Apport de l'excitation microonde ECR à la pulvérisation réactive pour le dépôt de couches minces SiCxNy˸H, étude des propriétés optiques et électriques - Thèses Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Contribution of ECR microwave excitation to reactive sputtering for SiCxNy˸H thin film deposition, study of optical and electrical properties

Apport de l'excitation microonde ECR à la pulvérisation réactive pour le dépôt de couches minces SiCxNy˸H, étude des propriétés optiques et électriques

Résumé

This thesis consisted in studying the contribution of a microwave ECR plasma to magnetron reactive sputtering for the deposition of SiCxNy:H thin films, from a silicon target and an Ar, CH4 and N2 gas mixture and its impact on the chemical composition and also the optical and electrical properties of these films.A study of the process was carried out by optical emission spectroscopy to understand plasma chemistry in three different configurations: reactive silicon sputtering, microwave ECR plasma and the combination of both, depending on the nature and flow rates of the used gases, and depending also on the plasma power. Then, the effect of this plasma chemistry on the composition and the chemical environment of the films was studied. For this, the films were deposited by sputtering the silicon target under different reactive gas mixtures according to R = [N2]/([N2 +[CH4]) and by varying the power of the ECR microwave plasma for three levels ( 0 - 400 and 800 W). This study revealed a competition between two phenomena according to the used microwave power: the increase in the sputtering of the silicon target thanks to the plasma densification on one hand and the premature poisoning of this target due to the strong reactive gas’s dissociation.The studied hybrid process allowed to obtain SiCxNy:H films having a refractive index varying from 1.82 to 2.33 at 633 nm as a function of their stoichiometry. They also have optical gaps greater than 3 eV regardless of their carbon and nitrogen content. These films can be used as anti-reflective coatings for silicon photovoltaic cells. Thanks to a dielectric constant varying from 4 to 7.6 and a charge density comprised between 1011 and 1.4 × 10 12 cm-², the SiCxNy:H films can also be used as a passivation layer.The last part of this work aimed to reduce the interface state density at the substrate/ SiCxNy:H interface. This was attempted by nitriding silicon substrates using an ECR source producing neutral nitrogen atoms on one hand, and a GDS source producing ionized nitrogen atoms and molecules on the other hand. Thanks to this ionic character, the nitridation process based on the GDS source was faster than that ECR (x5) and lead to thicker elaborated SiNx layers. This nitridation process reduces the interface state density of the studied samples.
Ces travaux de thèse ont consisté à étudier l’apport d’un plasma microonde ECR à la pulvérisation réactive magnétron pour le dépôt de couches minces SiCxNy:H, à partir d’une cible de silicium et un mélange de gaz formé d’Ar, CH4 et N2, et son impact sur la composition chimique mais aussi les propriétés optiques et électriques de ces couches.Une étude du procédé a été menée par spectroscopie d’émission optique pour comprendre la chimie du plasma dans trois différentes configurations : la pulvérisation réactive du silicium, le plasma microonde ECR et l’association des deux, en fonction de la nature et des débits des gaz utilisés, et en fonction de la puissance du plasma. Ensuite, l’effet de cette chimie du plasma sur la composition et l’environnement chimique des films a été étudié. Pour cela, des dépôts ont été réalisés en pulvérisant la cible de silicium sous différents mélanges de gaz réactifs selon R= [N2]/([N2]+[CH4]) et en faisant varier la puissance du plasma microonde ECR à trois niveaux (0 – 400 et 800 W). Cette étude a révélé une compétition entre deux phénomènes en fonction de la puissance microonde utilisée : l’augmentation de la pulvérisation de la cible de silicium suite à la densification du plasma d’un côté et l’empoisonnement prématuré de cette cible due à la dissociation plus forte des gaz réactifs.Le procédé hybride étudié a permis d’obtenir des films SiCxNy:H ayant un indice de réfraction variable de 1,82 à 2,33 à 633 nm en fonction de leur stœchiométrie. Ils possèdent également des gaps optiques supérieurs à 3 eV quel que soit leur teneur en carbone et azote. Ceci permet à ces films d’être utilisés en tant que couches antireflets pour les cellules photovoltaïques de silicium. Grace à une constante diélectrique qui varie de 4 à 7,6 et une densité de charges comprise entre 1011 et 1,4.1012 cm-², les films SiCxNy:H peuvent servir aussi de couches de passivation.La dernière partie de ces travaux a porté sur la diminution de la densité des états d’interface au niveau de l’interface substrat/couche SiCxNy:H. Ceci a été réalisé par nitruration du silicium à l’aide d’une source ECR produisant des atomes d’azote neutres d’un côté, et une source GDS produisant des atomes et des molécules d’azote ionisés. Grace à ce caractère ionique, la nitruration par la source GDS s’est avérée plus rapide que celle par ECR (x5) et a permis l’obtention de couches SiNx plus épaisses. Elle a permis également de réduire la densité des états d’interface au niveau des échantillons étudiés contrairement à la nitruration par ECR.
Fichier principal
Vignette du fichier
2019CLFAC068_BACHAR.pdf (4.49 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)
Loading...

Dates et versions

tel-02613007 , version 1 (19-05-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02613007 , version 1

Citer

Abdellatif Bachar. Apport de l'excitation microonde ECR à la pulvérisation réactive pour le dépôt de couches minces SiCxNy˸H, étude des propriétés optiques et électriques. Matériaux. Université Clermont Auvergne [2017-2020], 2019. Français. ⟨NNT : 2019CLFAC068⟩. ⟨tel-02613007⟩
128 Consultations
199 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More