Stratégies pour la croissance de cristaux de diamant par CVD assisté par plasma micro-onde

par Ovidiu Brinza

Thèse de doctorat en Génie des procédés

Sous la direction de Jocelyn Achard et de Alix Gicquel.

Soutenue en 2009

à Paris 13 .


  • Résumé

    L’objectif de ce travail était d’optimiser un procédé de croissance CVD de films de diamant monocristallin et de développer des outils permettant d’établir des stratégies de croissance. Dans un premier temps, l’observation de faces {113} à l’état stationnaire sur nos cristaux de diamant, nous a incité à développer un modèle de croissance géométrique 3D dont les paramètres d’entrée sont les vitesses de déplacement des plans {111}, {110} et {113} normalisées par rapport à celles du plan {100} (respectivement α, β et γ). La validation de ce modèle par la détermination expérimentale des vitesses de croissance dans les différentes directions cristallographiques {100}, {111}, {110} et {113} en fonction des conditions de croissance a été démontrée. Un outil était alors disponible pour élaborer des stratégies de croissance en vue d’obtenir une morphologie particulière ou d’augmenter la surface des plateaux des cristaux en croissance. Le substrat de diamant utilisé jouant un rôle primordial sur la qualité de la croissance, une étude de son prétraitement et de sa provenance a été menée. Ainsi, il a été montré que pour l’obtention de films épais de diamant CVD, même lorsqu’une forte densité de puissance est utilisée, il est indispensable de faire subir préalablement au substrat un plasma d’attaque en milieu H2/O2. Il a également été démontré que les substrats synthétiques HPHT Ib sont, bien que contenant une forte teneur en azote, très bien adaptés pour réaliser des films épais car ils présentent relativement peu de dislocations et des caractéristiques de polissage meilleures que les substrats CVD disponibles à l’heure actuelle. Enfin, des solutions sont proposées pour limiter le coût de production de ce matériau qui est élevé. L’une d’elles consiste à utiliser une décharge pulsée permettant d’augmenter les vitesses de dépôt de près de 25% tout en réduisant la puissance micro-onde moyenne injectée de 15%, et en conservant une qualité de matériau équivalente. La deuxième solution consiste à introduire de l’azote en phase gazeuse, composant bien connu pour augmenter fortement les vitesses de croissance. Cette étude a mis en évidence que, à haute densité de puissance, un fort couplage entre la température de dépôt et la teneur en azote existe. En particulier, lorsque la concentration d’azote est augmentée, le mode de croissance évolue d’un mode de croissance par écoulement de marches vers un mode de croissance par germination bi-dimensionnelle.

  • Titre traduit

    Tratégies for diamond crystal growth using microwave plasma assisted CVD


  • Résumé

    This study aims to optimize a CVD growth process for mono-crystalline diamond films and to develop tools suitable for the development of growth strategies. In a first stage, the observation of stabile {113} faces on our diamond crystals has motivated us to develop a 3D geometric growth model whose input parameters are the displacement speeds of {111}, {110} and {113} respectively, which are normalized to those of one the {100}faces ( denoted α, β and γ respectively). The validation of the proposed model was demonstrated through the experimental measurement of the growth speeds of {100}, {111}, {110} and {113} crystallographic orientations respectively, which depend on the growth conditions. However, with this tool a particular growth strategy can be developed, in order to obtain a specific morphology, or to increase particular surface planes of the growing crystals. As the diamond substrate used played an important role in the growth quality, a study concerning its pre-treatment and origin was carried out. It has been demonstrated that in order to obtain thick CVD diamond films, using high microwave power density, it is essential that the substrate be etched by a H2/O2 plasma. Furthermore, it has been proven that synthetic HPHT Ib substrates, despite having a high concentration of nitrogen, are well-suited to obtaining thick films as they have relatively few dislocations, including theirpolishing characteristics which are better than the currently available CVD substrates. Finally, solutions are proposed to limit the production cost of this material which is quite high. The first refers to using a pulsed-discharge which allows an increased deposition speed by almost 25%, reducing at the same time the average injected microwave power by 15%, as well as preserving a material quality equivalent to that obtained before. The second solution refers to introducing nitrogen in the gas phase, a well-known component for its capacity to considerably increase the growth speed. Moreover, the highlight of this study is that, at a high power density, there is a strong link between the deposition temperature and the nitrogen concentration; when the nitrogen concentration is increased, the growth mode evolves from a step-flow to a bi-dimensional mode.

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Informations

  • Détails : 1 vol.( 165-A11p.)
  • Annexes : Annexes p.A1-A11

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  • Bibliothèque : Université Paris 13 (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis). Bibliothèque universitaire. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TH 2009 013
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