Simulation de profils de gravure et de dépôt à l’échelle du motif pour l’étude des procédés de microfabrication utilisant une source plasma de haute densité à basse pression

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Films minces de copolymères à blocs supramoléculaires et photosensibles

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique.

Optical and Carrier Transport Properties of Cosputtered Zn–In–Sn–O Films and Their Applications to TFTs

The optical and carrier transport properties of amorphous transparent zinc indium tin oxide (ZITO)(a-ZITO) thin films and the characteristics of the thin-film transistors TFTs were examined as a function of chemical composition. The as-deposited films were very conductive and showed clear free carrier absorption FCA . The analysis of the FCA gave the effective mass value of 0.53 me and a momentum relaxation time of 3.9 fs for an a-ZITO film with Zn:In:Sn = 0.35:0.35:0.3. TFTs with the as-deposited channels did not show current modulation due to the high carrier density in the channels. Thermal annealing at 300°C decreased the carrier density and TFTs fabricated with the annealed channels operated with positive threshold voltages VT when Zn contents were 25 atom % or larger. VT shifted to larger negative values, and subthreshold voltage swing increased with decreasing the Zn content, while large on–off current ratios 107–108 were kept for all the Zn contents. The field effect mobilities ranged from 12.4 to 3.4 cm2 V−1 s−1 for the TFTs with Zn contents varying from 5 to 48 atom %. The role of Zn content is also discussed in relation to the carrier transport properties and amorphous structures.

Optical absorption studies in ion implanted and amorphous semiconductors - Investigations in some tetrahedrally co-ordinated and chalcogenide materials

The thesis provides an overall review and introduction to amorphous semiconductors, followed by a brief discussion on the important structural models proposed for chalcogenide glasses and their electrical, optional and thermal properties. It also gives a brief description of the Physics of thin films, ion implantation and Photothermal Deflection Spectroscopy. A brief description of the experimental setup of a photothermal deflection spectrometer and the details of the preparation and optical characterization of the thin film samples. It deals with the employment of the subgap optional absorption measurement by PDS to characterize the defects, amorphization and annealing behavior in silicon implanted with B+ ions and the profiles of ion range and vacancy distribution obtained by the TRIM simulation. It reports the results of all absorption measurements by PDS in nitrogen implanted thin film samples of Ge-Se and As-Se systems

Fabrication and Characterization of Spray Pyrolysed Cadmium Sulphide Homojunction Solar Cells

The study on the fabrication and characterization of spray pyrolysed cadmium sulphide homojunction solar cells. As an alternative to the conventional energy source, the PV technology has to be improved. Study about the factors affecting the performance of the existing solar cells and this will result in the enhancement of efficiency of the cells. At the same time it is equally important to have R&D works on developing new photovoltaic devices and processes which are less expensive for large scale production. CdS is an important binary compound semiconductor, which is very useful in the field of photovoltaics. It is very easy to prepare large area CdS thin films. In order to fabricate thin film homojunction cadmium sulphide cells, prepared and characterized SnO2 thin film as the lower electrode, p-CdS as the active layer and n-CdS as window layer. Cadmium material used for the fabrication of homojunction solar cells is highly toxic. The major damage due to continued exposure to low levels of cadmium are on the kidneys, lungs and bones. The real advantage of spray pyrolysis process is that there is no emission of any toxic gases during the deposition. Very low concentration of the chemicals is needed in this process. The risk involved from this material is very low, though they are toxic. On large scale usage it may become necessary that the cells after their life, should be bought back by the companies to retrieve chemicals like cadmium. This will reduce environmental problem and also the material wastage

A Novel Radar-Absorbing-Material Based on EBG Structure

A navel ultra-thin radar-absorbing material (RAM) using metanwterials is presented and the absorption performance is examined. Due to the high-impedance property of the metamalerials. the thickness of the RAM is about several tenths of the center wavelength of the absorption band, which is considerably thinner than conventional absorbers. The absorption bandwidth of the RAM is about several hundred megahertz

Effects and Modifications in In/Se and In/Sb Systems by Swift Heavy Ion Irradiation

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Fast imaging of laser-blow-off plume:Lateral confinement in ambient environment

The dynamics of plasma plume, formed by the laser-blow-off of multicomponent LiF-C thin film under various ambient pressures ranging from high vacuum to argon pressure of 3 Torr, has been studied using fast imaging technique. In vacuum, the plume has ellipsoidal shape. With the increase in the ambient pressure, sharp plume boundary is developed showing a focusing-like confinement in the lateral space behavior in the front end, which persists for long times. At higher ambient pressure (> 10−1 Torr ), structures are developed in the plasma plume due to hydrodynamic instability/turbulences.

