new traitement de surface elaboration de couches minces par voie...
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Equipe Equipe MatMatéériaux pour lriaux pour l’’OptiqueOptique
Traitement de Surface Traitement de Surface Elaboration de couches minces Elaboration de couches minces
par voie Plasmapar voie Plasma
Laboratoire des Matériaux InorganiquesUMR CNRS 6002
Université Blaise Pascal - Clermont Ferrand 2
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EffectifEffectifDr Eric Tomasella
Maître de Conférences HDRThèse en Chimie Physique en 1999
(Univ. Franche-Comté)Post-doctorat en Suisse en 2000
ATER à Perpignan en 2000-2001
Domaine de compétence: Procédé-Matériaux, structure, Pptés optiques et mécaniques
Dr Angélique BousquetMaître de Conférences
Ingénieur sciences des matériaux en 2002Thèse en 2005 (Nantes)
Post-doctorat en Allemagne en 2006
Domaine de compétence: Procédé-propriétés électriques,
mécaniques
Joël Cellier Assistant Ingénieur CNRS (2000)
Implication du laboratoire au Réseau Plasma Froid
MRCT du CNRS
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ObjectifObjectif
ProcProcééddéé MatMatéériauriau
Relation procédé - matériau
Maîtrise du procédéd’élaboration
Bonne reproductibilité
Caractérisations(composition, structure…)
Qualités (optiques , électriques…)
Applications industriellesApplications industrielles
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Elaboration des couches minces Elaboration des couches minces par pulvpar pulvéérisation cathodique risation cathodique
Principe de la pulvérisation
azoteoxygène
argonsilicium
Particule rétrodiffuséeParticule pulvérisée
Ion implanté
azoteoxygène
argonsilicium
Cathode (-)
Anode (+)
Cible
Substrats (verre, silicium….)
azoteoxygène
argonPlasma
Plasma: milieu complexe à l’origine de la croissance de la couche mince
Expertise en pulvérisation réactive Cible « à facon » non commercialisée
Avantages de cette technique :peu de rejet de déchetsfaible élévation de température du
substrat (60°C) élaboration de toutes sortes de
matériaux (conducteurs ou isolants)technique polyvalente : variation
d’un grand nombre de paramètresmatériaux aux propriétés variées.
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Elaboration des couches minces de Elaboration des couches minces de SiOSiOxxNNyy
+ -SubstratCible - +V(t)
tAttraction des ions et
pulvérisation Attraction des électrons et neutralisation
Vb
+ -SubstratCible - +V(t)
tAttraction des ions et
pulvérisation Attraction des électrons et neutralisation
Vb
Méthodes d’élaboration : la pulvérisation cathodique r.f. magnétron
N
N
N
SS
S
PlasmaErosion de la cible
Aimants
Lignes du champsmagnétique
N
N
N
SS
S
PlasmaErosion de la cible
Aimants
Lignes du champsmagnétique
Polarisation r.f.Polarisation r.f.
AutopolarisationAutopolarisation Effet magnEffet magnéétrontron
PulvPulvéérisation cathodiquerisation cathodique
Ei ≈ |q .Vb|
x
V(x)
Vb
Vp0
CathodeAnode
x
V(x)
Vb
Vp0
R.F .R.F .R.F .
C
Anode (+)
Gaz(Ar)
Pompage
Plasma
Cathode (-)
Ar+
e-
Enceinte sous vide
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Pulvérisation cathodique réactive
Elaboration des couches minces de Elaboration des couches minces de SiOSiOxxNNyy
RRéégime de pulvgime de pulvéérisation risation éélléémentaire (RPE)mentaire (RPE)
RRéégime de pulvgime de pulvéérisation risation de composde composéé (RPC)(RPC)
Particule r étrodiffus ée
Particule pulv érisée
Ion implant é
azoteoxygène
argon
silicium
Cathode (-)
Anode (+)
Cible de silicium
azoteoxygène
argon
silicium
Particule r étrodiffus ée
Particule pulv érisée
Ion implant é
azoteoxygène
argon
silicium
Cathode (-)
Anode (+)
Cible de silicium
azoteoxygène
argon
silicium
Couche de composéstœchiométrique
azoteoxygène
argon
silicium
Particule rétrodiffusée
Particule pulvérisée
Ion implanté
azoteoxygène
argonsilicium
Cathode ( -)
Anode (+)
Cible de silicium
Substrats (verre, silicium, …)
azoteoxygène
argon
silicium
Si-Ar-O2-N2
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sans décharge
Pres
sion
(u.a
.)
Débit de gaz réactif (u.a.)
StabilitStabilitéé de la pulvde la pulvéérisation rrisation rééactiveactive
RPE
RPC
Présentation du phénomène
• F : basculement RPC-RPE : zone d’instabilité
zone instableF
E
D
AB
C
∆P
• A-C : régime de pulvérisation élémentaire (RPE)
• C : changement du mode de pulvérisation ou pollution de la surface de la cible
• D-E : régime de pulvérisation de composé (RPC)
débit critique
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Techniques utilisTechniques utilisééesesAnalyse du plasma
S.E.O.
