Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Déposition de couches atomiques“

Dans ce travail nous avons étudié l’effet du temps de déposition sur lesdifférentes propriétés des couches minces d’oxyde de cuivre. En premierlieu nous avons élaboré des films minces de Cu 2O par électrodéposition surun substrat ITO dans un milieu sulfate à température fixé de T=60° et unpotentiel imposé de - 0.5V/ECS. En second lieu les couches minces del’oxyde de cuivre (Cu 2O/ITO) ont subi un traitement thermique àtempérature de 500 °C pendant 1h pour obtenir des films mince nomméCuO/ITO. Les couches minces déposées ont été caractérisées par ladiffraction du rayon X (DRX), la microscopie à force atomique (AFM), lemicroscope électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie UV-Vis.L’activité photocatalytique des films Cu 2O et CuO a été étudiée au moyende la dégradation du méthyl orange (MO) sous irradiation directe de rayonsUV. Les propriétés photocalytique montrent des meilleures vitesses dedégradation avec une constante de vitesse de l’ordre 0,00087 min -1 pourCu2O et 0.0025 min-1 pour CuO.

Cet article représente la réalisation d’un appareillage fonctionnant automatiquement pour l'élaboration des nano couches par la technique 'Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction', SILAR–Successive Adsorption Ionique des Couches et Réaction–. La technique SILAR est une technique innovante et économique. Elle consiste à l’immersion successive d’un substrat dans des solutions de composés hydrolysables. Dans ce contexte, nous avons réussi à l’élaboration de plusieurs composés qui sont utilisés dans la construction des cellules solaires. Nos résultats montrent que les couches minces obtenues sont homogènes et uniformes, leurs épaisseurs peuvent être contrôlés avec précision de quelques nanomètres. L’appareil fabriqué est prometteur et fiable pour l’application dans le domaine des couches minces pour cellules solaires.

De nos jours les cellules solaires à couches minces sont de plus en plus utilisées essentiellement à raison de leur faible coût. Durant ces dernières décennies les performances de ces cellules ont été nettement améliorées. Dans le présent travail, on a simulé une cellule solaire de type GaAs à l’aide d’un nouveau logiciel (SCAPS) afin d’analyser certains paramètres. En particulier les propriétés de la couche fenêtre (épaisseur, dopage, … ) jouent un rôle primordial dans les performances de la cellule, et afin de les optimiser, on a étudié leur influence sur les grandeurs photovoltaïques de la cellule solaire. Dans le but de mettre en évidence l’importance de la déposition d’une couche fenêtre du type Ga1-xAlxAs sur les cellules solaires au GaAs, une comparaison entre deux cellules, l’une sans couche fenêtre, l’autre avec une couche fenêtre, a été faite. La déposition d’une couche antireflet montre une amélioration importante s’ajoute aux avantages de la couche fenêtre. Le rendement énergétique enregistré est passé de 15.68% dans une cellule au GaAs à 23.67% pour une cellule Ga1-xAlxAs/GaAs avec une couche antireflet double du type MgF2-ZnS. Les résultats obtenus sont en très bon accord avec les résultats expérimentaux publiés.

Deposited titanium oxide thin films are used as optical protector films for several materials and as energy converters for solar cells. In this work, titanium oxide thin films are deposited on c-Si and glass substrates by reactive radiofrequency sputtering. All the deposits are grown at ambient temperature and the sputtering gas is a mixture of oxygen and argon with an overall pressure of10−2mbar. The oxygen partial pressure ratios varies from 5% to 20%.Characterization of deposited films is made by grazing incidence X-ray diffraction (GIXD), grazing incidence X-ray reflection (GIXR), X-ray photoemission spectroscopy (XPS) and optical transmission spectroscopy. The characterization results reveal that deposited films of TiO2 are polycrystalline and present both rutile and anatase phases. The chemical composition of raw films in Ti:O ratio is equal to 1:2.02, and the titanium at surface is completely oxidized. In fact, the Ti2p core level behavior shows that the oxidization state of Ti is equal to+4.The specularily reflected intensity according to incidence angle of the X-ray on TiO2/glass structure shows one critical angle attributed to the TiO2 film equal to 0.283º. This angle value involves film density between rutile and anatase phases. The optical characterization shows that TiO2 thin films obtained are transparent in visible range, and have a refraction index value equal to 2.45 and when extrapolated to infrared range, it is equal to 2.23. The value of gap energy (3.35 eV) is deduced from variation of absorption coefficient versus incident radiation energy.

