Arcing in Very Large Area Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition Reactors THÈSE NO 5090 (2011) PRÉSENTÉE LE 30 JUIN 2011 À LA FACULTÉ SCIENCES DE BASE CENTRE DE RECHERCHES EN PHYSIQUE DES PLASMAS PROGRAMME DOCTORAL EN PHYSIQUE ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES PAR Boris LEGRADIC acceptée sur proposition du jury: Prof. G. Meylan, président du jury Dr C. Hollenstein, Dr A. Howling, directeurs de thèse Prof. C. Ballif, rapporteur Prof. J.-P. Booth, rapporteur Dr C. Ellert, rapporteur Suisse 2011 ii Abstract This thesis presents an investigation into arcing and parasitic plasmas in large area plasma enhanced chemical vapour deposi- tion reactors. Two types were investigated: RF breakdown in millimetric gaps in absence of plasma (e.g. dark space shield- ing), in a millibar pressure range, and RF hollow cathodes in glow discharges. RF breakdown curves (voltage vs. pressure) for parallel plate electrodes generally show a steep left-hand branch at low pressures and a flatter right hand branch at higher pres- sures. Introducingprotrusionsorholesinparallelplateelectrodes will lower the breakdown voltage in certain conditions. This is, however, not due to the increased electric field at sharp edges or ridges. Instead, both experiments and simulation show that breakdown at high pressure will occur at the protrusion provid- ing the smallest gap, while breakdown at low pressure will occur in the aperture providing the largest gap. This holds true as long as the feature in question is wide enough: Features that are too narrow will lose too many electrons due to diffusion, ei- ther to the walls of the apertures or to the surroundings of the protrusion, which negates the effect on the breakdown voltage. An analytical approximation of breakdown in parallel plates with cylindrical protrusions supports this argument. The simulation developed to study breakdown in structured parallel plate elec- trodes also presents a tool to aid the design of complex RF parts fordark-spaceshielding. Amethodwasdevelopedtomeasurethe pressure-limits of ignition for RF hollow cathodes, and it could be shown that these limits not only depend on gas type, diameter and depth of the hollow cathode, but also on the presence and/or absence of other hollow cathodes in the vicinity. It could also be conclusively shown that hollow cathodes damage the electrode by sputtering and/or evaporation. iii iv Version abrégée Le propos de cette thèse est l’étude des claquages et des plas- mas parasites dans des réacteurs de grande surface utilisés pour les dépôts de type PECVD. Deux phénomènes ont été étudiés: Premièrement le claquage radio-fréquence dans des distances de l’ordre du millimètre, en absence de plasma (p. ex. dark space shielding) et dans une gamme de pression de quelque millibars, et deuxièmement les plasmas parasites génères par des cathodes creuses(hollowcathodes)danslecadred’unedécharge’glow’. Les courbes de claquage rf (tension en fonction de la pression) pour des électrodes planes parallèles montrent en général une pente raide dans la zone des basses pressions, et une tendance plate pour les pressions plus élevées. L’introduction de reliefs (trous ou proéminences) sur électrodes planes parallèles entraine une chute de la tension de claquage dans certaines conditions. Cepen- dant, cet effet n’est pas dû au champs électriques élevés associés aux coins ou aux arêtes franches. Les données expérimentales commelessimulationsmontrentqu’áhautepressionlesclaquages se produisent au niveau de la proéminence la plus grande, (dis- tance inter-électrodes la plus petite), tandis qu’á basse pression ceux-ci se produisent au niveau du trou le plus profond (distance inter-électrode la plus grande). Cette règle n’est valide que si le rapport d’aspect hauteur/largeur du relief est assez petit: En effet, pour un rapport trop grand un grand nombre d’electrons est perdu par diffusion dans les parois internes des trous ou dans l’environnement des proéminences, ce qui annule l’effet de la ten- sion de claquage élevée. Une modèle analytique du claquage entre électrodes planes parallèles avec proéminence cylindriques conforte cet argument. Par ailleurs, nous avons développé une simulation du claquage entre plans parallèles structurés qui se révèle être un outil efficace pour le développement des parties complexes des électrodes vis-à-vis du dark-space shielding. Une v vi méthode de mesure des limites en pression pour l’allumage des cathodes creuses rf a été développée, et des expériences ont mon- tré que ces limites ne dépendent pas seulement du type de gaz, du diamètre et de la profondeur des cathodes creuses, mais aussi de la présence ou absence d’autres cathodes creuses à proximité. Finalementnousavonsmisenévidencelefaitquelesplasmaspar- asites liés aux cathodes creuses sont susceptibles d’endommager les électrodes par sputtering et/ou évaporation. Contents 1 Introduction 1 1.1 Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1 RF plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.2 Plasma Parameters for Industrial Plasmas . . . . . . . 6 1.1.3 Dark space shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.3 Organisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 Plasma Breakdown Theory 9 2.1 DC Plasma Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Capacitively Coupled RF Breakdown . