Dépôt de couches minces de nitrures par pulvérisation magnétron (PVD) : étude de la structure et de la contrainte des films

par Bassam Abdallah

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux, plasma et couches minces

Sous la direction de Mohamed-Abdou Djouadi et de Pierre-Yves Jouan.

Soutenue en 2008

à Nantes .


  • Résumé

    Les propriétés piézoélectriques, thermiques, acoustiques et diélectriques du nitrure d’aluminium AlN en font un bon candidat pour de nombreuses applications en électronique, télécommunications ou encore pour des dispositifs SAW. Toutefois, les problèmes d’adhérence liés à des contraintes trop importantes constituent toujours un verrou technologique. Nous avons donc choisi d’étudier l’évolution des contraintes résiduelles en fonction des paramètres du procédé de dépôt utilisé, en l'occurrence la pulvérisation magnétron réactive. Dans un premier temps, une optimisation du procédé a permis de synthétiser des films d'AlN ayant différentes orientations cristallographiques et notamment l'orientation préférentielle (0002). Une méthode originale de mesure de contraintes intrinsèques couplée avec des caractérisations structurales DRX, MEB, FTIR, Raman et AFM nous a permis de montrer et de proposer une explication à l'évolution de la contrainte en fonction de l'épaisseur, ce que ne permettait pas de faire les modèles de Windischmann et Davis. Puis, une étude structurale fine des films sur toute l'épaisseur a été réalisée par microscopique électronique en transmission haute résolution (HRTEM). Elle a permis de montrer l'existence de trois zones : une interface amorphe avec le silicium, une zone polycristalline et une zone quasi-monocristalline. Le contrôle du bombardement ionique, du rapport ions/neutres, de la contamination en oxygène ainsi qu’un choix judicieux du type de substrat permet de minimiser la couche interfaciale ainsi que la zone polycristalline. En effet, l’optimisation de nos paramètres expérimentaux et l’utilisation de couches épitaxiées d’AlN et d’AlGaN ont permis une reprise d’épitaxie de nos films de nitrure d’aluminium sur ces substrat à basse température. Enfin une vérification des hypothèses faites sur l'évolution de la contrainte en fonction de l'épaisseur, dans le cas de l'AlN, a été réalisée sur un autre matériaux ayant également une structure hexagonale comme le ZnO ainsi que sur des matériaux de structure cubique tels que TiN et ZrN

  • Titre traduit

    Deposition of nitride thin films by magnetron sputtering method (PVD) : structural and stress study


  • Résumé

    The piezoelectric, thermal, acoustic and dielectric properties of aluminium nitride AlN make it a good candidate for many applications in electronics, telecommunications or even for SAW devices. However, the problems of adhesion-related to the intrinsic stress are still too important and inhibit some industrial applications of such a thin films. We have therefore chosen to study the evolution of residual stress based on the parameters of the deposition process used, namely reactive magnetron sputtering. At first, an optimization process has helped synthesize AlN films with different crystallographic orientations, including the (0002) preferential orientation. An original method for measuring intrinsic stress coupled with structural characterizations (DRX, SEM, FTIR, Raman and AFM) has enabled us to show and offer an explanation to the evolution of stress depending on the thickness, what is not possible using Windischmann and Davis models. Then, a structural study of thin films with thickness was performed by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). It has demonstrated the existence of three areas: an amorphous interface with the silicon substrate, a polycrystalline area and at the top of the film an almost-monocrystalline layer. The thickness of these layers can be controlled thanks to the control of ion bombardment, ion / neutral ratio, oxygen contamination and the choose of appropriate substrate. In fact using AlN and AlGaN epilayers, we have demonstrated the epitaxial growth of AlN films at low temperature. Finally, in order to check our results related to the evolution of stress versus thickness in the AlN, the same study was conducted on another material with a hexagonal structure (ZnO) and also on materials with cubic structure as TiN and ZrN

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Informations

  • Détails : 1 vol. (205 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 207 références bibliogr.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Nantes. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2008 NANT 2051
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