FR3059339A1 - PROCESS FOR FORMING SILICON DIOXIDE FILMS - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de formation d'au moins un film de dioxyde de silicium sur un substrat (40) par une technique de dépôt chimique en phase vapeur dans une enceinte de dépôt (20), le procédé comprenant l'évaporation d'un précurseur organométallique sur une face du substrat (40) maintenue à une température comprise entre 200°C et 350°C, de préférence entre 250°C et 350°C, le précurseur organométallique comprenant du tetraacetoxysilane.The invention relates to a method for forming at least one silicon dioxide film on a substrate (40) by a chemical vapor deposition technique in a deposition chamber (20), the method comprising evaporation of an organometallic precursor on one side of the substrate (40) maintained at a temperature between 200 ° C and 350 ° C, preferably between 250 ° C and 350 ° C, the organometallic precursor comprising tetraacetoxysilane.
Description
Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES Etablissement public, CHANEL PARFUMS BEAUTE.Holder (s): COMMISSIONER OF ATOMIC ENERGY AND ALTERNATIVE ENERGIES Public establishment, CHANEL PARFUMS BEAUTE.
Demande(s) d’extensionExtension request (s)
Mandataire(s) : BREVALEX Société à responsabilité limitée.Agent (s): BREVALEX Limited liability company.
164) PROCEDE DE FORMATION DE FILMS DE DIOXYDE DE SILICIUM.164) PROCESS FOR FORMING SILICON DIOXIDE FILMS.
FR 3 059 339 - A1FR 3 059 339 - A1
16/) L'invention concerne un procédé de formation d'au moins un film de dioxyde de silicium sur un substrat (40) par une technique de dépôt chimique en phase vapeur dans une enceinte de dépôt (20), le procédé comprenant l'évaporation d'un précurseur organométallique sur une face du substrat (40) maintenue à une température comprise entre 200°C et 350°C, de préférence entre 250°C et 350°C, le précurseur organométallique comprenant du tetraacetoxysilane.16 /) The invention relates to a method of forming at least one silicon dioxide film on a substrate (40) by a chemical vapor deposition technique in a deposition chamber (20), the method comprising the evaporation of an organometallic precursor on one face of the substrate (40) maintained at a temperature between 200 ° C and 350 ° C, preferably between 250 ° C and 350 ° C, the organometallic precursor comprising tetraacetoxysilane.
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PROCEDE DE FORMATION DE FILMS DE DIOXYDE DE SILICIUMPROCESS FOR FORMING SILICON DIOXIDE FILMS
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention concerne un procédé de formation d'un film de dioxyde de silicium. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de formation d'un film dioxyde de silicium à une température modérée et présentant les propriétés optiques compatibles avec la mise en œuvre d'un filtre interférentiel. Le filtre interférentiel peut être formé sur des microparticules, pour des applications en cosmétologie par exemple.The present invention relates to a method of forming a film of silicon dioxide. More particularly, the invention relates to a method of forming a silicon dioxide film at a moderate temperature and having the optical properties compatible with the use of an interference filter. The interference filter can be formed on microparticles, for applications in cosmetology for example.
ART ANTÉRIEURPRIOR ART
La formation de films par dépôt chimique en phase vapeur (« CVD » ou « Chemical Vapor Déposition » selon la terminologie Anglo-Saxonne) est connue de l'homme du métier. Cette technique basée sur l'évaporation d'un précurseur sur une surface d'un substrat permet de former des films conformes à ladite surface.The formation of films by chemical vapor deposition ("CVD" or "Chemical Vapor Deposition" according to Anglo-Saxon terminology) is known to those skilled in the art. This technique based on the evaporation of a precursor on a surface of a substrate makes it possible to form films conforming to said surface.
Afin de favoriser la réactivité des précurseurs avec la surface du substrat, et surtout d'obtenir un film présentant une densité suffisante et/ou exempt d'impuretés dues à la décomposition des précurseurs, il peut être nécessaire de former ledit film à une température relativement élevée, par exemple supérieure à 450°C.In order to promote the reactivity of the precursors with the surface of the substrate, and above all to obtain a film having a sufficient density and / or free of impurities due to the decomposition of the precursors, it may be necessary to form said film at a relatively high temperature. high, for example greater than 450 ° C.
La CVD est notamment utilisée pour la formation de films de dioxyde de silicium dans l'industrie de la microélectronique, et met en œuvre des précurseurs organométalliques standards tels que du TEOS (tetraethoxysilane SifOCzHsb). La température de formation du films de dioxyde de silicium est alors de l'ordre de 450°C par la technique de dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma (« PECVD » ou « Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition » selon la terminologie Anglo-Saxonne).CVD is used in particular for the formation of silicon dioxide films in the microelectronics industry, and uses standard organometallic precursors such as TEOS (tetraethoxysilane SifOCzHsb). The temperature of formation of the films of silicon dioxide is then of the order of 450 ° C. by the technique of chemical vapor deposition assisted by plasma (“PECVD” or “Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition” according to Anglo-Saxon terminology ).
Toutefois, un film de dioxyde de silicium formé par CVD avec un précurseur standard à une température inférieure à 350°C sera de moindre qualité optique.However, a silicon dioxide film formed by CVD with a standard precursor at a temperature below 350 ° C will be of lower optical quality.
Plus particulièrement, sa densité diminue, et des impuretés dues à la décomposition des précurseurs restent piégées dans ledit film.More particularly, its density decreases, and impurities due to the decomposition of the precursors remain trapped in said film.
