Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’évaluation thermodynamique de la phase gazeuse des précurseurs pour les procédés de dépôts de couches atomiques (ALD) permet de définir les conditions opératoires optimales, de prévoir toutes les réactions possibles et d’estimer la consommation d'énergie associée à d’éventuelles transformations. Cet article offre à l’ingénieur qui utilise le procédé ALD avec des précurseurs organométalliques une méthode de construction des propriétés de la phase gazeuse à partir des données structurelles des molécules. Les techniques expérimentales qui permettent d’obtenir directement les informations sur la phase gazeuse et l’illustration d’exploitation de ces données thermodynamiques sont données.
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The thermodynamic evaluation of the precursors gas phase for atomic layer deposition (ALD) processes is used to define the operating conditions, anticipate all possible reactions, and estimate the energy consumption associated with any transformations. This article offers engineers who use the ALD process with organometallic precursors a method to construct the properties of the gas phase from structural data for the molecules. An overview is given of experimental techniques used to obtain information directly on the gas phase, together with an illustration of how to use these thermodynamic data.
Auteur(s)
-
Ioana NUTA : Chargée de Recherche au CNRS - Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP) - Université Grenoble Alpes, Grenoble, France
-
Elisabeth BLANQUET : Directrice de Recherche au CNRS - Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP) - Université Grenoble Alpes, Grenoble, France
INTRODUCTION
Les études de la phase gazeuse des précurseurs organométalliques ont un intérêt pour plusieurs raisons. D’une part, elles permettent l’évaluation des propriétés thermodynamiques de la phase condensée (liquide ou solide) à partir des mesures de pression de vapeurs. D’autre part, la connaissance détaillée de la structure et des interactions des espèces dans les vapeurs est nécessaire pour évaluer leurs propriétés dans des conditions bien définies afin de prédire et de valider leur utilisation dans les réacteurs de dépôts. Il est nécessaire de connaître leur comportement en température et pression, s’il y a un gaz d’entraînement ou porteur. Plus particulièrement, leur étude sous ultravide donne la possibilité de déterminer les propriétés des molécules isolées ou de sonder des réactions élémentaires car elles ne sont pas perturbées par différents facteurs qui prédominent souvent dans la phase condensée (e.g. les associations dues aux interactions entre molécules ou avec le solvant, etc.).
Cet article présentera les méthodes et les techniques expérimentales de la thermodynamique dédiée à la phase gaz des précurseurs et les méthodes de construction des propriétés thermodynamiques à partir des données structurelles des molécules.
La dernière section donnera le mode d’emploi de l’exploitation des données thermodynamiques en illustrant le type de problèmes qu’elle permet de résoudre pour les utilisateurs de procédés de dépôts de couches atomiques à partir d’une phase gazeuse.
Domaine : Nanomatériaux : synthèse et élaboration
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Nanotechnologies
Domaines d’application : Dépôts des matériaux
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
évaluation thermodynamique précurseurs organométalliques phase gazeuse conditions opératoires
KEYWORDS
thermodynamic evaluation | organometallic precursors | gas phase | operating conditions
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Conclusion
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3. Utilisation des données thermodynamiques
L’apport de simulations thermodynamiques aux procédés ALD et CVD concerne deux points : la sélection du précurseur et l’optimisation des conditions d’élaboration . Il est clair qu’avant d’obtenir un produit finement ciblé, répondant à un cahier des charges fonctionnelles défini, il faut répondre aux questions successives suivantes :
-
quels type, composition, quantité, et microstructure du matériau permettent d’engendrer telles propriétés d’usage ?
-
est-il possible d’élaborer le matériau ? Par quel procédé, avec quelles espèces réactives et quelles conditions opératoires ?
-
est-ce que ce matériau est stable lors d’un traitement en température, et sous une atmosphère donnée ?
-
est-ce que ce matériau réagit avec son environnement (substrat, four, atmosphère) ?
Pour répondre à ces questions, peuvent être utilisés la consultation ou le calcul de diagrammes de phases, l’évaluation de réactions chimiques, le calcul de pressions d’équilibre, et l’établissement de diagrammes réactionnels.
Quelques limitations doivent naturellement être évoquées. De façon générale, l’approche thermodynamique classique s’appuie sur les hypothèses suivantes :
-
l’équilibre thermodynamique est atteint ;
-
le réacteur est assimilé à un système fermé.
Ceci doit être discuté compte tenu du caractère hors équilibre et dynamique des procédés industriels.
Ainsi, les calculs thermodynamiques seuls donnent souvent lieu à des résultats satisfaisants pour simuler des procédés faisant intervenir des températures et temps de séjour ou réaction élevés, mais pour des procédés basse température, les facteurs cinétiques...
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Utilisation des données thermodynamiques
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DESRE (P.), HODAJ (F.) - Thermodynamique des matériaux. - EDP sciences (2012).
-
(2) - BLANQUET (E.), SCHUSTER (F.) - Dépôt chimique en phase : principes et applications, in Traitements de surfaces en phase vapeur - , A. Galerie, Editor, Hermès Sciences, Lavoisier, France, p. 155-175 (2002).
-
(3) - ASTRUC (D.) - Chimie organométallique. - Grenoble : EDP Sciences (2000).
-
(4) - CHASE (M.) - NIST-JANAF thermochemical tables. - 4th ed. Journal of Physical and Chemical Reference Data. Vol. 9 American Chemical Society (Washington, D.C. and Woodbury, N.Y.) (1998).
-
(5) - MASSOT (R.), CESARIO (J.) - Spectrométrie de masse. - Techniques de l’Ingénieur : p. p2615 (1986).
-
(6) - TARASENKO (N.A.), et al - A...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
FactSage – Développeur : CRCT, École Polytechnique de Montréal (University of Montreal) Dept. of Chemical Engineering Box 6079, Station Downtown Montreal, Quebec H3C 3A7, ([email protected]) Canada et GTT-Technologies Kaiserstrasse 100 52134 Herzogenrath ([email protected]) Allemagne.
MTData – Développeur : Thermodynamics and Process Modelling Group NPL Materials Centre National Physical Laboratory Hampton Road Teddington Middlesex TW11 0LW, ([email protected]) Angleterre.
PANDAT – Développeur : CompuTherm LLC, 8401 Greenway Blvd Suite 248 Middleton, WI 53562 ([email protected]) États-Unis.
OpenCALPHAD – Développeur : Bo Sudman and Suzana G. Fries ; OpenCalphad is distributed under the terms of the GNU General Public License ([email protected]).
Thermo-Calc&Dictra – Développeur : Thermo-Calc Software AB Norra Stationsgatan 93 SE-113 64 Stockholm, ([email protected]) Suède.
HAUT DE PAGE
IUPAC. – International Union of Pure and Applied Chemistry : http://iupac.org/
JANAF. – NIST-JANAF Thermochemical Tables : http://kinetics.nist.gov/janaf/
NIST. – National Institute of Standards and Technology : http://www.nist.gov/srd/
NIST-Webbook. – Base de données standard de référence NIST numéro 69 : http://webbook.nist.gov/chemistry/
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