ETUDE DES PLASMAS PRODUITS PAR LASER POUR L'ELABORATION DE COUCHES MINCES PAR ABLATION LASER REACTIVE PDF Download
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Author: CELINE.. VIVIEN Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 180
Book Description
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: 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.
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L'un des principaux défauts du dépôt de couches minces par ablation laser est le manque de connaissances des mécanismes fondamentaux impliqués dans le procédé. En particulier, lorsque l'ablation laser est produite en présence d'un gaz réactif, le rôle des réactions chimiques entre le jet de vapeur et le gaz est une étape essentielle nécessitant une étude approfondie. Dans ce contexte, les densités d'espèces dans le panache du plasma et en particulier les densités de molécules ou radicaux formés par reactions chimiques ont été mesurées par spectroscopie d'émission, par fluorescence induite par laser (LIF) et par spectroscopie d'absorption lors de l'ablation de cibles de titane, d'aluminium, et de carbone dans l'oxygène ou l'azote à basse pression. L'analyse des spectres d'émission moléculaires et atomiques a permis de déterminer les températures rotationnelles, vibrationnelles et électroniques. Les mesures LIF ont permis de détecter les atomes et molécules dans l'état fondamental. Le faisceau laser sonde cylindrique est transformé en une nappe laser de 0.2 ? 40 mm2 de section qui traverse le panache de plasma en passant par son axe de symétrie. La fluorescence induite est détectée par une caméra CCD rapide. Dans cette configuration, il est possible d'obtenir une cartographie tridimensionnelle des densités d'atomes et de molécules dans l'état fondamental. Les mesures d'absorption associées à celles de fluorescence induite par laser complètent les mesures de spectroscopie d'émission, permettant de détecter les espèces dans l'état excité dans des régions du plasma de plus haute température. L'ensemble des résultats met en évidence le rôle des réactions chimiques en phase plasma dans la synthèse de couches minces par ablation laser réactive.
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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.
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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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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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Ce travail présente une étude originale de l'interaction laser-matière en régime nanoseconde à l'aide d'une double approche expériences-modélisation numérique. L'approche expérimentale vise à caractériser les plasmas produits par laser et l'empreinte laissée par le faisceau laser sur la cible. L'approche numérique s'appuie sur un modèle 1D qui permet de décrire le chauffage de la cible par le laser, l'ablation de matière et la formation d'un plasma dans cette matière ablatée dûe à l'interaction avec le laser. Des comparaisons des résultats obtenus par les deux approches permettent d'évaluer le degré de précision des résultats issus du modèle. Ces comparaisons se limitent aux 100 premières nanosecondes d'expansion du plasma. Nous montrons ainsi que le modèle décrit assez bien l'écrantage du faisceau laser par le plasma, l'expansion du plasma et la propagation de l'onde de choc dans le gaz ambiant. De plus, les valeurs des seuils d'ablation et de formation du plasma sont calculées avec une bonne précision. En revanche, des écarts sont constatés pour la modélisation des processus d'interaction entre le laser et la cible. Le degré de précision du modèle est au final suffisamment bon pour nous permettre d'étudier précisément l'effet du gaz ambiant sur les propriétés et la dynamique du plasma.
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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Les plasmas transitoires générés par ablation laser à haute fluence sont des phénomènes complexes impliquant une multitude de processus, comme l’absorption de la radiation optique dans la matière, l’augmentation de température et les transitions de phase dues au transfert d’énergie, l’hydrodynamique du gaz en expansion, les interactions électriques entre les particules chargées, ou l’interaction du rayonnement laser avec le plasma créé. Une compréhension la plus complète possible de ce phénomène est nécessaire tant du point de vue fondamental, que par rapport à la caractérisation de matériaux à fort potentiel technologique soumis à des flux d’énergie intenses. Afin d’accéder à une telle compréhension, nous avons développé une approche multi-diagnostics, en mettant en œuvre des techniques optiques et électriques : imagerie par caméra intensifiée rapide, spectroscopie optique d’émission résolue spatialement et temporellement, spectroscopie d’absorption par diode laser, sonde de Langmuir. Ces techniques ont été appliquées à la caractérisation des plasmas générés par ablation laser en régime nanoseconde à différentes longueurs d’onde sur des matériaux allant des plus simples (Al, Cu) aux plus complexes (céramiques, verres chalcogénures, ferromagnétiques). Les principaux résultats obtenus ont été la mise en évidence d’un processus de fractionnement du plasma en deux structures, et la caractérisation cinétique et énergétique des constituants de ces structures. Ces résultats trouvent un intérêt fondamental (développement d’un modèle hydrodynamique fractal) et appliqué (investigation du phénomène d’érosion dans les propulseurs spatiaux à plasma, dépôt de couches minces).
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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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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
Author: CELINE.. VIVIEN
Author: CELINE.. VIVIEN
Author: Christophe Dutouquet
Author: Ratiba Benzerga
Author: Benoit Angleraud
Author: Sylvain Tricot
Author: Guillaume Clair
Author: Catherine Villard (auteure en physique).)
Author: Cristian Ursu
Author: Armelle Basillais
Author: Catherine Chabaud-Villard