Synthèse par pulvérisation cathodique magnétron de couches minces sans plomb pour des applications de dispositifs piézoélectriques : de la chimie des plasmas aux propriétés fonctionnelles.

Magnetron-based synthesis of lead-free thin films for piezo- electric devices applications: from plasma chemistry to functional properties.

• Auteur / Autrice : Zikriya Khan
• Direction : Denis Remiens, Stephanos Konstantinidis
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Inscription en doctorat le 31/12/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France en cotutelle avec UMONS
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Polytechnique Hauts-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : IEMN-Site Valenciennes (UPHF)

Mots clés

Mots clés libres

Performances acoustiques

Pulvérisation cathodique

Mesures piézoélectriques

Maériaux piézoélectriques sans plomb

Analyse du plasma

Composition chimique des films

Lead free piezoelectric materials

Piezoelectric measurements

Plasma analysis

Film composition

Sputtering deposition

Acoustic performances

Résumé

Le travail de thèse se décomposera en plusieurs parties : - Fabrication de cibles BNT et BNT-BT. Dans ce dernier cas, il s'agira de déterminer la teneur en BT pour atteindre la zone morphotrope. Les cibles sont faites maison avec un procédé très simple : les cibles BNT de 3 pouces seront fabriquées par pression à froid de poudres d'oxydes mixtes de haute pureté (>99, 99%) : Bi2O3, Na2Ti3O7 et TiO2. - Dépôt par pulvérisation cathodique RF de films BNT et BNT-BT sur des plaques de Si. Plus précisément, le LaNiO3 (LNO), une électrode inférieure sera déposé par pulvérisation sur silicium. Cette électrode sera nécessaire pour les caractérisations électriques des structures. Deux approches seront évaluées : (i) le dépôt « classique » par pulvérisation cathodique magnétron + post-recuit du composé (et (ii) la cristallisation in-situ du composé déposé en ajoutant une tension de polarisation lors du dépôt ou encore en utilisant, si nécessaire, des procédés de dépôt magnétron à haute énergie tels que HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering).Tous les films seront ensuite caractérisés en profondeur (composition, structure, microstructure des films) selon les conditions de dépôt, recuit, composition des cibles… - En complément de la tâche précédente, les mêmes conditions de dépôt seront utilisées pour analyser la phase plasma par spectroscopie d'émission optique (OES) et spectrométrie de masse (MS). Ces techniques permettront d'avoir une vision complète de la chimie du plasma non seulement en termes de flux d'espèces de dépôt mais également en termes de flux d'énergie. Il est important de mentionner que, si nécessaire, par exemple en raison de l'utilisation de HiPIMS, les deux techniques peuvent être résolues en temps. En combinant ces données avec celles de l'analyse des films, il sera probablement possible de démêler les principaux mécanismes de croissance des films minces BNT et BNT-BT et d'aborder spécifiquement le problème lié aux instabilités de Na. - Enfin, une caractérisation fonctionnelle des films sera réalisée à travers une évaluation complète des propriétés électriques (P(E), I(V), C(V), facteur de perte…) et optiques (indice de réfraction) des films et en particulier une évaluation du coefficient piézoélectrique d33. L'échantillon d'essai sera une structure MIM (Métal/Isolant/Métal). L'électrode supérieure (détails de 200 µm) sera fabriquée à l'aide d'un processus de décollement.

The thesis work will be broken down into several parts: - Fabrication of BNT and BNT-BT targets. In the latter case, it will be a question of determining the BT content to reach the morphotropic zone. The targets are homemade with a very simple process: the 3-inch BNT targets will be fabricated by cold pressure of mixed oxide powders with high purity (>99, 99%): Bi2O3, Na2Ti3O7 and TiO2. - RF sputtering deposition of BNT and BNT-BT films on Si wafers. More precisely, LaNiO3 (LNO), a lower electrode will be sputter-deposited on silicon. This electrode will be necessary for the electrical characterizations of the structures. Two approaches will be evaluated: (i) the “conventional” deposition by magnetron sputtering + post-annealing of the compound (and (ii) the in-situ crystallization of the deposited compound by adding a bias voltage during deposition or even by using, if necessary, high energy magnetron deposition processes such as HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering). All films will then be deeply characterized (composition, structure, microstructure of films) according to the conditions of deposition, annealing, targets composition - Complementary to the previous task the same deposition conditions will be used to analyze the plasma phase by optical emission spectroscopy (OES) and mass spectrometry (MS). These techniques will allow getting a complete view of the plasma chemistry not only in terms of flux of deposition species but also in term of energy flux. It is important to mention that, if needed, for example because of the use of HiPIMS, both techniques can be time-resolved. By combing these data with the ones from the films analysis, it will likely be possible to unravel the key growth mechanisms of the BNT and BNT-BT thin films and to specifically address the problem related to the Na instabilities. - Finally, a functional characterization of the films will be performed through a complete evaluation of the electrical (P(E), I(V), C(V), loss factor ) and optical properties (refractive index) of the films and in particular an evaluation of the d33 piezoelectric coefficient. The test sample will be a MIM (Metal/Insulator/Metal) structure. The top electrode (200 µm details) will be fabricated using a lift-off process.