Films de diamant nanocristallin synthétisés à très basse température par plasma micro-onde distribué : du procédé de croissance aux applications

Abstract

The purpose of This PhD thesis was the understanding and the control of nanocrystalline diamond (NCD) films growth at low temperature using distributed antenna array (DAA) microwave plasma assisted chemical vapor deposition process for specific applications. Two approaches were adopted to reach these objectives: (i) a « material » study aimed at demonstrating the potential of the DAA reactor to synthetize NCD films at low temperature with characteristics required by biomedical applications, (ii) a « plasma » study focused on the diagnostics of H2/CH4/CO2 and H2/CH4/CO2/N2 low-pressure discharges used for NCD growth.The first approach dealt initially with the study of NCD film synthesis at low temperature on piezoelectric substrates such as zinc oxide and aluminum nitride for the achievement of Waveguiding Layer Acoustic Wave (WLAW) devices. That was followed by NCD growth on complex shaped substrates destined for NCD coating of titanium implants. The biological properties of NCD/Ti and NCD/Ti6Al4V systems were then investigated. Finally, the NCD growth process improvement was carried out by adding nitrogen to the gas phase.The second approach focused on the characterization of H2/CH4/CO2/N2 plasmas by optical emission and infrared absorption spectroscopy in order to investigate the effects of nitrogen addition in the gas mixture on gas temperature and species concentration. The electronic parameters of the H2/CH4/CO2 discharges, electron density and temperature, were determined as a function of process parameters by Langmuir probe measurement and by a spectroscopic method and the atomic hydrogen density was measured by actinometry.Ce travail de thèse avait pour objectif la compréhension et le contrôle du procédé de croissance de films de diamant nanocristallin (DNC) à basse température par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro- onde distribué (PMD) en vue d’applications spécifiques. Deux axes de travail ont été suivis pour atteindre cet objectif : (i) une étude « matériau » visant à étudier les potentialités du réacteur PMD à réaliser des films de DNC à basse température avec des caractéristiques répondant aux prérequis d’applications biomédicales, (ii) une étude « plasma » s’intéressant à la caractérisation des décharges basse pression H2/CH4/CO2 et H2/CH4/CO2/N2 utilisées pour la croissance.Le premier volet de ces études a porté dans un premier temps sur la synthèse de films de DNC sur des substrats piézoélectriques, tels que l’oxyde de zinc et le nitrure d’aluminium, pour la réalisation de dispositifs à ondes acoustiques guidées (WLAW). Dans un deuxième temps nous nous sommes intéressés à la croissance sur des substrats de géométrie complexe, dont l’aboutissement recherché est la synthèse de DNC sur des implants en titane. Les caractéristiques biologiques de systèmes DNC/Ti et DNC/Ti6Al4V ont ensuite été investiguées. Dans un troisième temps, l’optimisation du procédé d’élaboration des films de DNC a été menée en ajoutant de l’azote dans la phase gazeuse.Le deuxième volet de ces études s’est intéressé à la caractérisation des plasmas H2/CH4/CO2/N2 utilisés pour la synthèse par spectroscopie optique d’émission et spectroscopie d’absorption infrarouge afin d’examiner les effets de l’addition d’azote dans le mélange gazeux sur la température du gaz et la concentration de différentes espèces. Les paramètres électroniques des décharges H2/CH4/CO2, densité et température des électrons, ont été déterminés en fonction des paramètres du procédé par sonde de Langmuir et par une méthode spectroscopique et la densité d’hydrogène atomique a été mesurée par actinométrie