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

Characterization of a high-density, large-area VHF plasma source

Schmidt, Hannes ; Hollenstein, Christoph (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3495.

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    Summary
    Feasibility Study of Shaped Electrode The objective of this project was a feasibility study of a novel, large-area plasma reactor for thin film production, based on a shaped electrode technique ("lens") to compensate the standing wave non-uniformity. Cylindrical Test Reactor In the first phase a cylindrical reactor was designed and constructed to show the "proof of principle" of a novel electrode design. The cylindrical geometry of the reactor was chosen in order to allow easier comparison with theory and simulations already performed by the CRPP. The reactor parameters were 100[cm] electrode diameter at an excitation frequency of 67.8[MHz]. First it was shown that uniform electric fields can be obtained (a necessary condition for plasma homogeneity) and subsequently it was demonstrated that the special electrode design can compensate the standing wave effect at VHF. Rectangular Industrial Reactor The "proof of principle" for the cylindrical shaped electrode paved the way for the rectangular-shaped electrode. A process compatible in-situ optical uniformity measurement system enabled the measurement of the standing wave effect at typical industrial frequencies (13.56[MHz], 27.12[MHz], 40.68[MHz], 67.8[MHz], 100.0[MHz]) in an industrial rectangular, parallel plate electrode reactor design. Operating at 100.0[MHz] required the construction of a triple stub tuner, which is a interesting way of impedance matching at VHF for PECVD. In spite of parasitic edge plasma, the measurements carried out with the rectangular shaped electrode corroborated the conclusions of the cylindrical test reactor experiments.
    Résumé
    Électrode incurvée Le but de ce projet était de faire une étude de faisabilité d'un nouveau réacteur plasma de grande surface pour la production de couches minces. Ce réacteur a été conçu avec une électrode incurvée de manière à compenser la non-uniformité du plasma provoquée par une onde stationnaire présente lors de l'utilisation de fréquences d'excitation élevées. Réacteur cylindrique La première phase consistait à tester le principe de cette nouvelle conception d'électrode en réalisant un réacteur cylindrique. Cette géométrie de réacteur a été choisie afin de faciliter la comparaison avec la théorie ainsi qu'avec les simulations déjà effectuées par le CRPP. Ce réacteur de 100[cm] de diamètre a été conçu pour une fréquence d'excitation de 67.8[MHz]. Il a été montré qu'un champ électrique uniforme pouvait être produit (condition nécessaire à l'homogénéité du plasma) et en conséquence, il a été montré que cette nouvelle conception d'électrode pouvait compenser l'effet de l'onde stationnaire à très hautes fréquences (VHF) d'excitation. Réacteur rectangulaire industriel Le test effectué sur un réacteur cylindrique n'a été qu'une étape avant l'implémentation de cette technologie dans un réacteur ayant des électrodes rectangulaires. Un diagnostic in situ de l'uniformité optique du plasma a permis de mesurer l'effet de l'onde stationnaire lors de l'utilisation de fréquences d'excitation typiques (13.56[MHz], 27.12[MHz], 40.68[MHz], 67.8[MHz], 100.0[MHz]) dans un réacteur rectangulaire industriel avec des électrodes planes. L'utilisation d'une fréquence d'excitation de 100.0[MHz] a nécessité la construction d'un adapteur d'impédance avec trois bras de réactance ("triple stub tuner"), qui est une première pour l'accord d'impédance à très haute fréquence pour des réacteurs PECVD. Malgré des plasmas parasites dans les bords du réacteur, les mesures effectuées avec une géométrie rectangulaire ont confirmé les découvertes mises à jour dans le réacteur cylindrique.