Simulation numérique de la croissance de carbure de silicium dans un réacteur CVD à parois froides PDF Download
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Book Description
Les phénomènes de transport et de croissance cristalline mis en jeu pendant le dépôt de carbure de silicium à partir d'un mélange silane-propane-hydrogène ont été étudiés par simulation numérique. Les processus de transferts de chaleur et de quantité de mouvement ont été analysés à l'aide d'un logiciel commercial, et des conditions permettant de réduire les recirculations de fluide, dues aux forts gradients de température, ont été sélectionnées. Des simulations numériques du transfert de matière réactif ont été effectuées au moyen d'un code développé dans notre laboratoire. Un assez bon accord entre valeurs théoriques et expérimentales de la vitesse de dépôt a été obtenu avec le mécanisme chimique précédemment proposé par Annen et collaborateurs. Néanmoins, un mécanisme plus sophistiqué a été mis au point pour des simulations futures. Des simulations Monte Carlo Cinétiques (KMC) tridimensionnelles ont été réalisées pour analyser les processus de croissance du (beta-)SiC (100) à l'échelle atomique. Les principes et les hypothèses du code de calcul ont d'abord été présentées. En considérant un nombre réduit (5) d'espèces chimiques, une étude paramétrique a été réalisée dans le but d'étudier les modes de croissance de la couche. Seuls des résultats préliminaires ont été présentés dans cette thèse de doctorat. Les futures simulations KMC seront réalisées en utilisant des données cinétiques plus précises, et en prenant en compte des substrats désorientés.
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Les phénomènes de transport et de croissance cristalline mis en jeu pendant le dépôt de carbure de silicium à partir d'un mélange silane-propane-hydrogène ont été étudiés par simulation numérique. Les processus de transferts de chaleur et de quantité de mouvement ont été analysés à l'aide d'un logiciel commercial, et des conditions permettant de réduire les recirculations de fluide, dues aux forts gradients de température, ont été sélectionnées. Des simulations numériques du transfert de matière réactif ont été effectuées au moyen d'un code développé dans notre laboratoire. Un assez bon accord entre valeurs théoriques et expérimentales de la vitesse de dépôt a été obtenu avec le mécanisme chimique précédemment proposé par Annen et collaborateurs. Néanmoins, un mécanisme plus sophistiqué a été mis au point pour des simulations futures. Des simulations Monte Carlo Cinétiques (KMC) tridimensionnelles ont été réalisées pour analyser les processus de croissance du (beta-)SiC (100) à l'échelle atomique. Les principes et les hypothèses du code de calcul ont d'abord été présentées. En considérant un nombre réduit (5) d'espèces chimiques, une étude paramétrique a été réalisée dans le but d'étudier les modes de croissance de la couche. Seuls des résultats préliminaires ont été présentés dans cette thèse de doctorat. Les futures simulations KMC seront réalisées en utilisant des données cinétiques plus précises, et en prenant en compte des substrats désorientés.
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Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur d'avenir pour la micro-électronique dans les domaines des hautes puissances ou des hautes températures pour lesquelles le silicium montre ses limites. Le dépôt en phase vapeur (CVD) du matériau est une étape clé dans la fabrication de composants à base de SiC et doit être encore mieux compris. Ce travail propose un ensemble de modélisations des phénomènes thermique, hydrodynamique et chimique qui permettent de décrire l'histoire de la croissance. Les modèles cinétiques homogènes et hétérogènes ont été mis en place à partir de résultats expérimentaux obtenus aux CEA-LETI (vitesse de croissance, gravure) et aussi à partir de simplifications de modèles déjà existants. Une première approche pour la modélisation de l'incorporation des espèces dopantes azotées a aussi été effectuée.