Cependant, certaines applications requièrent la formation de films de dioxyde de silicium relativement purs et denses à des températures modérées, par exemples inférieures à 350°C.However, some applications require the formation of relatively pure and dense silicon dioxide films at moderate temperatures, for example below 350 ° C.
Parmi les applications d'intérêt, nous pouvons citer la formation de filtres interférentiels, comprenant une alternance de films de dioxyde de silicium et de dioxyde de titane, sur des supports dispersés tels des microparticules (par exemple sphériques). Ces filtres interférentiels formés sur des microparticules sont notamment utilisés en cosmétologie. Les films de dioxyde de titane, présentant les propriétés optiques requises pour la formation de filtres interférentiels, sont généralement formés par CVD (avec comme précurseur le « TIPP ») à des températures comprises entre 250°C et 350°C. Ainsi, sur le plan industriel afin de ne pas pénaliser les cadences de production, il est préférable de pouvoir former également les films de dioxyde de silicium dans une gamme de température équivalente, et par CVD.Among the applications of interest, we can cite the formation of interference filters, comprising an alternation of films of silicon dioxide and titanium dioxide, on dispersed supports such as microparticles (for example spherical). These interference filters formed on microparticles are used in particular in cosmetology. Titanium dioxide films, having the optical properties required for the formation of interference filters, are generally formed by CVD (with “TIPP” as precursor) at temperatures between 250 ° C and 350 ° C. Thus, on the industrial level in order not to penalize the production rates, it is preferable to be able to also form the films of silicon dioxide in an equivalent temperature range, and by CVD.
Il peut également être requis de former des films de dioxyde de silicium denses, exempts d'impuretés, et à basse température (par exemple entre 200 et 350°C) pour des applications en microélectronique, par exemple après la formation des interconnexions.It may also be necessary to form films of dense silicon dioxide, free of impurities, and at low temperature (for example between 200 and 350 ° C.) for applications in microelectronics, for example after the formation of the interconnections.
Ainsi, un but de la présente invention est de proposer un procédé de formation d'un film de dioxyde de silicium à des températures modérées, et présentant les qualités requises pour la formation de filtres interférentiels.Thus, an object of the present invention is to provide a method of forming a film of silicon dioxide at moderate temperatures, and having the qualities required for the formation of interference filters.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de formation d'un filtre interférentiel comprenant un film de dioxyde de silicium formé à une température modérée.Another object of the invention is to propose a method for forming an interference filter comprising a film of silicon dioxide formed at a moderate temperature.
EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION
Les buts de l'invention sont au moins en partie atteints par un procédé de formation de films de dioxyde de silicium sur un substrat par une technique de dépôt chimique en phase vapeur dans une enceinte de dépôt, le procédé comprenant l'évaporation, avantageusement l'évaporation flash, d'un précurseur organométallique sur une face du substrat maintenue à une température comprise entre 200°C et 350°C, de préférence entre 250°C et 350°C, le précurseur organométallique comprenant du tetraacetoxysilane.The aims of the invention are at least partially achieved by a process for forming films of silicon dioxide on a substrate by a chemical vapor deposition technique in a deposition chamber, the process comprising evaporation, advantageously the flash evaporation of an organometallic precursor on one side of the substrate maintained at a temperature between 200 ° C and 350 ° C, preferably between 250 ° C and 350 ° C, the organometallic precursor comprising tetraacetoxysilane.
Evaporation flash ou instantanée, nous entendons, pour le précurseur organométallique, d'une évaparation quasi immédiate. Autrement dit, lors d'une évaporation flash, est imposé au précurseur organométallique une élévation de température de la tempéraure ambiante à sa température d'évaporation en quelques millisecondes. Plus particulièrement, le précurseur organométallique est à température ambiante lors de son injection, et prend la température du lit fluidisé lors de son passage dans l'enceinte de dépôt. L'élévation de température ainsi imposée au précurseur organométallique provoque son évaporation de manière quasi instantanée.Flash or instant evaporation, we mean, for the organometallic precursor, an almost immediate evaporation. In other words, during flash evaporation, the organometallic precursor is forced to raise the temperature from ambient temperature to its evaporation temperature in a few milliseconds. More particularly, the organometallic precursor is at ambient temperature during its injection, and takes the temperature of the fluidized bed during its passage through the deposition enclosure. The rise in temperature thus imposed on the organometallic precursor causes its evaporation almost instantaneously.
Selon un mode de mise en oeuvre, le précurseur organométallique est dilué dans un solvant organique, le solvant organique comprenant avantageusement au moins un des solvants choisi parmi : un alcool (avantageusement l'isopropanol), un solvant aromatique (xylène, toluène), le cyclohexane.According to one embodiment, the organometallic precursor is diluted in an organic solvent, the organic solvent advantageously comprising at least one of the solvents chosen from: an alcohol (advantageously isopropanol), an aromatic solvent (xylene, toluene), cyclohexane.
Selon un mode de mise en oeuvre, le précurseur organométallique présente une concentration dans le solvant organique comprise entre 0,01 mol/L, et 0,03 mol/L.According to one embodiment, the organometallic precursor has a concentration in the organic solvent of between 0.01 mol / L and 0.03 mol / L.
Selon un mode de mise en oeuvre, le précurseur organométallique est maintenu à une température comprise entre 80°C et 150°C avant d'être pulvérisé sur la face du substrat.According to one embodiment, the organometallic precursor is maintained at a temperature between 80 ° C and 150 ° C before being sprayed onto the face of the substrate.
