Mise au point d'une méthode électrochimique de caractérisation de la porosité de films minces : application à l'étude de revêtements de nickel élaborés par pulvérisation cathodique

An electrochemical method for the characterization of the porosity of thin coatings : study of nickel coatings elaborated by cathodic pulverisation

• Auteur / Autrice : Habiba Mahdjoub
• Direction : Daniel Rondot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie - Physique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-comté. UFR des Sciences, Techniques et Gestion de l'Industrie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse électrochimique

Couches minces

Porosité

Résumé

Ce travail est consacré d'une part à la mise au point d'une méthode électrochimique de caractérisation de la porosité de films minces et d'autre part, à l'étude de l'évolution du taux de porosité de revêtements de nickel élaborés sur cuivre par pulvérisation cathodique en fonction des conditions opératoires. En effet, les conditions de croissance des revêtements P. V. D. Mènent en général à une structure colonnaire peu dense avec des séparations entre les colonnes. Les nombreuses techniques de caractérisation de la porosité ouverte répertoriées dans la littérature montrent certains inconvénients et certaines conditions d'applications. L'approche électrochimique mise en oeuvre est basée sur la théorie de la corrosion galvanique. Comparéà d'autres techniques celle-ci tient compte du couplage galvanique existant entre les deux matériaux. La mesure de la porosité se fait de façon indirecte. Trois techniques ont été développées et ont mermis d'établir des courbes d'étalonnage, par couplage galvaniquedes matériaux massifs. Ces courbes montrent l'évolution du potentiel galvanique en fonction du logarithme du rapport de surface S(Cu)/S(Ni)(taux de porosité). La procédure développée a été validée en nous appuyant sur une technique coulométrique (tenant compte du couplage galvanique existant entre les deux matériaux) tirée de la littérature. Différents milieux ont été testés et l'optimisation de l'électrolyte s'est révélée nécessaire car la sensibilité des mesures va dépendre de sa nature, de sa composition. . . Les milieux KOCN et KCN ont été retenus car il y a dissolution du cuivre et passivation du nickel. Nous avons montré une influence nette de la morphologie sur la porosité des revêtements : la porosité diminue lorsque le revêtement se densifie (disparition des espaces intercolonnaires). D'une manière générale, une faible pression d'argon, une faible distance cible-substrat, un substrat statique, une puissance appliquée à la cible suffisamment élevée, ainsi qu'une épaisseur de revêtement suffisante permettent de densifier le revêtement et donc de diminuer la porosité. La rugosité de surface du substrat doit être la plus faible possible. Les méthodes électrochimiques nous ont permis de mesurer des taux de porosité dans une très large gamme. La limite de mesure dépend essentiellement du milieu de mesure.

The aim of this work is to establish an electrochemical method for the characterization of the open porosity of thin coatings in order to study the influence of deposition conditions on microstructure of nickel coatings elaborated on copper by cathodic pulverisation. Indeed, P. V. D coatings are often porous due to their columnar microstructure. In the literature, there are several approaches in relation to the determination of the open porosity. Several disadvantages and limitshave been noted. The electrochemical methods used are based on the galvanic corrosion theory. This approach takes into account the galvanic coupling between th two materials contrarily to other methods. The porosity measurement is made indirectly. Three electrochemical methods were developed, by using the galavanic coupling of bulk materials. Theses studies allow to establish calibration curves which give the porosity rate S(A)/S(R) as a function of the corrosion potential. In order to validate the electrochemical methods developed for the measurement of the porosity rate of coatings, they have been compared to a coulometric method (taken from the literature). In the same way it takes into account the galavanic coupling between the two materials. Different kinds of electrolyte have been tested. The electrolyte have been optimised because the sensitivity of the measurements depends on its nature, its composition. . . KOCN and KCN electrolytes have been chosen because copper can dissolve and nickel is passive. It has been shown the influence of the morphology on the coating porosity : the porosity decreases as the coating becomes more dense. Generally, a low argon pressure, a low substrate-target distance, a static substrate, an applied power to the target sufficiently elevated and a sufficient coating thickness allow to obtain a more dense coating and hence to decrease the porosity. The substrate surface roughness has to be the lowest possible. The electrochemical methods allow to measure porosity values in a large area. The upper limit of porosity measurements depends greatly on the electrolyte.