Comparaison des procédés d'ablation par faisceau laser et par faisceau d'électrons pour la croissance de couches minces

Abstract

Pulsed techniques for thin film growth show some interesting characteristics over conventional deposition methods, in particular the presence of high energy species involved in the deposition process. Pulsed laser deposition (PLD) is the most well-known and widely used pulsed method and is able to grow thin films of very complex materials, especially oxides. But the technique is limited in the case of wide band gap semiconductors since the laser photon energy might be too weak against the gap of the material leading to thin films with a poor surface morphology. Pulsed electron beam deposition (PED) is a little known growth technique very similar to PLD. The aim of this work is to address and control PED parameters to grow thin films of interest for applications in microelectronics. Each step of the deposition process has been studied and compared to PLD. Electron-matter interaction has been modeled to get the target temperature evolution during the electronic bombardment. The ablation plume has been investigated by optical emission spectroscopy measurments and fast imaging to get species velocities. Zinc oxide (ZnO) has been chosen for this study and thin films of ZnO have been successfully grown by PED. This work show that the film composition is stoichiometric and that their cristalline quality is as good as films grown by nanosecond PLD. The transparency of ZnO films exeeds 80% in the visible range and their conductivity is high enough to consider applications as transparent conducting oxides for example.Les méthodes de croissance de couches minces dites « pulsées » présentent certaines spécificités, notamment la présence d'espèces très énergétiques venant se déposer à la surface du substrat. L'ablation laser (PLD) est à ce jour la technique pulsée la plus connue et permet de former des couches minces de composés complexes, et d'oxydes particulièrement. Mais la méthode atteint ses limites dans le cas de cibles de matériaux peu absorbants à la longueur d'onde laser comme les semi-conducteurs à large bande interdite. L'ablation par faisceau pulsé d'électrons (PED) est une technique de croissance encore peu connue et très similaire à la PLD. L'objectif de ce travail est de maîtriser les paramètres de la PED pour obtenir des couches minces présentant un intérêt pour des applications en microélectronique. Chaque étape du processus de dépôt a fait l'objet d'une étude et d'une comparaison avec la PLD. La modélisation de l'interaction électron-matière a permis d'obtenir l'évolution de la température de la cible soumise au bombardement par les électrons. Le plasma d'ablation a été étudié en détail grâce à la spectroscopie d'émission optique et à l'imagerie rapide afin notamment de connaître l'énergie des espèces du plasma. Le matériau choisi pour ce travail est l'oxyde de zinc (ZnO). Des films minces de ZnO ont été formés par PED et l'étude montre que ces couches sont de bonne composition chimique et que la qualité cristalline des couches est équivalente aux films formés par PLD nanoseconde. Ces couches sont transparentes à plus de 80% dans le visible et assez conductrices pour imaginer des applications en tant qu'oxyde transparent conducteurs par exemple