Couches minces d'oxynitrure de tantale déposées par pulvérisation réactive. Étude du système Ta-Ar-O2-N2 et caractérisation des films

Le but de ce travail de thèse est d étudier les propriétés d un plasma réactif ainsi que les caractéristiques structurales, optiques et électriques de couches minces d oxynitrure de tantale (TaOxNy) élaborées par pulvérisation cathodique radiofréquence. L élaboration de ce matériau ternaire par pulvérisation d une cible de tantale au moyen d un plasma contenant à la fois de l argon, de l oxygène et de l azote est complexe en raison de phénomènes d empoisonnement de la cible. L analyse de la composition du plasma par spectroscopie d émission optique et le suivi de l évolution de certaines raies représentatives d espèces excitées dans le milieu, nous ont permis de déterminer les conditions optimales au dépôt de films de types TaOxNy sur une large gamme de compositions. Grâce à une étude par diffraction des rayons X et spectroscopie de photoélectrons X, nous avons suivi les évolutions structurales de couches ayant subi ou non un recuit thermique. Nous avons montré de quoi étaient constituées les parties amorphes et cristallisées de ces films et déterminé la taille des domaines de cohérence. Enfin, les propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique, paramètre d Urbach) et diélectriques ont été corrélées à la structure des matériaux.The aim of this thesis is to study the properties of a reactive plasma as well as the structural, optical and electrical properties of tantalum oxynitride thin films (TaOxNy) prepared by radiofrequency sputtering. The elaboration of this ternary material by sputtering a pure tantalum target using plasma containing both of argon, oxygen and nitrogen is complex due to the target-poisoning phenomenon. The analysis of the composition of the plasma by optical emission spectroscopy and monitoring the evolution of some representative line of excited species in this environment, allow us to determine the optimal conditions to deposit TaOxNy films over a wide range of composition. Thanks to a study by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy, we followed the structural evolution of the films subjected or not to a rapid thermal annealing. We showed by what were constituted the amorphous and crystalline parts of the films and determined the size of the crystalline domains. Finally, the optical properties (refractive index, optical gap, Urbach parameter) and dielectric behavior have been correlated with the structure of materials.CLERMONT FD-Bib.électronique (631139902) / SudocSudocFranceF

Elaboration de dépôts avec une torche à plasma d'arc pulsé, synchronisée avec une injection jet d'encre

Afin d’améliorer la reproductibilité et la maitrise des procédés SPS (Projection Plasma de Suspension ou Suspension Plasma Spraying) et SPPS (Projection Plasma de Précurseurs en Solution ou Solution Precursors Plasma Spraying), notre équipe travaille sur la compréhension des instabilités du plasma dues en partie au mouvement de l’arc électrique dans les torches à plasma. Des travaux précédents ont mis en évidence l'obtention d'un nouveau mode de résonance qui permet d'obtenir un plasma pulsé avec des oscillations auto-entretenues de la tension d'arc. Un système jet d'encre à la demande piézoélectrique synchronisé avec le plasma est utilisé. Ce dispositif permet à l’aide d’un actionneur piézoélectrique de délivrer une gouttelette à un instant voulu. Il permet d’introduire dans chaque bouffée de plasma une gouttelette déclenchée par les oscillations périodiques de la tension d’arc (~1400 Hz). Ce système permet un traitement en vol reproductible, dans le but d’un contrôle accru de la morphologie et de la composition chimique des dépôts. Des dépôts à partir d’une solution de sel de nitrate ont été réalisés afin de montrer l’intérêt de ce dispositif de synchronisation

TaON thin films deposited by reactive sputtering. Ta-Ar-O2-N2 process study and films characterizations

