Brevet FR2925525A1 — publié le 20090626

Appareil et Procédé pour traitement de surface au moyen d'une décharge à barrière diélectrique dans un gaz permettant de traiter deux substrats simultanément 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), à la pression atmosphérique. 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 antireflet et de passivation qui est majoritairement du nitrure de silicium, qui doit être à la fois fine et résistante. La fonction antireflet (ARC, � Anti Reflective Coating �) permet de maximiser le flux de rayonnement solaire pénétrant dans la cellule. La fonction de passivation de la surface et du coeur du matériau actif permet de neutraliser les pièges à porteurs libres et donc de maximiser la production de courant électrique photovoltaïque. Cette couche contribue donc à un meilleur rendement de la cellule photovoltaïque. Les propriétés couramment attendues pour cette couche de nitrure de silicium peuvent être résumées ainsi . Pour la propriété antireflet : un indice de réfraction n de la couche de l'ordre de 2, une épaisseur e de la couche de l'ordre de 80 nm, un coefficient d'absorption k nul ou très faible. Pour les propriétés de passivation, on cherche une concentration en atomes d'hydrogène suffisante dans la couche de passivation. Ainsi, ces atomes d'hydrogène pourront migrer vers le coeur du matériau et passiver les impuretés et défauts résiduels qui agissent comme des centres de recombinaison des porteurs de charge minoritaires et donc réduisent leur durée de vie. Le plus souvent dans cette industrie, la couche de nitrure de silicium est déposée sous vide par la technique dite PECVD (pour 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 (on dit aussi � batch �) 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 représentent des coûts d'investissement et de fonctionnement supplémentaires. On note que plusieurs sociétés commercialisent des équipements pour réaliser ces dépôts sous vide avec des mélanges silane (SiH4) / ammoniaque (NH3) On peut citer notamment les sociétés Centrotherm, Roth & Rau, Shimadzu, SEMCO, MVSystems Inc., ou encore OTB. Les conditions opératoires de ces procédés sont typiquement les suivantes: - Fréquence : DC, de 40 à environ 400 kHz, ou 13,56 MHz ou encore 2,45 GHz - Pression : inférieure à 1 mbar - Température : entre 300 et 450 °C 5 - Capacité : entre 500 et 3000 plaquettes/heure Le prix de ces équipements varie entre 700 et 3 000 k{. Divers études ont déjà montré la possibilité de 10 déposer des couches minces à l'aide d'une décharge à barrière diélectrique, en particulier 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. Un tel procédé, décrit 15 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 20 remplir ledit espace réactif, de placer d'activation, puis potentiel entre les par un mélange gaz porteur/gaz le substrat dans ledit espace d'appliquer une différence de deux électrodes pour créer une décharge dans l'espace d'activation, aboutissant à la 25 formation d'un plasma, pour réaliser le revêtement du substrat. Le procédé CVD implémenté dans un réacteur à la pression atmosphérique, donc ouvert, permet un traitement 30 des plaquettes en continu cadence de production. et donc une augmentation de la On verra ci-dessous que la présente invention s'attache à proposer une solution technique permettant d'améliorer encore notablement cette cadence de production. Un procédé de dépôt à la pression atmosphérique assisté par une décharge à barrière diélectrique, et un dispositif pour le mettre en oeuvre, conformes à l'art antérieur, sont illustrés en figure 1 ci-après, un zoom sur la zone de dépôt étant présenté en Figure 2. Pour une telle configuration, le nombre de plaquettes traitées à l'heure dépend du nombre de zones de dépôt successives (2 zones dans le cas de la Figure 1), du nombre de lignes de plaquettes (2 lignes pour le cas de la Figure 1) et surtout de la vitesse de dépôt maximum réalisable par cette technologie. Cette vitesse de dépôt va être limitée par des mécanismes physiques et chimiques propres à la décharge utilisée. Or, à l'heure actuelle, pour que cette technologie soit viable économiquement, il lui faut traiter les plaquettes avec une cadence très élevée, typiquement de 3000 à 4000 plaquettes/heure, correspondant à une capacité de production annuelle de l'ordre de 100 MWp (exprimée en unité caractéristique utilisée dans l'industrie photovoltaïque). Pour l'avenir d'ailleurs, des articles prospectifs (par exemple l'article de Podewils et al paru en mars 2007 dans Photon International) avancent que les grandes unités de fabrication de cellules solaires photovoltaïques pourront être composées de plusieurs sous-unités dont la capacité