Calcul des concentrations de molécules et de radicaux lors de déposition de couches mincesa-Si:Hpar procédés PECVD

 O. Babahani* et F. Khelfaoui

 Laboratoire LRPPS, Faculté des Sciences et de la Technologie et Sciences de la Matière,

 Université Kasdi Merbah Ouargla, Ouargla 30000, Algérie.

 

 RÉSUMÉ : La modélisation fluide de la déposition d'une couche mince a-Si:H  procédé PECVD est une des méthodes les plus utilisées pour étudier la croissance des couches minces. Dans la technique PECVD les électrons sont responsables de la dissociation et de la décomposition du gaz introduit dans le réacteur. Les radicaux résultants interviennent pour former le film voulu. Dans ce travail, on s’intéresse au calcul des concentrations de différentes molécules et radicaux neutres SixHy, lors de l'introduction d'un mélange gazeux SiH4/H2 dans un réacteur PECVD. On se limite à la résolution de l’équation de diffusion indépendante du temps, entre les deux électrodes, par la méthode des différences finies. Les résultats sont comparés aux résultats d’autres auteurs.

 MOTS-CLÉS : PECVD, réaction chimique, Transfert de masse, Fluide.

 1. Introduction

 Les couches minces sont utilisées dans divers domaines industriels comme dans la fabrication des cellules solaires et des écrans plats. Les techniques d’élaboration des couches minces ont connu lors de ces dernières décennies un développement considérable. Le matériau qui a fait un immense succès pour la réalisation des couches minces est le silicium. Il possède des propriétés électriques et des structures mécaniques très convenables. Il est sensible à des différentes formes de rayonnement (lumière UV, ou visible), à la température et aux champs magnétiques élevés [1].

 Les dépôts chimiques en phase vapeur ou CVD (Chemical Vapor Deposition) sont des méthodes qui permettent de former des couches minces solides non volatiles sur un substrat, par des réactions chimiques avec des gaz. Le dépôt PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) est une des méthodes CVD. Elle permet de réaliser des films à basses températures (inférieures à 400°C). Dans cette méthode, la décomposition du gaz réactif est favorisée par l’utilisation d’un plasma. Le plasma peut être généré soit par radiofréquence (RF), soit par résonance cyclotronique électronique (ECR). La technique PECVD (ECR) fait partie des techniques les plus utilisées dans le domaine de la microélectronique [1].

 L'étude des procédés CVD est très complexe car plusieurs phénomènes (diffusion, physisorption, chimisorption, thermodynamique, réactions chimiques et interactions particules surface) interviennent lors des dépositions CVD.

 L. Layeillon et al. ont calculé les concentrations de six espèces produits de décomposition du mélange gazeux SiH4/H2 [2]. Strunin et al. ont proposé un modèlede décomposition desilane dansun plasmad'argonradio-fréquence [3].Les concentrations des produits de décomposition de SiH4, ainsi que des produits de synthèse(plus silanes), sont calculés.Le modèle a illustré le rôle des atomes d'argonmétastabledans la formationde SiH3, des radicaux etdes silanessupérieur.

 Y. E. Gorbachev et al.[4], [5], [6] ont élaboré un modèle qui se base sur les réactions chimiques el les différents processusdans un réacteurPECVD. Lemodèleprend en comptela formation d'oligomèresde SinHm (n≤5). Il présente une simulation decroissance des films. Y. E. Gorbachev et al. ont trouvéque Si2H5 et Si3H7 influencent fortementla croissance du film [5].

 Dans un travail antérieur [1], nous avons utilisé le modèle fluide pour calculer les vitesses du fluide et les concentrations de six molécules et radicaux d'un mélange SiH4/H2. La géométrie considérée du réacteur et les conditions utilisées sont celles des travaux de Layeillon et al. [2].

 Dans ce travail nous calculons les concentrations en volume de huit espèces présentes dans un mélange SiH4/H2. Les concentrations en volume devraient influencer les concentrations près de la surface qui interviennent dans le processus de croissance des couches minces. Nous insistons sur l’étude du comportement fluide du gaz réactif et les transformations chimiques dans le volume du réacteur. L'équation de base est l'équation de diffusion.

 2. Le réacteur PECVD

 Ce travail consiste à calculer les concentrations dans le volume de réacteur PECVD à parois froids lors de la déposition d’une couche mince (a-Si:H) dans un réacteur à plasma.

Le réacteur PECVD contient un substrat mis dans une chambre à vide. Avec une décharge RF de 13.56 MHz, on peut avoir la déposition d'une couche mince sur le substrat. La source à gaz utilisée est un mélange gazeux de silane dilué dans de l’hydrogène. La décharge dans le gaz produit un plasma contenant des électrons, des radicaux tel que (H, SiH, SiH2, SiH3, Si2H5), des molécules comme H2, SiH4 et Si2H6 ainsi que d’autres anions et cations.

 6. Conclusions

 La résolution de l'équation de diffusion a permis de calculer les concentrations en volume de différents radicaux et molécules présents lors de déposition de couches minces a-Si:H par PECVD du mélange SiH4/H2. Les résultats sont comparables à ceux trouvés dans la littérature. Les concentrations calculées devraient permettre la compréhension des phénomènes et un calcul plus exact des grandeurs relatifs au processus de croissance des couches minces. Les fréquences de collisions des radicaux avec les surfaces sont proportionnelles aux concentrations.

 Références

 [1] O. Babahani ; 'Contribution à l’étude des plasmas lors de déposition sur couches minces par procédés CVD' ; Mémoire de magister ; Université de Ouargla, (2004).

 [2] L. Layeillon, P. Duverneuil, J.P. Couderc et B. Despax ; ‘Analysis and modelling of plasma enhanced CVD reactors, Part I: two dimensional treatment of a-Si:H deposition’ ; Plasma Sources Sci. Technol.,Vol. 3, pp 61-71, (1994).

 [3]. V. I. Strunin, A. A. Lyakhov, G. Zh. Khuda, Ï.bergenov, and V. V. Shkurkin' Numerical Simulation of Silane Decomposition in an RF Plasma', Technical Physics, Vol. 47, No. 6, pp. 760–766 (2002).

 [4]. Y. E. Gorbachev, M. A. Zetevakhin,V. V.Krzhizhanovskaya et V. A. Shveïgert; 'Special Features of the Growth of Hydrogenated Amorphous Silicon in PECVD Reactors' ; Journal of Technical Physics, Vol. 45, N° 8, pp. 1032–1041, (2000).

 [5] Y. E. Gorbachev ; 'Effect of Oligomers on the Growth of Amorphous Silicon Films in a PECVD Reactor' ; Technical Physics, Vol. 51, N° 6, pp 733-739, (2006).

 [6]. Y. E. Gorbachev, M. A. Zetevakhin et I. D. Kaganovich; 'Simulation of the growth of hydrogenated amorphous silicon films from an RF discharge plasma' ; Journal of Technical Physics, Vol. 41, 1247, (1996).

 [7] J. Perrin, 0. Leroy et M. C. Bordag ; 'Cross-Sections, Rate Constants and Transport Coefficients in Silane Plasma Chemistry' ; Contrib. Plasma Phys. Vol. 36 N° 1, pp3-49(1996).