Article de référence | Réf : RE254 v1

Génération et dosage de vapeur de précurseur
Réacteurs ALD

Auteur(s) : Jacques Kools

Date de publication : 10 nov. 2016

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RÉSUMÉ

Les réacteurs de dépôt de couche minces par ALD (Atomic Layer Deposition) pour une variété d'applications de recherche, de développement et de fabrication sont présentés dans cet article. L'ensemble des conditions physiques et chimiques aux échelles nano- et micrométrique nécessaires pour obtenir un processus de croissance ALD sont passées en revue. Ensuite, les différentes approches qui ont été développées pour obtenir ces conditions dans un réacteur macroscopique sont discutées. La dernière partie de l’article est une discussion sur les différents types de réacteurs utilisés selon les applications.

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Auteur(s)

INTRODUCTION

Cet article traite des sciences et technologies à la base des réacteurs de dépôt ALD. Un réacteur de dépôt est un objet macroscopique permettant de réaliser des processus de croissance atomique de façon reproductible et contrôlée. Le choix du réacteur et sa configuration sont souvent les étapes les plus importantes dans la mise en place d’un projet d’ALD, à l’échelle d’un laboratoire ou à celle d’une usine.

Le développement et la commercialisation d’équipements d’ALD se déroulent dans le cadre de l’industrie des équipements de dépôts de couches minces sous vide. À l’échelle mondiale, cette industrie dédiée au marché mondial est née et s’est développée pendant les 35 dernières années afin de produire et commercialiser des machines utilisant des techniques telles que la PVD (Physical Vapor Deposition), la CVD (Chemical Vapor Deposition)…

Il y a une tendance générale dans l’industrie des équipements à couches minces d’accroître le contenu technologique, et donc la valeur ajoutée, de son offre. Tous les équipementiers ont maintenant des laboratoires d’ingénierie et de démonstration de procédés où ils se développent et démontrent les nouveaux procédés de dépôts. La pratique courante est de démontrer le dépôt de couches dans le cadre d’un projet d’achat d’équipement et de fournir le savoir-faire nécessaire pour le bon fonctionnement et l’entretien de l’équipement, y compris les paramètres de fonctionnement et recettes standards, des fournisseurs recommandés de consommables comme des produits chimiques et des pièces de rechange. La plupart des utilisateurs concentreront ensuite leurs efforts de développement sur l’intégration du procédé de dépôt développé par l’équipementier dans la séquence de fabrication particulière de leur dispositif. Cette route vers la commercialisation des progrès en nanotechnologie s’est avérée extrêmement efficace, ainsi les coûts importants de recherche et développement chez le fournisseur d’équipement peuvent être répartis sur un grand nombre de fabricants de composants, sans limiter la capacité des utilisateurs de l’équipement à se de différencier de leur concurrents dans leur marché.

Le marché de l’équipement de l’ALD a augmenté régulièrement au cours des deux dernières décennies. Le taux moyen de croissance annuel de l’industrie a été au-delà de 20 %, et l’ensemble du marché dépasse désormais 1 milliard d’euros par an. Ce marché est desservi par une variété de fournisseurs, établis principalement en Amérique du Nord, Europe et de plus en plus en Asie.

Dans cet article, nous passerons en revue les conditions de base qui sont nécessaires pour la réalisation d’un procédé d’ALD.

Nous allons ensuite formuler des critères de performance qui permettent d’évaluer et de comparer comment un certain équipement est adaptée à un usage particulier. Quelques architectures de réacteurs ALD qui ont été élaborés à ce jour sont présentées. Finalement, quelques applications pratiques seront décrites.

Points clés

Domaine : Nanotechnologie

Degré de diffusion de la technologie : Croissance

Technologies impliquées : Dépôt de couches minces, technique du vide, simulations numériques

Domaines d’application : Microélectronique, photovoltaïque, électronique souple, OLED, stockage d’électricité,

Principaux acteurs français :

  • Pôles de compétitivité : Minatec, SCS

  • Centres de compétence : CEA, CNRS

  • Industriels : Encapsulix, Kemstream, Annealsys

Autres acteurs dans le monde :

ASMI (Pays-Bas), Applied Materials (États-Unis), Beneq (Finlande), NCD (Corée du Sud), Picosun (Finlande), TES (Corée du Sud), Veeco (États-Unis),

Contact : [email protected]

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re254


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4. Génération et dosage de vapeur de précurseur

Un élément clé de tout système ALD est le système de génération de vapeur de précurseur et dosage des pulses. La fonction de ce système est de générer une vapeur bien contrôlée des différentes molécules précurseurs dans un volume qui est souvent séparé. Dans le cas de l’ALD temporelle, le système va injecter un flux intermittent (sous la forme d’une séquence d’impulsions) dans le réacteur. Dans le cas de l’ALD spatiale, le système génère un flux continu dans une des zones de précurseurs.

Une première étape est la génération de la vapeur, soit sous sa forme pure, soit en mélange avec un gaz porteur. Pour la plupart des systèmes d’ALD, il est souhaitable d’avoir une pression d’au moins 1 Torr dans les lignes de gaz précurseur. Si la pression du précurseur est trop faible, il peut générer un phénomène de reflux, à savoir un écoulement de gaz du réacteur vers la ligne de précurseur, au lieu de partir de la ligne de précurseur dans le réacteur. Non seulement, ceci empêche (évidemment) le précurseur d’entrer dans le réacteur et donc un dépôt. Il est aussi possible que des dépôts se produisent, mais cela peut aussi conduire à des problèmes avec les vannes en raison de l’entraînement de particules provenant du réacteur.

Plusieurs méthodes de production de vapeur sont disponibles.

  • L’extraction de vapeur

    Un réservoir du précurseur (liquide ou solide) est raccordé et mis sous vide. Le réservoir et la ligne de raccordement sont chauffés à une température assurant une pression de vapeur suffisante. Il y a un certain nombre de précurseurs couramment utilisés (H2O, TMA, DEZ, TiCl4) où la pression de vapeur à la température ambiante est suffisamment élevée (5-20 Torr) pour permettre un fonctionnement sans chauffage. D’autres précurseurs couramment utilisés tels que l’éthylène glycol ou TTIP fournissent une pression de vapeur suffisante avec un chauffage modéré (~ 100 °C). Lorsque l’on chauffe un précurseur pour augmenter sa pression de vapeur, un certain nombre d’éléments doivent être pris en compte :

    • éviter de la distillation. Le réservoir de liquide doit être le point le plus froid de la ligne. S’il y a un autre point de la ligne...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - POODT (P.E.) et al -   Spatial atomic layer deposition : A route towards further industrialization.  -  J. Vac Sci Technology, A30, 010802 (2012).

  • (2) - ELAM (A.Y.-G.) -   Analytic expressions for atomic layer deposition : Coverage, throughput, and materials utilization in cross-flow, particle coating, and spatial atomic layer deposition.  -  J. Vac Sci. Technol., A32, 031504 (2014).

  • (3) - ERNST GRANNEMAN (P.F.) -   Batch ALD : Characteristics, comparison with single wafer ALD, and examples.  -  Surface & Coatings Technology, 201, p. 8899 (2007).

  • (4) - GEORGE (S.) -   Atomic Layer Deposition : An Overview.  -  Chem. Rev, 110, 111-131 (2010).

  • (5) - KOOLS (J.C.S.) -   High Throughput Atomic Layer Deposition for Encapsulation of Large Area Electronics.  -  ECS Transactions 41, 195 (2011).

  • (6) - J.W....

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