Selon un mode de mise en oeuvre, le substrat comprend des microparticules d'une taille comprise entre 100 nm et 500 pm, les micro particules étant avantageusement des billes.According to one embodiment, the substrate comprises microparticles of a size between 100 nm and 500 μm, the micro particles advantageously being beads.
Selon un mode de mise en oeuvre, les microparticules comprennent au moins un des matériaux choisi parmi : alumine, carbure de silicium, dioxyde de titane, silicium, mica.According to one embodiment, the microparticles comprise at least one of the materials chosen from: alumina, silicon carbide, titanium dioxide, silicon, mica.
Selon un mode de mise en oeuvre, les microparticules disposées sur une face principale d'un support poreux traversé sur toute son épaisseur E par un gaz inerte de sorte que les microparticules forment un lit fluidisé.According to one embodiment, the microparticles disposed on a main face of a porous support traversed over its entire thickness E by an inert gas so that the microparticles form a fluidized bed.
Selon un mode de mise en oeuvre, le support est maintenu à une température inférieure à 200°C, avantageusement inférieure à 150°C, par exemple 110°C.According to one embodiment, the support is maintained at a temperature below 200 ° C, advantageously below 150 ° C, for example 110 ° C.
Selon un mode de mise en oeuvre, l'évaporation du précurseur organométallique est exécutée selon de cycles d'évaporation, et en alternance avec des cycles d'injection de dioxygène dans l'enceinte de dépôt.According to one mode of implementation, the evaporation of the organometallic precursor is carried out according to cycles of evaporation, and in alternation with cycles of injection of oxygen into the deposition enclosure.
Selon un mode de mise en oeuvre, une purge de l'enceinte de dépôt est exécutée avant chaque cycle d'évaporation et chaque cycle d'injection, de sorte que la pression dans ladite enceinte est inférieure à 30 mBar à l'issue de la purge.According to one embodiment, a purging of the deposition enclosure is carried out before each evaporation cycle and each injection cycle, so that the pressure in said enclosure is less than 30 mBar at the end of the purge.
Selon un mode de mise en oeuvre, à l'issue de chaque cycle d'évaporation et de chaque cycle d'injection, la pression dans l'enceinte de dépôt est supérieure à 100 mBar et 60 mBar, respectivement.According to one mode of implementation, at the end of each evaporation cycle and of each injection cycle, the pressure in the deposition enclosure is greater than 100 mBar and 60 mBar, respectively.
Selon un mode de mise en oeuvre, chaque cycle d'évaporation dure de 5 secondes à 20 secondes.According to an embodiment, each evaporation cycle lasts from 5 seconds to 20 seconds.
Selon un mode de mise en oeuvre, entre 20 et 100 cycles d'évaporation et d'injection sont exécutés.According to an embodiment, between 20 and 100 evaporation and injection cycles are carried out.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un filtre interférentiel comprenant au moins un film de dioxyde de silicium formé par le procédé de formation de films de dioxyde de silicium sur un substrat par une technique de dépôt chimique en phase vapeur.The invention also relates to a method of manufacturing an interference filter comprising at least one film of silicon dioxide formed by the method of forming films of silicon dioxide on a substrate by a chemical vapor deposition technique.
Selon un mode de mise en oeuvre, au moins un film de dioxyde de titane est formé par CVD, avantageusement à une température comprise entre 250°C et 350°C.According to one embodiment, at least one film of titanium dioxide is formed by CVD, advantageously at a temperature between 250 ° C and 350 ° C.
Selon un mode de mise en oeuvre, l'au moins un film de dioxyde de silicium et l'au moins un film de dioxyde de titane sont formés de sorte que le filtre interférentiel comprenne une alternance de films de dioxyde de titane et de films de dioxyde de silicium.According to one embodiment, the at least one film of silicon dioxide and the at least one film of titanium dioxide are formed so that the interference filter comprises an alternation of films of titanium dioxide and films of silicon dioxide.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre du procédé de formation de films de dioxyde de silicium selon l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :Other characteristics and advantages will appear in the following description of the process for the formation of silicon dioxide films according to the invention, given by way of nonlimiting examples, with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de formation de films par CVD adapté pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,FIG. 1 is a diagrammatic representation of a device for forming films by CVD adapted for implementing the method according to the invention,
- la figure 2 est une image par microscopie à balayage électronique en coupe (selon l'épaisseur) d'une filtre interférentiel formé sur une bille de silice, le filtre interférentiel comprenant un empilement de TiOz/SiO?/ TiOz/SiO?/ T1O2, et obtenu selon un mode de réalisation de l'invention,- Figure 2 is an image by scanning electron microscopy in section (according to the thickness) of an interference filter formed on a silica bead, the interference filter comprising a stack of TiOz / SiO? / TiOz / SiO? / T1O2 , and obtained according to an embodiment of the invention,
- la figure 3 est une représentation graphique de courbes de réflectivité (donnée en « % » selon l'axe vertical), en fonction de la longueur d'onde (donnée en « nm » selon l'axe horizontal) d'une couche de SiO2 formée sur un substrat de silicium, plus particulièrement, les courbes A et B, représentent, respectivement, les réflectivités théoriques d'une couche de SiO2 selon des polarisation s et p, et selon une incidence à 45° par rapport à la normale, et les courbes A' et B', représentent, respectivement, les réflectivités d'une couche de SiO2, obtenue selon la présente invention, selon des polarisation s et p, et selon une incidence à 45° par rapport à la normal,FIG. 3 is a graphic representation of reflectivity curves (given in "%" along the vertical axis), as a function of the wavelength (given in "nm" along the horizontal axis) of a layer of SiO2 formed on a silicon substrate, more particularly, the curves A and B, represent, respectively, the theoretical reflectivities of a layer of SiO2 according to polarizations s and p, and according to an incidence at 45 ° with respect to normal, and the curves A ′ and B ′ represent, respectively, the reflectivities of a layer of SiO 2, obtained according to the present invention, according to polarizations s and p, and according to an incidence at 45 ° relative to normal,