Depuis une dizaine d’années, des efforts considérables ont été accomplis dans le domaine de nouveaux matériaux synthétisés à bas coût pour être intégrer dans les cellules solaires à base de couches absorbantes CIS: CuIn (S,Se)2, et GICS: Cu(In, Ga)(Se,S)2. On peut citer à titre d’exemple les couches tampons telles que: CdS, ZnS, CuxS et Ag2S. Ces matériaux ont attiré notre attention vu leurs facilité à être déposé par la technique SILAR, ‘Successive Ionic Layer Absorption Reaction’ sur du verre, une technique réalisée et automatisé pour la première fois à l’université des Sciences et de la technologie d’Oran. Les matériaux sont synthétisés au laboratoire de microscopie électronique et sciences des matériaux et caractérisés à l’Université de Bourgogne par la coopération de l’équipe. Les couches minces et nanostructures sont le sulfure de cuivre CuxS, le sulfure d’argent Ag2S, le sulfure de zinc ZnS, le disulfure de cuivre et d’aluminium CuAlS2 et le disulfure de cuivre et d’indium CuInS2 ont un gap optique fondamental de l’ordre de 1,5 - 2,5 eV pour CuxS, de 1,0 - 2,0 eV pour Ag2S, de 2,5 eV pour ZnS, de 3,5 eV pour CuAlS2 et de 1,5 eV pour CIS. Ces matériaux sont préparés par plusieurs techniques, telles que spray, Sol gel, SILAR et bain chimique. A notre connaissance, il y a deux chercheurs indiens qui oeuvrent dans ce domaine, Lokhande et Pathan [1, 4, 5] qui ont développé cette technique au sens propre du brevet de déposition. Ces matériaux peuvent être utilisés en optoélectronique comme couche tampon et couche absorbante pour cellule solaire, photoconducteur et photodiode, dans les applications de l’environnement comme capteur de gaz.

