Université Louis Pasteur Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg

De
Publié par

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Université Louis Pasteur Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg THÈSE Présentée par Madjid Mojtahedzadeh Larijani POUR OBTENIR LE TITRE DE DOCTEUR DE L'UNIVERSITE LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG Spécialité : PHYSIQUE DES MATERIAUX CONDENSES Mise au point d'un procédé de CVD activé par filaments chauds et plasma de décharge pour la nucléation du diamant. Etudes paramétrique et cinétique Thèse préparée au Laboratoire Groupe Surfaces et Interfaces- Institut de Physique et de Chimie des Matériaux de Strasbourg, CNRS U. M. R 1046

  • plasma

  • titre de docteur de l'universite louis

  • plasma de décharge pour la nucléation du diamant

  • rapporteur externe

  • chimie de matériaux de strasbourg


Publié le : mercredi 20 juin 2012
Lecture(s) : 124
Source : scd-theses.u-strasbg.fr
Nombre de pages : 193
Voir plus Voir moins

Université Louis Pasteur
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg


THÈSE

Présentée par



Madjid Mojtahedzadeh Larijani






POUR OBTENIR LE TITRE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITE LOUIS
PASTEUR DE STRASBOURG


Spécialité : PHYSIQUE DES MATERIAUX CONDENSES






Mise au point d’un procédé de CVD activé par filaments chauds

et plasma de décharge pour la nucléation du diamant. Etudes

paramétrique et cinétique













Thèse préparée au Laboratoire Groupe Surfaces et Interfaces- Institut de Physique et de
Chimie des Matériaux de Strasbourg, CNRS U. M. R 1046
Université Louis Pasteur
Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg


THÈSE

Présentée par



Madjid Mojtahedzadeh Larijani




POUR OBTENIR LE TITRE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITE LOUIS
PASTEUR DE STRASBOURG


Spécialité : PHYSIQUE DES MATERIAUX CONDENSES





Mise au point d’un procédé de CVD activé par filaments chauds et plasma

de décharge pour la nucléation du diamant. Etudes paramétrique et

cinétique




Prof. Zbignew KUZNICKI Rapporteur interne

Dr. Silvère BARRAT Rapporteur externe

Dr. Eberhard BLANK Rapporteur externe

Prof. P. ALNOT Examinateur

Dr François LE NORMAND Directeur de thèse



Thèse préparée au Laboratoire Groupe Surfaces et Interfaces- Institut de Physique et de
Chimie des Matériaux de Strasbourg, CNRS U. M. R 1046 A Anne-Marie Mohr

























A ma mére, Zahra
A mon père, Hadi



















A ma femme, Zahra
A mes enfants, Rana et Ahmad-Reza

































Remerciements :


Ce travail a entièrement été réalisé à l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de
Strasbourg au laboratoire Groupe ‘Surface et Interface’, Unité mixte CNRS 7504. Je remercie
en premier lieu Mr B. Carriere et Mr F. Le Normand pour m’avoir accueilli dans le
laboratoire afin de préparer cette thèse.

J’adresse mes plus respectueux remerciements aux Mrs. Z. Kuznicki, S. Barrat, E. Blank,
P. Alnot et F. Le Normand pour l’honneur qu’ils me font de participer au jury de cette thèse,
en y apportant le concours de leur compétence.

Ce mémoire a été réalisé sous la direction de Mr F. Le Normand. Qu’il trouve ici
l’expression de ma reconnaissance pour l’intérêt qu’il a porté à mon travail en accompagnant
son évolution de ses conseils. Ma reconnaissance va également à C. S. Cojocaru qui m’a initié
à la technique de base, à J. Hommet pour l’analyse XPS, à J. Faerber pour MEB, et à Olivier
Cregut pour la spectroscopie OES, ils ont contribué à ce travail par leurs conseils scientifiques
pertinents et par leur amitié.

Une thèse expérimentale est un travail de conception, d’élaboration et de réalisation,
c’est pourquoi je tiens à remercier très chaleureusement les techniciens et instrumentistes du
laboratoire, en particulier Mr B. Muller.

Enfin je pense à toutes les personnes proches et moins proches qui m’ont aidées et
soutenues par la qualité de leur propos, par leurs encouragements ; je désire les remercier de
la patience qu’ils ont témoigné durant ces années à mon égard.















Sommaire général



Pages


Introduction Générale 1

Chapitre I : Généralités 3

I-0. Introduction 4
I-1. Etats du carbone 4
° Le graphite
° Le diamant
° Le carbone amorphe
I-2. Synthèse du diamant 7

I-3. Dépôt chimique du diamant en phase gazeuse 8
I-4. Le rôle de l’hydrogène dans l’élaboration du diamant CVD 9
I-5. La croissance du diamant CVD 10
° Evolution morphologique
I-6. La nucléation 14

°Modèle de surface
° Modèle de subplantation(implantation superficielle)
°Modèle de Stammler et col.
I-7. Conclusion 22

Chapitre II : Système expérimental : le procédé CVD activé par filaments
chauds et par plasma en décharge anormale (DCHFCVD)

