Etude spatio-temporelle d'un procédé de pulvérisation cathodique magnétron à fort degré d'ionisation de la vapeur pulvérisée

Spatial and temporal characterization of a magnetron sputtering process ensuring a high ionization fraction of the sputtered vapour

• Auteur / Autrice : Jean-Christophe Imbert
• Direction : Caroline Laporte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Plasma

Couches minces

Absorption résonante

Sondes de Langmuir

Contamination

Densité absolue

Température

Résumé

Dans de nombreuses applications industrielles, il est nécessaire de réaliser des couches minces de qualité sur des substrats de formes ou de caractéristiques différentes. Parmi les différentes méthodes industrielles mises en œuvre pour réaliser des couches minces, la pulvérisation cathodique magnétron occupe une place de choix. Ce procédé utilise les collisions entre particules pour réaliser la pulvérisation du matériau présent initialement sous forme solide. Le principal inconvénient de la pulvérisation cathodique magnétron est que les atomes sont déposés à l'état neutre, il est alors très difficile de modifier leur trajectoire ou leur énergie pour le dépôt. Cette thèse est consacrée à l'étude de deux méthodes différentes permettant l'ionisation de la vapeur pulvérisée. Dans la première méthode, un plasma additionnel de densité électronique élevée est créé à l'aide d'une antenne radio-fréquence. L'étude de ce procédé nécessite avant tout une optimisation du transfert de la puissance au plasma. Cette optimisation effectuée, je présente des mesures résolues spatialement des densités absolues et de la température des espèces. Dans un dernier temps, je montre que ces mesures permettent un contrôle précis de la pollution des dépôts. La seconde méthode, qui consiste à appliquer des impulsions de haute puissance sur la cathode magnétron, permet d'obtenir des taux d'ionisation de 60%. L'étude a porté sur le transport des espèces présentes dans le plasma (neutre, ions et électrons). Les mesures de densités et de températures sont expliquées par un modèle simple de diffusion pour les neutres et de diffusion ambipolaire pour les ions.

Many industrial applications require the deposition of thin films on substrates of different shapes and characteristics. The cathodic magnetron sputtering process relies on mechanical collisions between particles to perform the sputtering and is widely used. However, particles are sputtered mainly as neutrals and it is impossible to modify their trajectory or their deposition energy. This thesis deals with the study of two methods developed to ionize the sputtered vapor. The first method relies the use of an additional high density plasma created with a radio-frequency coil. It requires an optimization of the power transfer toward the plasma. This optimization being performed, I present spatially resolved measurements of the species temperatures and absolute densities. Finally, I show that these measurements allow to control the deposited layers contamination. In the second method, high power pulses are applied directly on the magnetron cathode and ensure an ionization ratio of approximately 60%. The study was focused on the transport of sputtered species. Densities and temperature measurements are explained with a simple one dimensional diffusion model for neutrals. Ambipolar diffusion was used for ions.