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Désorption thermique de monocouches greffés sur silicium

par Allongue Philippe - publié le , mis à jour le

Participants : P. Allongue, J. –N. Chazalviel, A. C. Gouget-Laemmel, C. Henry de Villeneuve, F. Ozanam

Doctorants : D. Dusciac (2008) et A. Faucheux (2005)

Les monocouches organiques convenablement fonctionnalisées pourraient être utilisées pour limiter la formation de silice lors du dépôt d’une couche d’oxyde « high K » (T > 300°C) sur silicium. La très faible densité des états électroniques des surfaces greffées rend par ailleurs leur utilisation compatible avec le bon fonctionnement d’un transistor à effet de champ.

Nos travaux de la stabilité thermique des monocouches organiques reposent sur des caractérisations par spectroscopie IR in situ, l’échantillon ATR étant placé dans une cellule spécialement conçue au laboratoire (Fig. 1) afin de suivre in-situ l’évolution de la structure des couches en fonction de la température de recuit dans un vide primaire.

Fig. 1 : Schéma de la cellule IR.

La série de spectres IR in situ de la Fig. 2a montre que la disparition des chaînes alkyles ­(CH2)n-CH3, débute vers 250°C (voir bandes négatives νCH autours de 2900 cm-1). Une analyse détaillée du massif νCH révèle que la désorption s’effectue en une seule étape, par rupture de la liaison Si-C et formation de l’alcène correspondant, ce qui explique que la température de désorption est indépendante de la longueur de chaine (Fig. 2b). Une couche Si-CH3 est cependant nettement plus stable (jusque 450° C) car la réaction de désorption fait intervenir un autre intermédiaire réactionnel (dans ce cas particulier la reconstitution d’une double liaison C=C n’est pas possible). Dans le cas des couches alkyles fonctionnalisées par des groupements COOH, la désorption débute avec la formation d’anhydrides et la couche est globalement plus stable par suite de la formation de ponts organiques (Fig. 2c).

Les travaux sur les couches alkoxy ­O­(CH2)n-CH3 montrent que la désorption suit un autre mécanisme. Les chaines moléculaires se fragmentent progressivement par libération de méthane. L’interface Si-O-C apparaît ainsi plus robuste que l’ancrage Si-C.

Figure 2. (a) Spectres infrarouges d’une monocouche Si-decyle en fonction de la température. Le spectre de référence est celui de la surface à 40°C avant traitement thermique. (b) Fraction résiduelle des CHs en fonction de la température pour différentes longueur de chaînes. (c) Premières étapes de la désorption thermique dans le cas d’une couche acide.

Publications :
[1] A. Faucheux, A. C. Gouget-Laemmel, P. Allongue, C. Henry de Villeneuve, F. Ozanam, and J. N. Chazalviel, "Mechanisms of Thermal Decomposition of Organic Monolayers Grafted on (111) Silicon," Langmuir 23 (3), 1326-1332 (2006).
[2] A. Faucheux, F. Yang, P. Allongue, C. Henry de Villeneuve, F. Ozanam, and J. N. Chazalviel, "Thermal decomposition of alkyl monolayers covalently grafted on (111) silicon," Appl. Phys. Lett. 88 (19), 193123 (2006).
[3] D. Dusciac, J. N. Chazalviel, F. Ozanam, P. Allongue, and C. H. de Villeneuve, "Thermal stability of alkoxy monolayers grafted on Si(111)," Surf. Sci. 601 (18), 3961-3964 (2007).
[4] D. Dusciac, C. Henry de Villeneuve, P. Allongue, F. Ozanam, and J. N. Chazalviel, "Thermal decomposition of alkoxy monolayers grafted on silicon : A mechanistic model," Surf. Sci. 609 (0), 230-235 (2013).