Développement de sources microplasma en mélange N₂/Ar pour la production d’azote atomique en vue d’une application aux procédés de dépôt de nitrures

par Salima Kasri

Thèse de doctorat en Sciences matériaux

Sous la direction de Jocelyn Achard et de Claudia Lazzaroni.

Soutenue le 14-05-2019

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) , en partenariat avec Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (laboratoire) et de Université Paris 13 (Etablissement de préparation) .

Le président du jury était Agnès Granier.

Le jury était composé de Claire Douat, Alexandre Tallaire.

Les rapporteurs étaient Rémi Dussart, Gilles Cunge.


  • Résumé

    Cette thèse a pour but de développer et d’optimiser un nouveau réacteur de dépôt de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sur grandes surfaces en utilisant une matrice de micro-décharges à cathode creuse (MHCD) dans un mélange azote/argon. h-BN est un matériau stratégique pour des applications à forte valeur ajoutée telles que la photonique et l’électronique. Une étude fondamentale d’une MHCD DC, réalisée à l’aide de diagnostics électriques et optiques ainsi que d’un modèle global (0D), nous a permis de déterminer les caractéristiques électriques de la décharge, de mettre en évidence la production d’azote atomique dans la MHCD, espèce clé pour le dépôt de nitrure, ainsi que de déterminer la densité électronique. Par ailleurs, un réacteur matriciel fonctionnant en régime impulsionnel a été caractérisé expérimentalement à l’aide de diagnostics électriques et optiques. Les diagnostics électriques nous ont permis d’étudier l’effet de la dilution et de la fréquence sur les paramètres électriques de la décharge. La spectroscopie d’émission optique et l’imagerie rapide nous ont quant à elles permis d’identifier les espèces radiatives, de déterminer les températures dans le plasma ainsi que d’identifier les différentes phases de l’évolution spatio-temporelle de la décharge. Enfin, les premiers tests de dépôts réalisés dans un réacteur dédié nous ont permis de mettre en évidence la faisabilité d’un dépôt de h-BN sur des substrats de 5 cm de diamètre grâce au procédé développé dans le cadre de cette thèse.

  • Titre traduit

    Development of N₂/Ar microplasma sources for the production of atomic nitrogen for nitride deposition


  • Résumé

    The aim of this thesis is to develop and optimize a new hexagonal boron nitride (h-BN) deposition reactor on large surfaces using an array of micro hollow cathode discharges (MHCD) in a nitrogen/argon mixture. h-BN is a strategic material for strong added value applications, such as photonics and electronics. A fundamental study of one DC MHCD, carried out using electrical and optical diagnostics as well as a global model (0D), has allowed the electrical characteristics of the discharge to be measured, the production of atomic nitrogen in the MHCD to be highlighted, a key species for nitride deposition, as well as the electron density to be determined. Moreover, a matrix reactor operating under a ns-pulsed excitation has been experimentally characterized using electrical and optical diagnostics. Electrical diagnostics have been used to study the effect of dilution and frequency on the electrical parameters of the discharge. Optical emission spectroscopy and fast imaging have allowed the identification of radiative species, the determination of the temperatures in the plasma as well as the identification of the different phases of the spatio-temporal evolution of the discharge. Finally, the first deposition experiments, carried out in a dedicated reactor, have demonstrated the feasibility of h-BN deposition on 5 cm in diameter substrates thanks to the process developed in the frame of this thesis.


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