Élaboration de couches minces par HiPIMS : propriétés structurales et aspects énergétiques

Tailoring Structural and Energy-related Properties of Thin Films Using HiPIMS

• Auteur / Autrice : Felipe Cemin
• Direction : Daniel Lundin, Tiberiu Minea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Grégory Abadias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Lundin, Tiberiu Minea, Grégory Abadias, Patrick Choquet, David Horwat, Kerstin Thorwath, Philippe Lecoeur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Choquet, David Horwat
• DOI : 10.70675/3ebb8ccaz2262z4d16za4c2z6a580b4db944

Mots clés

Mots clés contrôlés

Science des matériaux

Couches minces métalliques

Couches minces semiconductrices

Cuivre

Oxyde de titane

Plasmas (gaz ionisés)

Pulvérisation cathodique

Mots clés libres

Hipims

Couches minces

Contrainte résiduelle

Cuivre

Dioxyde de titane

Nitrure de titane

Hipims

Thin films

Intrinsic stress

Copper

Titanium dioxide

Titanium nitride

Résumé

La pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance (HiPIMS) est un procédé de dépôt de couches minces dans lequel le flux de dépôt est principalement composé d’ions du matériau pulvérisé. Ce type de décharge permet de contrôler l’énergie et la direction des espèces qui seront déposées, ce qui est favorable à la modification de la structure et des propriétés finales des couches. Malgré tous les travaux de recherches menés pour caractériser et comprendre les conditions de décharge HiPIMS, la nécessité de développer des couches minces utiles à la société reste toujours d’actualité. La finalité de ce travail est l’obtention de couches minces HiPIMS plus performantes que celles obtenues aujourd'hui en utilisant des techniques de dépôt classiques. Pour cela il est indispensable d'identifier et d'optimiser les paramètres de dépôt permettant de modifier à la fois la microstructure des couches, la contrainte résiduelle et les propriétés liées à l'énergie telles que la résistivité électrique et la bande interdite. Trois matériaux sont au cœur de ce travail : le cuivre, le dioxyde de titane et le nitrure de titane. Les études expérimentales ont montré que les paramètres les plus importants pour obtenir les propriétés souhaitées étaient la quantité et l’énergie cinétique des espèces ionisées irradiant la couche au cours de sa croissance. Par ailleurs, les paramètres de croissance optimale entre couches métalliques et couches composées diffèrent considérablement.

High power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is a thin film deposition technique where the deposition flux is predominantly composed of ionized sputtered material. This enables control of energy and direction of the film-forming species and is thereby beneficial for tailoring the film structure and final properties. Although researchers world-wide have spent significant time and efforts characterizing and understanding the plasma process conditions in HiPIMS, research in new and improved HiPIMS-based thin film materials that find applications in areas of importance for society is still required. The goal of this work has been to identify and optimize the deposition parameters that allow tailoring the film microstructure, intrinsic stress and energy-related properties, such as electrical resistivity and optical band gap, to ultimately achieve superior HiPIMS coatings compared to what is achieved today using conventional deposition techniques. Three material systems constitute the core of the work: copper, titanium dioxide, and titanium nitride. From the work carried out it is concluded that the most important parameters affecting the film structure and properties are the amount as well as the kinetic energy of the ionized sputtered species irradiating the film during growth. These parameters differ substantially for optimum growth conditions of metallic and compound films.