Le but de ce travail de thèse est d’étudier les propriétés d’un plasma réactif ainsi que les caractéristiques structurales, optiques et électriques de couches minces d’oxynitrure de tantale (TaOxNy) élaborées par pulvérisation cathodique radiofréquence. L’élaboration de ce matériau ternaire par pulvérisation d’une cible de tantale au moyen d’un plasma contenant à la fois de l’argon, de l’oxygène et de l’azote est complexe en raison de phénomènes d’empoisonnement de la cible. L’analyse de la composition du plasma par spectroscopie d’émission optique et le suivi de l’évolution de certaines raies représentatives d’espèces excitées dans le milieu, nous ont permis de déterminer les conditions optimales au dépôt de films de types TaOxNy sur une large gamme de compositions. Grâce à une étude par diffraction des rayons X et spectroscopie de photoélectrons X, nous avons suivi les évolutions structurales de couches ayant subi ou non un recuit thermique. Nous avons montré de quoi étaient constituées les parties amorphes et cristallisées de ces films et déterminé la taille des domaines de cohérence. Enfin, les propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique, paramètre d’Urbach) et diélectriques ont été corrélées à la structure des matériaux.The aim of this thesis is to study the properties of a reactive plasma as well as the structural, optical and electrical properties of tantalum oxynitride thin films (TaOxNy) prepared by radiofrequency sputtering. The elaboration of this ternary material by sputtering a pure tantalum target using plasma containing both of argon, oxygen and nitrogen is complex due to the target-poisoning phenomenon. The analysis of the composition of the plasma by optical emission spectroscopy and monitoring the evolution of some representative line of excited species in this environment, allow us to determine the optimal conditions to deposit TaOxNy films over a wide range of composition. Thanks to a study by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy, we followed the structural evolution of the films subjected or not to a rapid thermal annealing. We showed by what were constituted the amorphous and crystalline parts of the films and determined the size of the crystalline domains. Finally, the optical properties (refractive index, optical gap, Urbach parameter) and dielectric behavior have been correlated with the structure of materials

Couches minces d’oxynitrure de tantale déposées par pulvérisation réactive. Étude du système Ta-Ar-O2-N2 et caractérisation des films

The aim of this thesis is to study the properties of a reactive plasma as well as the structural, optical and electrical properties of tantalum oxynitride thin films (TaOxNy) prepared by radiofrequency sputtering. The elaboration of this ternary material by sputtering a pure tantalum target using plasma containing both of argon, oxygen and nitrogen is complex due to the target-poisoning phenomenon. The analysis of the composition of the plasma by optical emission spectroscopy and monitoring the evolution of some representative line of excited species in this environment, allow us to determine the optimal conditions to deposit TaOxNy films over a wide range of composition. Thanks to a study by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy, we followed the structural evolution of the films subjected or not to a rapid thermal annealing. We showed by what were constituted the amorphous and crystalline parts of the films and determined the size of the crystalline domains. Finally, the optical properties (refractive index, optical gap, Urbach parameter) and dielectric behavior have been correlated with the structure of materials.Le but de ce travail de thèse est d’étudier les propriétés d’un plasma réactif ainsi que les caractéristiques structurales, optiques et électriques de couches minces d’oxynitrure de tantale (TaOxNy) élaborées par pulvérisation cathodique radiofréquence. L’élaboration de ce matériau ternaire par pulvérisation d’une cible de tantale au moyen d’un plasma contenant à la fois de l’argon, de l’oxygène et de l’azote est complexe en raison de phénomènes d’empoisonnement de la cible. L’analyse de la composition du plasma par spectroscopie d’émission optique et le suivi de l’évolution de certaines raies représentatives d’espèces excitées dans le milieu, nous ont permis de déterminer les conditions optimales au dépôt de films de types TaOxNy sur une large gamme de compositions. Grâce à une étude par diffraction des rayons X et spectroscopie de photoélectrons X, nous avons suivi les évolutions structurales de couches ayant subi ou non un recuit thermique. Nous avons montré de quoi étaient constituées les parties amorphes et cristallisées de ces films et déterminé la taille des domaines de cohérence. Enfin, les propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique, paramètre d’Urbach) et diélectriques ont été corrélées à la structure des matériaux

TaON thin films deposited by reactive sputtering. Ta-Ar-O2-N2 process study and films characterizations