Ces dernières années, l’électronique portable connait un véritable essor, et envahit notre environnement. Le progrès technologique dans le domaine de la microélectronique a permis la réduction conséquente des dimensions des composants électroniques et ouvert des possibilités de mise en réseau et de contrôle jusqu’alors impossible. La question de l’alimentation en énergie est primordiale pour ces réseaux et leur déploiement n’est possible à condition de garantir leur autonomie énergétique. La production autonome d’énergie est souvent privilégiée pour que les microsystèmes soient capables de s’alimenter librement en énergie d’origine mécanique, thermique ou solaire. De telles sources de production restent intermittentes et c’est en miniaturisant les dispositifs de stockage que leur autonomie réelle leur sera envisageable. Pour répondre à ces besoins en sources d’énergie stables et miniaturisables, des micro-batteries ont été développées en parallèle des progrès conséquents du domaine des accumulateurs électrochimiques secondaires. Les micro-batteries souffrent néanmoins de limitations intrinsèques qui se voient exacerbées à échelle micrométrique. Elles se voient donc peu à peu remplacées ou combinées ces dernières années avec des unités de stockage de type supercondensateur désigné sous le terme « micro-supercondensateur » (souvent abrégé MSC) car utilisé à l’échelle microscopique. Ces travaux de thèse proposent de confronter une solution pour micro-supercondensateurs, les nanostructures de silicium aux nouveaux enjeux du stockage de l’énergie. Un état des lieux de la technologie sera tout d’abord proposé avec la mise en évidence de faiblesses majeures. Une étude électrique fondamentale permettra ensuite de comprendre le fonctionnement d’une protection électrochimique mise en place historiquement. Les nanostructures de silicium seront ensuite ouvertes au fonctionnement en électrolyte aqueux, l’une de leur faiblesse principale. Ces avancées permettront la résiliation d’un matériau composite capable de performances capacitives jamais atteintes pour un polymère conducteur. Enfin, la collaboration avec le groupe Elkem Silicon Materials permettra de préparer cette technologie aux nouveaux enjeux du stockage en micro-dispositifs avec l'augmentation substantive des capacités de production disponibles à l'échelle laboratoire
In recent years, significant attention has been paid to the development of micro-devices as innovative energy storage solutions. For instance micro-sensor networks such as sensors actuators or implantable medical devices require power densities and cyclability that are several orders of magnitude higher than those of conventional Lithium-Ion batteries. For such applications, Microsupercapacitors (MSCs), a developing novel class of micro/nanoscale power source are rising alternatives, and their integration “on-chip” could allow significant innovations to emerge.1 Therefore, a great deal of attention has been focused on MSCs, for which large series of nanostructured active materials have been developed. Following this trend, we have demonstrated through comprehensive investigations the interest of silicon nanostructures grown by Chemical Vapor Deposition (CVD) as electrodes materials for MSCs using ionic liquid electrolytes. The fine morphological tuning of the nanostructure allowed by the bottom-up approach enables specific designs of electrode architectures, with a considerable leeway compared to other techniques. Such latitude allows optimising porosity and ionic and electronic pathways while keeping robust mechanical and thermal performances, depending on the target application. Nanostructures such as SiNWs and SiNTrs have displayed excellent electrochemical performances being stable over more than 1 million cycles of galvanostatic charge/discharge under a 4 V wide electrochemical windows in EMITFSI ionic liquid, with large power densities of 10 mW.cm-2 and good capacitance values of 0.5 mF.cm-2 at high current density of 0.5 mA.cm-2. However a major silicon weakness which was still hindering its use with aqueous electrolytes is the native uncontrolled growth of silica when subjected to ambient atmosphere. In this thesis we have developed and investigated a highly conformal passivation coating of a nanometric high-k dielectric layer of Al2O3 based on the rising Atomic Layer Deposition (ALD) technique. ALD has proven to allow a nanometric thickness control of the deposited layer while being highly conformal and covering. Moreover, as discusses in this manuscript the protective alumina layer enables the use of aqueous electrolytes for nanostructured Si based MSCs, which significantly increases the specific power of the devices up to 200 mW.cm-2 at 0.5 mA.cm-2 while keeping the capacitance performances at 0.5 mF.cm-2. Furthermore the system is remarkably able to retain 99% of its initial capacitance after 2 billion galvanostatic charge/discharge cycles at high current density of 0.5 mA.cm-2 in an aqueous electrolyte of Na2SO4. In this manuscript we have also performed a comprehensive electrical study of the alumina/silicon interface which demonstrates that such nanometric layer of dielectric is not fully resistive as assumed by most the electrochemist but rather able to conduct electricity through tunnelling effect dependant on the thickness. Eventually we have used this conductive and protective layer to strengthen a pseudocapacitive conductive polymer which is electrochemically active in aqueous electrolytes. A promising composite material is described and realised by a simple drop-cast method of a PEDOT-PSS film onto silicon nanowires. The device exhibited promising performances with a specific energy of 2 Wh.kg-1 and a power density of 300 W.kg-1 at a current density of 1 A.g-1. The MSCs was able to retain 80% its initial capacitance after 500,000 galvanostatic charge-discharge cycles at 0.5 A.g-1. The last part of the thesis describes the collaboration sets with a Norvegian company, ELKEM SILICON MATERIALS, which has lead to the rethinking of our silicon nanostructure growing process and the large increase of the production capacity