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LE PROCEDE DE DEPOT CHIMIQUE A PARTIR D'UNE PHASE VAPEUR (CVD), PRESENTE UNE GRANDE IMPORTANCE DANS DE NOMBREUX SECTEURS INDUSTRIELS ET, EN PARTICULIER, POUR LA MICROELECTRONIQUE. LE BUT DE CE TRAVAIL ETAIT DE CONSTRUIRE UN MODELE REPRESENTANT LE FONCTIONNEMENT DES REACTEURS DE CVD, AXISYMETRIQUES, A PAROIS FROIDES. UN LOGICIEL, APPELE CWCVD, A AINSI ETE MIS AU POINT. IL PERMET DE DETERMINER LES DISTRIBUTIONS DES VITESSES D'ECOULEMENT DES GAZ, DE LEUR TEMPERATURE, ET DE LA CONCENTRATION DES DIFFERENTES ESPECES, REACTIFS OU PRODUITS DES REACTIONS, AU SEIN DE CE TYPE D'APPAREILS. CE LOGICIEL RESOUT LES EQUATIONS DE CONSERVATION DE LA QUANTITE DE MOUVEMENT, DE LA CHALEUR, ET DE CHAQUE ESPECE, COUPLEES AUX EQUATIONS DE VITESSE DE PRODUCTION OU DE CONSOMMATION PAR REACTIONS CHIMIQUES. DEUX APPLICATIONS PARTICULIERES ONT FAIT L'OBJET D'UNE ETUDE DETAILLEE. LA PREMIERE CONCERNE LA REGION D'ENTREE DANS UN FOUR TUBULAIRE A PAROIS CHAUDES, LA SECONDE, UNE CONFIGURATION AXISYMETRIQUE SIMPLE DE REACTEUR A CHAUFFAGE RAPIDE. DANS LES DEUX CAS, NOUS AVONS CONSIDERE LE DEPOT DE SILICIUM POLYCRISTALLIN PAR PYROLYSE DU SILANE. L'ANALYSE THEORIQUE ORIGINALE QUE NOUS AVONS EFFECTUEE, APPORTE UN GRAND NOMBRE D'INFORMATIONS INTERESSANTES SUR LE FONCTIONNEMENT DE CES DEUX REACTEURS. ELLE MET EN EVIDENCE LE ROLE, TOUT A FAIT DETERMINANT, JOUE PAR LES REACTIONS EN PHASE HOMOGENE QUI PRENNENT PLACE DANS LES GAZ CHAUDS, AVANT QU'ILS N'ATTEIGNENT LES SUBSTRATS, ET QUI CREENT DES ESPECES NOUVELLES. LA DISCUSSION DES RESULTATS NOUS A PERMIS DE MIEUX CERNER LES POSSIBILITES ET LES LIMITES DES DEUX TYPES D'EQUIPEMENTS QUE NOUS AVONS ETUDIES, ET AINSI, DE PRECISER LES DOMAINES D'APPLICATION OU ILS POURRAIENT ETRE LES PLUS UTILES. NOTRE TRAVAIL DEMONTRE TRES CLAIREMENT LES POSSIBILITES ACTUELLES ET L'INTERET POUR L'INDUSTRIE DE LA MODELISATION ET DE LA SIMULATION NUMERIQUE DU FONCTIONNEMENT DES REACTEURS DE CVD
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LA DEPOSITION CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR CONCERNE LA CROISSANCE DE FILMS FINS A PARTIR DE PRECURSEURS SOLIDES EN PHASE GAZEUSE. UN GRAND NOMBRE DE REACTIONS CHIMIQUES SE PRODUISENT DANS LE VOLUME GAZEUX AINSI QU'A LA SURFACE DE CROISSANCE : LE SUBSTRAT. LA PREDICTION DES TAUX DE CROISSANCE ET DE L'UNIFORMITE DES FILMS QUE L'ON OBTIENT SONT DES PARAMETRES INDUSTRIELLEMENT IMPORTANTS. NOUS AVONS MENE UNE ETUDE NUMERIQUE SUR DES REACTEURS CVD EN 2D ET 3D POUR LA CROISSANCE DE FILMS FINS DE SILICIUM (SI) A PARTIR DU SILENE (SIH#4) ET UTILISANT L'HYDROGENE COMME GAZ PORTEUR. EN PARTICULIER, NOUS AVONS CONSIDERE LE REACTEUR HORIZONTAL AVEC SUBSTRAT CIRCULAIRE EN ROTATION ET LA PRISE EN COMPTE DE DEUX REACTIONS CHIMIQUES INCLUANT LES ESPECES SUIVANTES : H#2, SIH#4, SIH#2, SI#2H#6. CETTE ETUDE A ETE MENEE GRACE A UN LOGICIEL EN VOLUMES FINIS UTILISANT UNE METHODE DE RESOLUTION COLLOCATIVE AVEC L'ALGORITHME PISO. NOUS AVONS PU MONTRER L'INFLUENCE DES DEBITS DU GAZ PORTEUR, DE LA VITESSE DE ROTATION DU SUBSTRAT ET DE LA CONCENTRATION DES PRECURSEURS SUR LA CROISSANCE DES FILMS. CETTE ETUDE NUMERIQUE PERMET DORES ET DEJA D'OPTIMISER CE GENRE DE REACTEURS.
