Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Le procédé d’ALD (Atomic Layer Deposition) nécessite des précurseurs qui présentent une volatilité et une stabilité thermique importante pour permettre leur transport en phase gaz mais également une forte réactivité avec le substrat. Rassembler toutes ces propriétés physico-chimiques au sein d’un même composé requiert une ingénierie moléculaire précise en termes de structure tridimensionnelle et de force des interactions intra- (liaisons chimiques) et inter-moléculaires (liaisons hydrogènes ou de type Van der Waals). L’article présente les différents paramètres disponibles aux chimistes et utilisateurs pour permettre de sélectionner la famille de précurseurs appropriée à un procédé.
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Stéphane DANIELE : Professeur des Universités - Institut de Recherches sur la Catalyse et l’Environnement de Lyon, IRCELYON-UMR CNRS 5256, Université Lyon 1, Villeurbanne, France
INTRODUCTION
L’ALD (Atomic Layer Deposition) est un procédé de dépôts de couches minces en phase gaz qui consiste en un apport séquentiel d’un -complexe ou précurseur métallique et d’un réactif (H2O, N2O…) sur un substrat chauffé. Chaque étape est associée à une réactivité chimique : celle du précurseur sur la surface puis celle du réactif sur le précurseur et des séquences de purges sont prévues pour l’élimination des coproduits.
Ce procédé nécessite de disposer de précurseurs volatils, stables thermiquement (pour le stockage et le transport) et réactifs avec une surface donnée (en particulier avec les espèces de surfaces présentes). L’association de toutes ces propriétés au sein d’une même molécule est souvent reliée à la structure tridimensionnelle de celle-ci et à la force des interactions intra- et intermoléculaires. Cette filiation structure/propriétés des précurseurs moléculaires pour ALD sera donc abordée en détaillant les impacts de différents paramètres atomiques du métal et ceux structuraux du ligand tels que son encombrement stérique, la présence d’atomes de fluor, sa dissymétrie et/ou ses propriétés électroniques (donneur ou accepteur) sur la volatilité, la stabilité et la réactivité de ces molécules. L’objectif de cet article est de donner à des utilisateurs de procédés ALD, chimiste ou pas, un guide pratique permettant d’appréhender les performances de molécules en tant que précurseurs ALD, voire de sélectionner la famille de précurseurs appropriée à un procédé.
Domaine : Chimie moléculaire inorganique
Degré de diffusion de la technologie : Croissance
Technologies impliquées : Dépôt de couches minces ou films
Domaines d’application : Micro-électronique, films barrières, photovoltaïque,
Principaux acteurs français :
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Pôles de compétitivité : Minalogic http://www.minalogic.com
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Industriels : Air Liquide https://www.airliquide.com.fr https://www.airliquide.com/fr
Autres acteurs dans le monde :
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Air Products http://www.airproducts.fr/products/Chemicals/Specialty-Chemicals-Electronics/Thin-Film-Deposition.aspx
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SAFC Commercial Life Science Products & Services | Sigma-Aldrich http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/micro-and-nanoelectronics/cvd-ald-precursors.html
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University of Helsinki, Laboratory of Inorganic Chemistry http://www.helsinki.fi/kemia/epaorgaaninen/research/thin.html
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MOTS-CLÉS
ingénierie moléculaire précurseurs inorganiques interactions intermoléculaires interactions intramoléculaires
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Ingénierie moléculaire des précurseurs ALD
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1. Cahier des charges des précurseurs ALD
1.1 Propriétés des précurseurs ALD
Les précurseurs ALD doivent être transportés en phase gaz du container de stockage, qui est le plus souvent chauffé, sur des distances plus ou moins importantes en fonction de l’architecture du réacteur pour finalement réagir chimiquement sur le substrat qui sera également chauffé à une température différente. Une très bonne volatilité est donc le prérequis majeur dont doit disposer le précurseur mais sans détériorer les propriétés de stabilité thermique et de réactivité chimique. En premier lieu, ces précurseurs inorganiques (métalliques) devront donc avoir une structure finie, c’est-à-dire être moléculaire et non pas polymérique ni un réseau ionique cristallin. La stabilité thermique sur une gamme de température est également souhaitée pour éviter toute décomposition lors du transport qui engendrerait des particules, un bouchage des injecteurs dans le cas d’injection liquide et pour garder un régime de dépôt dit « autolimitant » propre à l’ALD. Le précurseur doit néanmoins posséder une réactivité chimique (cinétique) pour réagir avec les espèces présentes à la surface du substrat et ceci de façon très agressive pour augmenter la vitesse de dépôt (surtout pour des applications industrielles) et leur pureté. Les coproduits formés ne doivent en aucun cas interagir avec les dépôts ou le substrat ce qui engendrerait une perte du régime de croissance autolimitant et une corrosion des dépôts. Enfin, ces précurseurs doivent être les plus purs possibles pour éviter toute contamination du dépôt et les voies de synthèses les plus économiques possibles en termes d’atomes et d’énergie. Finalement, leur manipulation, si possible à l’air (ce qui est très rarement le cas), ne doit pas engendrer de problème de toxicité ou d’écotoxicité.
