Croissance et caractérisation de couches minces de nitrure d'aluminium et de nitrure de bore cubique obtenues par pulvérisation triode

• Auteur / Autrice : Vincent Mortet
• Direction : Anne Leriche, Pierre-Yves Jouan, Mohamed-Abdou Djouadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : [Sciences des matériaux]
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Valenciennes

Mots clés

Mots clés libres

Croissance cristalline en phase vapeur

Pulvérisation cathodique

Réseau cubique

Transformation Fourier

Microscopie électronique balayage

Résumé

Le nitrure de bore cubique (c-BN) et le nitrure d'aluminium (AIN) possèdent des propriétés exceptionnelles (dureté, stabilité thermique, stabilité chimique, gap optique) qui les rendent particulièrement intéressants sous forme de films minces dans différents domaines d'activité : la mécanique, l'optique, la microélectronique. Les propriétés des films minces déposés par les méthodes de dépôt en phase vapeur (PVD-CVD) dépendent de la température de dépôt, du flux et de l'énergie de chacune des espèces arrivant sur le substrat. Ainsi, la croissance des films de c-BN n'est possible que dans un domaine de conditions de dépôt limité, avec un bombardement ionique important. Les films d'AIN et de BN ont été déposés par pulvérisation triode réactive avec polarisation du substrat. L’effet de chacun des paramètres de dépôt sur la décharge a été étudié par sonde de Langmuir et collecteur d'ions. L'étude des propriétés des films d'AIN et de BN par spectrométries infrarouge (FTIR), spectrométrie UV-visible, spectrométrie RAMAN, diffraction de rayons X (DRX) microscopie électroniques à balayage (MEB) couplée avec un système d'analyse en spectrométrie a dispersion d'énergie (EDS) et microscopie électroniques en transmission haute résolution (MET-HR) a permis de déterminer les conditions optimales en composition du gaz de décharge et polarisation du substrat pour la croissance de films de c-BN et d'AIN (0002) pour des applications SAWS. L’étude systématique de la contrainte des films a permis de mettre en évidence l'effet de différents paramètres (le flux d'ions, l'énergie des ions, la vitesse de dépôt, l'épaisseur de film) sur la contrainte des films. L'étude de la croissance des films de c-BN par profil de contrainte a permis de montrer le rôle de la contrainte dans la formation des films de c-BN conformément au modèle de Mackenzie. Le changement de condition de dépôt après la nucléation du c-BN ne permet pas de réduire la contrainte ni d'améliorer l'adhérence des films de c-BN. Ces résultats indiquent que la contrainte des films dépend non seulement des conditions de dépôt mais aussi des propriétés mécaniques du matériau déposé.

Cubic boron nitride (c-BN) and aluminum nitride (AIN) possess a variety of hightly interesting mechanical, thermal, electrical and optical properties, and therefore, have significant technological potential for thin films applications. Layer properties obtained by PVD and CVD methods depend on substrate temperature and on flux and energy of each species reaching substrates. For instance, c-BN growth is obtained only for a limited range of process parameters with a significant level of energetic ion bombardment during film growth. AIN and BN fims wer deposited by reactive and substrate bias sputtering. The effect of each deposition parameters on the discharge was studied by means of a Langmuir probe and an ion collector. AIN and BN properties were studied by infrared spectrometry (FTIR), UV-Visible spectrometry, RAMAN spectrometry, X-Ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) equipped with an energy dispersive spectrometry analysis system (EDS) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). Optimal nitrogen ratio and bias voltage were determined for c-BN growth and AIN (002) growth. Systematic studies of film stress have shown the effect of ion flux, ion energy, deposition rate and films thickness on stress. The c-BN growth studied by stress profile has shown the effect of stress on c-BN nucleation in accordance with Mackenzie stress model. The deposition conditions change after c-BN nucleation neither allows to reduce stress nor increases adherence of c-BN films. Our results indicate that film stress depends not only on deposition condition but also on the mechanical properties of deposited material.