Modeling of a silane-hydrogen plasma discharge including nanoparticle dynamics for photovoltaic applications.

par Jean-Maxime Orlac'h

Thèse de doctorat en Physique

Le président du jury était Laïfa Boufendi.

Le jury était composé de Vincent Giovangigli, Tatiana Novikova, Khaled Hassouni, Stéphane Pasquiers.

Les rapporteurs étaient Thierry Magin, Steven Girshick.

  • Titre traduit

    Modélisation d'un plasma de silane-hydrogène avec dynamique de nanoparticules pour applications photovoltaïques.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur la modélisation de la dynamique des nanoparticules de silicium dans les plasmas de silane à couplage capacitif pour applications photovoltaïques.Une dérivation complète des équations fluides pour un plasma bi-température réactif polyatomique a été effectuée dans le cadre de la théorie cinétique des gaz. A partir d'une analyse asymptotique de l'équation de Boltzmann, la méthode de Chapman-Enskog a permis d'obtenir les équations d'ordre zéro en le nombre de Knudsen, qui correspondent au régime "Euler", et les équations d'ordre un qui correspondent au régime "Navier-Stokes-Fourier". La méthode fournit également une expression des flux de transport en termes des gradients des variables macroscopiques, ainsi que les coefficients de transports associés.Le modèle de plasma fluide multi-espèces ainsi dérivé a été simplifié et implémenté numériquement en vue de modéliser un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma utilisé pour le dépôt de couches minces de silicium. Un logiciel a été écrit en FORTRAN et validé numériquement à l'aide d'un "benchmark" issu de la littérature. Il a ensuite été mis en oeuvre dans les conditions typiques de l'épitaxie par plasma basse température. Les densités des principales espèces sont en accord avec les données expérimentales de la littérature. L'influence de la chimie du silane sur la tension d'auto-polarisation a également été étudiée, grâce à l'utilisation de formes d'ondes asymétriques sur mesure.Le modèle a ensuite été enrichi à l'aide d'un modèle sectionnel en taille et en charges pour les nanoparticules. La comparaison avec les résultats expérimentaux existants a permis d'estimer le coefficient d’accommodation du silane sur les nanoparticules. Les résultats obtenus confirment le rôle prépondérant des ions positifs dans le processus de dépôt.Le modèle développé dans cette thèse ouvre ainsi la voie à une étude systématique de l’évolution du plasma en fonction des conditions de dépôt et de l'influence des nanoparticules sur les propriétés physico-chimiques du plasma.


  • Résumé

    This thesis addresses the modeling of silicon nanoparticle dynamics in radio-frequency capacitively-coupled silane plasma discharges for photovoltaic applications.A complete derivation of fluid equations for a two-temperature reactive polyatomic plasma has been achieved in the framework of the kinetic theory of gases. From an asymptotic analysis of the Boltzmann equation, the Chapman-Enskog method was applied to derive the zeroth-order “Euler-type” equations and the first-order “Navier-Stokes-type” equations. Expressions for transport fluxes have been obtained in terms of the macroscopic variables gradients, and associated transport coefficients have been derived.The multicomponent fluid plasma model thus derived has been simplified and implemented numerically in order to model a plasma enhanced chemical vapor deposition reactor as used for silicon thin films deposition. A software has been written in FORTRAN and validated against a benchmark model from the literature. The plasma model has then been applied to typical conditions for low temperature plasma enhanced silicon epitaxy. The main plasma species densities are in good agreement with existing experimental data. The influence of silane plasma chemistry on the DC bias voltage has also been investigated using “tailored voltage” asymmetric waveforms.The model has then been enriched with a sectional model accounting for size and charge of nanoparticles. An estimation of the accommodation coefficient of silane on nanoparticles was obtained from a comparison with existing experimental results. Results of the simulations confirm the critical role of positive ions in the deposition process.The model implemented in this work opens the path for a systematic study of the evolution of the plasma properties as a function of the process conditions and of the influence of nanoparticles on the plasma physicochemical properties.


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