Le but de ce travail de thèse est d’étudier les propriétés d’un plasma réactif ainsi que les caractéristiques structurales, optiques et électriques de couches minces d’oxynitrure de tantale (TaOxNy) élaborées par pulvérisation cathodique radiofréquence. L’élaboration de ce matériau ternaire par pulvérisation d’une cible de tantale au moyen d’un plasma contenant à la fois de l’argon, de l’oxygène et de l’azote est complexe en raison de phénomènes d’empoisonnement de la cible. L’analyse de la composition du plasma par spectroscopie d’émission optique et le suivi de l’évolution de certaines raies représentatives d’espèces excitées dans le milieu, nous ont permis de déterminer les conditions optimales au dépôt de films de types TaOxNy sur une large gamme de compositions. Grâce à une étude par diffraction des rayons X et spectroscopie de photoélectrons X, nous avons suivi les évolutions structurales de couches ayant subi ou non un recuit thermique. Nous avons montré de quoi étaient constituées les parties amorphes et cristallisées de ces films et déterminé la taille des domaines de cohérence. Enfin, les propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique, paramètre d’Urbach) et diélectriques ont été corrélées à la structure des matériaux.The aim of this thesis is to study the properties of a reactive plasma as well as the structural, optical and electrical properties of tantalum oxynitride thin films (TaOxNy) prepared by radiofrequency sputtering. The elaboration of this ternary material by sputtering a pure tantalum target using plasma containing both of argon, oxygen and nitrogen is complex due to the target-poisoning phenomenon. The analysis of the composition of the plasma by optical emission spectroscopy and monitoring the evolution of some representative line of excited species in this environment, allow us to determine the optimal conditions to deposit TaOxNy films over a wide range of composition. Thanks to a study by X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy, we followed the structural evolution of the films subjected or not to a rapid thermal annealing. We showed by what were constituted the amorphous and crystalline parts of the films and determined the size of the crystalline domains. Finally, the optical properties (refractive index, optical gap, Urbach parameter) and dielectric behavior have been correlated with the structure of materials

Control the Composition of Tantalum Oxynitride Films by Sputtering a Tantalum Target in Ar/O2/N2 Radiofrequency Magnetron Plasmas.

International audienceTantalum oxynitride films can be deposited with a high versatility in composition by reactive sputtering of a tantalum target in Ar/O2/N2 mixtures. In this paper, plasma analysis was performed from simple to more complex Ar/O2/N2 gas mixtures and linked to the layer elemental composition. The presence of two reactive gases accelerates the appearance of Compound Sputtering Mode and modifies the nature of target surface. Hence, in Ar/O2/N2, nitrogen addition can lead to poison the target surface by a nitride but also by an oxide or by an oxynitride. Finally, this comprehension of interaction between target and reactive gas was used to select suitable flow rate conditions allowing tantalum oxynitride deposition with varying optical propertie

Study of the Synchronous Injection in a Controlled Pulsed Arc Plasma

International audienc

Structural and ellipsometric study on tailored optical properties of tantalum oxynitride films deposited by reactive sputtering

International audienceOxynitride materials, which offer the possibility of merging oxide and nitride properties, are increasingly studied for this reason. This paper focuses on assessing the optical properties of tantalum oxynitride thin films deposited by pure tantalum target sputtering in an Ar/O2/N2 reactive atmosphere. First, by changing the oxygen to reactive gas flow rate ratio, and using thermal post-treatment, we deposited films with elemental compositions studied by Rutherford backscattering spectroscopy, ranging from a nitride (close to Ta3N5) to an oxide (close to Ta2O5) with various structures analyzed by x-ray diffraction. Their optical properties were investigated in depth by spectroscopic ellipsometry and UV-visible spectroscopy. For the ellipsometry investigation, we propose a model combining the Tauc–Lorentz law and additional Lorentz oscillator: the first contribution is linked to a semi-conductor or insulator film matrix, and the second one to the presence of conductive TaN crystals. Ellipsometry thus appears as a powerful tool to investigate complex materials such as tantalum oxynitrides. Moreover, we demonstrated that using this deposition method we were able to finely tune the film refractive index from 3.4 to 2.0 (at 1.96 eV) and the optical band gap, specifically from 1.3 to 2.7 eV

Développement et caractérisation d’une source plasma à pression atmosphérique réalisée par impression 3D pour l’assistance d’un procédé SALD

National audienc

Développement d’une Source Plasma en aide au Dépôt de Couche Mince à Pression Atmosphérique

International audienc