Brevet FR3089522A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF DE TRAITEMENT ASSISTE PAR PLASMA Domaine technique [0001] La présente demande concerne un dispositif de traitement de pièces, notamment de substrats semiconducteurs, par exemple destinés à la fabrication de cellules photovoltaïques. Technique antérieure [0002] Un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque peut comprendre une étape de dépôt d'une couche isolante électriquement sur une face d'un substrat semiconducteur, notamment un substrat en silicium, par exemple selon un procédé de dépôt chimique en phase vapeur avec assistance par plasma ou PECVD (sigle anglais pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). [0003] Les substrats à traiter peuvent être disposés sur des plateaux placés dans une enceinte d'un dispositif de traitement. Le procédé PECVD est une technique de dépôt par voie sèche, c'est-à-dire à partir d'une phase gazeuse. Elle utilise des gaz précurseurs qui sont injectés dans l'enceinte et le dépôt résulte de la décomposition de ces gaz par une réaction chimique à la surface des substrats. Dans le procédé PECVD, la réaction chimique est assistée par une décharge électrique radiofréquence (RF) qui ionise les gaz et forme un plasma. Chaque plateau agit comme conducteur thermique et de contact radiofréquence avec le substrat semiconducteur associé. Les plateaux sont reliés à un générateur de tension de façon à former une alternance de cathodes et d'anodes et un plasma est généré entre chaque paire de plateaux adjacents. Les gaz précurseurs vont se décomposer pour former un dépôt de couche mince sur la face de chaque substrat opposée à la face au contact avec le plateau. [0004] La puissance électrique à fournir par le générateur de tension pour la formation du plasma dépend du nombre de plateaux reliés au générateur. La tendance est à l'augmentation du nombre de plateaux traités simultanément. Il peut alors être nécessaire d'utiliser plusieurs générateurs de tension, chacun étant relié à une partie des plateaux à traiter. Le coût. de fabrication du dispositif de traitement des plateaux peut alors être élevé. Résumé de l'invention [0005] Ainsi, un objet d'un mode de réalisation est de pallier au moins en partie les incon- vénients des dispositifs de traitement assisté par plasma décrits précédemment. [0006] Un mode de réalisation prévoit un dispositif de traitement de substrats conducteurs, semiconducteurs ou isolants, le dispositif comprenant une enceinte, un premier groupe 2 de plateaux et un deuxième groupe de plateaux contenus dans l'enceinte, les substrats reposant sur les plateaux, le dispositif de traitement comprenant en outre un générateur d'une tension alternative périodique comprenant une succession d'impulsions, et un circuit électronique d'interface adapté à relier électriquement alternativement le générateur aux plateaux du premier groupe d'où il résulte la formation d'un plasma entre les plateaux du premier groupe et aux plateaux du deuxième groupe d'où il résulte la formation d'un plasma entre les plateaux du deuxième groupe. [0007] Selon un mode de réalisation, la tension alternative périodique comprend une al- ternance de premières et deuxièmes impulsions, et le circuit électronique d'interface est adapté à relier électriquement le générateur aux plateaux du premier groupe pour chaque première impulsion et aux plateaux du deuxième groupe pour chaque deuxième impulsion. [0008] Selon un mode de réalisation, le générateur est adapté à fournir les premières et deuxièmes impulsions de la tension avec une durée de chaque première et deuxième impulsion comprise entre 1 ms et 100 ms. [0009] Selon un mode de réalisation, le générateur est adapté à fournir la tension à une amplitude maximale comprise entre 300 V et 500 V. [0010] Selon un mode de réalisation, le générateur est adapté à fournir la tension à une fréquence comprise entre 10 kHz et 13,56 MHz. [0011] Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend au moins un circuit d'apport d'un mélange gazeux dans l'enceinte. [0012] Un mode de réalisation prévoit également un