De nombreuses applications industrielles nécessitent le dépôt de films métalliques à la surface de polymères afin de conférer une fonction de conduction électrique à ces matériaux isolants. Cette étude a été motivée par la volonté de la société Radiall, dont une partie de l’activité concerne la réalisation de connecteurs à haute performance, de remplacer le procédé de métallisation par voie humide par un procédé de dépôt par voie sèche plasma. Le travail présenté ici porte ainsi sur l’étude du procédé de pulvérisation cathodique magnétron avec ionisation de la vapeur par plasma radiofréquence (RF-IPVD) pour le dépôt de couches minces de cuivre sur substrats de formes complexes en poly-sulfure de phénylène. Cette thèse regroupe d’une part les résultats concernant la métallisation des connecteurs et d’autre part l’analyse de la phase plasma. La validation du procédé RF-IPVD a comporté plusieurs étapes : i) le développement du traitement du polymère par plasma ICP avant dépôt du film de cuivre afin que l’adhérence satisfasse la norme ISO 2409. ii) la détermination des paramètres d’élaboration permettant d’optimiser la conductivité des films et leur conformité sur les substrats 3D. Ces travaux se sont concrétisés par la définition d’un réacteur pilote dans l’optique de réaliser la transposition à l’échelle industrielle du procédé RF-IPVD. Plusieurs études à caractère fondamental ont également été menées afin, d’une part, de comprendre les mécanismes régissant l’adhérence (analyses XPS) et ceux régissant la résistivité (analyses DRX). D’autre part, l’utilisation de divers diagnostics de la phase plasma ont été employés afin de comprendre les mécanismes de transfert d’énergie prenant place dans le milieu gazeux et responsables des propriétés des dépôts. / Many industrial applications require the deposition of metal thin films on polymer surfaces in order to confer electrical conductive function to these insulating materials. This study was motivated by the will of Radiall company, which is a high performance connectors maker, to substitute the chemical bath metallization process by a plasma deposition process. The present work focuses on the study of a magnetron sputtering process with ionization of the mettalic vapor plasma (RF-IPVD) for depositing thin copper films on complex shapes poly-phenylene sulfide substrates. This thesis shows the results for the connectors metallization and also the analysis of the plasma. RF-IPVD process validation involves several steps: i) the development of polymer treatment by ICP plasma before depositing copper films in order to meet ISO 2409 adhesion standard. ii) determining the processing parameters to optimize the conductivity of the films and their compliance on the 3D substrates. The industrial part has been concluded by the definition of a prototype reactor with a view to achieve the implementation of the RF-IPVD process on an industrial scale. Several fundamental studies have been performed to understand the mechanisms governing the adhesion (XPS analysis) and those governing the resistivity (XRD analysis). Moreover, the use of various plasma diagnostics were used to understand the energy transfer mechanisms taking place in the gaseous medium and responsible of the films properties.

Ces dernières années, l’évolution de la taille des circuits intégrés a été dirigée par la loi de Moore conduisant à des noeuds technologiques de 22 nm et en-deçà. Cependant, les problématiques de performances, de taille et de coût des composants rendent cette conjecture difficile à suivre. La tendance de diversification appelée « More than Moore » consiste à intégrer des fonctions analogiques avec des technologies CMOS dans le but d’optimiser les coûts.L'une de ses technologies clés est le TSV, qui maintient le contact entre deux niveaux de composants. Leurs facteurs de forme devenant de plus en plus élevés, les techniques de dépôts standards par iPVD sont proches de leurs limites. De plus, les méthodes de caractérisation usuelles ne sont pas adaptées à ces structures.La première partie de cette thèse sera dédiée au développement des procédés de dépôt de la barrière de diffusion du cuivre par MOCVD à basse température pour s’adapter aux divers schémas d'intégration de type via middle et via last. La deuxième partie sera consacrée à l’élaboration des protocoles avancés de caractérisation des films dans ces structures afin d’étudier leurs comportements en intégration. / For the past years, Moore’s law has pointed mainstream microelectronics, driving integrated circuits down to 22 nm and below. Yet, performance, dimension and cost issues make it difficult to follow the trend. Integrating analog functions into CMOS-based technologies enables cost-optimized systems solutions. These diversified tendencies are known as “More than Moore”. One of the key technologies of this trend is the TSV, which maintains the contact between two components.The increasing aspect ratio of via made it critical to obtain a continuous, conformal coverage of the copper diffusion barrier layer using iPVD.In the first part of this thesis, a promising deposition technique by MOCVD has been developed at low temperature to fulfill various integration schemes including via last and via middle processes.Characterizations of the behavior of these materials in the TSV then became a great challenge in order to handle the integration protocol. Working at theses scales makes standard methods limited to evaluate the intrinsic properties inside the TSV. In the second part, the implementations of advanced characterization into these structures were carried out.