II-0. Introduction 29
° Décharge à courant continu. Interaction avec une surface
° Formation des gaines
° Caractères principaux d’une décharge DC

II-1. Dispositif expérimental 30
II-2. Procédé de dépôt 33

°La croissance du diamant °Le processus de gravure
°Nucléation

II-3. Caractérisations I-V 37
II-4. Conclusion 44

Chapitre III : Mesures optiques du plasma d’extraction au cours de la nucléation
CVD du diamant


III-0 Introduction 47
III-1. Dispositif de la spectroscopie d’émission optique (OES ) 49
III-2. Equilibre thermodynamique local 50
III-3. Définition de la température 53
III-4. Diagnostics du plasma par OES 54

° Effet de la concentration
° Effet du courant d’extraction I ( ou du plasma secondaire) e
° Effet du potentiel d’extraction
° Effet du changement de phase de la surface

III-5. Conclusion 66

Chapitre IV : Etude paramétrique de la nucléation


IV-0 Introduction 7
IV-2. Conditions expérimentales 71
° Effet de la température du substrat
° Effet de la concentration
° Effet de la distance
° Effet du courant d’extraction
° Effet du temps de nucléation
° Effet de la tension d’extraction
° Effet du bombardement par l’hydrogène sur la morphologie du diamant
IV-3. Conclusion 101

Chapitre V : Etude des premiers stades de la nucléation DCHFCVD du diamant
par XPS et mesures du plasma de décharge


V-0. Introduction. 125
V-1. Conditions expérimentales. 126
V-2. Techniques d’analyse

V-2-1. Microscopie électronique à balayage (FE-MEB). 108 V-2-2. Mesures électriques 110
° Modélisation de l’évolution I (t) au cours de l’étape de croissance e

V-2-3. Spectroscopie Auger (AES) 118

° Processus Auger
° Exploitation d’un spectre Auger
° Analyse par spectroscopie Auger

V-2-4. Spectroscopie de photoélectrons (XPS) 123
° Analyse qualitative et quantitative
° Information sur l’environnement d’un atome
° Exploitation d’un spectre de photoémission
° Conditions expérimentales

V-3. Conclusion 137

Conclusion générale 141

Annexe A. Introduction au plasma i

Annexe B. Technique d’analyse Raman xviii
Annexe C. Décomposition de spectres Raman xxx

Introduction générale

Le diamant est cher à cause de sa rareté et de ses propriétés physiques et chimiques
exceptionnelles. Son prix cependant a tendance à se relativiser avec l’arrivée sur le marché
des diamants synthétiques massifs ou en couches minces obtenus par les procédés de Dépôt
Chimique en phase Vapeur (CVD). De ce fait les applications dans l’industrie vont se
multiplier. Parmi les propriétés remarquables, citons la dureté extrême, la conductivité
thermique élevée, la transparence dans l’UV et dans l’Infrarouge proche et la résistivité
électrique élevée. Cependant les applications les plus prometteuses concerneront les
propriétés semi-conductrices, si du moins la maîtrise de sa croissance et le contrôle de son
dopage parviennent à être résolus. C’est à la maîtrise de sa croissance que nous nous sommes
intéressés, et plus particulièrement à la première étape de ce processus qui concerne la
nucléation du diamant. En effet, s’il faut utiliser le diamant pour des applications de type
semi-conducteur, il est nécessaire de synthétiser des films monocristallins sur de grandes
surfaces. Pour cela il faut obtenir une nucléation dense et orientée. De plus la taille du grain,
l’anisotropie du film, les lacunes ponctuelles et les défauts étendus peuvent sérieusement
affecter les propriétés électroniques des films de diamant. L’augmentation de la densité de
nucléation peut réduire la rugosité de la surface, améliorer l’homogénéité du film, et réduire la
formation des lacunes sur la surface ou l’interface, ce qui permet aussi une meilleure adhésion
entre le diamant et le substrat.
Les résultats expérimentaux de la littérature montrent que la compréhension du
mécanisme de nucléation dans le procédé CVD, puis une bonne maîtrise des paramètres de
nucléation, sont indispensables pour pouvoir contrôler la qualité du film. Aujourd’hui le
procédé de nucléation universellement adopté pour obtenir des densités de nucléation
importantes consiste en un bombardement ionique à basse énergie du substrat polarisé
négativement. Malheureusement les différentes méthodes CVD utilisées pour cela, comme la
HFCVD (CVD assisté par filament chaud), la MWCVD (CVD assisté par micro-ondes), la
RFCVD ( CVD assisté par radio-frequeances), n’ont pas permis jusqu’à présent d’un point de
vue fondamental d’élucider le mécanisme de la nucléation du diamant, étape indispensable
pour arriver un jour à orienter les nuclei sur un substrat. En pratique, ces techniques
aboutissent difficilement à des densités importantes sur de grandes surfaces. Il existe en effet
différentes interprétations du mécanisme d’exaltation de la nucléation par bombardement
ionique : mécanisme d’implantation superficielle, diffusion de surface accélérée, rôle de
1

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.