procédé de traitement de substrats conducteurs, semiconducteurs ou isolants, comprenant les étapes suivantes : placement dans une enceinte d'un premier groupe de plateaux et d'un deuxième groupe de plateaux, les substrats reposant sur les plateaux ; fourniture par un générateur d'une tension alternative périodique comprenant une succession d'impulsions ; et connexion électrique par un circuit électronique d'interface du générateur alternativement aux plateaux du premier groupe d'où il résulte la formation d'un plasma entre les plateaux du premier groupe et aux plateaux du deuxième groupe d'où il résulte la formation d'un plasma entre les plateaux du deuxième groupe. [0013] Selon un mode de réalisation, le procédé comprend la réalisation d'un dépôt chimique en phase vapeur avec assistance par plasma sur les substrats. [0014] Selon un mode de réalisation, les substrats sont des substrats semiconducteurs destinés à la fabrication de cellules photovoltaïques. Brève description des dessins [0015] Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la 3 description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : [0016] [fig.1] la figure 1 représente, de façon partielle et schématique, un exemple de dispositif de traitement de substrats assisté par plasma ; [0017] [fig.2] la figure 2 est un chronogramme de signaux utilisés lors du fonctionnement du dispositif de traitement représenté en figure 1 ; [0018] [fig.3] la figure 3 représente, de façon partielle et schématique, un mode de réalisation d'un dispositif de traitement de substrats assisté par plasma ; [0019] [fig.4] la figure 4 représente, de façon partielle et schématique, un mode de réalisation du circuit d'interface du dispositif de traitement représenté en figure 3 ; et [0020] [fig.5] la figure 5 est un chronogramme de signaux utilisés lors du fonctionnement du dispositif de traitement représenté en figure 3. Description des modes de réalisation [0021] De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. [0022] Dans la description qui suit, lorsque l'on fait référence à des qualificatifs de position relative, tels que les termes "dessus", "dessous", "supérieur", "inférieur", etc., il est fait référence à la direction verticale. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", "environ" et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. [0023[ Un mode de réalisation va être décrit pour un dispositif de traitement assisté par plasma adapté à la mise en oeuvre d'un procédé PECVD notamment pour le dépôt d'une couche isolante électriquement sur une face d'un substrat semiconducteur, notamment un substrat en silicium, destiné à la réalisation d'une cellule photovoltaïque. Toutefois, il est clair que la présente invention peut être mise en oeuvre avec tout type de traitement assisté par plasma dans lequel un nombre important de substrats sont traités simultanément. Il peut s'agir notamment d'un procédé de dépôt par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma (PAMBE, acronyme anglais pour Plama Assisted Molecular-Beam Epitaxy). Par ailleurs, dans la présente description, on utilise le terme "connecté" pour désigner une liaison électrique directe, sans élément intermédiaire autre que des conducteurs, et le terme "couplé" ou le terme "relié", pour désigner soit une liaison électrique directe (signifiant alors "connecté") soit une liaison via un ou plusieurs composants intermédiaires (résistance, condensateur, etc.). [0024] La figure 1 représente, de façon partielle et schématique, un exemple d'un dispositif 10 de traitement de substrats semiconducteurs adapté à la mise en oeuvre d'un procédé PECVD. [0025] Le dispositif 10 comprend une enceinte 12 dans laquelle une pression réduite est maintenue. Le dispositif 10 comprend en outre un support, non représenté, sur lequel sont disposés des plateaux 14. Les plateaux peuvent être introduits dans l'enceinte 12 ou retirés de l'enceinte 12 par une porte, non représentée, par exemple prévue à une extrémité de l'enceinte 12. Chaque plateau 14, par exemple en graphite, peut recevoir au moins un substrat semiconducteur, non