- la figure 4 est une représentation graphique de la courbe de réflectivité (donnée en « % » selon l'axe vertical), en fonction de la longueur d'onde (donnée en « nm » selon l'axe horizontal) d'un filtre interférentiel formé selon la présente invention, plus particulièrement le filtre interférentiel est formé sur des billes de silice qui comprennent, successivement et à partir de la surface des billes de silice, un film de dioxyde de titane de 97 nm, un film de dioxyde de silicium de 135 nm, un film de dioxyde de titane de 86 nm, et un film de dioxyde de silicium de 60 nm.- Figure 4 is a graphic representation of the reflectivity curve (given in "%" along the vertical axis), as a function of the wavelength (given in "nm" along the horizontal axis) of a filter interference formed according to the present invention, more particularly the interference filter is formed on silica beads which comprise, successively and from the surface of the silica beads, a film of titanium dioxide of 97 nm, a film of silicon dioxide of 135 nm, a film of titanium dioxide of 86 nm, and a film of silicon dioxide of 60 nm.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Pour les différents modes de mise en oeuvre, les mêmes références seront utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction, par souci de simplification de la description.For the different modes of implementation, the same references will be used for identical elements or ensuring the same function, for the sake of simplification of the description.
L'invention décrite de manière détaillée ci-dessous met en oeuvre un procédé de formation de films de dioxyde de silicium. Plus particulièrement, les films de dioxyde de silicium sont formés par CVD et dans une gamme de températures modérées, à savoir entre 200°C et 350°C. Aussi, afin de conférer à ces films de dioxyde de silicium la qualité requise pour la formation de filtres interférentiels, compte tenu de leur température de formation, un précurseur organométallique comprenant du tetraacetoxysilane (ci-après Si(OAc)4) est utilisé lors de la formation desdits films.The invention described in detail below implements a process for forming films of silicon dioxide. More particularly, the films of silicon dioxide are formed by CVD and in a range of moderate temperatures, namely between 200 ° C. and 350 ° C. Also, in order to give these films of silicon dioxide the quality required for the formation of interference filters, taking into account their formation temperature, an organometallic precursor comprising tetraacetoxysilane (hereinafter Si (OAc) 4) is used during the formation of said films.
A la figure 1, on peut voir un dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 10 adapté pour la mise en oeuvre de l'invention.In Figure 1, we can see a chemical vapor deposition device 10 adapted for the implementation of the invention.
La présente invention comprend la formation de films de dioxyde de silicium par CVD sur un substrat.The present invention includes forming films of silicon dioxide by CVD on a substrate.
Par substrat, on entend aussi bien un substrat massif que des microparticules.By substrate is meant both a solid substrate and microparticles.
Le substrat massif peut être un substrat comprenant un matériau semiconducteur, isolant, ou métallique.The solid substrate may be a substrate comprising a semiconductor, insulating, or metallic material.
Le substrat massif peut comprendre des dispositifs microélectroniques, et/ou optiques.The solid substrate may include microelectronic, and / or optical devices.
Nous limitons la suite de la description à la formation de films sur des microparticules, sachant que l'homme du métier, avec ses connaissances générales, peut adapter le procédé selon l'invention à des substrats massifs de grande taille.We limit the rest of the description to the formation of films on microparticles, knowing that a person skilled in the art, with his general knowledge, can adapt the method according to the invention to large, massive substrates.
Les microparticules peuvent comprendre au moins un des matériaux choisi parmi : alumine, carbure de silicium, dioxyde de titane, silicium, silicate de type mica.The microparticles can comprise at least one of the materials chosen from: alumina, silicon carbide, titanium dioxide, silicon, silica of mica type.
Les microparticules 40 peuvent avoir une taille comprise entre 100 nm etThe microparticles 40 can have a size of between 100 nm and
500 pm.500 pm.
Les microparticules 40 peuvent avantageusement être des billes.The microparticles 40 can advantageously be beads.
Par taille des microparticules, on entend la plus grande des dimensions desdites microparticules. Par ailleurs, au sens de l'invention, toutes les microparticules 40 d'un même lot ne présentent pas nécessairement la même taille. Aussi, dès lors que l'on considère un lot de microparticules présentant une taille donnée, il est clair que ladite taille est une taille moyenne.By microparticle size is meant the largest of the dimensions of said microparticles. Furthermore, within the meaning of the invention, all the microparticles 40 of the same batch do not necessarily have the same size. Also, when considering a batch of microparticles having a given size, it is clear that said size is an average size.
Lors de la formation du film de dioxyde de silicium, les microparticules 40 peuvent former un lit fluidisé.During the formation of the silicon dioxide film, the microparticles 40 can form a fluidized bed.
Par lit fluidisé, on entend un ensemble de microparticules mises en suspension par un courant gazeux ascendant. A cet égard l'homme du métier peut consulter le document [1] cité à la fin de la description.By fluidized bed is meant a set of microparticles suspended by an ascending gas stream. In this regard, a person skilled in the art can consult the document [1] cited at the end of the description.
