Dépôts de TaNx par pulvérisation cathodique magnétron à fort taux d’ionisation de la vapeur pulvérisée

Deposition of TaNx by magnetron sputtering of high ionized sputtered vapor

• Auteur / Autrice : Chengfei Jin
• Direction : Marie-Christine Hugon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 04/10/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Deville Cavellin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Christine Hugon, Catherine Deville Cavellin, Marie-Paule Besland, Jean-Pierre Manaud, Philippe Lecoeur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Besland, Jean-Pierre Manaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Pulvérisation cathodique

Mots clés libres

Barrière de diffusion

Dépôt de couche mince

Ta

TaNx

Pulvérisation cathodique magnétron

Pulvérisation réactive

RF-IPVD

HIPIMS (HPPMS)

Diffusion barrier

Thin film deposition

Ta

TaNx

Magnetron sputtering

Reactive sputtering

RF-IPVD

HIPIMS (HPPMS)

Résumé

Grâce à ses excellentes propriétés physiques et chimiques (stable thermiquement, bon conducteur électrique et de chaleur, ductile, très dur mécaniquement, bonne inertie chimique), le matériau tantale et son nitrure TaNx sont utilisés comme revêtement de surface des outils, résistance électrique, barrière de diffusion au cuivre, croissance de nanotubes par un procédé chimique catalytique en phase vapeur. C’est ce matériau et son nitrure que nous avons étudiés lors de cette thèse.Aujourd’hui les exigences des industriels nécessitent que la pulvérisation cathodique magnétron (PCM) puisse être appliquée aux pièces de formes complexes. La principale limitation de cette méthode de dépôt est que la plupart des particules pulvérisées sont neutres. Pour contrôler l’énergie et la trajectoire des particules pulvérisées, des nouveaux procédés IPVD (Ionized Physical Vapor Deposition) ont été développés pour ioniser les atomes pulvérisés. Le procédé RF-IPVD (Radio-Frequency Ionized Physical Vapor Deposition) permet, grâce à une boucle placée entre la cible et le substrat et polarisée en RF, de créer un second plasma permettant d’ioniser la vapeur pulvérisée. Un autre procédé a été développé : nommé HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering), ce procédé utilise une alimentation fournissant des impulsions de courte durée et de forte puissance au lieu d’une alimentation DC. Les particules pulvérisées peuvent être ionisées dans le plasma magnétron qui est très dense lors des impulsions. Nous avons réalisé des couches minces de Ta par PCM, RF-IPVD et HIPIMS, et des couches minces de TaNx par PCM et HIPIMS. Les différentes propriétés des décharges et des couches minces sont étudiées et comparées dans ce mémoire.

Thanks to their excellent physical and chimical characteristics such as good stability with temperature, good conductor of heat and electricity, ductility, hardness, chemical inertness and good corrosion resistance, tantalum and its nitride are used in a wide variety of applications such as wear and corrosion-resistant materials, thin film transistors, diffusion barrier for copper and for carbon nanotube grown by CCVD process (catalytically chemical vapor deposition). For some recent industrial demand, it is necessary to deposit on substrates with complex shape. The main disadvantage of the conventional magnetron sputtering (CMS) is that most of the sputtered particles are neutral. To controle the energy and the path of sputtered particles, new magnetron sputtering techniques have been developed for ionizing a significant fraction of sputtered material. A new sputtering process called RF-IPVD consists in ionizing the sputtered vapor by adding second plasma by a RF coil between the target and the substrate. Another method called HIPIMS (High Power Impulsed Magnetron Sputtering), uses high power impulse instead of DC power. During the impulse, the sputtered Ta atoms are ionized in the dense plasma. We have deposited Ta thin films by CMS, RF-IPVD and HIPIMS and TaNx thin films by CMS and HIPIMS. The objective of this thesis is to compare the properties of discharges and thin films deposited by these different techniques.