Author: Claude Prebende Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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ON MENE UNE APPROCHE DES PROCESSUS DE DEPOT DE SI DANS LE SYSTEME SI-H-CL PROCHE DE CELUI UTILISE POUR SIC(DI-C-H-CL). LES ETAPES CHIMIQUES DU DEPOT DE SIC A PARTIR DU PRECURSEUR CH#3SICL#3/H#2 SONT DETERMINEES SUR LA BASE D'UN CALCUL THERMODYNAMIQUE RELATIF AUX EQUILIBRES HOMOGENES ET HETEROGENES, METTANT EN EVIDENCE UNE SURSATURATION TRES ELEVEE. LA MODELISATION DES TRANSFERTS DE CHALEUR, DE QUANTITE DE MOUVEMENT ET DE MASSE, REALISEE POUR LE SYSTEME SIH#2CL#2(H#2, EST UTILISEE POUR VALIDER LE CHOIX DE L'ENSEMBLE EXPERIMENTAL CHAMBRE DE DEPOT/SUBSTRAT (REACTEUR A ZONE CHAUDE ISOTHERME, GEOMETRIE CYLINDRIQUE). LES VARIATIONS DE LA VITESSE DE DEPOT DE SI ET SIC EN FONCTION DES PARAMETRES EXPERIMENTAUX (TEMPERATURE, PRESSION, DEBITS) METTENT EN EVIDENCE DES TRANSITIONS ENTRE DES PROCESSUS CINETIQUES DE DEPOT CONTROLES PAR DES REACTIONS DE SURFACE OU DES TRANSFERTS DE MATIERE. UNE TENTATIVE DE CORRELATION ENTRE LA NATURE CHIMIQUE DES CERAMIQUES DEPOSEES ET LEUR CINETIQUE DE CROISSANCE, AINSI QUE DES MECANISMES REACTIONNELS DE DEPOT, SONT PROPOSES
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LA CARBURE DE SILICIUM (SIC) EST UN SEMI-CONDUCTEUR DONT LES EXCEPTIONNELLES PROPRIETES PHYSIQUES ET ELECTRIQUES EN FONT UN MATERIAU PRESQUE SANS RIVAL POUR DE MULTIPLES APPLICATIONS ELECTRONIQUES DE MOYENNE ET FORTE PUISSANCE, HAUTE FREQUENCE ET HAUTE TEMPERATURE. DEUX COMPOSANTES CLES LIEES AU SUCCES D'UNE FILIERE TECHNOLOGIQUE SIC SE SITUENT AU NIVEAU DE LA CROISSANCE DES COUCHES EPITAXIALES ET DE LA CRISTALLOGENESE DU SIC MASSIF. DANS UNE PREMIERE PARTIE, CE MEMOIRE DECRIT LE DEVELOPPEMENT D'UNE TECHNIQUE DE CROISSANCE EN PHASE VAPEUR (CVD) PERMETTANT D'ATTEINDRE DES VITESSES D'EPITAXIE DE L'ORDRE DE 25 MICRONS PAR HEURE LE PROCESSUS, EXECUTE A 1650-1850\C, EST BASE SUR UN REACTEUR VERTICAL DIT A MURS CHAUDS, OU REACTEUR CHEMINEE, PERMETTANT D'ATTEINDRE DES VITESSES DE CROISSANCES 5 A 10 FOIS PLUS GRANDES QUE LES TECHNIQUES DE CVD REALISEES A 1500-1650\C. LES RESULTATS PRESENTES PORTENT TANT SUR LA DESCRIPTION DES PARAMETRES DE CROISSANCE, QU'EN LA CARACTERISATION DES PROPRIETES DE COUCHES EPITAXIALES D'EPAISSEUR ALLANT DE 20 A 100 MICRONS (MORPHOLOGIE DE SURFACE, PURETE ET PROPRIETES STRUCTURALES). LA REALISATION DE DIODES SCHOTTKY AYANT DES TENSIONS DE CLAQUAGE SUPERIEURES A 3500 VOLTS EST DEMONTREE. DANS UNE DEUXIEME PARTIE, CE MEMOIRE ABORDE LE DEVELOPPEMENT D'UN PROCESSUS CVD A HAUTE TEMPERATURE (2100-2300\C), PERMETTANT D'ATTEINDRE DES VITESSES DE DEPOT DE L'ORDRE DE 0.4 A 0.8 MM PAR HEURE, C'EST-A-DIRE COMPARABLES AUX VITESSES UTILISEES POUR LA CROISSANCE DE SIC MASSIF. LE ROLE DES PARAMETRES DE CROISSANCE DE CE NOUVEAU PROCESSUS (DECRIT SOUS L'ACRONYME HTCVD) AINSI QUE LES PROPRIETES DE CRISTAUX 4H-SIC SONT ANALYSEES. PAR EXEMPLE, UNE DENSITE DE DEFAUTS MICROPIPES LOCALEMENT INFERIEURE A 80 PAR CM 2 A ETE OBTENU, ALORS QUE LA PURETE DES SOURCES GASEUSES UTILISEES DANS CE PROCESSUS PERMET D'ATTEINDRE UNE RESISTIVITE ELECTRIQUE SUPERIEURE A 10 9 OHM.CM AVEC DES NIVEAUX DE DOPAGE RESIDUEL DE L'ORDRE DE 6.10 1 5 CM 3.