représenté. Les substrats semiconducteurs et les plateaux 14 sont disposés sensiblement horizontalement dans l'enceinte 12. A titre de variante, les plateaux 14 et les substrats semiconducteurs peuvent être disposés sensiblement verticalement dans l'enceinte 12. [0026] Chaque plateau 14, par exemple en graphite, peut recevoir au moins un substrat se- miconducteur, de préférence au moins deux substrats semiconducteurs, par exemple quatre substrats semiconducteurs. Les substrats semiconducteurs sont disposés sensiblement horizontalement sur les plateaux 14. Selon un mode de réalisation, l'écartement entre les plateaux 14 est sensiblement constant, par exemple compris entre 10 min et 20 mm. Le nombre de plateaux 14 peut être compris entre 5 et 100. L'épaisseur maximale de chaque plateau 14 est comprise entre 1 mm et 10 mm par exemple de l'ordre de 5 mm Chaque substrat semiconducteur peut avoir une épaisseur comprise entre 100 pm et 200 pm. Chaque substrat peut, en vue de dessus, avoir une forme sensiblement carrée dont le côté est compris entre 100 mm et 220 mm A titre de variante, chaque substrat peut, en vue de dessus, avoir une forme carrée ou sensiblement carrée (connue généralement sous les expressions carré plein ou pseudocarré), rectangulaire ou circulaire. [0027] Le dispositif 10 comprend des réservoirs, non représentés, de gaz précurseurs et éventuellement d'un gaz neutre. Les réservoirs sont reliés à un panneau de commande, non représenté, adapté à réaliser un mélange des gaz précurseurs et éventuellement du gaz neutre. Le panneau de commande est relié à l'enceinte 12 par une vanne, qui lorsqu'elle est ouverte, permet l'introduction du mélange gazeux dans l'enceinte par une buse d'apport. Le dispositif 10 comprend une pompe à vide, non représentée, reliée à l'enceinte 12 par une vanne qui, lorsqu'elle est ouverte, permet l'aspiration du mélange gazeux présent dans l'enceinte 12 par une buse d'aspiration. Le dispositif 10 comprend en outre des éléments chauffants, non représentés, entourant l'enceinte 12 et permettant de commander la température des plateaux 14 et du mélange gazeux dans l'enceinte 12. Les éléments chauffants peuvent être commandés pour obtenir une température uniforme dans l'enceinte 12 ou pour obtenir un gradient de température dans l'enceinte 12, par exemple selon la direction verticale. Selon le traitement réalisé, la température dans l'enceinte 12 peut être régulée entre 200 °C et 600 °C. [0028] En fonctionnement, des gaz précurseurs sont injectés dans l'enceinte 12 et le dépôt résulte de la décomposition de ces gaz par une réaction chimique à la surface des substrats. Dans le procédé PECVD, la réaction chimique est assistée par une décharge électrique radiofréquence (RF) qui ionise les gaz et forme un plasma. Dans ce but, les plateaux 14 doivent être reliés à un générateur électrique d'une tension alternative. Toutefois, la puissance électrique à fournir par plateau 14 est généralement supérieure à 150 W. Lorsque le nombre de plateaux 14 traités simultanément est supérieur à par exemple 70, les générateurs électriques adaptés à fournir les puissances électriques demandées ont un coût trop élevé. Il est alors connu de répartir les plateaux 14 en deux groupes 16 et 18 de plateaux qui peuvent être superposés dans l'enceinte 12 et d'utiliser un premier générateur 20 d'une première tension alternative UI et un deuxième générateur 22 d'une deuxième tension alternative U2. Le premier générateur 20 est relié électriquement aux plateaux 14 du premier groupe 16 lorsque ceux-ci sont placés dans l'enceinte 12 et le deuxième générateur 22 est relié électriquement aux plateaux 14 du deuxième groupe 18 lorsque ceux-ci sont placés dans l'enceinte 12. [0029] Chaque plateau 14 agit comme conducteur thermique et de contact radiofréquence avec le substrat semiconducteur associé. Les plateaux 14 du premier groupe 16 sont reliés au premier générateur 20 et les plateaux 14 du deuxième groupe 18 sont reliés au deuxième générateur 22 de façon à former une alternance de cathodes et d'anodes et un plasma est généré entre chaque paire de plateaux 