À mesure que la technologie des semi-conducteurs progresse, la nécessité de surmonter les limitations de la réduction des tailles de dispositifs est considérée comme primordiale. Bien que la loi de Moore ait guidé cette évolution au cours des cinq dernières décennies, les contraintes des composants actifs sont désormais évidentes à mesure que les processus de fabrication approchent de l'échelle atomique. L'approche "More Than Moore" a émergé pour y remédier, mettant l'accent sur l'intégration et la miniaturisation de puces hétérogènes afin de permettre l'empilement de diverses fonctionnalités système. Cependant, l'intégration de composants passifs pose des défis significatifs en raison de leur production par des processus disparates. Pour relever ce défi, Murata Integrated Passive Solutions a inventé la technologie du Substrat de Connexion Intégré Passif (PICS), facilitant l'intégration de composants passifs à base de silicium dans des structures 3D. La dernière itération, PICS5, utilise un gabarit en oxyde d'aluminium anodique et un dépôt de couche empilée Métal-Isolant-Métal par dépôt de couches atomiques. Cette thèse a contribué à l'affinement continu de la technologie PICS5 en améliorant les propriétés des condensateurs 3D et en explorant le potentiel des matériaux diélectriques à haute permittivité (Nb2O5). Cette recherche visait à optimiser les performances des composants et à anticiper les futurs défis de l'innovation en semi-conducteurs en clarifiant les subtilités des processus de dépôt de films minces et des conditions des équipements ALD
As semiconductor technology progresses, the need to overcome the limitations of shrinking device sizes is considered paramount. While Moore’s law has guided this evolution over the past five decades, the constraints of the active components are now obvious as manufacturing processes approach the atomic scale. More Than Moore's approach has emerged to address this, emphasizing the integration and miniaturization of heterogeneous chips to enable the stacking of diverse system functionalities. However, integrating passive components poses significant challenges due to their production via disparate processes. Addressing this challenge, Murata Integrated Passive Solutions invented the Passive Integrated Connecting Substrate (PICS) technology, facilitating the integration of silicon-based passive components into 3D structures. The latest iteration, PICS5, leverages an anodic aluminum oxide template and Metal-Insulator-Metal stack deposition via atomic layer deposition. This thesis contributed to the ongoing refinement of PICS5 technology by enhancing the properties of 3D capacitors and exploring the potential of high-k dielectric materials (Nb2O5). This research aimed to optimize component performance and anticipate future challenges in semiconductor innovation by clarifying the nuances of thin film deposition processes and ALD equipment conditions

Cette thèse a été réalisée au GREMI en collaboration avec Tokyo Electron Ltd, qui a également financé le projet. Le but de cette étude était de développer un nouveau procédé de gravure de couche atomique (ALE) à température cryogénique pour la gravure de matériaux à base de silicium.Le Cryo-ALE consiste à graver une ou quelques monocouches après avoir refroidi le substrat. La première étape de ce procédé est l'injection d'azote liquide pour refroidir le porte-substrat et refroidir la plaquette en injectant de l'hélium à l'arrière pour assurer le conductivité thermique. Une fois la température de la plaquette stabilisée, des espèces réactives sont injectées en phase gazeuse pour physisorber sur les surfaces refroidies. Les parois du réacteur étant maintenues à température ambiante, aucune adsorption ne se produit dessus. La troisième étape consiste à pomper ou purger la chambre par de l'argon afin d'éliminer tout le surplus de gaz réactif qui ne s'est pas physisorbé. Un plasma d'argon avec polarisation est alors démarré afin d'apporter suffisamment d'énergie par les ions pour modifier la surface de l'échantillon et graver une ou quelques monocouches du substrat. Cette étape est auto-limitante, car une fois que toute la surface modifiée est enlevée, il n'y a plus de gravure.Pour mener cette étude, un réacteur de recherche cryogénique ICP a été utilisé. Un ellipsomètre spectroscopique in-situ a été couplé pour enregistrer la variation d'épaisseur en temps réel, et un spectromètre de masse a été utilisé pour analyser les espèces présentes dans la chambre du réacteur pendant le procédé et en savoir plus sur les mécanismes.Des analyses par spectroscopie photoélectronique par rayons X quasi in-situ a également été réalisée au laboratoire IMN pour étudier l'évolution de la surface à basse température.Le principal avantage de ce procédé basé sur la physisorption d'espèces réactives, est qu'il permet de limiter la contamination des parois du réacteur et donc d'éviter des dérives au cours du procédé.En parallèle, un deuxième procédé a été développé à des températures cryogéniques mais où l'étape de modification a été réalisée en phase plasma. Ce second procédé a permis d'atteindre une sélectivité élevée entre Si3N4 sur Si et SiO2
This PhD was conducted at GREMI in collaboration with Tokyo Electron Ltd, that has also financed the project. The purpose of this study was to develop a new Atomic Layer Etching (ALE) process at cryogenic temperature for silicon-based materials etching.Cryo-ALE consists on etching one to few monolayers after decreasing the substrate temperature. The first step of this process is the injection of liquid nitrogen to cool the chuck and cool the wafer by injecting He at its backside to ensure the thermal conductivity. Once the wafer temperature has been stabilized, reactive species are injected in gas phase in order to physisorb on the cooled surfaces. As the reactor walls are kept at room temperature, no adsorption occurs on it. The third step is to pump or purge the chamber by Argon in order to remove all the surplus of the reactive gas that did not physisorb. An argon plasma with bias is then started in order to bring enough energy by the ions to make modify the surface of the sample and etch one to few monolayers of the substrate. This step is self-limited, as once all the modified surface is removed, no more etching occurs.To conduct this study, an ICP cryogenic research reactor has been used. On it an in-situ spectroscopic ellipsometer was coupled to monitor the thickness variation in real time, and an Electrostatic Quadrupole Mass Spectrometer was used to analyze the species present in reactor chamber during the process and know more about the mechanisms.Quasi in-situ X-ray Photoelectron Spectroscopy has also been performed at the laboratory IMN for surface analysis at low temperature.The main advantage of this process based on the physisorption of reactive species, is that it enables to limit reactor walls contamination and hence prevent process drifts.In parallel, a second process was developed at cryogenic temperatures but where the modification step was performed in plasma phase. This second process enabled to achieve high selectivity between Si3N4 over Si and SiO2

