Dépôt de couches minces de cuivre sur substrats polymères de forme complexes par pulvérisation cathodique magnétron avec ionisation de la vapeur

Copper thin films deposition on complex shapes polymer substrates by ionized physical vapor deposition.

• Auteur / Autrice : Ismaël Guesmi
• Direction : Caroline Laporte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 25/04/2012
• 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 : Philippe Lecoeur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Laporte, Philippe Lecoeur, Anne-Lise Thomann, Pierre-Yves Jouan, Jean Bretagne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Lise Thomann, Pierre-Yves Jouan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polymères

Cuivre

Magnétrons

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

IPVD

Magnétron

Cuivre

Polymère

Adhérence

Résistivité

Spectroscopies optiques

IPVD

Magnetron

Copper

Polymer

Adhesion

Resistivity

Optical spectroscopy

Résumé

De nombreuses applications industrielles nécessitent le dépôt de films métalliques à la surface de polymères afin de conférer une fonction de conduction électrique à ces matériaux isolants. Cette étude a été motivée par la volonté de la société Radiall, dont une partie de l’activité concerne la réalisation de connecteurs à haute performance, de remplacer le procédé de métallisation par voie humide par un procédé de dépôt par voie sèche plasma. Le travail présenté ici porte ainsi sur l’étude du procédé de pulvérisation cathodique magnétron avec ionisation de la vapeur par plasma radiofréquence (RF-IPVD) pour le dépôt de couches minces de cuivre sur substrats de formes complexes en poly-sulfure de phénylène. Cette thèse regroupe d’une part les résultats concernant la métallisation des connecteurs et d’autre part l’analyse de la phase plasma. La validation du procédé RF-IPVD a comporté plusieurs étapes : i) le développement du traitement du polymère par plasma ICP avant dépôt du film de cuivre afin que l’adhérence satisfasse la norme ISO 2409. ii) la détermination des paramètres d’élaboration permettant d’optimiser la conductivité des films et leur conformité sur les substrats 3D. Ces travaux se sont concrétisés par la définition d’un réacteur pilote dans l’optique de réaliser la transposition à l’échelle industrielle du procédé RF-IPVD. Plusieurs études à caractère fondamental ont également été menées afin, d’une part, de comprendre les mécanismes régissant l’adhérence (analyses XPS) et ceux régissant la résistivité (analyses DRX). D’autre part, l’utilisation de divers diagnostics de la phase plasma ont été employés afin de comprendre les mécanismes de transfert d’énergie prenant place dans le milieu gazeux et responsables des propriétés des dépôts.

Many industrial applications require the deposition of metal thin films on polymer surfaces in order to confer electrical conductive function to these insulating materials. This study was motivated by the will of Radiall company, which is a high performance connectors maker, to substitute the chemical bath metallization process by a plasma deposition process. The present work focuses on the study of a magnetron sputtering process with ionization of the mettalic vapor plasma (RF-IPVD) for depositing thin copper films on complex shapes poly-phenylene sulfide substrates. This thesis shows the results for the connectors metallization and also the analysis of the plasma. RF-IPVD process validation involves several steps: i) the development of polymer treatment by ICP plasma before depositing copper films in order to meet ISO 2409 adhesion standard. ii) determining the processing parameters to optimize the conductivity of the films and their compliance on the 3D substrates. The industrial part has been concluded by the definition of a prototype reactor with a view to achieve the implementation of the RF-IPVD process on an industrial scale. Several fundamental studies have been performed to understand the mechanisms governing the adhesion (XPS analysis) and those governing the resistivity (XRD analysis). Moreover, the use of various plasma diagnostics were used to understand the energy transfer mechanisms taking place in the gaseous medium and responsible of the films properties.