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RÉSUMÉ
L’évaluation thermodynamique de la phase gazeuse des précurseurs pour les procédés de dépôts de couches atomiques (ALD) permet de définir les conditions opératoires optimales, de prévoir toutes les réactions possibles et d’estimer la consommation d'énergie associée à d’éventuelles transformations. Cet article offre à l’ingénieur qui utilise le procédé ALD avec des précurseurs organométalliques une méthode de construction des propriétés de la phase gazeuse à partir des données structurelles des molécules. Les techniques expérimentales qui permettent d’obtenir directement les informations sur la phase gazeuse et l’illustration d’exploitation de ces données thermodynamiques sont données.
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The thermodynamic evaluation of the precursors gas phase for atomic layer deposition (ALD) processes is used to define the operating conditions, anticipate all possible reactions, and estimate the energy consumption associated with any transformations. This article offers engineers who use the ALD process with organometallic precursors a method to construct the properties of the gas phase from structural data for the molecules. An overview is given of experimental techniques used to obtain information directly on the gas phase, together with an illustration of how to use these thermodynamic data.
Auteur(s)
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Ioana NUTA : Chargée de Recherche au CNRS - Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP) - Université Grenoble Alpes, Grenoble, France
-
Elisabeth BLANQUET : Directrice de Recherche au CNRS - Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP) - Université Grenoble Alpes, Grenoble, France
INTRODUCTION
Les études de la phase gazeuse des précurseurs organométalliques ont un intérêt pour plusieurs raisons. D’une part, elles permettent l’évaluation des propriétés thermodynamiques de la phase condensée (liquide ou solide) à partir des mesures de pression de vapeurs. D’autre part, la connaissance détaillée de la structure et des interactions des espèces dans les vapeurs est nécessaire pour évaluer leurs propriétés dans des conditions bien définies afin de prédire et de valider leur utilisation dans les réacteurs de dépôts. Il est nécessaire de connaître leur comportement en température et pression, s’il y a un gaz d’entraînement ou porteur. Plus particulièrement, leur étude sous ultravide donne la possibilité de déterminer les propriétés des molécules isolées ou de sonder des réactions élémentaires car elles ne sont pas perturbées par différents facteurs qui prédominent souvent dans la phase condensée (e.g. les associations dues aux interactions entre molécules ou avec le solvant, etc.).
Cet article présentera les méthodes et les techniques expérimentales de la thermodynamique dédiée à la phase gaz des précurseurs et les méthodes de construction des propriétés thermodynamiques à partir des données structurelles des molécules.
La dernière section donnera le mode d’emploi de l’exploitation des données thermodynamiques en illustrant le type de problèmes qu’elle permet de résoudre pour les utilisateurs de procédés de dépôts de couches atomiques à partir d’une phase gazeuse.
Domaine : Nanomatériaux : synthèse et élaboration
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Nanotechnologies
Domaines d’application : Dépôts des matériaux
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
évaluation thermodynamique précurseurs organométalliques phase gazeuse conditions opératoires
KEYWORDS
thermodynamic evaluation | organometallic precursors | gas phase | operating conditions
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Utilisation des données thermodynamiques2. Détermination expérimentale des grandeurs thermodynamiques des phases vapeurs
La thermodynamique s’intéresse uniquement aux états macroscopiques de la matière dont les propriétés sont perceptibles par voies expérimentales. Les vapeurs sont définies comme la forme sous laquelle se présente la phase gazeuse d’un composé à des températures au-dessous d’une température dite « critique ». Au-delà de cette température, les propriétés du liquide sont similaires à celles de la phase gazeuse, en particulier l’indice de réfraction ne permet plus de séparer le liquide du gaz, il n’y a plus notion de gaz mais de fluide. La phase gazeuse est caractérisée du point de vue thermodynamique par ses constituants chimiques (atomes et/ou molécules), par sa pression et par sa température absolue (en K).
2.1 Constituants chimiques d’un gaz
Pour l’identification des constituants chimiques de la phase gazeuse, c’est-à-dire sa composition atomique et/ou moléculaire, la technique la plus utilisée est de loin la spectrométrie de masse. Les spectromètres de masse sont souvent spécialisés selon les types de réactions :
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pour les réactions de vaporisation à l’équilibre (effusion de Knudsen) ou réactions dites « d’évaporation libre » (Langmuir), il s’agit des spectromètres de masse avec source à bombardement électronique ou avec source à ionisation chimique ;
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pour les réactions directes ions – molécules, il s’agit du spectromètre de masse à résonance cyclotronique et transformée de Fourrier ;
-
pour les décompositions métastables ou collisions induites, il s’agit des spectromètres de masse tandem du type secteur magnétique ou quadripolaire.
Parmi les composés organométalliques les plus étudiés par spectrométrie de masse, on retrouve notamment ceux à base de Si ...
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Détermination expérimentale des grandeurs thermodynamiques des phases vapeurs
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - DESRE (P.), HODAJ (F.) - Thermodynamique des matériaux. - EDP sciences (2012).
-
(2) - BLANQUET (E.), SCHUSTER (F.) - Dépôt chimique en phase : principes et applications, in Traitements de surfaces en phase vapeur - , A. Galerie, Editor, Hermès Sciences, Lavoisier, France, p. 155-175 (2002).
-
(3) - ASTRUC (D.) - Chimie organométallique. - Grenoble : EDP Sciences (2000).
-
(4) - CHASE (M.) - NIST-JANAF thermochemical tables. - 4th ed. Journal of Physical and Chemical Reference Data. Vol. 9 American Chemical Society (Washington, D.C. and Woodbury, N.Y.) (1998).
-
(5) - MASSOT (R.), CESARIO (J.) - Spectrométrie de masse. - Techniques de l’Ingénieur : p. p2615 (1986).
-
(6) - TARASENKO (N.A.), et al - A...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
FactSage – Développeur : CRCT, École Polytechnique de Montréal (University of Montreal) Dept. of Chemical Engineering Box 6079, Station Downtown Montreal, Quebec H3C 3A7, ([email protected]) Canada et GTT-Technologies Kaiserstrasse 100 52134 Herzogenrath ([email protected]) Allemagne.
MTData – Développeur : Thermodynamics and Process Modelling Group NPL Materials Centre National Physical Laboratory Hampton Road Teddington Middlesex TW11 0LW, ([email protected]) Angleterre.
PANDAT – Développeur : CompuTherm LLC, 8401 Greenway Blvd Suite 248 Middleton, WI 53562 ([email protected]) États-Unis.
OpenCALPHAD – Développeur : Bo Sudman and Suzana G. Fries ; OpenCalphad is distributed under the terms of the GNU General Public License ([email protected]).
Thermo-Calc&Dictra – Développeur : Thermo-Calc Software AB Norra Stationsgatan 93 SE-113 64 Stockholm, ([email protected]) Suède.
HAUT DE PAGE
IUPAC. – International Union of Pure and Applied Chemistry : http://iupac.org/
JANAF. – NIST-JANAF Thermochemical Tables : http://kinetics.nist.gov/janaf/
NIST. – National Institute of Standards and Technology : http://www.nist.gov/srd/
NIST-Webbook. – Base de données standard de référence NIST numéro 69 : http://webbook.nist.gov/chemistry/
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