Control of radio frequency capacitively coupled plasma asymmetries using Tailored Voltage Waveforms
Contrôle de l'asymétrie de plasmas radio fréquence capacitivement couplés par des formes d'onde sur mesure
Résumé
This thesis describes the study of capacitively coupled plasmas excited with Tailored Voltage Waveforms (TVWs) and their use in silicon thin film fabrication for photovoltaic applications. Tailoring the voltage waveforms applied on an electrode of a plasma reactor is a recent technique, which has been developed after the discovery of the electrical asymmetry effect. Compared to standard sinewaves, TVWs are composed of a fundamental frequency, in the radio frequency domain, and its first harmonics. Any waveform can then be approximated by selecting the first components of its Fourier series. It has been shown for example that the ion energy can be controlled by the amplitude asymmetry of the waveform, the ion flux being kept constant. However, at high pressure, this decoupling weakens. We further explore the reasons behind it, using both simulations and experiments. Based on this knowledge, we make use of the ability of TVWs to vary the ion energy to understand its effect on silicon thin film deposition. We find well-defined energy thresholds above which we observe, through several characterization techniques, a lower nucleation density in the case of microcrystalline silicon growth. This indicates that ions with energy above these thresholds can break the crystalline bonds. We confirm this result by studying low-temperature epitaxial growth on a crystalline silicon wafer. Above the energy threshold, epitaxy breakdown occur, and distinct amorphous columns are observed in cross-section transmission electron microscopy images, which are initiated at locations where the crystal was broken by high energy ions. Because of unexpected different nucleation densities for sawtooth-up and down waveforms, despite the similar ion energies, we further explore the effect of these waveforms on plasma discharges. We find, using simulations in argon, that the asymmetry in the sheaths motion created by these waveforms induces a strong localization of the ionization events close to one electrode, and consequently a strong ion flux asymmetry. This localization is confirmed experimentally with phase-resolved optical emission spectroscopy. Surprisingly, we find that, for a given waveform, this asymmetry can be reversed for different chemistries (namely CF4 plasmas), because of different electron heating mechanisms. This new asymmetry can be fully controlled via the rise-to-fall ratio of the waveform, i.e. its temporal asymmetry, and therefore opens the path for new applications of TVWs.
Cette thèse s’intéresse aux plasmas capacitivement couplés excités par des formes d’onde sur mesure et à leur utilisation pour le dépôt de couches minces de silicium pour applications dans le domaine du photovoltaïque. Le fait d’appliquer une forme d’onde sur mesure sur une électrode d’un réacteur plasma est une technique récente. Comparées aux ondes sinusoïdales standards, ces formes d’onde sur mesure sont composées d’une fréquence fondamentale et des premiers harmoniques. Toute forme d’onde peut alors être approchée en sélectionnant les premiers composants de leur série de Fourier. Il a été démontré par exemple que l’énergie des ions peut être contrôlée par l’asymétrie d’amplitude de la forme d’onde, le flux d’ion étant constant. Cependant, à haute pression, le découplage entre les deux quantités s’affaiblit. Nous avons étudié ce phénomène en combinant simulations et expériences. A partir de ces enseignements, nous avons utilisé le contrôle des formes d’onde sur mesure sur l’énergie des ions pour comprendre l’effet de ce dernier sur la croissance de couches minces de silicium. Nous avons mis en évidence deux seuil d’énergie au delà desquels une diminution significative de la densité de nucléation est observée dans le cas de la croissance de films microcristallins. Ces résultats indiquent que les ions avec une énergie supérieure à ces seuils peuvent casser les liaisons cristallines. L’étude de la croissance épitaxiale de silicium à basse température permet de confirmer ces résultats. En effet, une perte de la croissance épitaxiale peut être observée lorsque l’énergie des ions est supérieure aux seuils définis précédemment, et une croissance de colonnes amorphes est mise en évidence. Nous avons également observé une différence de densité de nucléation en appliquant des formes d’onde en dent de scie montante et descendante, et ce malgré une énergie des ions similaire. Pour comprendre cet effet, nous avons utilisé des simulations dans un gaz d’argon excité par ces formes d’onde, qui ont montré une forte asymétrie du mouvement des gaines plasmas, créant une localisation de l’ionisation du gaz à proximité d’une des électrodes. En conséquent, une forte asymétrie des flux d’ions sur les deux électrodes a pu être observée. Ces résultats ont pu être confirmés expérimentalement par des mesures de spectroscopie d’émission optique résolues temporellement et spatialement. De façon surprenante, nous avons montré que cette asymétrie peut être inversée pour des chimies différentes telles que CF4, à cause de la différence de mécanisme de chauffage des électrons. Cette nouvelle asymétrie peut être contrôlée par les pentes de montée et de descente des formes d’ondes, i.e. leur asymétrie temporelle, et ouvre de nouvelles perspectives d’applications des formes d’onde sur mesure.
Mots clés
Domaines
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