powder effects. One solution, based on a teflon jigsaw to keep the plasma away from the edge confined spaces, is proposed to suppress focusing effect but the operation parameter space is still reduced by the powder effect. Systematic measurements of a-Si:H layer density was also done by ellipsometry. It is shown that the layer density decreases when the deposition rate increases, independently of pressure, gas flow and frequency (27.12 MHz/40.68 MHz) of the plasma. At high deposition rate, 6 Å/s, only an increase of the process temperature from 200°C to 230°C can significantly improve the layer density. We have noted also a slight improvement of layer density for layers deposited in the small gap reactor. Nevertheless industrial constraints impose a process temperature of 200°C and a standard gap reactor. By optimising the process parameters, keeping the temperature process at 200°C, good quality, uniform, a-Si:H layer were deposited at 3 Å/s on 37 cm × 47 cm glass substrates at 40.68 MHz. A particular source of non-uniformity in large area reactor has been examined. In large area reactors, a perturbation in RF plasma potential, due to the electrode edge asymmetry, propagates towards the plasma center with a characteristic damping length λ. The variation of RF plasma potential at the edge implies a variation of the deposition rate across the reactor area and then a non-uniformity of the deposited layer. A theoretical study was done to understand of this phenomenon and experimental results confirmed the model. Finally, for solar cell applications, a study of the boron cross-contamination during solar cell deposition in a single chamber process has been done. During the deposition of the intrinsic layer, for a p-i-n cell, i-layer is contaminated by the residual boron radicals present in the reactor after the deposition of the boron-doped layer. This contamination decreases cell performance. Several reactor treatments have been tested to solve this contamination problem. The effectiveness of these treatments was evaluated by secondary ion mass microscopy (SIMS) measurements. It appears that an ammonia flush or a water vapour flush of a few minutes, between the deposition of the p-layer and i-layer, reduces the boron contamination at the p-i interface. The performance of cells made with these treatments, in a single chamber process, are comparable to performance of cells done in a multi-chamber process.
    Résumé
    Le dépôt assisté par plasma (PECVD) de films minces comme le silicium amorphe est utilisée pour de nombreuses applications, en particulier dans le domaine des cellules solaires photovoltaïques et des transistors en couches minces pour les écrans plats. Les procédés industriels nécessitent des vitesses de dépôt élevées sur de grandes surfaces, avec une bonne uniformité de l'épaisseur des couches. Dans le cadre de cette thèse, certains aspects du dépôt assisté par plasma ont été étudiés dans un réacteur industriel radiofréquence de grande surface. Les études réalisées durant cette thèse ont nécessité la mise au point et la compréhension de diagnostics comme la mesure in-situ de la vitesse de dépôt, la mesure de la puissance du plasma et la mesure de la densité des couches par ellipsométrie. Nous avons également construit une boîte d'accord radio-fréquence afin de pouvoir travailler à 27.12 MHz et 40.68 MHz. Le dépôt de silicium amorphe dans un réacteur de petite distance inter-électrode a été étudié. Actuellement, les réacteurs industriels possèdent une distance inter-électrode de 2.4 cm. Nous avons modifié notre reacteur pour atteindre une distance de 1.7 cm. Des vitesses de dépôt plus rapides ont été obtenues dans ce réacteur modifié ; mais les problèmes de non-uniformité sont plus importants à cause des effets de concentration du plasma au bord du réacteur, et de la formation de poudre. Nous proposons une solution, utilisant un puzzle de téflon, afin de tenir le plasma éloigné des espaces confinés au bord du réacteur. Néanmoins, l'espace des paramètres opérationnels est limité par la formation de poudre et de ses effets sur l'uniformité des couches. Une mesure sytématique de la densité des couches de silicium amorphe a été faite par ellipsométrie. Il apparaît que la densité des couches diminue lorsque la vitesse de dépôt augmente, indépendamment de la pression, du flux des gaz, et de la fréquence (27.12 MHz/40.68 MHz) du plasma. Pour une grande vitesse de dépôt, 6 Å/s, seule une augmentation de la temperature du procédé de 200°C à 230"C améliore de façon significative la densité des couches. Nous avons aussi noté une petite amélioration de la densité des couches déposées dans le réacteur de petite distance inter-électrode. Cependant, des contraintes industrielles imposent une température de procédé à 200°C et un reacteur de distance inter-électrode standard. En optimisant les paramètres de procédé, en gardant une température à 200°C et une fréquence de 40.68MHz, nous avons déposé une couche uniforme de silicium amorphe de bonne qualité sur un substrat de verre 37 cm × 47 cm à 3 Å/s. Une source particulière de non-uniformité dans un réacteur de grande surface a été étudiée. Dans un réacteur de grande surface, une perturbation dans le potentiel plasma RF, due à une assymétrie au bord du réacteur, se propage vers le centre du plasma avec une longueur d'atténuation caractéristique λ. La variation du potentiel plasma RF implique une variation de la vitesse de dépôt à travers la surface du réacteur et donc une mauvaise uniformité de la couche déposée. Une étude théorique a été menée pour comprendre ce phénomène et les résultats expérimentaux confirment le modèle. Finalement, en vue d'une application dans le domaine des cellules solaires, nous avons étudié la contamination du réacteur par le bore au cours du dépôt de cellules solaires dans un réacteur unique. Durant le dépôt de la couche intrinsèque, pour une cellule de type p-i-n, la couche i est contaminée par les radicaux de bore résiduels, présents dans le réacteur après le dépôt de la couche p dopée bore. Cette contamination altère les performances de la cellule. Plusieurs traitements du réacteur ont été testés afin de résoudre ce probléme. L'efficacité de ces traitements a été évaluée avec un analyseur ionique (SIMS). Il apparaît qu'un flux d'ammoniac ou de vapeur d'eau, effectué entre le dépôt de la couche p et de la couche i, réduit la contamination bore à l'interface p-i. Les performances des cellules déposées dans un réacteur unique, et qui ont subi un de ces deux traitements, ont des performances comparables à celles des cellules déposées au cours d'un procédé utilisant plusieurs réacteurs.