Spécialité : Sciences des matériaux
Laboratoire : LSPM
Directeur de thèse : Fabien Bénédic
Co-encadrante : Audrey Valentin
Synthèse de films de diamant par plasma micro-ondes : approche couplée modèle/expérience.
La croissance par procédé PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) de films de diamant comportant un taux très faible de défauts cristallins, des orientations cristallines bien déterminées et une haute qualité microstructurale, sur la plus large surface possible, est un enjeu majeur pour l’émergence d’applications performantes. L’optimisation des caractéristiques des films de diamant synthétisé par PECVD repose sur la connaissance et le contrôle des mécanismes de croissance en fonction des conditions opératoires (pression de travail, composition gazeuse, puissance micro-onde, température du substrat…). Cela nécessite à la fois des études expérimentales et le développement d’outils numériques capables de faire le lien entre les conditions expérimentales, la composition du plasma, les interactions entre les espèces actives avec la surface du substrat et du film, la vitesse de croissance des différentes faces cristallines et la morphologie/texture finale du film déposé. Pour ces études, le laboratoire dispose depuis plusieurs années de modèles plasmas, d’un modèle géométrique macroscopique de la croissance et, plus récemment, d’un modèle Monte-Carlo cinétique qui fait le lien entre les deux premiers outils numériques. Dans ce contexte, mon sujet de thèse s’intéresse à l’étude et au contrôle de la croissance de films de diamant nano-, poly- et mono-cristallin par plasmas CVD assisté par plasmas micro-ondes à travers une démarche couplant des expériences de croissance cristalline et de diagnostics plasma et l’utilisation des outils de modélisation décrit précédemment, plus particulièrement du code Monte-Carlo cinétique qu’il conviendra d’améliorer, afin de maîtriser les mécanismes de croissance en vue de produire des films de diamant possédant des propriétés adaptées à différentes applications.
Microwave plasma synthesis of diamond films: coupled model/experimental approach.
The growth by PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition) of diamond films with a very low level of crystalline defects, well-defined crystalline orientations and high microstructural quality, over the largest possible surface area, is a major challenge for the emergence of high-performance applications. Optimising the characteristics of diamond films synthesised by PECVD relies onknowledge and control of the growth mechanisms as a function of the operating conditions (working pressure, gas composition, microwave power, substrate temperature, etc.). This requires both experimental studies and the development of numerical tools capable of linking the experimental conditions, the plasma composition, the interactions between the active species and the substrate and film surface, the growth rate of the various crystalline faces and the final morphology/texture of the deposited film. For these studies, the laboratory has for several years had plasma models, a macroscopic geometric growth model and, more recently, a kinetic Monte Carlo model that links the first two numerical tools. In this context, the subject of my thesis concerns the study and control of the growth of nano-, poly-and mono-crystalline diamond films using CVD plasmas assisted by microwave plasmas through an approach combining crystal growth experiments and plasma diagnostics and the use of the modelling tools described above, more particularly the kinetic Monte-Carlo code, which will need to be improved, in order to control the growth mechanisms with a view to producing diamond films with properties adapted to different applications