Afin de mettre en oeuvre le procédé de formation de films de dioxyde de silicium, les microparticules sont disposées dans une enceinte de dépôt 20, s'étendant selon un axe XX', du dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 10.In order to implement the process for forming silicon dioxide films, the microparticles are placed in a deposition enclosure 20, extending along an axis XX ′, of the chemical vapor deposition device 10.
L'enceinte de dépôt 20 comprend dans sa partie basse B un support 30 sur lequel repose les microparticules 40.The deposition enclosure 20 comprises in its lower part B a support 30 on which the microparticles 40 rest.
Le support 30 comprend deux faces principales 31 et 32 parallèles entre elles (et perpendiculaires à l'axe XX').The support 30 comprises two main faces 31 and 32 parallel to each other (and perpendicular to the axis XX ').
Le support 30 est avantageusement poreux de sorte qu'un gaz puisse le traverser sur toute son épaisseur E. L'épaisseur E du support 30 est la distance la plus courte entre les faces principales 31 et 32. Le support 30 peut comprendre au moins un des matériaux choisi parmi : aluminium, acier type inox.The support 30 is advantageously porous so that a gas can pass through it over its entire thickness E. The thickness E of the support 30 is the shortest distance between the main faces 31 and 32. The support 30 may comprise at least one materials chosen from: aluminum, stainless steel type.
Ainsi, dès lors que des microparticules 40 sont disposées sur le support 30, et que ce dernier est traversé par un gaz sur toute son épaisseur E, lesdites microparticules sont mises en mouvement et un lit fluidisé est créé. Par exemple, le gaz permettant la mise en œuvre du lit fluidisé entre dans l'enceinte de dépôt 20 par une première entrée 51. Cette configuration est donc particulièrement avantageuse, dès lors que l'on veut former un film sur toute la surface de chacune des microparticules. En effet, aussitôt que les microparticules forment un lit fluidisé, toute leur surface est exposée à un gaz réactif susceptible d'être présent dans l'enceinte de dépôt 20. Plus particulièrement, statistiquement, chaque portion de surface de chacune des microparticules formant le lit fluidisé est exposée au gaz réactif de manière équivalente (en terme de durée et de quantité de gaz réactif), de sorte que la formation du film est homogène sur chacune des microparticules et entre les microparticules.Thus, as soon as microparticles 40 are arranged on the support 30, and that the latter is traversed by a gas over its entire thickness E, said microparticles are set in motion and a fluidized bed is created. For example, the gas allowing the implementation of the fluidized bed enters the deposit enclosure 20 through a first inlet 51. This configuration is therefore particularly advantageous, since it is desired to form a film over the entire surface of each microparticles. In fact, as soon as the microparticles form a fluidized bed, their entire surface is exposed to a reactive gas capable of being present in the deposition enclosure 20. More particularly, statistically, each surface portion of each of the microparticles forming the bed fluidized is exposed to the reactive gas in an equivalent way (in terms of duration and quantity of reactive gas), so that the film formation is homogeneous on each of the microparticles and between the microparticles.
Par gaz réactif, nous entendons un gaz adapté pour réagir chimiquement avec la surface des microparticules est ainsi former un film, la nature du gaz réactif sera discuté plus tard dans la description. Par ailleurs, nous notons que le gaz réactif traverse d'abord le support 30, sur toute son épaisseur E, avant d'atteindre le lit fluidisé formé par les microparticules 40.By reactive gas, we mean a gas adapted to react chemically with the surface of the microparticles and thus form a film, the nature of the reactive gas will be discussed later in the description. Furthermore, we note that the reactive gas first crosses the support 30, over its entire thickness E, before reaching the fluidized bed formed by the microparticles 40.
Par ailleurs, le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 10 comprend deux systèmes de régulation thermique 60 et 61 (pour le chauffage et le refroidissement), disposés respectivement dans la partie basse B et la partie haute H de l'enceinte de dépôt 20. Cette disposition permet de chauffer de manière différentiée les parties basse B et haute H de l'enceinte de dépôt 20. Plus particulièrement, le lit fluidisé de microparticules en suspension dans le volume de l'enceinte de dépôt 20 peut être chauffé à une température plus élevée que le support 30. Plus particulièrement, le support 30 peut être maintenu, par le système de régulation thermique 60, à une température inférieure à la température de réaction ou de décomposition des gaz réactifs qui sont susceptibles de le traverser, évitant ainsi tout colmatage dudit support 30.Furthermore, the chemical vapor deposition device 10 comprises two thermal regulation systems 60 and 61 (for heating and cooling), disposed respectively in the lower part B and the upper part H of the deposition enclosure 20. This arrangement makes it possible to heat the lower parts B and upper H of the deposition enclosure 20 in a differentiated manner. More particularly, the fluidized bed of microparticles suspended in the volume of the deposition enclosure 20 can be heated to a higher temperature. higher than the support 30. More particularly, the support 30 can be maintained, by the thermal regulation system 60, at a temperature below the reaction or decomposition temperature of the reactive gases which are liable to pass through it, thus avoiding clogging of said support 30.
Par exemple, la température du lit fluidisé formé par les microparticules 40, à proximité ou dans la partie haute H de l'enceinte de dépôt, peut être comprise entre 200°C et 350°C, avantageusement entre 250°C et 350°C.For example, the temperature of the fluidized bed formed by the microparticles 40, near or in the upper part H of the deposition enclosure, can be between 200 ° C and 350 ° C, advantageously between 250 ° C and 350 ° C .
