Couches minces métalliques sur substrats à faible interaction : Dynamique de croissance à l'échelle nanométrique, contraintes résiduelles, et morphologie

Thin metal films on weakly-interacting substrates : Nanoscale growth dynamics, stress generation, and morphology manipulation

• Auteur / Autrice : Andreas Jamnig
• Direction : Grégory Abadias, Kostas Sarakinos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses et Matériaux
• Date : Soutenance le 05/11/2020
• Etablissement(s) : Poitiers en cotutelle avec Université de Linköping (Suède)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Fredrik Eriksson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégory Abadias, Kostas Sarakinos, Sophie Camelio, David Horwat, Rémi Lazzari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gregory B. Thompson, Frédéric Leroy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pulvérisation

Croissance cristalline

Contraintes résiduelles

Ellipsométrie

Couches minces métalliques

Mots clés libres

Couches minces

Pulvérisation magnétron

Caractérisation in situ en temps réel

Premiers stades de croissance

Contraintes résiduelles

Morphologie

Thin films

Magnetron sputter-Deposition

In situ and real-Time characterization

Early film growth stages

Residual stress

Manipulation of morphology

Résumé

La morphologie de films minces métalliques polycristallins élaborés par condensation d’une phase vapeur sur des substrats à faible interaction (SFI) possède un caractère 3D intrinsèque. De plus, la nature hors équilibre de la croissance du film depuis une phase vapeur conduit souvent à la génération de contraintes mécaniques, ce qui peut compromettre davantage la fiabilité et la fonctionnalité des dispositifs optoélectroniques. Les objectifs de cette thèse sont liés à la croissance de films métalliques sur SFI et visent à : (i) contribuer à une meilleure compréhension des processus à l'échelle atomique qui contrôlent l'évolution morphologique des films ; (ii) élucider les processus dynamiques qui régissent la génération et l'évolution des contraintes en cours de croissance ; et (iii) développer des méthodologies pour manipuler et contrôler la morphologie des films à l'échelle nanométrique. L’originalité de l’approche mise en œuvre consiste à suivre la croissance des films in situ et en temps réel par couplage de plusieurs diagnostics, complété par des analyses microstructurales ex situ. Les grandeurs mesurées sont confrontées à des modèles optiques et des simulations atomistiques.L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse fournissent les bases pour : (i) déterminer les coefficients de diffusion sur une large gamme de systèmes films/SFI; (ii) concevoir des stratégies non invasives pour les contacts multifonctionnels dans les dispositifs optoélectroniques;(iii) apporter des éléments de compréhension à l’origine du développement de contrainte, qui permettent de prédire et contrôler le niveau de contrainte intrinsèque à la croissance de films minces polycristallins.

Vapor-based growth of thin metal films with controlled morphology on weakly-interacting substrates (WIS), including oxides and van der Waals materials, is essential for the fabrication of multifunctional metal contacts in a wide array of optoelectronic devices. Achieving this entails a great challenge, since weak film/substrate interactions yield a pronounced and uncontrolled 3D morphology. Moreover, the far-from-equilibrium nature of vapor-based film growth often leads to generation of mechanical stress, which may further compromise device reliability and functionality. The objectives of this thesis are related to metal film growth on WIS and seek to : (i) contribute to the understanding of atomic-scale processes that control film morphological evolution; (ii) elucidate the dynamic competition between nanoscale processes that govern film stress generation and evolution; and (iii) develop methodologies for manipulating and controlling nanoscale film morphology between 2D and 3D.Investigations focus on magnetron sputter-deposited Ag and Cu films on SiO2and amorphous carbon (a-C) substrates. Research is conducted by strategically combining of in situand real-time film growth monitoring, ex situchemical and (micro)-structural analysis, optical modelling, and deterministic growth simulations.The overall results of the thesis provide the foundation to: (i) determine diffusion rates over a wide range of WIS film/substrates systems; (ii) design non-invasive strategies for multifunctional contacts in optoelectronic devices; (iii) complete important missing pieces in the fundamental understanding of stress, which can be used to expand theoretical descriptions for predicting and tuning stress magnitude.