Comparaison des procédés d'ablation par faisceau laser et par faisceau d'électrons pour la croissance de couches minces PDF Download
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Book Description
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.
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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.
Author: FREDERIC.. ANTONI Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 110
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LA TECHNIQUE D'ABLATION LASER EST APPLIQUEE A LA REALISATION DE COUCHES MINCES DE COMPOSE SILICIUM-GERMANIUM ET DE CARBONE AMORPHE. UNE DESCRIPTION ANALYTIQUE DU PROCESSUS D'ABLATION MONTRE QUE LA REPARTITION GEOMETRIQUE DE LA DISTRIBUTION DE MATIERE SUR LE SUBSTRAT EST DE FORME ELLIPTIQUE ET EST INDEPENDANTE DE LA DENSITE D'ENERGIE DU FAISCEAU LASER SUR LA CIBLE AINSI QUE DE L'ELEMENT CHIMIQUE QUI LA COMPOSE. LES COUCHES DE COMPOSE SILICIUM-GERMANIUM PRESENTENT UNE STRUCTURE CRISTALLINE LORSQUE LA TEMPERATURE DU SUBSTRAT DE SILICIUM EST EGALE OU SUPERIEURE A 500 DEGRES. CEPENDANT, IL N'A PAS ETE POSSIBLE DE METTRE EN EVIDENCE DE CROISSANCE EPITAXIALE DE CES COUCHES. LES COUCHES DE CARBONE DEPOSEES A TEMPERATURE AMBIANTE PRESENTENT DES CARACTERISTIQUES DE TRANSPARENCE ET DE STRUCTURE QUI SE RAPPROCHENT DES MATERIAUX DIAMANTES
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Ce travail est consacré à l'optimisation de la croissance de couches minces par ablation laser afin d'éviter le dépôt de gouttelettes sur les films, inconvénient majeur de cette technique. Deux approches ont été envisagées, la première consiste dans l'utilisation d'impulsion laser de très courte durée (100 fs) afin d'éviter la formation du bain fondu à la surface des cibles et la seconde approche, la double ablation laser (ns), permet d'éviter "mécaniquement" le dépôt des gouttelettes émises par les cibles. L'étude a montré que l'éjection des gouttelettes peut se produire lors de l'ablation fs, et que les films ainsi déposés sont formés d'empilement de nanoparticules. La fluence laser et la taille de l'impact laser sur la cible apparaissent comme paramètres clés pour le contrôle de l'éjection des gouttelettes et/ou des nanoparticules. Une étude détaillée du plasma d'ablation et des films formés en fonction de ces deux paramètres a permis de mettre en place des hypothèses sur le mécanisme de formation des nanoparticules. La seconde approche a montré une forte diminution de la densité des gouttelettes. Des films d'AlN et de CuxOy avec une bonne qualité de surface, qualité cristalline et de bonne composition ont été obtenus. Aussi des films de TiC déposés à partir de l'ablation de deux cibles différentes (Ti et C) montrent la possibilité de mélange de deux plasmas différents grâce à cette technique.
Author: CELINE.. VIVIEN Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 180
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LE DEPOT DE COUCHES MINCES PAR ABLATION LASER EST UNE VOIE DE RECHERCHE PROMETTEUSE PUISQUE CE PROCEDE PERMET D'OBTENIR DES MATERIAUX TRES DIVERS (POUR LA MICRO-ELECTRONIQUE, LE BIOMEDICAL, LA PASSIVATION) ET NOTAMMENT CEUX QUI NE SONT OBTENUS, A CE JOUR, PAR AUCUNE AUTRE METHODE, L'EXEMPLE LE PLUS CONNU ETANT LES SUPRACONDUCTEURS (YBACUO). LA TECHNIQUE DE DEPOT PAR ABLATION LASER REACTIVE CONSISTE A FOCALISER UN FAISCEAU LASER SUR UNE CIBLE SOLIDE, CETTE INTERACTION CONDUISANT A LA FORMATION D'UN PLASMA LUMINESCENT. DANS UNE AMBIANCE GAZEUSE REACTIVE