1

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

2

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

3

ObjectifObjectif

ProcProcééddéé MatMatéériauriau

Relation procédé - matériau

Maîtrise du procédéd’élaboration

Bonne reproductibilité

Caractérisations(composition, structure…)

Qualités (optiques , électriques…)

Applications industriellesApplications industrielles

4

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.

5

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

6

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

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

11

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

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

14

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)