14 adjacents. Les gaz précurseurs vont se décomposer pour former un dépôt de couche mince sur la face de chaque substrat opposée à la face au contact avec le plateau 14. [0030] La figure 2 représente un chronogramme des tensions Ul et U2 fournies respec- tivement par les générateurs 20 et 22. Les impulsions de tension fournies par le premier générateur 20 peuvent être décalées par rapport aux impulsions de tension fournies par le deuxième générateur 22. [0031] Selon un mode de réalisation, les tensions Ul et U2 fournies par les générateurs 20 et 22 sont des tensions alternatives périodiques à une fréquence comprise entre 10 kHz et 13,56 MHz. Selon un mode de réalisation, l'amplitude maximale des tensions Ul et U2 est comprise entre 300 V et 500 V. La durée de chaque impulsion de la tension Ul ou U2 est comprise entre 1 ms et 100 ms. [0032] Un inconvénient du dispositif 10 représenté en figure 1 est qu'il requiert l'utilisation d'au moins deux générateurs de tension alternative et peut présenter un coût de fabrication important. 6 [0033] La figure 3 représente un mode de réalisation d'un dispositif de traitement 30. Le dispositif de traitement 30 comprend l'ensemble des éléments du dispositif de traitement 10 représenté en figure 1 à la différence que les générateurs 20 et 22 sont remplacés par un générateur électrique 32 unique fournissant une tension alternative U3 entre des bornes B+ et B-. [0034] Le dispositif de traitement 30 comprend, en outre, un circuit d'interface 34. Le gé- nérateur 32 est relié au circuit d'interface 34 et le circuit d'interface 34 est relié aux plateaux 14 du premier groupe 16 et aux plateaux 14 du deuxième groupe 18. Selon un mode de réalisation, le circuit d'interface 34 comprend : [0035] - une borne B1 reliée à la borne B+ du générateur 32 et une borne B2 reliée à la borne B- du générateur 32 ; [0036] - une borne B3 reliée à une moitié des plateaux 14 du groupe 16 et une borne B4 reliée à l'autre moitié des plateaux 14 du groupe 16, le circuit d'interface 34 fournissant une tension U4 entre les bornes B3 et B4 ; et [0037] - une borne B5 reliée à une moitié des plateaux 14 du groupe 18 et une borne B6 reliée à l'autre moitié des plateaux 14 du groupe 18, le circuit d'interface 34 fournissant une tension U5 entre les bornes B5 et B6. [0038] Selon un mode de réalisation, la tension U3 est une tension alternative périodique à une fréquence comprise entre 10 kHz et 13,56 MHz, de préférence entre 10 kHz et 440 kHz. La tension U3 peut être pulsée et comprend alors une succession périodique d'impulsions, la tension U3 étant égale, sur chaque impulsion, à la tension alternative périodique à une fréquence comprise entre 10 kHz et 13,56 MHz. La durée de chaque impulsion peut varier entre 1 ms et 100 ms. La période entre deux impulsions successives peut varier entre 10 ms et 500 ms. Selon un mode de réalisation, la tension U3 est transmise alternativement sur U4 et U5. De ce fait, lorsque la tension U3 est pulsée, les impulsions de la tension U3 sont transmises alternativement sur U4 et U5. Selon un mode de réalisation, l'amplitude maximale de la tension U3 est comprise entre 300 V et 500 V. Selon un mode de réalisation, l'amplitude maximale des tensions U4 et U5 est comprise entre 300 V et 500 V. [0039] La figure 4 représente, de façon partielle et schématique, un mode de réalisation du circuit d'interface 34 du dispositif de traitement 30 représenté en figure 3. [0040] Le circuit d'interface 34 comprend un premier transistor bipolaire à grille isolée (IGBT, de l'anglais Insulated Gate Bipolar Transistor) Tl dont le collecteur est connecté à la borne BI et dont l'émetteur est connecté à la borne B3. Le circuit d'interface 34 comprend en outre un deuxième transistor IGBT T2 dont le collecteur est connecté à la borne BI et dont l'émetteur est connecté à la borne B5. Le circuit d'interface 34 comprend en outre un générateur 36 d'un signal de commande S connecté à la grille du transistor Ti et reliée à la grille du transistor T2 par 7 l'intermédiaire d'un inverseur -INV. La borne B2 est connectée aux bornes B4 et B6. [0041] La