La température du support 30 peut être comprise entre 100°C et 150°C.The temperature of the support 30 can be between 100 ° C and 150 ° C.
Le procédé de formation de films de dioxyde de silicium comprend l'évaporation d'un précurseur organométallique dans l'enceinte de dépôt 20. Par pulvérisation dans l'enceinte de dépôt 20, on entend que le précurseur organométallique est introduit dans l'enceinte de dépôt 20 sous forme d'une solution finement divisée. Par ailleurs, l'évaporation du précurseur organométallique se fait sur la surface des microparticules.The process for forming silicon dioxide films comprises the evaporation of an organometallic precursor in the deposit enclosure 20. By spraying in the deposit enclosure 20, it is understood that the organometallic precursor is introduced into the enclosure deposit 20 in the form of a finely divided solution. Furthermore, the evaporation of the organometallic precursor takes place on the surface of the microparticles.
Il est entendu que le précurseur organométallique est un gaz réactif.It is understood that the organometallic precursor is a reactive gas.
Par ailleurs, le précurseur organométallique est introduit dans l'enceinte de dépôt par une seconde entrée 52.Furthermore, the organometallic precursor is introduced into the deposition enclosure through a second inlet 52.
Selon l'invention, le précurseur organométallique est du tetraacetoxysilane. Ce composé chimique est particulièrement avantageux puisqu'il se décompose à partir de 175°C, et permet donc de former des films de dioxyde de silicium sur la surface des microparticules, les microparticules étant avantageusement mises sous forme d'un lit fluidisé.According to the invention, the organometallic precursor is tetraacetoxysilane. This chemical compound is particularly advantageous since it decomposes from 175 ° C., and therefore makes it possible to form films of silicon dioxide on the surface of the microparticles, the microparticles advantageously being in the form of a fluidized bed.
Il est entendu, sans qu'il soit nécessaire de le préciser, que le tetraacetoxysilane réagit avec une espèce chimique oxydante pour former un film de dioxyde de silicium par CVD. L'espèce oxydante peut par exemple être du dioxygène, de l'ozone, de la vapeur d'eau.It is understood, without it being necessary to specify it, that tetraacetoxysilane reacts with an oxidizing chemical species to form a film of silicon dioxide by CVD. The oxidizing species can for example be dioxygen, ozone, water vapor.
La surface des microparticules formant le lit fluidisé est alors avantageusement maintenue à une température comprise entre 200°C et 350°C, préférentiellement entre 250°C et 350°C.The surface of the microparticles forming the fluidized bed is then advantageously maintained at a temperature between 200 ° C and 350 ° C, preferably between 250 ° C and 350 ° C.
De manière avantageuse, le tetraacetoxysilane, avant d'être injecté dans l'enceinte de dépôt, peut être dilué dans un solvant organique.Advantageously, the tetraacetoxysilane, before being injected into the deposition enclosure, can be diluted in an organic solvent.
Le solvant organique peut avantageusement comprendre au moins un des solvants choisi parmi : isopropanol, du cyclohexane, un solvant aromatique (par exemple du toluène, du xylène).The organic solvent can advantageously comprise at least one of the solvents chosen from: isopropanol, cyclohexane, an aromatic solvent (for example toluene, xylene).
Les inventeurs ont par ailleurs démontré que le pouvoir solvatant de l'isopropanol permet d'obtenir une excellente accroche du tetraacetoxysilane sur la surface des microparticules 40, favorisant ainsi la réactivité dudit précurseur avec la surface des microparticules 40.The inventors have also demonstrated that the solvating power of isopropanol makes it possible to obtain excellent adhesion of tetraacetoxysilane to the surface of the microparticles 40, thus promoting the reactivity of said precursor with the surface of the microparticles 40.
Après dilution, la concentration du tetraacetoxysilane peut être comprise entre 0,01 mol/L, et 0,15 mol/L.After dilution, the concentration of tetraacetoxysilane can be between 0.01 mol / L and 0.15 mol / L.
Toujours de manière avantageuse, avant d'être injecté dans l'enceinte de dépôt, le tetraacetoxysilane peut être maintenu à une température comprise entre 80°C et 150°C, par exemple 100°C.Still advantageously, before being injected into the deposition enclosure, the tetraacetoxysilane can be maintained at a temperature between 80 ° C. and 150 ° C., for example 100 ° C.
Le procédé de formation de films de dioxyde de silicium selon l'invention peut comprendre en outre l'injection de dioxygène dans l'enceinte de dépôt 20.The process for forming silicon dioxide films according to the invention can also comprise the injection of dioxygen into the deposition enclosure 20.
ίοίο
Le dioxygène peut être injecté dans l'enceinte à température ambiante. Autrement dit, la température de l'oxygène, dès qu'il est dans l'enceinte, est imposée par la température à l'intérieur de ladite enceinte.The oxygen can be injected into the enclosure at room temperature. In other words, the temperature of the oxygen, as soon as it is in the enclosure, is imposed by the temperature inside said enclosure.
La dioxygène est destiné à réagir avec le tétraacétoxysilane pour former un film de dioxyde de silicium sur la surface des microparticules 40.The dioxygen is intended to react with tetraacetoxysilane to form a film of silicon dioxide on the surface of the microparticles 40.