Le tableau 1 résume les différentes propriétés requises pour un précurseur inorganique en ALD.
HAUT DE PAGE1.2 Les grandes familles de précurseurs ALD
Les précurseurs ALD peuvent être classées selon trois grandes familles...
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Cahier des charges des précurseurs ALD
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HERRMANN (W.A.), HUBER (N. W.), RUNTE (O.) - Volatile metal alkoxides according to the concept of donor functionalization, - Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 34 2187-2206, (1995).
-
(2) - HATANPÄÄ (T.), RITALA (M.), LESKELÄ (M.) - Precursors as enablers of ALD technology : Contributions from University of Helsinki, - Coord. Chem. Rev. 257 3297– 3322, (2013).
-
(3) - LEE (S.W.), CHOI (B.J.), EOM (T.), HAN (J.H.), KIM (S.K.), SONG (S.J.), LEE (W.), HWANG (C.S.) - Influences of metal, non-metal precursors, and substrates on atomic layer deposition processes for the growth of selected functional electronic materials, - Coord. Chem. Rev. 257 3154 – 3176, (2013).
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(4) - RAMOS (K.B.), SALY (M.J.), CHABAL (Y.J.) - Precursor design and reaction mechanisms for the atomic layer deposition of metal films, - Coord. Chem. Rev. 257 3271– 3281, (2013).
-
(5) - LI (W.-M.) - Recent Developments of Atomic Layer Deposition Processes for Metallization, - Chem. Vap. Deposition 19 82–103, (2013).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Congrès ALD : congrès international qui a lieu tous les ans alternativement aux États-Unis, en Europe et en Asie.
HAUT DE PAGE
Précurseur du ruthénium ayant deux ligands différents destiné à être utilisé dans des applications de semi-conducteur WO2009013721A1
Précurseurs de métal alcalino-terreux pour le dépôt de films contenant du calcium et du strontium WO2009116004A2
Dépôt de films d’oxyde ternaire contenant du ruthénium et des métaux alcalino-terreux WO2009118708A1
Préparation de précurseurs contenant du lanthanide et dépôt de films contenant du lanthanide WO2009149372A1
Précurseurs de cyclopentadiényle de métal de transition hétéroleptique destinés à la déposition de films contenant un métal de transition WO2010010538A3
Precursors having open ligands for ruthenium containing films deposition US7807223
Deposition of ternary oxide films containing ruthenium and alkali earth metals US8092721
Methods for synthesis of heteroleptic cyclopentadienyl transition metal precursors US8236979
Preparation of lanthanide-containing precursors and deposition of lanthanide-containing films US8283201
Heteroleptic cyclopentadienyl transition metal precursors for deposition of transition metal-containing films US8298616
Ruthenium-containing precursors for CVD and ALD US8357614
Preparation of lanthanide-containing precursors and deposition of lanthanide-containing films US8507905
Cyclopentadienyl...
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