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Le carbure de silicium est un matériau souvent employé comme matrice dans les composites thermostructuraux. Le précurseur classiquement utilisé pour son élaboration par dépôt/infiltration par voie gazeuse est CH3SiCl3. La thèse vise à évaluer le remplacement de ce précurseur par des précurseurs gazeux bi-sourcés de SiC où carbone et silicium sont apportés séparément.A partir du système SiHCl3/C3H8/H2, l'influence du débit total, de la température, de la pression totale et de (C/Si)gaz sont évaluées et comparées aux résultats obtenus avec le système CH3SiCl3/H2. La mesure in situ de la vitesse de dépôt permet de définir des lois cinétiques apparentes. L'analyse IRTF de la phase gazeuse indique que les évolutions des pressions partielles des différents produits stables sont corrélées avec les transitions cinétiques et les changements de composition du solide. Les simulations numériques de l'évolution de la phase gazeuse montrent une bonne corrélation avec les résultats expérimentaux et permettent de proposer des mécanismes homogènes et hétérogènes qui pourraient expliquer les écarts à la stoechiométrie du dépôt.L'étude de six précurseurs supplémentaires permet de mieux identifier le rôle des principales espèces en phase homogène et hétérogène, et notamment les précurseurs effectifs de dépôt. Enfin, l'étude de l'infiltration de matériaux poreux modèles révèle des améliorations significatives en termes d'homogénéité de vitesse de dépôt.Ainsi, des conditions propices à l'infiltration de carbure de silicium peuvent être obtenues en adaptant la réactivité de la phase gazeuse par la sélection de précurseurs initiaux et des chemins réactionnels qui en découlent.
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L'ETUDE DE LA CROISSANCE DE MONOCRISTAUX DE CARBURE DE SILICIUM DE STRUCTURE CRISTALLOGRAPHIQUE HEXAGONALE 6H PAR LA METHODE DE LELY MODIFIEE FAIT L'OBJET DE CE MEMOIRE. L'OBTENTION DE MONOCRISTAUX DE CARBURE DE SILICIUM DE BONNE QUALITE EST UN FACTEUR LIMITANT POUR LE DEVELOPPEMENT DE CE MATERIAU AINSI QUE DES MATERIAUX TELS QUE GAN OU ALN, DANS LE SECTEUR DE LA MICROELECTRONIQUE. APRES UNE DESCRIPTION DES VARIETES CRISTALLINES DU SIC, LE REACTEUR EXPERIMENTAL MIS EN PLACE EST PRESENTE. LES ETAPES D'ELABORATION DES MONOCRISTAUX AINSI QUE LES SEQUENCES DE CROISSANCE DEVELOPPEES SONT DETAILLEES. LES CRISTAUX OBTENUS SONT ETUDIES EN FONCTION DE LEURS CONDITIONS DE CROISSANCE AFIN DE DEGAGER LES PARAMETRES IMPORTANTS DU SYSTEME. UNE FOIS CES PARAMETRES IDENTIFIES, LEURS INFLUENCES SUR LA QUALITE DU CRISTAL, SA NATURE ET SUR LA VITESSE DE DEPOT SONT ANALYSEES. LES TECHNIQUES MISES EN UVRE POUR CARACTERISER LES