Synthèse de films minces de CNx et de SiCN par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde et par dépôt physique en phase vapeur assisté par pulvérisation magnétron réactive, Synthesis of CNx and SiCN thin films by Microwave Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition and by reactive magnetron sputtering assisted Physical Vapour Deposition

Sous la direction de Mohammed Belmahi, Henri-Noël Migeon
Thèse soutenue le 30 mai 2008: Nancy 1
Ce travail de thèse a été consacré à une contribution à l'étude de la synthèse des films minces de CNx et de SiCN par Dépôt Chimique en Phase Vapeur Assisté par Plasma Micro-onde (MPACVD) et par Dépôt Physique en phase Vapeur (PVD) assisté par pulvérisation magnétron réactive. Cette étude motivée par la prédiction de l'existence d'un matériau qui pourrait avoir des propriétés proches de celles du diamant, en l'occurrence la phase ß-C3N4, a pour objectif principal d'étudier les mécanismes de croissance de ces films minces afin d'optimiser leur synthèse. Le travail a été subdivisé en 5 chapitres. Un état de l'art réalisé sur les matériaux de type CNx et SICN et sur leurs techniques de synthèse nous a permis de montrer les intérêts pour ce type de films minces et leurs applications potentielles. Une étude in-situ du plasma micro-onde dans le mélange gazeux N2/CH4 a systématiquement été réalisée en régime continu, en fonction des paramètres expérimentaux, à savoir la puissance micro-onde, la pression, le débit total, le pourcentage de gaz, par Spectroscopie Optique d’Emission (OES). Des films ont été réalisés en fonction de ces paramètres expérimentaux. Cette étude nous a permis de montrer que le taux de méthane devrait être inférieur ou égal à 4 % pour éviter la formation de billes de carbone à la surface des films obtenus. Les observations par microscopie électronique à balayage et en transmission montrent que les films sont constitués de nanocristallites de taille comprise entre 20 et 70 nm. Une étude structurale réalisée à partir de la diffraction des rayons X, couplée à la diffraction électronique a permis de montrer qu’ils sont probablement constitués d’un mélange de phases de ß-C3N4, de c-C3N4 et de c-SiCN. Nous avons ensuite étudié la décharge micro-onde en régime pulsé en fonction des paramètres du pulse à savoir, le rapport cyclique, la fréquence et la durée de la post-décharge. Nous avons observé une gravure du film beaucoup plus importante au-delà d’une fréquence de 700 Hz. Dans le quatrième chapitre, nous avons cherché, à comprendre les mécanismes de croissance et à définir l’origine et le rôle du silicium lors des dépôts. Cette étude nous a permis de comprendre clairement que le silicium observé dans les films réalisés sur les substrats contenant du silicium provient de la gravure de ce dernier par des espèces du plasma. Le silicium sert de catalyseur au dépôt et favorise l’incorporation de l’azote dans les films. Il permet également de stabiliser les phases de C3N4. Enfin, une étude de dépôt de films minces amorphes de SiCN en PVD avec une cible de carbone et une cible de silicium sous azote a été réalisée. Contrairement aux cibles métalliques, la cible de carbone se pulvérise beaucoup plus facilement lorsqu’elle est nitrurée. La vitesse de dépôt des films de SiCN augmente avec la proportion d’azote contenue dans le mélange gazeux sans polarisation du substrat alors qu’elle diminue très rapidement lorsque le substrat est polarisé du fait de la re-pulvérisation du film en croissance sous l’effet du bombardement ionique. La polarisation du substrat favorise la formation de liaisons fortes de types C=N observée par spectroscopie InfraRouge à Transformé de Fourier (FTIR). Les tests d’adhésion réalisés par nanoscratch pour des films déposés sur des sous-couches différentes ont permis de montrer que la sous-couche de SiNx est la plus appropriée pour obtenir une meilleure adhésion des films de SiCN sur le substrat de WC-Co.
-Dépôt physique en phase vapeur assisté par pulvérisation magnétron réactive
This thesis contributes to the study of the synthesis of CNx and SiCN thin films by Microwave Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition (MPACVD) and by reactive magnetron sputtering assisted Physical Vapour Deposition (PVD). The study on this subject has begun since the prediction of the existence of a material, particularly the ß-C3N4 phase that could have properties close to those of diamond. The main object of this thesis is to study the growth mechanisms of these thin films in order to optimize their synthesis. The work was divided into 5 chapters. A state of the art made on these types of materials enabled us to show that they have many potential applications. An in-situ study of the microwave discharge in the gas mixture N2/CH4 was systematically carried out according to the experimental parameters, namely, the microwave power, the gas pressure, the total flow rate, the gas percentage, by Optical Emission Spectroscopy (OES). It permits us to observe a maximum reactivity of the discharge at 4% CH4. The films were also realised according to the experimental parameters. This study permits us to show that the methane percentage should be less or equal to 4 % in order to avoid the formation of carbon balls on the surface of obtained films. The micrographs obtained by scanning and transmission electron microscopy show that films are made of nanocristallites with size varying between 20 and 70 nm. A structural study carried out by X-Ray Diffraction, coupled with Electronic Diffraction has shown that the films are probably made of a mixture of ß-C3N4, c-C3N4 and c-SiCN phases. We then studied the microwave discharge in pulsed mode according to the pulse parameters namely, the duty cycle, the frequency and the post-discharge duration. We found more important etching of the film beyond a frequency of 700 Hz. In the fourth chapter, we proposed growth mechanisms of the films and found the role of the silicon in deposition process. This study has enabled us to clearly understand that the silicon in the films comes from the etching of the silicon by the plasma species. The silicon acts as a catalyst and promotes the incorporation of nitrogen in the films. It also helps to stabilize the C3N4 phases. Finally, amorphous SiCN thin films depositing by PVD with silicon and carbon target have been studied. Unlike metallic target, the sputtering of carbon target is easier when it is nitride. The SiCN film deposition rate increases with the nitrogen flow rate without substrate polarization while it decreases very quickly when the substrate is biased because of the re-sputtering of the deposited film as a result of ion bombardment. The substrate biasing promotes formation of strong C=N types bonds observed by Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (FTIR). Nanoscratch tests realised on films deposited on different kinds of under-layers have shown that the SiNx under-layer is most appropriate to get a better SiCN film adhesion on the WC-Co substrate.
Source: http://www.theses.fr/2008NAN10018/document