annuelle de production serait de 100 MWp. En 2007, seuls deux équipementiers semblent être en mesure de fournir des machines, fonctionnant toujours sous vide avec les contraintes que l'on connaît, dont une seule unité assurerait les cadences de production requises (100 MWp). Il s'agit de Roth & Rau pour la solution PECVD qui traite 3000 plaquettes/heure et d'AMAT qui propose un outil permettant de traiter 3400 plaquettes/heure avec une solution technologique alternative : la pulvérisation cathodique. Pour la configuration de dispositif présentée en Figure 1 (deux lignes de plaquettes en défilement sous deux zones de dépôt à la pression atmosphérique), la vitesse de dépôt ne permettra pas nécessairement d'atteindre les cadences nettes de production requises. Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose une solution permettant d'accroître sensiblement la cadence de production d'un équipement. Pour cela elle propose de traiter deux plaquettes ou substrats simultanément. Plus précisément, l'invention concerne un appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement de substrats par décharge à barrière diélectrique permettant le traitement simultané de deux substrats, comprenant : une première électrode, - une deuxième électrode, l'une au moins des électrodes étant recouverte d'une barrière diélectrique, - des moyens d'amenée d'au moins deux substrats dans l'espace entre les deux électrodes ; un moyen de mise en contact intime de la première électrode avec l'une des faces d'un premier substrat, un moyen de mise en contact intime de la seconde électrode avec l'une des faces d'un second substrat, un moyen de maintien de la deuxième électrode à une distance constante de la première électrode, 6 2925525 - un moyen d'alimentation de l'espace situé entre les deux substrats en un gaz de traitement ; lesdites première et deuxième électrodes étant reliées à 5 une source d'alimentation électrique de façon à ce que la décharge se fasse entre les électrodes, et de façon à créer un plasma dans le gaz de traitement entre les deux substrats. L'invention concerne également un procédé de traitement de deux substrats simultanément par décharge à barrière 10 diélectrique, se caractérisant en ce que le traitement est réalisé dans un appareil conforme à l'invention. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description détaillée de certains modes de réalisation tels 15 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 illustre une installation de dépôt de couches 20 minces (par exemple a-SiNX:H) sur substrats à la pression atmosphérique par décharge à barrière diélectrique, conforme à l'art antérieur. - la figure 2 présente un zoom sur la zone de dépôt de l'installation de la figure 1. 25 - la figure 3 illustre un schéma de principe en vue schématique partielle de la zone de dépôt/décharge d'une installation conforme à l'invention. - la figure 4 illustre un exemple de mise en œuvre de l'invention pour des substrats traités en parallèle et en 30 position horizontale (traitement de deux plaquettes / substrats simultanément ; les plaquettes ne sont représentées que sur la vue latérale). La figure 3 illustre donc un schéma de principe en vue schématique partielle de la zone de dépôt/décharge d'une installation conforme à l'invention dans une configuration horizontale. La solution présentée met en oeuvre un jeu de cales placées entre les deux substrats/plaquettes. Les cales servent d'une part à mettre en contact intime chaque substrat sur son électrode respective, et de plus la distance inter électrodes est ainsi bien maîtrisée ce qui, on le sait par ailleurs, est indispensable au bon fonctionnement de la décharge. Cette solution, on le visualise parfaitement, permet donc de traiter deux plaquettes simultanément. De plus, l'utilisation des gaz actifs est optimisée et les dépôts intempestifs sur les électrodes (par exemple des dépôts de silice dans le cas de la mise en oeuvre de mélanges comportant du silane) sont évités puisque celles-ci sont, par principe même, protégées par les plaquettes. La capacité de l'équipement est donc considérablement augmentée, et le temps de non- production résultant notamment des nettoyages (pour ôter au moins les dépôts intempestifs précités) est réduit. Enfin, dans le cas d'un dépôt de couche minces, la quantité de gaz utilisée par surface de substrat traitée est considérablement diminuée. La Figure 4 montre un exemple de mode de réalisation utilisant cette solution, pour des plaquettes traitées en parallèle et horizontalement. On l'aura compris à la lecture de ce qui précède, la qualité du contact entre la plaquette et le diélectrique est un élément constitutif et important du procédé. En effet, tout