Thèse soutenue

Études numériques et expérimentales de plasmas de Silane et Hydrogène utilisés pour la croissance épitaxiale de silicium
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Auteur / Autrice : Tinghui Zhang
Direction : Tatiana NovikovaPere Roca i Cabarrocas
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 13/10/2021
Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
Jury : Président / Présidente : Laurent Thomas
Examinateurs / Examinatrices : Tatiana Novikova, Pere Roca i Cabarrocas, Olivier Leroy, Steven Girshick, Armelle Michau
Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Leroy, Steven Girshick

Résumé

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Sur la base d’un modèle fluide développé dans notre groupe, un modèle fluide 1D de plasmas silane/hydrogène dans des décharges RF à couplage capacitif comprenant une chimie détaillée du plasma ainsi que des réactions de surface pour tenir compte des processus de dépôt et de gravure a été développé et testé par rapport aux résultats expérimentaux. En particulier, la chimie de surface, y compris les réactions de recombinaison, de gravure et de dépôt, est couplée au modèle de fluide via un ensemble de probabilités de réaction. Le modèle fluide 1-D a également été couplé à un modèle sectionnel et à des équations de transport pour tenir compte de la formation de nanoparticules dans le plasma et de l'évolution des distributions de taille et de charge des nanoparticules. Pour rendre le modèle fluide-sectionnel couplé 1-D efficace du point de vue informatique (réduire le temps de calcul), une méthode de fractionnement du temps a été utilisée. Deux groupes de variables (rapides et lentes) ont été définis en fonction de l'échelle de temps caractéristique de leur dynamique par rapport à la période des oscillations du champ RF (74 ns). Les équations régissant les deux groupes ont été résolues de façon itérative en gardant les variables d'un autre groupe comme « figées » et en utilisant un pas de temps plus petit pour le groupe de variables rapides par rapport au pas de temps pour le groupe de variables lentes. Les valeurs moyennes dans le temps des variables rapides (par exemple le potentiel électrique, la température électronique, la densités d'espèces gazeuses, le flux d'espèces sur les particules, le taux de nucléation, ou la force de traînée ionique) ont été utilisées comme valeurs d'entrée pour le bloc d'équations de variables lentes. Les tests paramétriques ont été effectués pour trouver les conditions optimales de répartition dans le temps (pas de temps rapides et lents, nombre de cycles RF pour le bloc variable rapide). L'approche de fractionnement du temps a été validée avec le code entièrement couplé en utilisant le même pas de temps pour les variables rapides et lentes. De plus, la contribution des nanoparticules au taux de dépôt total des films minces de silicium a été estimée et comparée à des expériences.Des études numériques et expérimentales sur les effets de la pression du gaz (1 à 3,5 Torr) et de la concentration de silane (2 à 10 %) sur la vitesse de dépôt de films minces de silicium ont démontré que la vitesse de dépôt déterminé à partir de la modélisation des mesures de la fonction diélectrique pare ellipsométrie dans le domaine UV-visible concorde bien avec les résultats de la modélisation. Les radicaux SiH3 s'avèrent être le principal contributeur aux taux de dépôt calculés, tandis que les ions H3+ jouent le rôle principal dans le processus de gravure.Le modèle fluide 1-D peut être utilisé pour étudier les propriétés complexes du plasma silane/hydrogène dans différentes conditions de procédé, et prédire ainsi le comportement des espèces réactives et des nanoparticules, ce qui n’est pas facilement accessible avec des techniques de mesure caractérisation in situ.