A FAIBLE PRESSION (JUSQU'A 1.3 10#3 PA), CE PLASMA TRANSPORTE SUR QUELQUES CENTIMETRES LES ESPECES EVAPOREES DE LA CIBLE VERS UN SUBSTRAT OU SE DEPOSE UN COMPOSE FORME PAR REACTION CHIMIQUE ENTRE LA VAPEUR ISSUE DE LA CIBLE ET LE GAZ RESIDUEL. LA CARACTERISATION DES PLASMAS PRODUITS PAR ABLATION LASER A ETE EFFECTUEE AFIN DE METTRE EN EVIDENCE LES PROCESSUS INTERVENANT EN PHASE GAZEUSE DANS L'ELABORATION DE COUCHES MINCES PAR ABLATION LASER REACTIVE. L'IMAGERIE RAPIDE A L'AIDE D'UNE CAMERA ICCD A PERMIS DE CARACTERISER LA PROPAGATION DU PLASMA VERS LE SUBSTRAT. L'OBSERVATION SELECTIVE DES DIFFERENTES ESPECES EXCITEES AINSI QUE LEUR EVOLUTION SPATIO-TEMPORELLE A ETE EFFECTUEE PAR SPECTROSCOPIE D'EMISSION RESOLUE DANS LE TEMPS ET DANS L'ESPACE. LE CHOIX S'EST PORTE SUR L'ABLATION LASER D'UNE CIBLE DE GRAPHITE DANS UNE AMBIANCE GAZEUSE AZOTEE (N#2 ET NH#3) POUR LE DEPOT DE COUCHES MINCES DE NITRURE DE CARBONE C#XN#Y. LES DIFFERENTES ESPECES PRESENTES DANS LE PANACHE PLASMA ONT ETE ETUDIEES, EN PARTICULIER LES ESPECES ISSUES DE REACTIONS CHIMIQUES ENTRE LA VAPEUR DE CARBONE ET LE GAZ AMBIANT COMME LES RADICAUX CN ET CH. LES TEMPERATURES ROTATIONNELLES ET VIBRATIONNELLES DES DIFFERENTES ESPECES ONT ETE DETERMINEES, MONTRANT QU'UN EQUILIBRE COLLISIONNEL ENTRE PARTICULES LOURDES EST ETABLI DANS LE PLASMA. DES DEPOTS DE NITRURE DE CARBONE ONT ETE REALISES ET ANALYSES PAR REACTIONS NUCLEAIRES, ET UNE CORRELATION AVEC LES RESULTATS DE CARACTERISATION DU PLASMA A ETE EFFECTUEE. DANS LE BUT DE METTRE EN EVIDENCE LE ROLE DES ESPECES EXCITEES ET IONISEES DE L'AZOTE SUR LA COMPOSITION DES FILMS DEPOSES, DES EXPERIENCES METTANT EN UVRE UNE DECHARGE RF ONT ETE MENEES.
Author: Anne Roemer Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 230
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Notre démarche générale s'inscrit dans la réalisation de structures optiquement guidantes sous forme de films minces pour des applications en optoélectronique intégrée. Le matériau choisi pour la réalisation de couches minces optiquement actives est le titanate de plomb PbTiO3 (PT). En effet, ses coefficients optiques non linéaires en font un excellent candidat pour la génération d'un faisceau laser bleu par doublage de fréquence d'une diode laser émettant à 980 nm. Si la génération de second harmonique est connue et assez bien maîtrisée dans les cristaux massifs, la transposition de ce principe aux matériaux en couches minces reste délicate à mettre en œuvre. Dans ce travail, les couches minces de titanate de plomb sont réalisées par ablation laser (ou pulsed-laser deposition : PLD). L'optimisation des conditions de croissance a permis d'obtenir des films minces orientés et épitaxiés d'excellente qualité morpho-stucturale sur substrat monocristallin de MgO (100). Leurs propriétés de guides d'onde étudiées par spectroscopie des lignes noires (m-lines) montrent que les caractéristiques optiques des films minces de PT sont identiques à celles du matériau massif. Les pertes optiques mesurées à 633 nm sont inférieures à 1 dB/cm, valeur qui constitue le meilleur résultat obtenu jusqu'à présent sur de tels systèmes (PbTiO3/Substrat). La perspective de réaliser des structures optiquement guidantes capables de générer un laser bleu par quasi accord de phase dans un dispositif intégré PT/MgO/Si pourrait s'envisager mais cela nécessite la réalisation du retournement périodique des domaines ferroélectriques avec une résolution que la technologie actuelle ne permet d'accéder.
