Diagnostics spectroscopiques de plasmas RF en régime de pulvérisation physique et en présence de générations successives de poussières dans les chimies organosiliciées

Abstract

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse de doctorat caractérisent, premièrement de manière isolée puis combinée, les processus de dépôt de couches minces par pulvérisation physique d’une cible d’argent et par ajout d’un précurseur organosilicié. En régime de pulvérisation physique, nous avons notamment montré à partir de mesures par spectrométrie de masse que la fonction de distribution en énergie des ions au voisinage du substrat peut présenter une queue énergétique, un effet que nous avons aussi pu modéliser en considérant la thermalisation incomplète des espèces pulvérisées suivant leurs interactions avec les espèces du plasma. Une nouvelle méthode pour le calcul du rendement de pulvérisation des atomes de la cible basée sur l’analyse de mesures de sonde de Langmuir et d’émission optique a également été mise au point. Celle-ci a par la suite été utilisée pour caractériser le phénomène d’empoisonnement de la cible d’argent causé par l’ajout du précurseur hexaméthyldisiloxane (HMDSO). Dans ce régime hybride, nous avons confirmé la pertinence d’une injection pulsée du précurseur pour réduire l’empoisonnement. Finalement, la croissance de nanoparticules, ou poussières, dans les plasmas hybrides contenant une cible d’argent et le précurseur HMDSO injecté de manière pulsée est étudiée à la fois par des mesures de spectroscopie optique d’émission couplée à un modèle collisionnel-radiatif et par des mesures de spectrométrie de masse. Dans ces conditions, le plasma est caractérisé par une dynamique à plusieurs échelles temporelles; l’injection pulsée du précurseur se déroule sur des périodes de 5 secondes alors que le cycle complet de formation et de disparition des poussières prend plusieurs centaines de secondes. Cette évolution multi-échelle permet de séparer les phénomènes et de correctement caractériser l’impact de l’HMDSO et de la formation de poussières sur les propriétés fondamentales du plasma, en particulier la densité et la température des électrons, la population des atomes dans un niveau métastable, ainsi que la cinétique de fragmentation de la molécule mère. Le rôle des parois et des électrodes dans la dynamique de formation d’hydrocarbures agissant comme précurseur à la formation de nanoparticules est également démontré.

The research presented in this Ph.D. thesis characterizes, first in isolation and then in combination, thin-film deposition processes by physical sputtering of a silver target and addition of an organosilicon precursor. In the physical sputtering regime, we have shown from mass spectrometry measurements that the energy distribution function of the ions in the vicinity of the substrate can exhibit an energetic tail, an effect that we have also been able to model by considering an incomplete thermalization of sputtered species following their interactions with the plasma species. A new method for calculating sputtering yield of the target atoms based on Langmuir probe measurement and optical emission analysis has also been developed. This was later used to characterize the phenomenon of target (silver) poisoning caused by the addition of the hexamethyldisiloxane precursor (HMDSO). In this hybrid regime, we confirmed the relevance of a pulsed injection of the precursor to reduce poisoning. Finally, the growth of nanoparticles, or dusts, in the hybrid plasmas containing a silver target and the pulse-injected HMDSO precursor is studied both by optical emission spectroscopy measurements coupled with a collisional-radiative model and by mass spectrometry measurements. Under these conditions, the plasma is characterized by dynamics over multiple time scales; the pulsed injection of the precursor takes place over periods of 5 seconds while the complete cycle of formation and disappearance of the dust takes several hundred seconds. This multi-scale evolution makes it possible to separate the phenomena and to correctly characterize the impact of HMDSO and the dust formation on the fundamental properties of the plasma, in particular the density and the temperature of the electrons, the population of the atoms in a metastable level, as well as the kinetics of fragmentation of the parent molecule. The role of walls and electrodes in the hydrocarbon formation dynamics acting as a precursor to the formation of nanoparticles is also demonstrated.