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dc.contributor.advisorAktik, Cetinfr
dc.contributor.advisorScarlete, Mihaifr
dc.contributor.authorAwad, Yousef Odehfr
dc.date.accessioned2014-05-15T12:32:43Z
dc.date.available2014-05-15T12:32:43Z
dc.date.created2006fr
dc.date.issued2006fr
dc.identifier.isbn9780494426692fr
dc.identifier.urihttp://savoirs.usherbrooke.ca/handle/11143/1821
dc.description.abstractLa technique de déposition chimique en phase vapeur utilisant un polymère comme source, a été utilisée pour déposer des couches minces de carbure de silicium (a- SiC) et de carbonitrure de silicium sur différents types de substrats. Ceci a permis d'étudier les interactions, au niveau de l'interface, du carbure de silicium et des différents matériaux utilisés comme substrat tels que le silicium (Si), l'oxyde de silicium (SiO2), le nitrure de silicium (SiJN4), le chrome (Cr), le titane (Ti) et d'autres matériaux réfractaire qui étaient déposés sur le silicium. L'effet du recuit thermique sur les propriétés mécaniques et la structure des couches déposées, a été étudié en détail. Une attention particulière a été accordée à la caractérisation de la composition et des liaisons atomiques de ces couches, en fonction du pourcentage d'atomes d'azote introduit dans le a-SiCN:H. Des mesures expérimentales capacité-voltage ont été utilisées systématiquement pour évaluer le niveau d'impureté des couches du a-SiC déposées. Les liens atomiques chimiques de ces dernières ont été examinés à l'aide de la spectroscopie infrarouge à transformée Fourier (FTIR). En plus, les techniques de détection de la relaxation élastique (ERD) et la spectroscopie des photoélectrons de rayons X (XPS) ont été utilisées pour déterminer la composition élémentaire des couches et de l'interface couche-substrat, alors que la reflection de rayons X (XRR) a été utilisée pour déterminer la densité des couches. L'interprétation spectrale a été utilisée pour déterminer les différents composants du matériau à partir des données du FTIR et XPS. Un microscope électronique à balayage (SEM) et un microscope à force atomique (AFM) ont aussi été utilisés pour caractériser la morphologie de la surface des couches. D'un autre côté, leurs propriétés mécaniques ( dureté (H) et module de Young (E)) ont été étudiées en utilisant la technique de nanoindentation. Les niveaux d'impuretés des couches du a-SiC ont paru clairement corrélés avec la nature du substrat utilisé. Les substrats constitués de Pt-Rh et de TiN déposés sur le Si démontrent le plus bas niveau d'impuretés lxl013 cm-3, alors que ceux obtenus par du Cr et du Ti déposés sur le Si donnent des concentrations d'impuretés beaucoup plus grandes. Ceci s'explique par la forte diffusion des éléments métalliques (Cr ou Ti), ce qui n'est pas le cas du Pt-Rh ou TiN. Ainsi, nos résultats démontrent que ces matériaux constituent la solution de choix qui satisferait le mieux les critères d'utilisation du a-SiC pour les composants optoélectroniques. Les mesures FTIR ont révélé que le recuit n'augmente pas seulement l'intensité de la bande d'absorption du a-SiC linéairement, mais aussi il déplace sa position spectrale vers un ordre plus grand. En plus, en augmentant la température du recuit (T.) de 750 à 1200 °C, la densité des liaisons Si-C augmente de 101.6xl021 à 224.5xl021 bond-cm-3 et la densité des liaisons Si-H diminue de 2.58xl021 à 0.46xl021 bond·cm-3• La densification des couches résultante du recuit a été confirmée par les mesures XRR qui ont montré que la densité du a-SiC a augmenté de 2.36 à 2.75 g/cm- 3 lorsque la température (T.) a été augmentée de 750 à 1200 °C. D'un autre côté, cette augmentation de température résulte en une augmentation de la dureté et du module de Young de 15.5 à 17.6 GPa et de 155 à 178 GPa respectivement. Au niveau microstructure!, l'augmentation de la quantité d'azote incorporée dans la couche du a- SiCN:H n'a pas seulement permis la substitution des atomes C par des atomes N dans l'environnement immédiat du Si-C-N, mais aussi la formation d'une structure complexe entre Si, C et N. Pour l'instant, les spectres FTIR démontrent une chute remarquable de l'intensité de vibration du Si-C accompagnée par d'autres liaisons telles que Si-N, C-N, C=N, Ü=N et N-H avec une augmentation du rapport NH3'Ar. En plus, les spectres du XPS montrent l'existence de différentes liaisons chimiques dans les couches du a- SiCN:H telles que Si-C, Si-N, C-N, C=N et C=C. Les données obtenues par la FTIR et la XPS démontrent que les liaisons chimiques dans la matrice amorphe sont plus compliquées qu'une collection de liaisons simples Si-C, Si-N ou Si-H. D'un autre côté, l'augmentation de la quantité d'azote incorporée dans les couches du a-SiCN:H provoque une augmentation de la rugosité moyenne de la surface (Rnns) de 4 à 12 nm. Aussi, les couches deviennent poreuses avec des ports de plus en plus grands et de plus en plus denses. En somme, les paramètres H et E des couches du a-SiCN:H paraissent sensitifs à la quantité d'azote puisqu'ils diminuent de 17 ou 160 GPa à 13 ou 136 GPa respectivement, quand la quantité d'azote est augmentée de O à 27 at.%. La formation des liaisons Si-N, Si-H et N-H ay détriment de plus fortes liaisons Si-C semble intervenir dans la diminution des propriétés mécaniques des couches du a-SiCN:H suite à une augmentation de la quantité d'azote. Nos résultats confirment la corrélation constante et linéaire, déjà établie, entre les propriétés mécaniques des couches du a-SiC et leurs densités de liaisons.