ECHANTILLONS OBTENUS SONT PAR AILLEURS DECRITES. OUTRE CE TRAVAIL EXPERIMENTAL, NOUS AVONS TENTE DE SIMULER LES DIFFERENTS PHENOMENES PHYSIQUES INTERVENANT LORS DE LA CROISSANCE DE MONOCRISTAUX DE CARBURE DE SILICIUM DANS NOTRE REACTEUR AFIN D'AMELIORER LA COMPREHENSION DU SYSTEME. POUR CELA, NOUS AVONS D'UNE PART CALCULE LES EQUILIBRES THERMODYNAMIQUES, D'AUTRE PART ETUDIE LES TRANSFERTS THERMIQUES ET LE TRANSPORT DE MASSE DANS LE CREUSET. CE TRAVAIL DE SIMULATION, DEJA UTILISE DANS LES PROCEDES DE DEPOT CHIMIQUE EN PHASE GAZEUSE, EST APPLIQUE POUR LA PREMIERE FOIS AU TRANSPORT PHYSIQUE EN PHASE GAZEUSE
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LE PROCEDE DE DEPOT CHIMIQUE A PARTIR D'UNE PHASE VAPEUR (CVD) EST D'UNE GRANDE IMPORTANCE DANS DE NOMBREUX SECTEURS INDUSTRIELS, NOTAMMENT L'INDUSTRIE MICROELECTRONIQUE. LE BUT DE CE TRAVAIL EST DE DEVELOPPER UN MODELE MATHEMATIQUE DECRIVANT LE FONCTIONNEMENT DES REACTEURS DE CVD. DANS UN PREMIER TEMPS, POUR RESOUDRE LE PROBLEME DES ECOULEMENTS, NOUS AVONS UTILISE UN LOGICIEL DE COMMERCE NOMME ESTET. PAR LA SUITE, NOUS AVONS ELABORE UN PROGRAMME QUI TRAITE DES PHENOMENES DE TRANSFERT DE MATIERE AVEC REACTIONS CHIMIQUES EN PHASE GAZEUSE ET SUR LES SURFACES SOLIDES. CE PROGRAMME EST CONSTRUIT D'UNE TELLE FACON QU'IL SOIT COMPATIBLE AVEC ESTET, C'EST A DIRE QU'IL PUISSE UTILISER LES POST ET PREPROCESSEURS D'ESTET AINSI QUE SES RESULTATS. LE CODE DE CALCUL AINSI ETABLI A SERVI A REALISER TROIS ETUDES DETAILLEES. LA PREMIERE, CONCERNE L'ETUDE DU DEPOT DE SILICIUM, POLYCRISTALLIN PUR A PARTIR DU SILANE, DANS DES REACTEURS DITS A MURS FROIDS. LA DEUXIEME, A PORTE SUR L'ETUDE DU DEPOT DE SILICIUM, POLYCRISTALLIN PUR A PARTIR DU SILANE ET DOPE IN SITU AU PHOSPHORE A PARTIR D'UN MELANGE DE SILANE ET DE PHOSPHINE, DANS UN REACTEUR TUBULAIRE HORIZONTAL A MURS CHAUDS, COMPRENANT UN COMPARTIMENT DE HUIT PLAQUETTES. LA DERNIERE PARTIE EST CONSACRE A L'ETUDE DU DEPOT DE SILICIUM POLYCRISTALLIN A PARTIR DU DISILANE DANS LE MEME REACTEUR TUBULAIRE HORIZONTAL. L'ANALYSE DES RESULTATS OBTENUS, MET EN EVIDENCE LE ROLE TOUT A FAIT DETERMINANT JOUEES PAR LES REACTIONS EN PHASE GAZEUSE QUI CREENT DES ESPECES NOUVELLES QUI, EVENTUELLEMENT, PARTICIPENT AU DEPOT DE FILMS SOLIDES. LE TRAVAIL DEMONTRE EGALEMENT, LES POSSIBILITES ACTUELLES ET L'INTERET POUR L'INDUSTRIE, DE LA MODELISATION ET DE LA SIMULATION DU FONCTIONNEMENT DES REACTEURS DE CVD
Author: Guillaume Chaix
Author: Guillaume Chaix
Author: Anjana Devi
Author: Jérôme Meziere
Author: Sylvain Magnaudeix
Author: Malika Naamoune
Author: Claude Prebende
Author: ALEXANDRE.. ELLISON
Author: Guillaume Laduye
Author: ISABELLE.. GARCON
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