I.2 Le remplissage des tranchées d’isolation
I.2.1 Notions fondamentales du dépôt par CVD
La technique de dépôt par CVD permet de déposer des couches minces d’un matériau voulu. Un dépôt par CVD consiste à générer des espèces réactives, à partir de précurseurs gazeux, qui vont ensuite réagir avec la surface du substrat pour former un film [Sherman1987]. Un dépôt CVD est constitué de différentes étapes successives. La Figure 1.8 récapitule les différentes étapes clés d’un dépôt de film par CVD.
Figure 1.8 : Schéma des différentes étapes de dépôt d'un film par CVD.
Tout d’abord, un mélange de gaz, constitué de précurseurs (gaz réactifs) et de gaz inertes, est
inséré dans une enceinte pressurisée. Des réactions dans la phase gazeuse issues de la réactivité naturelle entre les précurseurs ou d’un apport en énergie (thermique, décharge électrique ou encore excitation photonique) va entrainer des dissociations et/ou des recombinaisons moléculaires permettant la formation d’espèces réactives (aussi appelées espèces intermédiaires). Ces dernières vont être transportées jusqu’à la surface du substrat où elles vont être adsorbées par un phénomène de physisorption (force de Van der Walls). Les espèces vont ensuite diffuser sur la surface jusqu’à atteindre un site réactif où elles vont pouvoir réagir (phénomène de chimisorption) afin de participer à la formation de la couche. Finalement, les produits de réaction vont désorber puis être évacués par le système de pompage du réacteur de dépôt. Pour résumer, les dépôts par CVD sont issus du transport des espèces réactives dans la phase gazeuse et de leur réaction à la surface du substrat. Ces deux composantes sont détaillées dans le paragraphe suivant.
I.2.1.2 Mécanismes de transport dans le réacteur
Dans les réacteurs de CVD récents, les gaz réactifs passent au travers d’une douche de distribution, permettant une répartition uniforme dans la chambre. C’est le transport de masse qui assure le déplacement des espèces chimiques jusqu’au substrat pour réagir et former le film [Dobkins2003]. Il est quantifié par l’intermédiaire d’un flux total de gaz et peut avoir une influence sur les caractéristiques du film et son uniformité.
Diffusion des réactants
Adsorption
Formation du film
Desorption Diffusion des produits dans la phase gazeuse
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Convection des espèces dans la phase gazeuse
Dans la phase gazeuse, le transport des espèces est assuré par le flux des différents gaz insérés dans la chambre. Il existe deux types de flux différents : le flux laminaire, qui peut être
qualifié d’ordonné, et le flux turbulent, plus chaotique. Il est important que le flux soit laminaire pour assurer une distribution homogène des espèces à l’intérieur de la chambre. Le
type de flux peut-être facilement identifié, grâce au nombre de Reynolds, qui est défini par
l’équation suivante:
uH
Re
Où ρ est la masse volumique du gaz, u sa vitesse moyenne, H la distance entre la douche et le
substrat et µ la viscosité du gaz. Le flux est considéré comme laminaire lorsque Re est inférieur à 10, ce qui est le cas dans les réacteurs de CVD industriels.
De par la géométrie de la chambre, les flux de gaz arrivent perpendiculairement sur le substrat et doivent donc se déplacer radialement pour être évacués par le pompage, comme présenté sur la Figure 1.9. Chaque courbe du schéma représente la trajectoire d’un gaz arrivant par la
douche de distribution jusqu’au substrat. Le transport de masse jusqu’au substrat est purement
convectif et dépend du flux global des gaz ainsi que de la géométrie de la chambre, comme la différence de hauteur entre la douche et le substrat et le diamètre de la chambre (égal à celui du substrat par simplification). Une fois à proximité du substrat, la vitesse des espèces
chimiques constituant la phase gazeuse est ralentie à cause des forces visqueuses, jusqu’à
devenir nulle à sa surface. La région dans laquelle sont localisées les variations de vitesse est appelée couche limite.
Figure 1.9 : Schéma représentant le profil d'un flux de gaz dans une chambre CVD avec douche de distribution (d’après [Dobkins2003]).
Diffusion des espèces dans la couche limite
Dans la couche limite, le transport des espèces est assuré par des mécanismes de diffusion, qui correspond à la moyenne de tous les mouvements des molécules. D’après [Smith1995],
l’épaisseur de la couche limite est égale à :
H
Douche de distribution des gaz
Substrat
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√
Ou R est le rayon de la chambre, vSTP la viscosité du gaz dans les conditions standard de température et de pression, Vm le volume molaire et Fin le flux de gaz entrant. A l’aide cette
formule, on peut dire que l’épaisseur de la couche limite dépend principalement du flux global
de gaz ainsi que de ses propriétés de viscosité. Pour certaines conditions (faible flux global / faible espacement), il peut arriver que l’épaisseur de la couche limite soit telle qu’elle englobe la chambre dans sa totalité, auquel cas le transport est uniquement diffusif. La diffusion des espèces dans la couche limite est régie par le coefficient de diffusion D de l’espèce considérée, défini tel que :
d P T m k D . . . 2 3 3 3
Où k est la constante de Boltzmann, m la masse de l’espèce, d son diamètre, T la température
et P la pression. A partir de cette équation, on peut déduire que les espèces diffuseront plus facilement à haute température et à basse pression. En outre, plus la molécule est massive et/ou volumineuse, plus sa capacité à diffuser sera faible.
Pour résumer, le transport des espèces dans un réacteur de dépôt CVD est un mélange de
convection et de diffusion jusqu’à la surface du substrat, comme présenté sur la Figure 1.10.
Les principaux paramètres régissant ces phénomènes de transport sont la géométrie du réacteur, le flux de gaz total, la pression, la température ainsi que la nature des espèces.
Figure 1.10 : Schéma représentant les mécanismes de transport de la matière dans un réacteur de dépôt CVD muni d’une douche de distribution des gaz.
I.2.1.3 Réaction à la surface du substrat
La vitesse de réaction à la surface peut être modélisée par un phénomène d’activation thermique, dont la vitesse est donnée par une équation de type Arrhenius telle que :
V= V0 exp (-Ea/kT) Couche limite Convection des espèces dans la phase gazeuse Diffusion des espèces
dans la couche limite
Phase gazeuse Douche
Formation du film Film
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Où V0 est une constante de réaction, Ea l’énergie d’activation de cette réaction, k la constante de Boltzmann et T la température du substrat. D’après cette équation, la vitesse de réaction à la surface augmente avec sa température. La vitesse de dépôt en fonction de l’inverse de la température à partir de cette expression est présentée sur la Figure 1.11. D’après ce graphique, on peut déduire deux régimes de dépôt distincts :
- Pour des températures de substrat élevées, entrainant une vitesse de réaction à la
surface supérieure à la vitesse d’apport en espèces réactives, le dépôt est limité par le
transport de ces espèces jusqu’au substrat. On parle alors de régime limité en transport de masse.
- Pour des températures de substrat plus faibles entrainant une vitesse de réaction de la surface du substrat plus faible que la vitesse d’apport en espèces réactives, le dépôt est limité par la réactivité du substrat. On parle alors de régime limité en vitesse de réaction.
Figure 1.11 : Vitesse de dépôt d'un film CVD en fonction de la température du substrat d’après [Wolf1986].