Zones communes aux dépôts des deux oxydes

Les zones 2 et 4 de la Figure II-1 sont utilisées de la même façon pour le dépôt de chaque oxyde. Dans les deux cas, N2 est utilisé comme gaz vecteur pour transporter les précurseurs à l’état gazeux vers la zone de dépôt. Dans le cas présent, les détails de la vaporisation sont spécifiques

Figure II-1 : Représentation schématique du bâti MOCVD.

Chambre de dépôt Vap-box D D N2 O₂ D Vecteur Dilution Dilution Pompe primaire Piège azote liquide VP D Bulleur Bain thermostaté R1 R2 D VP Vanne Vanne papillon Manomètre Débitmètre massique Tortillon 1125 torr 1500 torr 750 torr R1 Réservoir 1 Zone 3 : Pression Zone 4 : Débits de gaz

Zone 1a : Vaporisation Co Zone 1b :

Vaporisation Ti

56 à chaque oxyde, et sont décrits par la suite. Une fois ce mélange gazeux établi, le gaz de dilution est là pour augmenter le flux total et apporter dans le cas des dépôts Co3O4 une source d’oxygène en supplément.

II.1.1.1 La gestion des gaz

La gestion des gaz correspond à la zone 4 de la Figure II-1. La pression des gaz, qui alimentent les différentes zones du réacteur via différentes lignes, est contrôlée par plusieurs manomètres. Leurs débits sont ensuite régulés par des contrôleurs massiques (Brooks). La pression et le débit de chaque ligne sont définis pour les deux types de dépôts et seront détaillés plus loin. Ces débitmètres massiques ont été initialement étalonnés. Les lignes de gaz contenant les précurseurs qui alimentent le réacteur sont maintenues chacune à une température spécifique afin d’éviter la condensation du précurseur sur les parois. Pour cette même raison, une partie de la ligne de gaz de dilution, en aval du contrôleur de débit correspondant, réalisée en cuivre (bonne conductivité thermique et facilité de mise en œuvre) d’une longueur totale de 7 m est repliée en tortillon et placée dans une gaine chauffante reliée à un contrôleur de température PID (proportionnel, intégral, dérivé) équipé d’un thermocouple de contrôle. Cette partie de la ligne est également chauffée à une température spécifique au dépôt. Les autres lignes sont entourées de cordons chauffants, également connectés à des contrôleurs de température. Les gaz N2 et O2 sont fournis par Messer et sont respectivement purs à 99,9999 et 99,999 %.

II.1.1.2 La chambre de dépôt

Le réacteur vertical à parois froides en acier (zone 2 de la Figure II-1) est équipé de trois hublots qui permettent un suivi visuel pendant les dépôts : un hublot frontal, qui est monté sur charnière, et constitue la voie de chargement et déchargement des échantillons, et deux hublots latéraux qui sont représentés en vert et bleu sur la Figure II-2a. Sur cette même figure, on peut voir l’intérieur de la chambre de dépôt à travers le hublot frontal. Elle contient une douchette et un suscepteur (porte-échantillon chauffant) qui sont visibles dans les deux photographies les montrant en vue de dessous (Figure II-2b) et vue de dessus (Figure II-2c). Les gaz chargés en précurseur arrivent par la douchette de 60 mm de diamètre. Cette douchette est équipée d’une grille de 1 mm d’épaisseur, dont les 1450 trous ont un diamètre de 0,76 mm. Elle est placée en

Figure II-2 : a) Représentation de la chambre de dépôt vue de l’extérieur. b-c) Douchette et suscepteur, en vue de b) dessous, c) dessus.

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vis-à-vis du porte-échantillon et permet de mieux répartir le flux gazeux sur toute sa surface. Au début de la thèse, la grille de la douchette est remplacée pour une grille neuve.

Le porte-échantillon chauffant est en acier, une résistance électrique et un thermocouple sont intégrés dans sa structure. Ce suscepteur est connecté à un contrôleur de température PID qui permet de réaliser des dépôts jusqu’à 800 °C. Sa surface a été préalablement nettoyée et polie afin de la lisser et d’éliminer les résidus des dépôts réalisés dans le cadre de projets précédents. Il a été montré qu’à une température de 151 °C, la répartition à la surface du suscepteur est homogène [195]. La Figure II-3a montre le profil de température de la douchette et du suscepteur quand la surface de ce dernier est à 151 °C. Cette figure montre qu’à cette température le transfert thermique est limité, et la douchette située 15 cm au-dessus du suscepteur est chauffée à une centaine de degrés. Cependant, dans nos travaux, la température des dépôts varie de 325 °C à 500 °C. De plus, à haute température de dépôt (Td), nous avons montré que la zone chaude au-dessus de la surface du suscepteur s’étend pour atteindre la douchette. La distance entre la douchette et le suscepteur a donc été augmentée à 30 mm, afin de limiter les dépôts parasites dans la douchette qui diminuent le rendement du procédé. Des

mesures sont réalisées à l’aide d’un pyromètre Williamson Pro 92-20 pour vérifier la température réelle en surface d’un substrat de silicium posé sur le porte échantillon, dans des conditions de pression et de température proches des conditions de dépôt. Dans la gamme de température considérée, le comportement est linéaire, comme indiqué sur la Figure II-3b, et a permis d’établir la relation 12 qui sert à fixer la température de consigne TC en fonction de la température de dépôt Td voulue :

TC = Td  1,32 – 121,74 (12) II.1.1.3 La pression dans le réacteur

En sortie du réacteur sont placées deux jauges (zone 3 de la Figure II-1) : une Penning, dont la gamme de mesure s’étend de la pression atmosphérique à 10-8 Torr, et une jauge Baratron, qui est efficace de la pression atmosphérique jusqu’à environ 0,1 Torr. La première jauge permet de mesurer les basses pressions et de calibrer la seconde, en fixant son zéro. La jauge Baratron est connectée à une vanne papillon, située entre le réacteur et la pompe, qui permet de réguler

Figure II-3 : a) Profil des températures du réacteur pour une température de 151 °C [195]. b) Calibration de la température dans le réacteur en surface du substrat.

300 350 400 450 500 550 300 400 500 600 Tc (°C) Td (°C) (a) (b)

58 la pression de consigne par son diamètre d’ouverture ajustable, en fonction des débits de gaz. Une pompe primaire (pompe sèche à spirales) permet d’atteindre une pression minimum de l’ensemble du bâti MOCVD de 1.10-2 Torr. Entre le réacteur et la pompe, un piège d’azote liquide recueille la condensation du précurseur gazeux qui n’a pas réagi ainsi que les sous-produits de la réaction, afin ne pas endommager la pompe.