De manière avantageuse, l'injection (l'évaporation) du tétraacétoxysilane peut être exécutée selon de cycles d'évaporation, et en alternance avec des cycles d'injection de dioxygène dans l'enceinte de dépôt 20. Autrement dit, l'injection du tétraacétoxysilane et l'injection du dioxygène sont exécutées sur des plages temporelles différentes, et sans recouvrement (autrement dit distinctes). Nous parlons de CVD pulsée.Advantageously, the injection (evaporation) of the tetraacetoxysilane can be carried out according to cycles of evaporation, and in alternation with cycles of injection of dioxygen into the deposit enclosure 20. In other words, the injection of the tetraacetoxysilane and the injection of dioxygen are performed over different time periods, and without overlap (in other words distinct). We are talking about pulsed CVD.
La CVD pulsée permet de mieux contrôler la décomposition des espèces, donc de mieux maîtriser les cinétiques de dépôt, donc les vitesses de dépôt. Ceci est d'autant plus important lorsque les épaisseurs déposées sont très faibles.Pulsed CVD allows better control of the decomposition of species, therefore better control of the deposition kinetics, and therefore the deposition rates. This is all the more important when the thicknesses deposited are very small.
Nous parlons de cycles d'évaporation dès lors qu'il s'agit de l'injection du tétraacétoxysilane, et cycles d'injection dès qu'il s'agit de l'injection de dioxygène.We speak of evaporation cycles when it comes to the injection of tetraacetoxysilane, and injection cycles when it comes to the injection of dioxygen.
Le dioxygène injecté lors des cycles d'injection peut être mélangé avec un gaz inerte, par exemple de l'azote. Dans ce cas de figure, la proportion d'azote par rapport au dioxygène peut être comprise entre 30% et 60 %, par exemple 50%.The dioxygen injected during the injection cycles can be mixed with an inert gas, for example nitrogen. In this case, the proportion of nitrogen relative to the oxygen can be between 30% and 60%, for example 50%.
Toujours de manière avantageuse, une purge de l'enceinte de dépôt 20 est exécutée avant chaque cycle d'évaporation et chaque cycle d'injection, de sorte que la pression dans ladite enceinte est inférieure à 30 mBar à l'issue de la purge. La purge peut être exécutée par un système de pompage connecté à l'enceinte de dépôt 20.Still advantageously, a purge of the deposition enclosure 20 is carried out before each evaporation cycle and each injection cycle, so that the pressure in said enclosure is less than 30 mBar at the end of the purge. The purge can be carried out by a pumping system connected to the deposit enclosure 20.
A l'issue de chaque cycle d'évaporation, la pression dans l'enceinte de dépôt 20 peut être supérieure à 100 mBar.At the end of each evaporation cycle, the pressure in the deposition enclosure 20 can be greater than 100 mBar.
A l'issue de chaque cycle d'injection, la pression dans l'enceinte de dépôt 20 peut être supérieure à 60 mBar.At the end of each injection cycle, the pressure in the deposition chamber 20 can be greater than 60 mBar.
Les cycles d'évaporation peuvent durer de 5 secondes à 20 secondes.Evaporation cycles can last from 5 seconds to 20 seconds.
De manière avantageuse, 20 à 100 cycles d'évaporation et d'injection peuvent être exécutés.Advantageously, 20 to 100 evaporation and injection cycles can be performed.
Ainsi, bien que formés à des températures relativement basses (inférieure à 350°C), les films de dioxyde de silicium présentent une densité ainsi que des propriétés optiques comparables à celles du même film formé à plus haute température avec un précurseur organométallique standard. La figure 3 compare par ailleurs les propriétés optiques (réflectivité) d'une couche de S1O2 de 93 nm d'épaisseur formée sur un substrat plan de silicium selon le procédé inventif, avec la réflectivité théorique d'un film de S1O2 de même épaisseur également formé sur un substrat plan de silicium. On observe ainsi sur la figure 3 que le film formé selon le procédé inventif a des propriété optiques très voisines de ce qui est théoriquement attendu.Thus, although formed at relatively low temperatures (below 350 ° C), the silicon dioxide films have a density as well as optical properties comparable to those of the same film formed at higher temperature with a standard organometallic precursor. FIG. 3 also compares the optical properties (reflectivity) of a layer of S1O2 93 nm thick formed on a plane silicon substrate according to the inventive method, with the theoretical reflectivity of a film of S1O2 of the same thickness also formed on a planar silicon substrate. It is thus observed in FIG. 3 that the film formed according to the inventive method has optical properties very close to what is theoretically expected.
Ainsi, le procédé de formation d'un film de dioxyde de silicium sur les microparticules peut comprendre les étapes suivantes :Thus, the process for forming a film of silicon dioxide on the microparticles can comprise the following steps:
- l'introduction des microparticules dans l'enceinte de dépôt, plus particulièrement sur le support 30 ;the introduction of the microparticles into the deposition enclosure, more particularly on the support 30;
- la formation du lit fluidisé par passage d'un courant gazeux ascendant au travers du support 30 ;- The formation of the fluidized bed by passage of an ascending gas stream through the support 30;
- le chauffage de la zone de l'enceinte occupée par le lit fluidisé à une température comprise entre 200°C et 350°C, et le chauffage du support 30 à une température inférieure à 200°C, avantageusement inférieure à 110°C ;- Heating the area of the enclosure occupied by the fluidized bed at a temperature between 200 ° C and 350 ° C, and heating the support 30 to a temperature below 200 ° C, advantageously below 110 ° C;
- la pluvérisation de tetraacetoxysilane- the pluvisation of tetraacetoxysilane
- l'injection de dioxygène.- the injection of oxygen.