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DE PART LES PROPRIETES EXCEPTIONNELLES DE CE MATERIAU (MECANIQUES, ELECTRONIQUES, OPTIQUES) ET COMPARABLES A CELLES DU DIAMANT, LA REALISATION DE COUCHES MINCES DE NITRURE DE BORE DE PHASE CRISTALLINE CUBIQUE (BN-C) EST EN PLEIN DEVELOPPEMENT ET SUSCITE DE NOMBREUSES ETUDES LIEES A LA DIFFICULTE DE SA SYNTHESE. CE TRAVAIL CONCERNE D'UNE PART, L'ANALYSE ET LA MODELISATION DE L'EXPANSION DU PANACHE PLASMA FORME LORS DE L'INTERACTION ENTRE UN FAISCEAU LASER U.V. ET UN MATERIAU ET D'AUTRE PART, LA REALISATION DE FILMS DE BN A FORT TAUX DE LIAISONS SP#3 (BN-C) SUR DES SUBSTRATS DE SILICIUM PAR LA TECHNIQUE DE PHOTOABLATION PAR LASER. L'ETUDE EST DIVISEE EN DEUX PARTIES PRINCIPALES: * LA PREMIERE PARTIE EST CONSACREE A UNE APPROCHE THEORIQUE DU PHENOMENE DE L'ABLATION LASER D'UN MATERIAU PAR LA PRESENTATION, LE DEVELOPPEMENT ET L'APPLICATION SUR NOS RESULTATS EXPERIMENTAUX, DE DIVERS MODELES TRADUISANT L'EXPANSION DU PLASMA SOUS VIDE ET SOUS ATMOSPHERE CONTROLEE. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX REALISES AVEC DIFFERENTS MATERIAUX, SONT OBTENUS A PARTIR DES DIAGNOSTICS PAR IMAGERIE PAR CAMERA CCD ULTRA-RAPIDE ET PAR SPECTROSCOPIE OPTIQUE D'EMISSION DU PANACHE PLASMA. CETTE ETUDE APPROFONDIE PERMET DE COMPRENDRE ET DE QUANTIFIER LE TRANSPORT DE LA MATIERE EJECTEE DE LA CIBLE VERS LE SUBSTRAT SUR LEQUEL SE DEPOSENT LES PRODUITS DE L'ABLATION. * LA SECONDE PARTIE TRAITE DE LA DETERMINATION DES CONDITIONS DE DEPOT CONDUISANT A L'ELABORATION DE FILMS DE NITRURE DE BORE CONTENANT UN FORT TAUX DE LIAISONS SP#3 (BN-C) PAR PHOTOABLATION PAR LASER ASSISTEE PAR FAISCEAU D'IONS. LA FORMATION DU BN-C EST ETUDIEE EN FONCTION DE DIVERS PARAMETRES EXPERIMENTAUX TELS QUE, LE FLUX ET LE TYPE D'IONS IRRADIANT LA COUCHE EN COURS DE CROISSANCE, L'ENERGIE DE CES IONS, LA FLUENCE LASER, LA TEMPERATURE DU SUBSTRAT L'OPTIMISATION DE CES CONDITIONS DE DEPOTS A PERMIS L'OBTENTION DE COUCHES QUASI STOECHIOMETRIQUES (RAPPORT AZOTE SUR BORE DE L'ORDRE DE 0,9) ET CONTENANT ENVIRON 80 POUR CENT DE LIAISONS SP#3
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Ce travail est consacré à la croissance de films minces de nitrures d'aluminium par ablation laser réactive. Cette méthode, largement utilisée pour la croissance de couches minces d'oxydes, présente des difficultés pour la formation d'autres composés tels que les nitrures. La réactivité de l'azote étant plus faible que celle de l'oxygène, il y aura toujours compétition entre l'oxydation et la nitruration.
