Characterization and modeling of a high power impulse magnetron sputtering discharge, application to thin films deposition

Caractérisation et modélisation d'une décharge magnétron réactive pulsée haute puissance, application aux dépôts d’oxydes et de nitrures.

• Auteur / Autrice : Joelle Zgheib
• Direction : Pierre-Yves Jouan, Ahmed Rhallabi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Paule Besland
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tiberiu Minea, Angéline Poulon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maxime Ribière, Christelle Tixier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Sondes de Langmuir

Mots clés libres

HiPIMS

Modèle cinétique

OES

Résumé

Le but de ce travail est de mieux comprendre la décharge magnétron pulsée haute puissance (HiPIMS). Pour cela, deux études ont été réalisées. La première pour modéliser ce type de décharge avec un modèle cinétique global de plasma dépendant du temps. Celui-ci est appliqué à la région d'ionisation (IR) dans une décharge HiPIMS avec une cible de chrome et de l’argon comme gaz plasmagène. Le modèle est basé sur la résolution des équations de continuité des espèces neutres et chargées dans la région d'ionisation, et considérées dans le schéma réactionnel couplée à l'équation de continuité de puissance. L'avantage de ce modèle cinétique est sa capacité de quantifier les densités de neutres et d'ions considérées dans le schéma réactionnel ainsi que leurs flux. Il est également possible d'évaluer la densité électronique et l'évolution dela température électronique en fonction du temps. La seconde étude est consacrée à une nouvelle alimentation HiPIMS. Cette nouvelle alimentation présente la possibilité d'ajouter plusieurs impulsions de tension à différents moments pendant que la décharge est allumée. Le plasma a été caractérisé par des mesures électriques, de spectroscopie d'émission optique (OES) et de sonde de Langmuir toutes résolues en temps. Des couches minces ont été déposées avec cette nouvelle alimentation HiPIMS pour deux pressions et trois architectures différentes. Cette alimentation a prouvé qu'elle pouvait contribuer à optimiser la vitesse de dépôt et la cristallinité des films. De plus, on peut obtenir un degré d'ionisation plus élevé et réduire la rugosité de surface des couches minces. Ainsi, les propriétés des films sont améliorées

The purpose of this work is to better understand the high power impulse magnetron sputtering discharge (HiPIMS). For this reason, two studies were carried out. The first one is dedicated to the modelling of this type of discharge with a time-dependent global plasma model. The latter is applied for the ionization region (IR) in a HiPIMS discharge with chromium as target and argon as rare gas. The model is based on solving the continuity equations of neutral and charged species in the Ionization Region (IR), and considered in the reaction scheme coupled to the power continuity equation. The advantage of this kinetic model is its ability to quantify the densities of neutrals and ions considered in the reaction scheme as well as their fluxes. It is also possible to evaluatethe electron density and temperature evolution with time. The second study is established on a new power supply of HiPIMS. This new power supply presents the possibility to add multiple voltage pulses at different moments while the discharge is on. The plasma is characterized by electric measurements, optical emission spectroscopy (OES) and Langmuir probe resolved in time. Thin films were deposited by this new HiPIMS power supply for two different pressures and three different configurations. This power supply proved that it could help to improve the deposition rate and the crystallinity of the films. In addition, we can have higher degree of ionization and reduce the surface roughness of thin films. Thus, the properties of the films are improved.