Magnetron sputtering in inverted cylindrical configuration : 3D deposition on moving substrate

par Alexandru Mihai Todoran

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Ana Lacoste et de Marc Mantel.

Soutenue le 14-11-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble) (équipe de recherche) et de Centre de Recherche d’Ugitech (entreprise) .

Le président du jury était Jean-Pierre Boeuf.

Le jury était composé de Ana Lacoste, Marc Mantel.

Les rapporteurs étaient Patrick Choquet, Tiberiu Minea.

  • Titre traduit

    Pulvérisation magnétron en configuration cylindrique inversée : dépôt 3D sur substrat en défilement


  • Résumé

    Les travaux présentés dans cette thèse constituent une étude sur la possibilité de déposer par pulvérisation plasma des couches minces de TiN sur des fils d'acier inoxydable en défilement. Les aspects technologiques tels que la conception et la construction d'une ligne prototype capable de nettoyer et déposer sur toute la circonférence des substrats cylindriques en mouvement sont présentés. Le développement de procédé dans la chambre de nettoyage par micro-ondes a permis l'amélioration des performances du plasma en termes de densité et de température d'électronique, ce qui a conduit à une amélioration de l'efficacité de nettoyage de substrat en termes de degré de propreté et de temps de traitement requis. D'une manière similaire, le développement de procédé dans la chambre de dépôt a permis de mettre en évidence la limitation majeure du magnétron cylindrique inversée (ICM), soit la très haute température atteinte par le substrat pendant le procédé. Le calcul théorique a permis l'identification de la majeure contribution au chauffage du substrat, et, afin de la réduire, la mise en place d'une solution technique consistant en électrodes supplémentaires, indépendamment polarisées. L'impact de la polarisation des électrodes supplémentaires est présenté en termes de paramètres de procédé (confinement du plasma, redistribution des courants, potentiel de la cible, modes de pulvérisation, temps de traitement plus permis, etc.), et, également, en termes de propriétés de couches déposées (vitesse de dépôt, profil d'épaisseur, composition et stœchiométrie). Basés sur les résultats obtenus dans le magnétron actuel, plusieurs possibilités d'améliorer encore les performances d'une nouvelle chambre de dépôt sont discutées.


  • Résumé

    This thesis represents a study of the possibility to sputter - deposit titanium nitride thin films on moving stainless steel wires. Technological aspects such as the conception, design and construction of a prototype tool capable of in-line cleaning and deposition all around the circumference of moving cylindrical substrates are presented. The process development in the microwave cleaning chamber allowed the improvement of the plasma performance in terms of density and electron temperature, which lead to improvement of the substrate cleaning efficiency in terms of degree of cleanliness and required process time. Similarly, the process development in the deposition chamber permitted to highlight the major limitation of the inverted cylindrical magnetron (ICM), which is the very high temperature, the substrate reaches during process. Theoretical calculation allowed the identification of the major contribution to substrate heating, and a technical solution consisting of independently biased additional electrodes is proposed in order to reduce it. The impact of the additional electrodes polarization is discussed both in terms of process parameters (plasma confinement, electron current redistribution, target voltage, sputtering modes, longer allowable process time, etc.), and in terms of films properties (deposition rate, thickness profile, composition and stoichiometry). Based on the results obtained in the present ICM, several possibilities to improve the performance of a new magnetron are discussed.

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