Etude de la réactivité induite par laser de l'ammoniac sur une surface de silicium

par Thierry Gonthiez

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pascal Brault.

Soutenue en 2001

à Orléans .

mots clés

• Silicium
• Ammoniac
• Spectroscopie de masse par désorption de champ
• Adsorption
• Photochimie laser
• Spectroscopie atomique
• Spectroscopie moléculaire

Résumé

Ce travail est consacré à la photochimie laser de l'ammoniac en surface du silicium afin de comprendre les premières étapes de la croissance de couches minces de nitrure de silicium assistée par rayonnement. A cette fin, les effets d'un faisceau laser UV (^=355 nm, ?=4,1 ns) ont été étudiés sur des surfaces de silicium à température ambiante avant, pendant et après des expositions à de faibles quantités d'ammoniac (p<10-8 mbar). Pour caractériser les phénomènes physico-chimiques en surface, nous utilisons des diagnostics laser (désorption laser couplée à la photoionisation laser et à la spectroscopie de masse), la spectroscopie des électrons Auger (AES), la microscopie (électronique et optique) et la profilométrie (mécanique ou optique). L'irradiation d'une surface de silicium avec de faibles énergies laser induit des modofocations de surface qui s'accompagnent de la désorption d'atomes neutres et ionisés de Si. Deux populations distinctes d'atomes de Si sont émis de la surface. La première, caractérisée par une énergie cinétique indépendante de l'énergie laser (E=0,043 eV), provient de mécanismes d'origine électronique. La deuxième, caractérisée par une cinétique qui dépend de l'énergie laser, correspond à un processus thermique en surface. L'énergie cinétique de ces espèces est alors équivalente à une température de surface au moment de leur éjection. Lors de l'exposition du silicium à l'ammoniac, les molécules de NH3 s'adsorbent spontanément à température ambiante et ne se dissocient que partiellement en surface. Selon l'état de surface, le premier degré de dissociation (NH3-NH2+H) est soit spontané, soit activé par les irradiations. Dans les deux cas, les radicaux NH2 sont liés à Si et forment des liaisons Si-NH2. Selon les énergies laser, les molécules Si-NH2 sont soit désorbées, soit dissociées en Si-NH. Plus l'énergie laser est importante plus cette voie de dissociation devient prépondérante.

Titre traduit

Laser photochemistry of ammonia on silicon surface

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