Visible luminescence mechanism in nano ZnO under weak confinement regime

We describe the structure of luminescence spectrum in the visible region in nano-ZnO in colloidal and thin film forms under weak confinement regime by modeling the transition from excited state energy levels of excitons to their ground state. Measurements on nanocrystallites indicate the presence of luminescence due to excitonic emissions when excited with 255 nm. The relevant energy levels showing the transitions corresponding to the observed peaks in the emission spectrum of ZnO of particle size 18 nm are identified.

Spray Pyrolysed CuInS2/In2S3 Solar Cell: Material Characterization and Device Fabrication

As emphasis towards sustainable and Renewable energy resources grows world-wide,interest in the capture and use of solar energy is increasing dramatically.Solar cells have been known and used for many years,but depletion of conventional energy resources resulted in the intensification of research on solar cells leading to new design and technique of fabrication.The current emphasis is directed towards high effiency inexpensive solar cells.This thesis includes deposition and characterization of CuInS2 and In2S3 thin films using chemical Spray Pyrolysis(CSP) technique.The optimum condition for these films to be used as absorber and buffer layer respectively in solar cells were thus found out.Solar cell with the stucture,ITO/CuInS2/In2S3/metal electrode was fabricated using these well-characterized films,which yielded an efficiency of 9.5%.

A microbent fiber optic pH sensor

Optical fiber sensors developed for measuring pH values usually employ an unclad and unstrained section of the fiber. In this paper, we describe the design and fabrication of a microbent fiber optic sensor that can be used for pH sensing. In order to obtain the desired performance, a permanently microbent portion of a plastic optic fiber is coated with a thin film of dye impregnated sol–gel material. The measurements are simultaneously carried out in two independent detection schemes viz., the bright field detection configuration for detecting the core modes and dark field detection configuration, for detecting the cladding modes. The results of measurements of core mode-power and cladding mode-power variation with change in pH of a solution surrounding the coated portion of the fiber is presented. This paper thus demonstrates how a bare plastic fiber can be modified for pH sensing in a simple and cost effective manner.

Luminescence studies of strontium sulphide based phosphors for display applications

This thesis has focused on the synthesis and analysis of some important phosphors (nano, bulk and thin film) for display applications. ACTFEL device with SrS:Cu as active layer was also fabricated.Three bulk phosphors: SrS:Cu,CI; SrS:Dy,Cl; and SrS:Dy,Cu,Cl were synthesized and their structural, optical and electrical properties were investigated. Special emphasis was given to, the analysis of the role of defects and charge compensating centers, on the structural changes of the host and hence the luminance. A new model describing the sensitizing behaviour of Cu in SrS:Dy,Cu,Cl two component phosphor was introduced. It was also found that addition of NH4CI as flux in SrS:Cu caused tremendous improvement in the structural and luminescence properties.A novel technique for ACTFEL phosphor deposition at low temperature was introduced. Polycrystalline films of SrS:Cu,F were synthesized at low temperature by concomitant evaporation of host and dopant by electron beam evaporation and thermal evaporatin methods.Copper doped strontium sulphide nanophosphor was synthesized for the first time. Improvement in the luminescence properties was observed in the nanophosphor with respect to it' s bulk counterpart.

RF magnetron sputtered perovskite oxide electrodes for Ferroelectric RAM

The main objective of this thesis work is to optimize the growth conditions for obtaining crystalline and conducting Lao.5Sro.5Co03 (LSCO) and Lao.5Sro.5Coo.5.5Nio.5O3 (LSCNO) thin films at low processing temperatures. The films are prepared by radio frequency magnetron sputtering under various deposition conditions. The thin films were used as electrodes for the fabrication of ferroelectric capacitors using BaO.7SrO.3 Ti03 (BST) and PbZro.52 Tio.4803 (PZT). The structural and transport properties of the La1_xSrxCo03 and Lao.5Sro.5Co1_xNix03 are also investigated. The characterization of the bulk and the thin films were performed using different tools. A powder X-ray diffractometer was used to analyze the crystalline nature of the material. The transport properties were investigated by measuring the temperature dependence of resistivity using a four probe technique. The magnetoresistance and thermoelectric power were also used to investigate the transport properties. Atomic force microscope was used to study the surface morphology and thin film roughness. The ferroelectric properties of the capacitors were investigated using RT66A ferroelectric tester.