figure 5 représente un chronogramme de la tension U3 fournie par le générateur 32, du signal S, de la tension U4, de l'inverse du signal S et de la tension U5. [0042] Lorsque le signal S est à l'état haut, le transistor Tl est passant et le transistor T2 est bloqué. La borne B1 est alors reliée à la borne B3. Lorsque le signal S est à l'état bas, le transistor T1 est bloqué et le transistor T2 est passant. La home B1 est alors reliée à la borne Bi [0043] Selon un mode de réalisation, le signal S est un signal carré périodique. La tension U3 comprend une succession périodique d'impulsions. Elle comprend alternativement une phase to' où la tension U3 est égale à une tension alternative périodique à une fréquence comprise entre 10 kHz et 13,56 MHz et une phase torf où la tension U3 est sensiblement nulle. La période du signal S est égale au double de la période entre deux impulsions de la tension U3. Lc rapport cyclique des impulsions, c'est-à-dire le rapport entre la durée de la phase et la période des impulsions est compris entre 1 % et 90 %. La durée de chaque impulsion de la tension U3, U4 ou U5 est comprise entre 1 ms et 100 ms. [0044] Selon un mode de réalisation, chaque substrat est un substrat conducteur, semi- conducteur ou isolant et le dispositif 30 est utilisé pour le dépôt d'une couche mince, par exemple une couche diélectrique, sur la face supérieure de chaque substrat. A titre de variante, le dispositif de traitement peut être utilisé pour réaliser des opérations de gravure de substrats semiconducteurs, notamment des opérations de gravure plasma. La couche diélectrique peut être une couche de nitrure de silicium (SiN,), d'oxyde de silicium (Si0,), d'oxynitrure de silicium (SiO,N,), de carbure de silicium (SiC), de carbonitrure de silicium (SiCN), d'oxyde d'aluminium (A10,), du verre de silicate de bore, du verre de silicate de phosphore, ou du silicium amorphe dopé au bore ou au phosphore ou intrinsèque. Les gaz introduits dans l'enceinte 12 peuvent être choisis dans le groupe comprenant le silane (SiH4), l'ammoniac (NH3), le triméthylalurninium (TMA), le protoxyde d'azote (N20), le trifluorure d'azote (Nh), le méthane (CH4), le trichlorure de bore (BC13), du dioxygène (02), l'azote (N2), l'argon (Ar), le diborane (B2 H6), et la phosphine (PH3). L'épaisseur de la couche déposée peut être comprise entre 10 nm et 200 nm, par exemple de l'ordre de 40 nm. L'alternance des impulsions des tensions U4 et U5 permet de maintenir une distribution des gaz suffisante pour alimenter les deux groupes 16, 18 de plateaux 14. Le système de pompage sous vide et de régulation de pression peut être mis en marche de façon à maintenir une pression dans l'enceinte 12 comprise entre 67 Pa (environ 0,5 Torr) et 667 Pa (environ 5 Torr). [0045] Un avantage du mode de réalisation du dispositif de traitement 30 représenté en figure 3 est qu'il comprend un seul générateur 32 de tension alternative utilisé pour la génération d'un plasma dans le dispositif de traitement 30. 8 [0046] Un avantage du mode de réalisation du dispositif de traitement 30 représenté en figure 3 est que l'amplitude maximale de la tension U3 fournie par le générateur de tension 32 est sensiblement identique à l'amplitude maximale des tensions Ul et U2 fournies par les générateurs de tension 20 et 22 du dispositif de traitement 10 représenté en figure 1. [0047] Un avantage du mode de réalisation du dispositif de traitement 30 représenté en figure 3 est qu'il présente un coût de fabrication inférieur au coût de fabrication du dispositif de traitement 10 représenté en figure 1. [0048] Un avantage de ces modes de réalisation est qu'ils ne nécessitent que quelques composants élémentaires pour être implémentés et sont donc relativement peu coûteux. [0049] Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modi- fications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les transistors IGBT composant le circuit d'interface 34 peuvent être remplacés par des transistors à effet de champ à grille isolée plus couramment nommés MOSFET (sigle anglais de Metal Oxidc Semiconductor Field Effcct). 9