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L'OBJECTIF DE CETTE ETUDE EST LA REALISATION DE COUCHES MINCES DE CRYOLITHE PAR ABLATION LASER SUR SUBSTRAT DE SILICIUM. NOUS AVONS UTILISE UN LASER A EXCIMERES KRF A 248 NM, PERMETTANT DES FLUENCES DE 0,5 A 5 J/CM 2. LES PREMIERS FILMS REALISES SELON LE SCHEMA CLASSIQUE DE LA PLD (SIMPLE ABLATION) PRESENTENT UN ETAT DE SURFACE TRES MAUVAIS, LES RENDANT INEXPLOITABLES POUR DES APPLICATIONS OPTIQUES. UN DEUXIEME DISPOSITIF EXPERIMENTAL A ETE MIS AU POINT, BASE SUR LE PRINCIPE DE LA DOUBLE ABLATION : DEUX CIBLES FAISANT ENTRE ELLES UN ANGLE D'ENVIRON 120 DEGRES SONT IRRADIEES SIMULTANEMENT PAR DEUX FAISCEAUX D'ENERGIES EGALES. LES DEUX PANACHES D'ABLATION SE RENCONTRENT A 15 MILLIMETRES DES CIBLES, ET L'EFFET DES COLLISIONS ENTRE LES PARTICULES ENTRAINE UNE REDISTRIBUTION DE LEURS TRAJECTOIRES SELON UNE DIRECTION MEDIANE, SUR LAQUELLE EST PLACE LE SUBSTRAT. CETTE TECHNIQUE DONNE D'EXCELLENTS RESULTATS : COMPOSITION PROCHE DE CELLE DES CIBLES, FILMS FAIBLEMENT CRISTALLISES, DIMINUTION D'UN FACTEUR 10 DE LA DENSITE DE GOUTTELETTES D'UNE TAILLE INFERIEURE A 1 MICRON, ET ELIMINATION TOTALE DES GOUTTELETTES DE TAILLE SUPERIEURE. UNE COMPARAISON A EGALEMENT ETE EFFECTUEE AVEC LES FILMS REALISES PAR EVAPORATION THERMIQUE, MONTRANT QUE LA DOUBLE ABLATION PERMET DE RESOUDRE CERTAINS DES PROBLEMES RENCONTRES DANS LE CADRE DE CETTE TECHNIQUE. PARALLELEMENT, UNE ETUDE DES PANACHES D'ABLATION A ETE REALISEE, ESSENTIELLEMENT PAR IMAGERIE CCD, PERMETTANT DE VISUALISER L'EXPANSION DES PANACHES, NOTAMMENT DANS LE CAS DE LA DOUBLE ABLATION. L'IMPORTANCE DES EFFETS LIES A LA PRESENCE DE CHAMPS ELECTRIQUES PRESENTS AU MOMENT DE LA COLLISION A ETE MISE EN EVIDENCE.
Author: Catherine Villard (auteure en physique).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Nous avons realise au cours de ce travail de these un montage experimental d'elaboration de couches minces par ablation laser. Cette experience nous a tout d'abord permis de mener une etude des mecanismes de l'interaction laser-matiere. L'objectif de cette premiere partie de notre travail a ete de maitriser les aspects de morphologie de surface et de transfert de matiere caracterisant notre procede de depot par ablation laser. Nous avons ensuite aborde l'elaboration de couches minces supraconductrices, en nous interessant particulierement aux mecanismes de croissance de films d'ybco. A l'issue de ce travail d'optimisation des proprietes de nos couches minces, nous avons obtenu des caracteristiques supraconductrices et structurales nous ouvrant la voie de l'elaboration d'empilements multicouches. Nous avons mene une premiere etude sur des structures ybco/lsco, qui a souleve d'interessants problemes d'hetero-epitaxie des couches minces. Ces resultats mettent en evidence l'interet de la methode d'elaboration par ablation laser dans la maitrise de la croissance de couches minces
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Ce travail explore le contrôle de la composition et la cinétique du panache d'ablation laser en régime ultrabref par mise en forme temporelle des impulsions laser femtoseconde. L'objectif est l'optimisation du dépôt de couches minces et de nanoparticules. Le chapitre 1 est une synthèse de la littérature sur le dépôt de couches minces par ablation laser femtoseconde, en particulier de films de Diamond-Like Carbon et de nanoparticules. L'influence de la mise en forme temporelle du laser sur les mécanismes d'ablation est développée, ainsi que le diagnostic du panache d'ablation. Le chapitre 2 présente les dispositifs expérimentaux de mise en forme temporelle et de diagnostic du panache d'ablation par spectroscopie d'émission résolue en temps et espace et spectroscopie d'extinction. Le chapitre 3 rapporte l'impact de l'utilisation d'impulsions doubles et élargies sur les panaches de l'aluminium et du bore. L'augmentation de la composante ionique du plasma d'aluminium est expliquée au travers de simulations hydrodynamiques. Dans le chapitre 4, différentes formes temporelles sont employées pour l'ablation du graphite et le dépôt de couches de Diamond-Like Carbon. Le contrôle de la cinétique du panache est atteint en peuplant plus ou moins ses différentes composantes de vitesse : molécules, atomes et ions. Si la structure du Diamond-Like Carbon déposé n'est pas affectée, une amélioration de la surface des couches est observée. Le chapitre 5 montre l'efficacité et la sensibilité de la spectroscopie d'extinction optique pour la mesure in situ de la distribution en taille des nanoparticules métalliques dans le panache d'ablation laser femtoseconde.
Author: Sylvain Tricot
Author: Sylvain Tricot
Author: FREDERIC.. ANTONI
Author: Ratiba Benzerga
Author: CELINE.. VIVIEN
Author: Anne Roemer
Author: Benoit Angleraud
Author: Armelle Basillais
Author: Lætitia Lambert-Basa
Author: Catherine Villard (auteure en physique).)
Author: Florent Bourquard