Un dispositif expérimental de dépôt électrochimique en couches atomiques (EC-ALE) a été conçu et réalisé dans cette thèse. Sa mise en oeuvre a permis de valider cet équipement. Grâce à la flexibilité de cet équipement, un nouveau point de vue du dépôt en sous potentiel (UPD) du cobalt sur un substrat d'or a été proposé. Les résultats montrent aussi que le dépôt alternatif de monocouches de Co et de Sb est possible. Pour la première fois, l'électrodéposition de films minces Sb2Se3 par la méthode EC-ALE sur des électrodes poly-cristallines d'or a été obtenue et étudiée. Les paramètres de dépôt ont été déterminés et le film mince déposé a été caractérisé par analyses MEB et RAMAN. L'adsorption irréversible et le phénomène UPD réversible de Sb sur une électrode de Pt a aussi été étudié. Les résultats montrent qu'après la réduction en Sb des espèces adsorbées SbO+, des atomes de Sb peuvent être déposés sur cette électrode de Pt modifiée au Sb en utilisant le dépôt en sous potentiel pour augmenter le recouvrement du substrat du Pt par le Sb
An electrochemical atomic layer epitaxy (EC-ALE) experiment platform was designed and constructed in this thesis, and this platform was proved to be qualified for EC-ALE experiments.Benefiting from the flexibility of the EC-ALE equipment, a new viewpoint about the UPD behavior of cobalt on the gold substrate has been put forward in this work. The results also show that the subsequent alternate deposition of Co and Sb monolayers is feasible.For the first time the electrodeposition of Sb2Se3 thin films by EC-ALE method on polycrystalline Au electrodes has been obtained and investigated. The deposition parameters were determined and the deposit was characterized by SEM and Raman analysis.The irreversible adsorption and reversible UPD behaviour of Sb on Pt electrode have also been studied. The results show that after the irreversibly adsorbed SbO+ species are reduced to metallic Sb, Sb atoms can be further deposited onto this Sb-modified Pt electrode in the way of UPD to increase the coverage of Sb on the Pt substrate

