Simulation numérique multi-échelles du procédé de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron

Multiscale modelling of cathodic magnetron sputtering

• Auteur / Autrice : Sotheara Chuon
• Direction : Pascal Brault, Jean-Marc Bauchire, Erik Neyts
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/12/2019
• Etablissement(s) : Orléans en cotutelle avec Universiteit Antwerpen
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (2012-.... ; Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés. UMR 7344 (Orléans ; 2012-....) - Plasma lab for applications in sustainability and medecine (Antwerp)
• Jury : Président / Présidente : Khaled Hassouni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Brault, Jean-Marc Bauchire, Erik Neyts, Khaled Hassouni, Arnaud Delcorte, Stéphanos Konstantinidis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Plasmas (gaz ionisés)

Dispositifs à couches minces

Pulvérisation cathodique

Pulvérisation cathodique -- Applications industrielles

Mots clés libres

Simulation multi-Échelles

Cfd

Dynamique Moléculaire

Plasma

Magnétron

Multiscale simulation

Cfd

Molecular Dynamics

Plasma

Magnetron

Résumé

Le procédé de pulvérisation cathodique magnétron est un procédé utilisant des plasmas basse pression, très employé pour la synthèse de couches minces dans l’industrie. De nombreuses recherches ont porté sur la compréhension des phénomènes mis en jeu dans le mécanisme de pulvérisation dans le but d’améliorer le procédé. Les simulations numériques associées à des résultats expérimentaux permettent aujourd’hui une meilleure compréhension des phénomènes de la décharge plasma et par conséquent de prédire différente évolution du système afin d’optimiser les conditions opératoires du procédé.L’objectif de cette thèse est de construire un modèle multi-échelles du procédé de pulvérisation cathodique magnétron en couplant une approche fluide avec une approche microscopique basée sur la Dynamique Moléculaire (DM).La première partie étudie la résolution du modèle fluide d’une décharge magnétron DC plane à partir du modèle théorique de Costin, afin de déterminer des paramètres d’entrée pour les simulations de dynamique moléculaire. Les résultats du champ magnétique et du potentiel électrique sont en bon accord avec ceux présentés par Costin. Cependant le calcul du transport des espèces a montré des limitations.La seconde partie s’intéresse à la pulvérisation du titane (Ti) par des ions d’argon (Ar+) pour trois énergies considérées (200, 300 et 400 eV) dans une atmosphère neutre et une atmosphère réactive, ainsi qu’en reproduisant des cibles chaudes (1000 et 2000 K) par des simulations de DM et en combinant avec des simulations Monte Carlo. Les résultats obtenus ont ainsi permis la détermination de taux de pulvérisation du titane et de rétention de l’argon.

Cathodic magnetron sputtering is a low pressure plasma process, very employed for the synthesis of coatings by industries. Numerous researches have been focused on understanding the phenomena involved in sputtering mechanism to improve the process. Numerical simulations associated with experimental results allow today a better understanding of the plasma discharge phenomena and thus to predict evolutions of the system in order to optimize the operating conditions of the process.The goal of this thesis is to build a multiscale model of magnetron sputtering process by coupling fluid approach with microscopic approach based on Molecular Dynamics (MD).The first part studies the solving of the fluid model of a DC planar magnetron discharge from the theoretical model of Costin, in order to determine the input parameters for the molecular dynamics simulations.The results of the magnetic field and the electric potential are in good agreement with those presented by Costin. Nevertheless, the calculation of the particle transport showed limitations.The second part is interested in the sputtering of titanium (Ti) by argon ions (Ar+) for three considered energies (200, 300 and 400 eV) in neutral atmosphere and in reactive atmosphere, also by mimicking hot targets (1000 and 2000 K) by MD simulations and by combining with Monte Carlo simulations.The obtained results thus allowed the determination of titanium sputtering yields and argon retention rates.