Texturation de la surface d’aciers inoxydables par plasmas chlorés et compréhension des mécanismes mis en jeu par l’étude de la gravure du fer, du chrome et du nickel massifs

Texturing of stainless steels's surface by chlorinated plasmas and understanding of the involved mechanisms by studying the etching of massive iron, chromium and nickel.

• Auteur / Autrice : Feriel Laourine
• Direction : Thierry Czerwiec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• 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 : Thierry Czerwiec, Agnès Granier, Rémi Dussart, Stéphane Guilet, Erwine Pargon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Granier, Rémi Dussart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microlithographie

Surfaces (technologie) -- Analyse

Nickel

Chrome

Fer

Acier inoxydable

Gravure par plasma

Mots clés libres

Gravure des aciers inoxydables massifs

Gravure du fer massif

Gravure du chrome massif

Gravure du nickel massif

Caractérisation des plasmas

Caractérisation des surfaces

Stainless steels's etching

Solid iron's etching

Solid chromium's etching

Solid nickel's etching

Characterization of plasmas

Characterization of surfaces

Résumé

La structuration à l’échelle submicronique de la surface des aciers inoxydables permet de leur apporter de nouvelles fonctionnalités, par exemple pour des applications tribologiques et optiques. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR SPOT qui a pour objectif de structurer à l’échelle submicronique la surface d’aciers austénitiques et martensitiques par gravure sèche. Dans ce travail, nous avons développé un procédé plasma avec un mélange de chlore et d’argon pour la gravure des aciers inoxydables. La mise au point de ce procédé a été réalisée en se basant sur l’étude de la gravure des métaux principaux qui composent ces aciers, à savoir, le fer, le chrome et le nickel. En se basant sur des mesures de vitesses de gravure, ainsi que sur des techniques de diagnostics plasmas, nous avons montré que, dans un plasma de chlore et d’argon, le fer est l’élément qui se grave le plus, suivi du chrome puis du nickel. Les échantillons métalliques ainsi que les aciers inoxydables gravés ont été analysés par des techniques de caractérisation de surface notamment des analyses de spectrométrie photoélectronique X (XPS). Nous avons également étudié la variation des vitesses de gravures de ces métaux et de ces aciers en fonction de la température des substrats. Ces études nous ont permis d’établir les mécanismes mis en jeu en cours de la gravure des éléments métalliques. Nous avons montré que, dans un plasma de chlore et d’argon, le fer se grave principalement par un mécanisme chimique qui suit une loi d’Arrhenius. Ce mécanisme serait basé sur la formation de chlorures de fer volatiles. Dans le cas du chrome, la gravure nécessite une assistance ionique afin de désorber les chlorures de chrome non volatiles formés à la surface du matériau. Enfin, pour le nickel, nous avons observé que la vitesse de gravure diminue lorsque la température augmente. Dans ce cas, des observations au microscope électronique à balayage ont permis de mettre en évidence la formation de gonflements riches en chlore. Les analyses XPS de la surface gravée du nickel suggère que ces gonflements sont dus à la formation de chlorures de nickel non volatiles. Ces chlorures seraient à l’origine de la diminution de la vitesse de gravure du nickel dont la pulvérisation se trouverait bloquée par la présence de ces chlorures. La compréhension de ces mécanismes a permis de conclure que, dans un plasma chloré, l’élément bloquant dans la gravure des aciers inoxydables est le nickel.

The structuring at sub-micronic scale of the surface of stainless steels allows to provide them with new functionalities, for example for tribological and optical applications. This thesis is part of the ANR SPOT project which aims to structure the surface of austenitic and martensitic steels on a submicronic scale by dry etching. In this work, we have developed a plasma process with a mixture of chlorine and argon for the etching of stainless steels. The development of this process was carried out based on the study of the etching of the main metals that make up these steels, namely, iron, chromium and nickel. Based on measurements of etching speeds, as well as on plasma diagnostic techniques, we have shown that, in a chlorine and argon plasma, iron is the most etched element, followed by chromium, then nickel. The metallic and the stainless steels etched samples were analyzed by surface characterization techniques, in particular X photoelectron spectrometry (XPS) analyzes. We have also studied the variation of the etching speeds of these metals and steels as a function of the temperature of the substrates. These studies have enabled us to establish the mechanisms involved in the etching of metallic elements. We have shown that in a plasma of chlorine and argon, iron is mainly etched by a chemical mechanism which follows an Arrhenius law. This mechanism would be based on the formation of volatile iron chlorides. In the case of chromium, the etching requires ionic assistance in order to desorb the non-volatile chromium chlorides formed on the surface of the material. Finally, for nickel, we observed that the etching speed decreases when the temperature increases. In this case, observations with a scanning electron microscope made it possible to highlight the formation of swellings rich in chlorine. XPS analyzes of the etched surface of nickel suggest that these swellings are due to the formation of non-volatile nickel chlorides. These chlorides would be at the origin of the decrease in the rate of etching of nickel, the sputtering of which would be blocked by the presence of these chlorides. Understanding these mechanisms led to conclude that, in a chlorinated plasma, the blocking element in the etching of stainless steels is nickel.