défaut de contact entraînera la présence d'une atmosphère en face arrière de la plaquette (entre l'électrode et la plaquette) et donc potentiellement la création d'une décharge parasite dommageable à la qualité de la décharge en face avant et du dépôt de a-SiNX:H résultant. Plusieurs moyens sont envisageables pour assurer un contact optimal i.e intime entre la plaquette et le diélectrique. Parmi ceux-ci, on peut citer la méthode électrostatique, utilisée d'ailleurs pour les équipements de gravure et CVD en fabrication de semi-conducteurs, qui permet d'assurer le contact entre les plaquettes et le diélectrique (des tensions continues et opposées sont appliquées sur chaque élément). La solution qui vient d'être exposée (configuration horizontale) se concentre sur le passage dans le plasma proprement dit, i.e. en faisant abstraction de la séquence cinématique qui permet de disposer ainsi une paire de substrats par rapport aux électrodes, puis de désassembler l'agencement, afin d'assurer une transition rationnelle avec le chargement/déchargement et le convoyage en amont et en aval du module de dépôt, mais cette question du convoyage de substrats à l'intérieur d'un espace de décharge est bien connue de l'Homme du Métier et elle ne sera donc pas détaillée ici. On donnera simplement dans ce qui suit d'autres exemples de réalisation et d'orientation, pour illustrer les nombreuses possibilités et géométries envisageables : selon un autre mode de réalisation possible (différent de ce qui a été illustré ci-dessus), on adopte une configuration d'électrodes verticales, et pour faire arriver les plaquettes en position verticale dans l'espace inter-électrodes on met en oeuvre un système adéquat, associé à la solution de convoyage des plaquettes de telle sorte que l'orientation des plaquettes soit changée au cours du déplacement (les plaquettes sont convoyées en position horizontale, puis sont progressivement relevées et mises face à face, elles pénètrent dans la zone de dépôt en position verticale. Une fois traitées et sorties de la zone de dépôt, elles sont remises progressivement en position horizontale). selon un autre mode de réalisation, on peut utiliser un système de portes-substrat. Ainsi, les plaquettes convoyées avec une solution adéquate (tapis roulant, roulettes...) viennent se positionner sur les portes-substrat. Préférentiellement, ces portes-substrat comportent des empreintes pour recevoir chaque plaquette et optimiser ainsi son positionnement et sa stabilité. Exemples de mises en oeuvre : La configuration de la figure 3 a été utilisée pour des essais de traitement simultané de deux substrats dans une même zone plasma. Ces essais ont abouti à l'obtention de dépôts de couches de nitrure de silicium simultanément sur les deux substrats. Les conditions des essais étaient les suivantes . - plasma par décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique dans une zone de 5 cm par 5 cm; - 2 plaquettes de silicium monocristallin, 25 positionnées horizontalement en regard l'une de l'autre, distantes de 1 mm et traitées simultanément dans la même zone plasma ; - mélange gazeux utilisé : He (5 standard 1/mn) / SiH4 (9% dans He ; 25 standard cm3/mn) / NH3 (6,5 standard 30 cm3 /mn) ; - tension appliquée par un générateur pulsé avec une fréquence de 25 kHz et une puissance entre 1 et 2 W. Avec une telle configuration, une couche de a-SiNX:H a été déposée sur chacune des deux plaques. La solution proposée permet intrinsèquement de traiter deux fois plus de substrats avec une machine de capacité 5 donnée. REVENDICATIONS 1. Appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement de substrats par décharge à barrière diélectrique permettant le traitement simultané de deux substrats, comprenant : une première électrode, une deuxième électrode, l'une au moins des 10 électrodes étant recouverte d'une barrière diélectrique, - des moyens d'amenée d'au moins deux substrats dans l'espace entre les deux électrodes ; - un moyen de mise en contact intime de la première électrode avec l'une des faces d'un premier substrat, 15 un moyen de mise en contact intime de la seconde électrode avec l'une des faces d'un second substrat, - un moyen de maintien de la deuxième électrode à une distance constante de la première électrode, - un moyen d'alimentation de l'espace situé entre 20 les deux substrats en un gaz de traitement ; 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 de façon à créer un plasma dans le gaz de traitement entre les deux 25 substrats. 2. Procédé de traitement de deux substrats simultanément par décharge à barrière diélectrique, caractérisé en ce que le traitement est réalisé dans un Appareil conforme à la revendication 1. 30