Caractérisation du procédé plasma de pulvérisation cathodique magnétron à ionisation additionnelle pour la synthèse de couches minces

Caracterisation of ionized magnetron sputtering plasma for thin film deposition

• Auteur / Autrice : Catalin Vitelaru
• Direction : Tiberiu Minea, Gheorghe Popa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/06/2011
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Universitatea Alexandru Ioan Cuza (Iaşi, Roumanie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....)
• Jury : Président / Présidente : Ludovic de Poucques
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tiberiu Minea, Gheorghe Popa, Ludovic de Poucques, Nader Sadeghi, Diederik Depla, Cristian Ruset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nader Sadeghi, Diederik Depla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes à semiconducteur

Fluorescence induite par laser

Pulvérisation cathodique

Mots clés libres

Pulvérisation Magnétron

Diode laser

Fluorescence induite laser

Fonction de distribution en vitesse

Magnetron sputtering

Laser diode

Laser induced fluorescence

Velocity distribution function

Résumé

Les exigences de plus en plus élevés concernant la qualité et propriétés de couches minces ont soutenu le développement de nouveaux procédés de pulvérisation. Ainsi, la décharge magnétron conventionnelle en courant continu, une des sources d’atomes la plus utilisée pour le dépôt de couches minces, a été améliorée par le couplage avec une décharge additionnelle de radio fréquence pour obtenir le nouveau procédé RF-IPVD (Radio Frequency-Ionized Physical Vapour Deposition). Ce procédé permet de générer un degré d’ionisation supérieur à celui dans la décharge magnétron classique, nécessaire pour contrôler les propriétés des couches minces. Un procédé alternatif pour augmenter d’avantage l’ionisation consiste à appliquer des impulsions haute puissance sur la cathode HPPMS (High Power Pulsed Magnetron Sputtering), pour des durés courtes de l’ordre de ųs ou dizaines de ųs. L’étude menée porte sur les phénomènes de pulvérisation et de transport des espèces du métal dans ces trois versions de la décharge magnétron par les moyens de spectroscopie laser à l’aide des diodes laser accordables. Le développement récent de ces diodes nous a permis de sonder les niveaux fondamentaux du Titane et de l’Aluminium, et de caractériser la dépendance spatiale de la densité et température ainsi que la fonction de distribution en vitesse de ces atomes. L’effet des paramètres clés, comme l’intensité du courant et la pression du gaz, est étudie et décrit pour la décharge magnétron conventionnelle. La distribution spatiale et angulaire de la fonction de distribution en vitesses a été mesurée dans la région devant la cible magnétron, afin de caractériser les flux du métal et leur comportement dans le volume de la décharge. L’étude sur les atomes du métal dans le procédé RF-IPVD est concentrée sur l’effet de la décharge additionnelle sur le dépeuplement du niveau fondamental. Une efficacité plus grande des processus d’ionisation est trouvée à plus haute pression et plus haute puissance RF injecté. On a montré aussi que les atomes affectés par les processus d’ionisation sont ceux thermalisées, tandis que la distribution de atomes rapides n’est quasiment pas affectés par la décharge additionnelle.Le diagnostic de la décharge pulsée a nécessité le développement d’une nouvelle procédure expérimentale, capable de suivre l’évolution de la densité et de la température des espèces neutres avec une résolution de l’ordre de la ųs. Cette procédure nous a servi pour décrire l’évolution spatio-temporel des atomes du métal (Ti et Al) et les atomes métastables d’Ar. Ces études offrent une vue globale sur le transport de atomes pulvérisés pendant la post décharge, ainsi qu’une description du fonctionnement de la décharge pulsé via la création des métastables d’Argon.

The higher requirements on the thin films quality have supported the development of new sputtering techniques. Thus, the conventional DC magnetron discharge, one of the most widely used source of atoms for thin film deposition, has been improved by the addition of an auxiliary radio frequency discharge - new technique called RF-IPVD (Radio Frequency -Ionized Physical Vapor Deposition). This technique highly increases the ionization degree compared to conventional magnetron discharge, which is necessary for a better control of the thin films properties. An alternative method to increase the ionization is based on the use of high power pulses on the cathode, HPPMS (High Power Pulsed Magnetron Sputtering), for short periods of time ranging from ųs to tens of ųs.The present study focuses on the sputtering phenomena and the transport of metal sputtered species in these three versions of the magnetron discharge, by means of laser spectroscopy using tunable laser diodes. The recent developments of these diodes have allowed to probe the fundamental levels of titanium and aluminum, and to characterize the spatial dependency of the density and temperature as well as the velocity distribution functions of these atoms. The effect of key discharge parameters, such as current intensity and gas pressure, is studied and described for the conventional magnetron discharge. The spatial and angular velocity distribution functions were measured in front of the magnetron target, in order to characterize the metal fluxes and their behavior in the discharge volume.The study on the metal atoms in the RF-IPVD process is focused on the effect of the additional discharge on the depopulation of the ground state level. Higher ionization efficiency is found at relatively high pressure and it increases with the injected RF power. It was also showed that the thermalized atoms are the ones involved in the ionization process, while the distribution of fast atoms is almost unaffected by the additional discharge.The diagnostics of the HPPMS discharge required the development of a novel experimental procedure, able to monitor the density and temperature of neutral species with a time resolution of ųs. This procedure was used to describe the spatiotemporal evolution of metal atoms (Ti and Al) and Ar metastable atoms. These studies provide an overview on the transport of sputtered atoms during the afterglow, and a description of the pulsed discharge operation, via the creation of metastable argon atoms.