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 1d Breakdown Condition . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.2 2d Breakdown Condition . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.3 Drift-diffusion in 2d with Arbitrary Electric Fields . . . 18 2.3 RF Breakdown Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3 Experimental Setup 23 3.1 Working Gases and Pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2 Electrical Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.3 Voltage Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4 Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5 Breakdown Detection and Optical Emission Spectroscopy . . . 38 3.6 Automation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.7 Hollow Cathodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4 RF Breakdown Between Parallel Plates 49 4.1 Parallel Plate Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Gap Width and Frequency Dependence . . . . . . . . . 49 4.1.2 Electrode Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.1.3 Gas Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.2 Structured Parallel Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 vii viii CONTENTS 4.2.1 Electric Field Between Structured Parallel Plates . . . 56 4.2.2 Cylindrical Protrusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.3 Cylindrical Holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.2.4 Location of the Breakdown Event . . . . . . . . . . . . 60 4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5 Breakdown Simulation 67 5.1 Swarm Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1.1 Drift Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.1.2 Townsend Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.1.3 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.3 Anisotropic and Isotropic Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . 77 5.4 Influence of the Swarm Parameters . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.5 Comparison with Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.6 Breakdown Between Structured Parallel Plates . . . . . . . . . 83 5.7 Conclusion and Further Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6 Hollow Cathodes 87 6.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.2 Evidence of sputtered/evaporated wall material . . . . . . . . 91 6.3 Avoiding hollow cathodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.4 Grounded grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7 Conclusion and Future Work 99 Bibliography 103 Acknowledgements 109 Chapter 1 Introduction Chemically reactive plasmas are widely used in industry and research. Uses include, but are not limited to: • modification of surface properties • deposition of thin films • cleaning and etching One important use of plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) is the fabrication of thin-film transistor (TFT) displays and pho- tovoltaic solar cells (see figure 1.1) based on amorphous and micro-crystalline silicon. Thesubstratescommonlyusedhavegrownfrom350mmx450mmin 1992 to 2850 mm x 3050 mm in 2007 [1, 2]. This means a 7-fold growth in di- agonal, from half a meter to about 4.2 meters, and an increase of surface area by a factor of 55! This demand for ever-larger substrates, coupled with new production techniques (e.g. the step from amorphous cells to amorphous- micro-crystalline cells for photovoltaics) translates into progressively bigger RF power requirements. Increasing the production area is unfortunately not so easy as up-scaling existing reactors and using more powerful generators. Edge-effects (for ex- ample standing wave effects [3, 4, 5, 6]) have to be taken into account as the reactor dimensions reach a significant fraction of the RF wavelength, and parasitic plasmas as well as arcing can occur in power supply and shower- heads. The latter effects can lead to a reduced lifetime, damaged or even destroyed rectors. 1 2 CHAPTER 1. INTRODUCTION Figure 1.1: Final installation and layout of Uni-Solar Ovonic´s Thin Film Flexible Solar PV panels. Photographer: Ken Fields. 1.1 Plasma Plasma is often called the fourth state of matter [8]. If we take any solid and increase its temperature while holding the pressure fixed, it will eventually enter a fluid phase, and then a gaseous phase. Adding more energy will then start to dissociate molecules, if present, and then the constituent atoms or molecules are ionised so that the resulting quasi-neutral gas becomes highly conductive and responsive to magnetic fields. First described in a lecture by Sir William Crookes [9] as radiant matter, and further by J.J. Thomson [10] in 1879, the phenomenon was finally given its name plasma by I. Langmuir [11] in 1928. To generate a plasma, energy has to be introduced into a gas until a certain fraction of the neutral particles are ionised. When the sphere around a particular particle, with the radius of the Debye-length s ε k T 0 B e λ = (1.1) D n e2 e contains an average number of charge carriers greater than one, i.e. the plasma parameter 4π N = nλ3 > 1, (1.2) D 3 D and the Debye length is smaller than the physical dimensions of the system in question, we call the gas a weakly coupled plasma, the kind of plasma the present work is concerned with. Here ε is the permittivity of free space, 0