Propriétés mécaniquesProfilométrie
NanoindentationScratch test
StructureIRTF
RamanRBS/ERDA
XPSRéflectométrie X
UV-vis
Propriétés électriques et optiquesMesures I-V, C-V
Ellipsométrie
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9Substrat
Al2O3
TiO2
SiO2
n = 1,65
n = 1,47n = 2,3
Substrat
Couche à gradient d’indice
SiO2 n = 1,47
0 50 100 150 200 250 3001,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2couche à fort indice
air
couche à moyen indice SiO2
substrat
indi
ce d
e re
frac
tion
épaisseur (nm)0 50 100 150 200 250 300
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
SiO2
air
substrat
indi
ce d
e re
frac
tion
épaisseur (nm)
couche
à grad
ient
d’indice
Revêtements antiRevêtements anti--refletsreflets
Système tri-couches(3 cibles)
Système à gradient de composition (1 cible)
SiOxNyTaOxNy
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StabilitStabilitéé de la pulvde la pulvéérisation rrisation rééactiveactive
Symboles utilisés
température électronique (eV)Te
potentiel d’autopolarisation (V)Vb
puissance surfacique (W cm-2)Ppression totale (Pa)pt
rapport des débits des gaz réactifsRF = FO2/(FO2+FN2)
débit d’azote (sccm)FN2
débit d’oxygène (sccm)FO2
débit d’argon (sccm)FAr
débit total (sccm)Ft
ParamParamèètre correspondanttre correspondantAbrAbrééviationviation
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Composition élémentaire : RBS
CompositionComposition
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
O/(O
+ N
)
Ft = 4,5 sccm F
t = 5 sccm
Ft = 5,5 sccm
RF = FO2/(FO2 + FN2)
nitr
ure
oxyde
oxynitr
ure
Le pourcentage atomique de Si ne varie que de 38 à 33 % at. quand
RF augmente de 0 à 0,5
La stoechiométrie des SiOxNyvarie entre Si3N4 et SiO2
100 200 300 400 500 600 7000
100
200
300
400
Ar
Si
O
N
C
oups
Canal
C : substrat
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12La linéarité est rompue
RRéégime de pulvgime de pulvéérisation risation éélléémentairementaire
RRéégime de pulvgime de pulvéérisation de composrisation de composéé
0,1 0,2 0,6 0,7 0,8 0,90,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0 Ft = 4,5 sccm Ft = 5 sccm Ft = 5,5 sccm
RPE ( SiOxNy)
RPC(SiO2)
O/(O
+N)
IO*/(IO*+ IN*)0,10 0,15 0,20 0,40 0,45 0,50 0,55
0,30
0,32
0,34
0,36
0,38
0,40
0,42
RPC(SiO2)
RPE ( SiOxNy)
Ft = 4,5 sccm
Ft = 5 sccm Ft = 5,5 sccm
Si (a
t.%)
ISi*
Les concentrations de Si, O et N dans le dépôt varient linéairement avec l’intensitélumineuse des espèces correspondantes présentes dans le plasma
Corrélation procédé-matériau (SEO-RBS)
Revêtements antiRevêtements anti--refletsreflets
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PropriPropriééttéés optiquess optiques
Indice de réfraction : ellipsométrie monolongueur d’onde
L’indice varie quasi linéairement avec la composition
Matériaux massifs : n = 2,02 – 0,46 [O/(O+N)]Couches minces élaborées : n = 1,94 – 0,56 [O/(O+N)]
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
n
O/(O+N)
n = 1,94 - 0,56 * O/(O+N)
Ft = 5 sccm
≠≠ densitdensitéé
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Variation de n et k en fonction de Variation de n et k en fonction de λλ
k est négligeable dans tout le domaine du visible : nos couches sont parfaitement transparentes dans ce domaine
Indice de réfraction: ellipsométrie spectroscopique
PropriPropriééttéés optiquess optiques
200 300 400 500 600 700 800
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6 O/(O+N) = 0,03 O/(O+N) = 0,27 O/(O+N) = 0,4 O/(O+N) = 0,60
λ (nm)
n
200 300 400 500 600 700 8000,0
0,1
0,2
0,3
0,4 O/(O+N) = 0,03 O/(O+N) = 0,27 O/(O+N) = 0,4 O/(O+N) = 0,60
kλ (nm)
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Matériau isolant à forte constante diélectrique : Ta2O5
Matériau de la couche active: CaTiO3: Pr3+
ITOIsolant
Isolant
CaTiO3:Pr3+
AlV
ēE
Dépôt sur substrat souple et à faible tension d’allumage
allongement de durée de vie (vs OLED).
Axe de recherche nouveau au LMI
Lien procédé / propriétés électriquesContrôle des interfaces – 1er stades de croissance
Revêtements Revêtements éélectroluminescentslectroluminescents
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ActivitActivitéés collaborativess collaboratives
Caractérisation:Structure Transfert Technologique et de caractérisationCASIMIR, ClermontLASMEA, Univ. Clermont 2CEMHTI, OrléansHoriba Jobin YvonPROMES, PerpignanIJL, NancyFBK, Trento, Italie
Relations Internationales: Algérie, Maroc, Italie, Allemagne.
Relations Industrielles: Michelin, Photonis, Casimir…
Réalisation d’une plateforme technologique (PRES Clermont, Auvergne Valo)