Croissance de diamant nano-cristallin (NCD) par procédés plasmas en configuration matricielle de sources élémentaires (MEPS) microondes

Growth of Nano-Crystalline Diamond (NCD) by plasma processes in matricial elementary microwave plasma sources (MEPS)

• Auteur / Autrice : Olivier Antonin
• Direction : Patrice Raynaud, Thomas Nelis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie des Plasmas
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Thomas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Louis Latrasse, Sylvain Lecoultre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Thomas, Angélique Bousquet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas froids

Diamants

Mots clés libres

Diamant

Plasma microonde

MW PE-CVD

MEPS

Diamant nanocristallin, NCD

Basse température

Diamond

Microwave plasma

MW PE-CVD

MEPS

Nano-Crystalline Diamond NCD

Low temperature

Résumé

La croissance de diamant sur des matériaux non réfractaires nécessite le développement de procédés innovants capables de couvrir de grandes surfaces tout en optimisant l'apport énergétique. L'objectif principal de cette thèse est d'explorer les possibilités de croissance de diamant nano-cristallin sur des surfaces complexes de métaux non réfractaires ou des structures en 3D à fort rapport d'aspect. La contrainte principale est que le procédé doit respecter une gamme de température < 500°C. Ceci est rendu possible par la mise en œuvre de plasmas générés par des applicateurs micro-onde spécifiques associés en matrice qui permettent d'obtenir des dissociations moléculaires en phase gazeuse à basse densité de puissance (10 Wcm-2) et basse pression (50 Pa). Le plasma microonde a été étudié par sonde de Langmuir et spectrométrie optique d'émission pour des mélanges gazeux constitués de H2, CH4 et de CO2. Les couches de nano-diamants ont été étudiées par Spectrométrie Raman, Microscopies électroniques, spectrométrie photo-électronique X et nanoindentation. Les résultats montrent l'efficacité des applicateurs micro- ondes pour réaliser la croissance de nano-cristaux de diamants (compositions du mélange gazeux : CH4, H2, CO2). De plus, elles mettent en évidence la possibilité de déposer des NCD sur des couches minces métalliques ainsi que sur des substrats d'acier inoxydable 316-L avec et sans couche d'interface. Ce type de procédé a permis de réaliser des dépôts de NCD uniformes sur des structures 3D très profondes (> 50 µm) gravées dans du silicium (puits, tranchées avec un rapport d'aspect de 1:7). Les propriétés de ces dépôts sont reliées aux paramètres de contrôle du procédé afin, à termes, d'être capable d'optimiser le procédé. Ainsi, a-t'il été mis évidence que l'utilisation d'un réseau matriciel d'applicateurs microondes ponctuels est facilement transposable pour le changement d'échelle. Ceci permet donc d'envisager un transfert de technologie vers une/des application(s) industrielle(s).

Diamond growth on non-refractory materials requires the development of innovative processes capable of covering large surfaces while optimizing the energy input. The main objective of this thesis is to explore the possibilities of nano-crystalline diamond growth on complex surfaces of non-refractory metals or high aspect ratio 3D structures. The main constraint is to find a process with a temperature range < 500°C. Thus, this has been achieved by the implementation of plasmas generated by specific microwave applicators associated in a matrix allow to obtain molecular dissociations in the gas phase at low power density (10 Wcm-2) and low pressure (50 Pa). The microwave plasma has been studied by Langmuir probe and optical emission spectrometry for gaseous mixtures of H2, CH4 and CO2. Nano-diamonds layers were studied by Raman spectrometry, electron microscopy, X-ray photo-electron spectrometry and nanoindentation. The results show the effectiveness of microwave applicators to achieve the growth of diamond nano-crystals (compositions of the gas mixture: CH4, H2, CO2). Moreover, they highlight the possibility of depositing NCDs on metallic thin films as well as on 316-L stainless steel substrates with and without an interface layer. This type of process allows to achieve uniform NCD deposits on very deep 3D structures (> 50 µm) etched in silicon (wells, trenches with an aspect ratio of 1:7). The properties of these deposits are linked to process control parameters in order to be able to optimize the process. Thus, it has been shown that the use of a matrix network of microwave applicators is easily transposable for the upscaling. This, therefore, allow to think a transfer of technology to one or more industrial application(s).