Films ultra-minces et nanoparticules par plasma magnétron

Contact : Pierre BILLAUD

1) Films ultra-minces

Les couches minces et ultra-minces (< 100 nm) trouvent de nombreuses applications en optique, électronique, électrotechnique, photonique, spintronique, aérospatiale, santé, pile à combustible, etc. Une méthode très efficace de réalisation de ces films est la pulvérisation cathodique, procédé de la famille PVD (Physical Vapor Deposition). C’est le procédé de pulvérisation cathodique magnétron qui est le plus utilisé. Le plasma peut être créé en courant continu (DCMS – Direct Current Magnetron Sputtering), en radiofréquence (RF), en mode impulsionnel haute puissance (HiPIMS – High Power Impulse Magnetron Sputtering) ou encore en mode hyper-puissance (HyPIM – Hyper Power Impulse Magnetron). Nous disposons également des systèmes de type arc (sous vide ou proche de la pression atmosphérique). Le laboratoire dispose d’une salle blanche et plusieurs réacteurs magnétron (multi-cibles) permettant la croissance de différents films mono-élément (métal, carbone, silicium, etc.), des empilements de plusieurs nano-couches, ou des composés (oxides, nitrures, oxi-nitrures, etc.)[REF 1,2].
A titre d’exemple, des couches de cuivre (Cu) épitaxiées ont pu être réalisées par magnétron HiPIMS (Figure a – [REF 3]). La conductivité électrique de ces couches est proche de celle obtenue par arc filtré et très proche de celle du massif pour des épaisseurs bien inférieures à 100 nm (Figure b – [REF 4]). Notons que le procédé utilisé est facilement accessible et que ces films ont été obtenus sans pré-traitement du substrat.

a) Croissance d’une couche ultra-mince (< 100 nm) épitaxiée de Cu [REF 3]
b) comparaison de la résistivité électrique en fonction de l’épaisseur du dépôt entre le procédé conventionnel (DCMS) et HiPIMS [REF 4]. Pour un film de 100 nm, la résistivité est seulement 2 fois supérieure à celle du massif.

Dans un second exemple, il est montré l’effet interférométrique multi-couches dans le cas de la réduction de réflectance d’une surface super-réfléchissante (ici le Cu). Il est démontré que la croissance conforme d’un film ultramince (< 100 nm, ici en C de type DLC – Diamond Like Carbon) est possible sur des substrats de forte rugosité (> 2 µm). De plus, ce type de film semi-métallique et semi-transparent, absorbe une partie du rayonnement, mais il laisse aussi passer une partie qui se réfléchie sur le substrat (Cu). L’onde ainsi réfléchie traverse une seconde fois le film et peut arriver en opposition de phase. A l’aide d’une modélisation électromagnétique à plusieurs interfaces il est donc possible d’expliquer le phénomène observé expérimentalement mettant en évidence une épaisseur optimale (entre 25 et 60 nm, suivant la longueur d’onde). L’absorption @ 1 µm passe de 99% à 30% environ (Figure 2, [REF 5]). L’augmentation de l’épaisseur de la couche au-delà de 50 nm n’améliore pas le résultat et nécessiterait un temps de dépôt plus important. Notons également que le procédé permet aisément un agrandissement d’échelle, comme tous les dépôts PVD.

Ces films permettent une meilleure gestion de transfert de l’énergie et peuvent contribuer efficacement à lutter contre le réchauffement climatique.

Figure 2 : Exemple d’interférence destructive à l’aide d’une couche de carbone de 50 nm environ sur une surface de cuivre de plusieurs µm de rugosité. Le dépôt conforme a été réalisé par magnétron DCMS. [REF 5]

2) Nanoparticules

Un nouveau volet de cette activité vise à produire par PVD des agrégats de quelques atomes à quelques dizaines d’atomes voire des nanoparticules. L’aspect fondamental vise à mieux comprendre les phénomènes de coalescence en phase gazeuses et la possibilité d’avoir un procédé sélectif suivant la taille des nanoparticules. Le dépôt d’agrégats (e.g.collaboration ILM) sur des substrats ad hoc (e.g. collaboration L2C) peut conduire à la formation de nano-objets avec des formes ramifiées. Ces nanostructures dendritiques multi-échelles ( qq. nm à qq. 100 nm) ayant une dimension fractale non entière (e.g. collaboration LAC), sont appelées nanofractales (article en préparation). Une caractérisation par un montage optique au laboratoire de substrats recouverts de nano-structures visera d’élargir le champ d’étude de leurs propriétés.
Côté applicatif, ce procédé magnétron visera de se proposer comme alternative à l’évaporation thermique ou à la vaporisation laser, dont la productivité et l’agrandissement d’échelle restent questionnables.

[REF 1] F Cemin, M Tsukamoto, J Keraudy, V Antunes, UHelmersson, F Alvarez, T Minea, and D Lundin,
Low-energy ion irradiation in HiPIMS to enable anatase TiO₂ selective growth
2018 J. Phys. D: Appl. Phys. 51 (2018) 235301; doi: 10.1088/1361-6463/aac080

[REF 2] F. Cemin, G. Abadias, T. Minea, D. Lundin
Tuning HiPIMS discharge and substrate bias conditions to reduce the intrinsic stress of TiN thin films
2019 Thin Solid Films 688 (2019) 137335-https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.05.054

[REF 3] F.Cemin, D. Lundin, C.Furgeaud, A. Michel, G.Amiard, T. Minea, and G. Abadias
Epitaxial growth of Cu(001) thin films onto Si(001) using a singlestepHiPIMS process
2017 Scientific Reports 7, 1655 ; doi:10.1038/s41598-017-01755-8

[REF 4] F. Cemin, D. Lundin, D. Cammilleri, T. Maroutian, P. Lecoeur, T. Minea
Low electrical resistivity in thin and ultrathin copper layers grown by high power impulse magnetron sputtering
2016 J. Vac. Sci Technol. A 34, 051506; doi: 10.1116/1.4959555

[REF 5] A. Crespi, Ch. Ballage, M-C Hugon, D. Lundin, T. Minea
The role of amorphous nanocrystalline carbon film in the light interference of flexible copper foils
ACS Appl. Electron. Mater., 4, (2)(2022) 576–584, https://doi.org/10.1021/acsaelm.1c00520