dc.description.abstractAbstract : Amorphous silicon carbide (a-SiC) and silicon carbonitride thin films have been deposited onto a variety of substrates by Polymer-Source Chemical Vapor Deposition (PS-CVD). The interfacial interaction between the a-SiC films and several substrates including silicon, SiO[subscript 2], Si[subscript 3]N[subscript 4], Cr, Ti and refractory metal-coated silicon has been studied. The effect of thermal annealing on the structural and mechanical properties of the prepared films has been discussed in detail. The composition and bonding states are uniquely characterized with respect to the nitrogen atomic percentage introduced into the a-SiCN:H films. Capacitance-voltage (C-V) measurements were systematically used to evaluate the impurity level of the deposited a-SiC films. The chemical bonding of the films was systematically examined by means of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). In addition, elastic recoil detection (ERD) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) techniques were used to determine the elemental composition of the films and of their interface with substrates, while X-ray reflectivity measurements (XRR) were used to account for the film density. Spectral deconvolution was used to extract the individual components of the FTIR and XPS spectra. Scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) were also employed to characterize the surface morphology of the films. In addition, their mechanical properties [(hardness (H) and Young's modulus (E)] were investigated by using the nanoindentation technique. The impurity levels of the a-SiC films were found to be clearly correlated with the nature of the underlying substrates. The Pt-Rh and TiN-coated Si substrates were shown to lead to the lowest impurity level (~ 1×10[superscript 13] cm[superscript -3]) in the PS-CVD grown a-SiC films, while Cr and Ti-coated Si substrates induced much higher impurity concentrations. Such high impurity levels were shown to be a consequence of a strong metallic diffusion of the metallic species (Cr or Ti). In contrast, no diffusion was observed at the interface of a-SiC with either Pt-Rh or TiN. Our results pinpointed TiN-coated Si as the electrode material of choice that satisfied best all criteria required for the integration of a-SiC into opto-electronic devices. FTIR measurements revealed that not only the intensity of a-SiC absorption band linearly increased, but also its position is found to shift to a higher wave number as a result of annealing. In addition, the bond density of Si-C is found to increase from (101.6-224.5)×10[superscript 21] bond[dot]cm[superscript -3] accompanied by a decrease of Si-H bond density from (2.58-0.46)× 10[superscript 21] bond[dot]cm[superscript -3] as a result of increasing the annealing temperature (T[subscript a]) from 750 to 1200 [degrees]C. Annealing-induced film densification is confirmed by the XRR measurements, as the a-SiC film density is found to increase from 2.36 to ~ 2.75 g/cm[superscript -3] when T[subscript a] is raised from 750 to 1200 [degrees]C. In addition, as annealing temperature T[subscript a] is increased from 750 to 1200 [degrees]C, both hardness and Young's modulus are found to increase from 15.5 to 17.6 GPa and 155 to 178 GPa, respectively. On the microstructural level, the increase incorporation of N in the a-SiCN:H films is found not only to lead to C atoms substitution by N atoms in the local Si-C-N environment but also to the formation of a complex structure between Si, C and N. For instance, the FTIR spectra show a remarkable drop in the intensity of Si-C vibration accompanied by the formation of further bonds including Si-N, C-N, C=N, C[identical to]N and N-H with increasing NH[subscript 3]/Ar ratio. Moreover, the XPS spectra showed the existence of different chemical bonds in the a-SiCN:H films such as Si-C, Si-N, C-N, C=N and C=C. Both FTIR and XPS data demonstrate that the chemical bonding in the amorphous matrix is more complicated than a collection of single Si-C, Si-N, or Si-H bonds. Furthermore, the increase incorporation of N in the a-SiCN:H films resulted in an increase of the average R[subcsript rms] surface roughness from 4 to 12 nm. Moreover, the films became porous with pore size and density increase as a result of increasing N at.%. Ultimately, both H and E of the a-SiCN:H films were found to be sensitive to their N content, as they decreased (from ~17 GPa and 160 GPa to ~13 GPa and 136 GPa, respectively) when the N content was increased from 0 to 27 at.%. The formation of Si-N, Si-H, and N-H bonds at the detriment of the more stiffer Si-C bonds are thought to account for the observed lowering of the mechanical properties of the a-SiCN:H films such as their N content increased. Our results confirmed the previously-established constant-plus-linear correlation between the mechanical properties of the a-SiC films and their bond densities.
dc.language.isoengfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© Yousef Odeh Awadfr
dc.titleCharacterization of amorphous silicon carbide and silicon carbonitride thin films synthesized by polymer-source chemical vapor deposition mechanical structural and metal-interface propertiesfr
dc.typeThèsefr
tme.degree.disciplineGénie électriquefr
tme.degree.grantorFaculté de géniefr
tme.degree.levelDoctoratfr
tme.degree.namePh.D.fr


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