Synthèse et caractérisation de films minces de SiCₓNᵧ∶H par procédé CVD assisté par plasma ECR/Magnétron RF

Synthesis and characterization of SiCₓNᵧ∶H thin films by ECR/Magnetron RF plasma- assisted CVD

• Auteur / Autrice : Ziad Al Hallak
• Direction : Mohammed Belmahi, Adnan Naja
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/01/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Henrion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammed Belmahi, Adnan Naja, Malek Tabbal, Anne-Lise Thomann, Ahmad Ahmad, Robert Hugon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Angélique Bousquet, Malek Tabbal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Composés

Magnétrons

Résonance cyclotronique

Technique des plasmas

Couches minces

Mots clés libres

Plasma

ECR

Magnétron

Couche mince

SiCN:H

Plasma

ECR

Magnetron

Thin film

SiCN:H

Résumé

Les matériaux de type SiCN présentent des propriétés très intéressantes qui peuvent être modulées en modifiant la composition chimique. Les plus remarquables sont les propriétés mécaniques (dureté, module d’Yong), optiques (modulation du gap de Tauc et de l’indice optique), passivation (résistance à l’oxydation à haute température), guide d’onde, durabilité … Nous avons développé un nouveau procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Il s’agit de combiner 2 types de d’excitation du plasma. Le premier est excité à la résonance cyclotronique électronique (ECR) et le second est un plasma magnétron RF avec une cible de silicium. Le mélange gazeux utilisé est Ar/N2/Tetramethylsilane (TMS). Le contrôle du procédé est réalisé par des diagnostics optiques in-situ dans le visible par réflectométrie et dans l’infrarouge par spectroscopie FTIR aussi bien en transmission qu’en réflexion. Les 2 procédés de couplage permettent d’obtenir des vitesses de dépôts plus importantes (de l’ordre de 1µm/h) alors qu’en procédé ECR nous obtenons (50 nm/h). Dans le procédé dual ECR/Magnétron RF avec cible de silicium, nous obtenons une bonne modulation de la composition chimique avec la tension d’autopolarisation de la cible de silicium. Cela se s’accompagne également d’une bonne modulation des propriétés optiques. L’indice optique varie linéairement entre 1,7 et 2,05 350nm et le gap de Tauc diminue linéairement entre 5.2 et 3,4 eV. Dans le procédé dual Magnétron RF avec TMS, la vitesse de dépôt est multipliée par deux, et les films obtenus sont plus denses pour des grandes tensions d’autopolarisation L’indice optique est compris entre 1,85 et 1,95 à 350nm, le gap de Tauc est de l’ordre 3,0 eV.

SiCN materials have very interesting properties that can be modulated by changing the chemical composition. The most remarkable are the mechanical properties (hardness, Yong module), optics (modulation of the Tauc gap and the optical index), passivation (high temperature oxidation resistance), waveguide, durability, etc. We have developed a new plasma-assisted vapour-phase chemical deposition process. This involves combining 2 types of plasma excitation. The first is excited at electronic cyclotronic resonance and the second is a RF magnetron plasma with a silicon target. The gas mixture used is Ar/N2/Tetramethylsilane. The control of the process is carried out by in-situ optical diagnostics in the visible by reflectometry and in the infrared by FTIR spectroscopy both in transmission and in reflection. The 2 coupling processes allow to obtain greater deposition growth rate (of the order of 1 µm/h) than in the conventional chemical vapour deposition process. In the dual ECR/Magnetron RF process with silicon target, we obtain a good modulation of the chemical composition with the autopolarization voltage of the silicon target. This is also accompanied by a good modulation of optical properties. The optical index varies linearly between 1.7 and 2.05 at 350nm and the Tauc gap decreases linearly between 5.2 and 3.4 eV. In the dual RF magnetron process with TMS, the deposition speed is doubled, and the resulting films are denser for large autopolarization voltages The optical index is between 1.85 and 1.95 at 350nm, the gap of Tauc is of the order of 3.0 eV.