Pour pallier a l'insuffisance de certains traitements thermochimiques, face a des sollicitations tres severes a haute temperature (usure, proprietes de frottement), de nouveaux procedes ont ete appliquees aux pieces mecaniques. Ces traitements permettent de realiser un revetement de faible epaisseur (quelques micrometres) generalement tres dur et stable chimiquement. C'est dans cette optique qu'on a choisi la technique de deposition physique en phase vapeur pvd, qui grace a ces avantages specifiques, suscite un interet croissant en mecanique. Le travail mene au cours de cette etude fait partie d'un projet brite-euram qui rassemble des partenaires de differents pays d'europe. L'objectif principal etait de developper de nouveaux revetements pour lutter contre l'usure des outils de coupe dans le souci d'augmenter leur duree de vie. Pour cela, il a fallu introduire des ameliorations sur la technique de deposition physique en phase vapeur preexistante : un nouveau concept pour le prototype de l'equipement pvd a ete developpe. Avec ce type de prototype, il a ete possible de produire de nouveaux revetements a base de tungstene et d'un autre metal d'addition. Une premiere partie de ce travail a ete consacree a l'optimisation des parametres technologiques de deposition, une seconde partie a la caracterisation mecanique de tels depots et leur resistance au frottement et a l'usure a haute temperature par le biais d'un tribometre pion-disque. Nous avons mis en evidence le role important des oxydes formees sur la zone de contact pendant le frottement et leur influence directe sur l'evolution des mecanismes d'usure. Certains oxydes sont benefiques pour le contact puisqu'ils diminuent le coefficient de frottement et l'usure et jouent de ce fait le role de lubrifiants solides. Ils ont la capacite de se maintenir dans le contact pendant toute la duree de frottement, adherent fortement aux espaces uses par interaction mecanique et induisent des contraintes de cisaillement faibles par rapport a celles des substrats utilises.

Avec l'augmentation de la densité de fonctionnalités dans les différents circuits intégrés nous entourant, l'intégration 3D (empilement des puces) devient incontournable. L'un des point-clés d'une telle intégration est la métallisation des vias traversant (TSV, Through Silicon Via) reliant deux puces entre-elles : ces TSV ont des facteurs de forme de plus en plus agressifs, pouvant dépasser 20. Les dépôts des couches barrière à la diffusion du cuivre et d'accroche pour le dépôt électrolytique du cuivre étant actuellement réalisées par dépôt physique en phase vapeur, ceux-ci sont limités en termes de conformité et de facteur de forme. Le travail de cette thèse porte sur le développement du dépôt de couches atomiques (ALD, Atomic Layer Deposition) de cuivre et de nitrure de tantale afin de résoudre les problèmes énoncés lors de la métallisation de TSV. Les précurseurs de cuivre étant actuellement mal connus, différents précurseurs ont été dans un premier temps évalués, afin de sélectionner celui répondant au cahier des charges précis de notre étude. Nous nous sommes par la suite attachés à l'étudier selon deux axes : d'abord en examinant ses propriétés thermodynamiques afin de mieux appréhender les réactions de dépôt, puis lors d'élaboration de films de cuivre sur différents substrats et à différentes conditions afin d'optimiser le procédé d'élaboration de films mince de cuivre. Dans un second temps, nous nous sommes attachés à l'étude d'un précurseur de tantale pour la réalisation de couches barrière à la diffusion. Celui-ci a été étudié en ALD, afin de proposer à l'industrie microélectronique un procédé de dépôt de couches barrière et d'accroche optimisé. Pour finir, nous avons vérifié que l'ALD permet le dépôt conforme dans des TSV à haut facteur de forme, et que les films obtenus ont les propriétés correspondant au cahier des charges de l'industrie la microélectronique.

Le travail presente dans cette these porte sur la realisation de composes du type (sr#1#-#xca#x)cuo#2. Leur structure cristalline consiste en l'alternance de deux types de plans atomiques: un plan d'oxyde de cuivre (cuo#2) et un plan intercalaire d'atomes alcalins (de type dans notre sr#1#-#xca#x dans notre etude). Cette famille de composes est nommee phase infinie, parce qu'elle peut etre assimilee a un cuprate comportant une infinite de plan cuo#2 par cellule. Un procede de depot a ete mis au point, permettant de synthetiser des films de phase infinie (sr#1#-#xca#x)cuo#2 par epitaxie sequentielle par jet moleculaire (mbe), controlee par la diffraction d'electrons a haute energie. Les phases obtenues sont semiconductrices et ne presentent pas de transition supraconductrice lorsqu'elles sont pures. Cette etude s'est poursuivie par la recherche d'un procede de dopage, avec l'intention de rendre la phase infinie supraconductrice. Une voie prometteuse a ete ouverte puisque deux phases supraconductrices, respectivement a 160 k et a 250 k, ont ete synthetisees