De nombreuses applications industrielles nécessitent le dépôt de films métalliques à la surface de polymères afin de conférer une fonction de conduction électrique à ces matériaux isolants. Cette étude a été motivée par la volonté de la société Radiall, dont une partie de l'activité concerne la réalisation de connecteurs à haute performance, de remplacer le procédé de métallisation par voie humide par un procédé de dépôt par voie sèche plasma. Le travail présenté ici porte ainsi sur l'étude du procédé de pulvérisation cathodique magnétron avec ionisation de la vapeur par plasma radiofréquence (RF-IPVD) pour le dépôt de couches minces de cuivre sur substrats de formes complexes en poly-sulfure de phénylène. Cette thèse regroupe d'une part les résultats concernant la métallisation des connecteurs et d'autre part l'analyse de la phase plasma. La validation du procédé RF-IPVD a comporté plusieurs étapes : i) le développement du traitement du polymère par plasma ICP avant dépôt du film de cuivre afin que l'adhérence satisfasse la norme ISO 2409. ii) la détermination des paramètres d'élaboration permettant d'optimiser la conductivité des films et leur conformité sur les substrats 3D. Ces travaux se sont concrétisés par la définition d'un réacteur pilote dans l'optique de réaliser la transposition à l'échelle industrielle du procédé RF-IPVD. Plusieurs études à caractère fondamental ont également été menées afin, d'une part, de comprendre les mécanismes régissant l'adhérence (analyses XPS) et ceux régissant la résistivité (analyses DRX). D'autre part, l'utilisation de divers diagnostics de la phase plasma ont été employés afin de comprendre les mécanismes de transfert d'énergie prenant place dans le milieu gazeux et responsables des propriétés des dépôts.

Grâce à ses excellentes propriétés physiques et chimiques (stable thermiquement, bon conducteur électrique et de chaleur, ductile, très dur mécaniquement, bonne inertie chimique), le matériau tantale et son nitrure TaNx sont utilisés comme revêtement de surface des outils, résistance électrique, barrière de diffusion au cuivre, croissance de nanotubes par un procédé chimique catalytique en phase vapeur. C’est ce matériau et son nitrure que nous avons étudiés lors de cette thèse.Aujourd’hui les exigences des industriels nécessitent que la pulvérisation cathodique magnétron (PCM) puisse être appliquée aux pièces de formes complexes. La principale limitation de cette méthode de dépôt est que la plupart des particules pulvérisées sont neutres. Pour contrôler l’énergie et la trajectoire des particules pulvérisées, des nouveaux procédés IPVD (Ionized Physical Vapor Deposition) ont été développés pour ioniser les atomes pulvérisés. Le procédé RF-IPVD (Radio-Frequency Ionized Physical Vapor Deposition) permet, grâce à une boucle placée entre la cible et le substrat et polarisée en RF, de créer un second plasma permettant d’ioniser la vapeur pulvérisée. Un autre procédé a été développé : nommé HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering), ce procédé utilise une alimentation fournissant des impulsions de courte durée et de forte puissance au lieu d’une alimentation DC. Les particules pulvérisées peuvent être ionisées dans le plasma magnétron qui est très dense lors des impulsions. Nous avons réalisé des couches minces de Ta par PCM, RF-IPVD et HIPIMS, et des couches minces de TaNx par PCM et HIPIMS. Les différentes propriétés des décharges et des couches minces sont étudiées et comparées dans ce mémoire. / Thanks to their excellent physical and chimical characteristics such as good stability with temperature, good conductor of heat and electricity, ductility, hardness, chemical inertness and good corrosion resistance, tantalum and its nitride are used in a wide variety of applications such as wear and corrosion-resistant materials, thin film transistors, diffusion barrier for copper and for carbon nanotube grown by CCVD process (catalytically chemical vapor deposition). For some recent industrial demand, it is necessary to deposit on substrates with complex shape. The main disadvantage of the conventional magnetron sputtering (CMS) is that most of the sputtered particles are neutral. To controle the energy and the path of sputtered particles, new magnetron sputtering techniques have been developed for ionizing a significant fraction of sputtered material. A new sputtering process called RF-IPVD consists in ionizing the sputtered vapor by adding second plasma by a RF coil between the target and the substrate. Another method called HIPIMS (High Power Impulsed Magnetron Sputtering), uses high power impulse instead of DC power. During the impulse, the sputtered Ta atoms are ionized in the dense plasma. We have deposited Ta thin films by CMS, RF-IPVD and HIPIMS and TaNx thin films by CMS and HIPIMS. The objective of this thesis is to compare the properties of discharges and thin films deposited by these different techniques.

Grâce à ses excellentes propriétés physiques et chimiques (stable thermiquement, bon conducteur électrique et de chaleur, ductile, très dur mécaniquement, bonne inertie chimique), le matériau tantale et son nitrure TaNx sont utilisés comme revêtement de surface des outils, résistance électrique, barrière de diffusion au cuivre, croissance de nanotubes par un procédé chimique catalytique en phase vapeur. C'est ce matériau et son nitrure que nous avons étudiés lors de cette thèse.Aujourd'hui les exigences des industriels nécessitent que la pulvérisation cathodique magnétron (PCM) puisse être appliquée aux pièces de formes complexes. La principale limitation de cette méthode de dépôt est que la plupart des particules pulvérisées sont neutres. Pour contrôler l'énergie et la trajectoire des particules pulvérisées, des nouveaux procédés IPVD (Ionized Physical Vapor Deposition) ont été développés pour ioniser les atomes pulvérisés. Le procédé RF-IPVD (Radio-Frequency Ionized Physical Vapor Deposition) permet, grâce à une boucle placée entre la cible et le substrat et polarisée en RF, de créer un second plasma permettant d'ioniser la vapeur pulvérisée. Un autre procédé a été développé : nommé HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering), ce procédé utilise une alimentation fournissant des impulsions de courte durée et de forte puissance au lieu d'une alimentation DC. Les particules pulvérisées peuvent être ionisées dans le plasma magnétron qui est très dense lors des impulsions. Nous avons réalisé des couches minces de Ta par PCM, RF-IPVD et HIPIMS, et des couches minces de TaNx par PCM et HIPIMS. Les différentes propriétés des décharges et des couches minces sont étudiées et comparées dans ce mémoire.