Le procédé de formation de films de dioxyde de silicium peut avantageusement être mis en œuvre pour la formation de filtres interférentiels.The process for forming silicon dioxide films can advantageously be implemented for the formation of interference filters.
Le filtre interférentiel peut comprendre un empilement d'un film de dioxyde de silicium et un film de dioxyde de titane.The interference filter may include a stack of a film of silicon dioxide and a film of titanium dioxide.
Le film d'oxyde de titane est avantageusement formé par CVD avec du TTIP (Tetraisopropoxyde de titane) comme précurseur, par exemple dilué dans du toluène ou de l'isopropanol à une concentation de 0, 3 Mol/L.The titanium oxide film is advantageously formed by CVD with TTIP (titanium tetraisopropoxide) as a precursor, for example diluted in toluene or isopropanol at a concentration of 0.3 mol / L.
Les conditions de formation du film de dioxyde de silicium selon l'invention sont transposables à la formation du film de dioxyde de titane.The conditions for the formation of the silicon dioxide film according to the invention can be transposed to the formation of the titanium dioxide film.
Les films de dioxyde de silicium et de dioxyde de titane sont avantageusement formés dans le même dispositif de dépôt chimique en phase vapeur 10.The films of silicon dioxide and of titanium dioxide are advantageously formed in the same chemical vapor deposition device 10.
La formation du filtre interférentiel ne se limite pas à un empilement d'un film de dioxyde de titane (TiC>2) et d'un film de dioxyde de silicium (S1O2).The formation of the interference filter is not limited to a stack of a film of titanium dioxide (TiC> 2) and a film of silicon dioxide (S1O2).
Le filtre interférentiel peut comprendre un empilement de 3 films selon la séquence TiOz/SiOz/TiOz.The interference filter can comprise a stack of 3 films according to the TiOz / SiOz / TiOz sequence.
Le filtre interférentiel peut comprendre un empilement de 4 films selon la séquence TiOz/SiOz/TiOz/SiOz.The interference filter can comprise a stack of 4 films according to the TiOz / SiOz / TiOz / SiOz sequence.
La conception du filtre interférentiel (nombre de films ainsi que leur épaisseur) fait partie des connaissances générales de l'homme du métier.The design of the interference filter (number of films and their thickness) is part of the general knowledge of those skilled in the art.
Le filtre interférentiel est avantageusement formé sur des microparticules, par exemple des billes de 100 micromètres de diamètre.The interference filter is advantageously formed on microparticles, for example beads 100 micrometers in diameter.
Les inventeurs ont ainsi formé des filtres interférentiels sur des billes de 100 micromètres de diamètre comprenant un empilement de 5 films (figure 2).The inventors have thus formed interference filters on balls of 100 micrometers in diameter comprising a stack of 5 films (FIG. 2).
L'empilement des 5 films comprend dans l'ordre, un film de dioxyde de titane de 72 nm, un film de dioxyde de silicium de 50 nm, un film de dioxyde de titane de 150 nm, un film de dioxyde de silicium de 72 nm, un film de dioxyde de titane de 72 nm.The stack of the 5 films comprises, in order, a 72 nm titanium dioxide film, a 50 nm silicon dioxide film, a 150 nm titanium dioxide film, a 72 nm silicon dioxide film nm, a 72 nm film of titanium dioxide.
Toujours à titre d'exemple, un filtre interférentiel formé sur des billes de silice, et comprenant, successivement et à partir de la surface de la bille de silice, un film de dioxyde de titane de 97 nm, un film de dioxyde de silicium de 135 nm, un film de dioxyde de titane de 86 nm, et un film de dioxyde de silicium de 60 nm, présentera une couleur rouge.Still by way of example, an interference filter formed on silica balls, and comprising, successively and from the surface of the silica ball, a film of titanium dioxide of 97 nm, a film of silicon dioxide of 135 nm, a film of titanium dioxide of 86 nm, and a film of silicon dioxide of 60 nm, will show a red color.
Le procédé de formation des films de dioxyde de silicium selon la présente invention ne se limite pas à a formation de filtres interférentiels pour la cosmétologie. En effet, ce procédé de formation de films de dioxyde de silicium est avantageusement mis en oeuvre pour la fonctionnalisation de poudres utilisées en impression 3D, dans le domaine photovoltaïque, pour la réalisation d'électrodes activables dans le visible (pour des plasmas à décharge à barrière diélectrique), ou dans le domaine de traitement de l'air.The method of forming silicon dioxide films according to the present invention is not limited to the formation of interference filters for cosmetology. In fact, this process for forming silicon dioxide films is advantageously implemented for the functionalization of powders used in 3D printing, in the photovoltaic field, for the production of electrodes which can be activated in the visible (for discharge plasmas at dielectric barrier), or in the field of air treatment.
REFERENCES [1] C. Vahlas et al., « Fluidization, Spouting, and Meta l-Orga nie CVD of Platinum Group Metals on Powders, Chem. Vap. Déposition, Volume 8, Issue 4, July, 2002, pages 127-144.REFERENCES [1] C. Vahlas et al., “Fluidization, Spouting, and Meta l-Orga nie CVD of Platinum Group Metals on Powders, Chem. Vap. Deposition, Volume 8, Issue 4, July, 2002, pages 127-144.
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- 2016-11-29 FR FR1661646A patent/FR3059339B1/en not_active Expired - Fee Related
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FR3059339B1 (en) | 2020-02-28 |
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