Tato studie je zaměřena na základní výzkum přípravy a-SiC:H a a-SiCO:H slitin plazmových polymerů pomocí metody plazmochemické depozice z plynné fáze (PE-CVD). Tyto slitiny byly připravovány depozicí z monomeru tetravinylsilanu (TVS) a jeho směsí s kyslíkem a argonem při různých efektivních výkonech pulzního plazmatu. Připravené tenké vrstvy byly za účelem získání závislostí optických, mechanických a chemických vlastností na depozičních podmínkách zkoumány pomocí metod spektros-kopické elipsometrie (ELL), nanoindentace (NI), fotoelektronové spektrometrie (XPS) a Fourierovy transformované infračervené spektrometrie

[pt] Neste trabalho estudamos filmes depositados por três organosilícios em forma líquida pelo método de deposição química na fase vapor assistido por plasma (PECVD) sobre chapas de aço inoxidável 316L e lâminas de silício cristalino <100>. Os líquidos empregados foram o Hexametidissilazano (HMDSN), Hexametidissiloxano (HMDSO) e Hexametildissilano (HMDS). Determinamos as propriedades estruturais, mecânicas e tribológicas dos filmes crescidos, e a viabilidade do seu uso como revestimento protetor. Foram depositados dois conjuntos de amostras para cada líquido, o primeiro a 200C e o segundo 300oC. Em cada um dos conjuntos, a tensão de autopolarização no crescimento foi variada indo de -150V até -450V. Tentou-se caracterizar filmes crescidos a temperatura ambiente, porém não obtivemos êxito, pois delaminavam. Os filmes foram caracterizados por técnicas de perfilometria, onde determinamos que os filmes crescidos com temperaturas de 200C tiveram a maior taxa de deposição. Estes filmes para todos os líquidos possuem uma tensão interna entre 1 e 2 GPa. Os filmes foram analisados também por espectroscopia de fotoelétrons induzidos por raios-x (XPS), espectroscopia de absorção no infravermelho e espectroscopia de emissão ótica (GDOES) onde identificamos as concentrações atômicas e as ligações químicas presentes nos filmes. Com a espectroscopia Raman observamos que os filmes têm presença de carbonos com hibridização sp2. Os filmes sintetizados têm um forte caráter polimérico, e para os crescidos com tensões de autopolarização maiores que -250V, observamos a presença das bandas D e G características de filmes de carbono amorfo. As análises feitas por nanoindentação determinou que os filmes tinham dureza entre 18 e 21 GPa. A microscopia de força atômica evidenciou que os filmes têm uma rugosidade rms em torno de 0,3nm. Medida de tribologia mostraram que os filmes têm um coeficiente de atrito de 0,25. Após as medidas de tribologia, foram feitas imagens de perfilometria para determinar o desgaste. Os filmes se mostraram resistentes, com a menor taxa de 7nm/min quando submetido a uma força de 0,3 Newtons e como contra corpo uma esfera de aço inoxidável (AISI302), e após as medidas os filmes não delaminaram. Com relação ao envelhecimento do filme, alguns foram sintetizados a mais de 4 anos, e continuam bem aderidos tanto sobre o substrato de aço, como o de silício. Verificamos também a viabilidade do uso do hexametildissílazano (HMDSN) como camada adesiva para a deposição de filmes de carbono amorfo hidrogenado sobre chapas de aço inoxidável com sucesso. Fizemos também a deposição de um filme depositado a partir do hexametildissiloxano (HMDSO) sobre um parafuso de aço inoxidável para verificar a viabilidade para deposições sobre materiais com geometrias diferentes, com sucesso, o filme bem aderido em sua superfície. / [en] In this work, we study films deposited by three organosilanes in liquid phase by the plasma deposition method (PECVD) on 316L stainless steel plates and crystalline silicon slides <100>. The liquids employed were Hexamethyldisilazane (HMDSN), Hexamethyldisiloxane (HMDSO) and Hexamethyldisilane (HMDS). We determined the structural, mechanical and tribological properties of grown films, and the feasibility of their use as a protective coating. Two sets of samples were deposited for each liquid, the first at 200C and the second at 300C. In each set, the bias at the growth was varied ranging from -150V to -450V. Attempts were made to characterize films grown at room temperature, but we did not succeed because they delaminated. The films were characterized by profilometry techniques, where we determined that the films grown with temperatures of 200oC had the highest deposition rate. The films were also analyzed by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS), infrared absorption spectroscopy (FTIR) and glow discharge optical emission spectroscopy (GDOES), where we identified the atomic concentrations and the chemical bonds present in the films. With the Raman spectroscopy we observed that the films have presence of carbons with hybridization sp2. The films synthesized have a strong polymeric character, and for those grown with bias higher than -250V, we observed the presence of D- and G- bands that are characteristics of amorphous carbon films. Analysis by nanoindentation determined that the films had a hardness between 18 and 21 GPa. Atomic force microscopy showed that the films have a roughness RMS around 0.3nm. Measurement of tribology showed that the films have a coefficient of friction of 0.25. After the tribology measurements, profilometry images were made to determine the wear. The films were resistant, with the lowest rate of 7 nm/min when subjected to a force of 0.3 Newtons and as against a body of stainless steel (AISI302), and after the measurements the films did not delaminate. Regarding the aging of the film, some were synthesized for more than 4 years, and remain well adhered both on the steel substrate and silicon. We also verified the feasibility of using hexamethyldisilazane (HMDSN) as an adhesive layer for the deposition of hydrogenated amorphous carbon films on stainless steel substrate successfully. We also deposited a film from the hexamethyldisiloxane (HMDSO) on a stainless steel screw to verify the feasibility for deposition on materials with different geometries, successfully, the film was well adhered on its surface.

Die vorliegende Dissertation behandelt Charakterisierung, Modellbildung sowie Anwendung einer magnetfeldgestützten Hohlkathoden-Bogenentladung. Hohlkathoden sind seit den 1960er Jahren Gegenstand grundlagen- sowie anwendungsorientierter Forschung und werden seit 20 Jahren am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik für die Anwendung auf dem Gebiet der Vakuumbeschichtung weiterentwickelt. Ziel dieser Arbeit ist es, die technologischen Fortschritte physikalisch zu verstehen und gezielte Weiterentwicklungen für spezifische Einsatzgebiete zu ermöglichen. In der untersuchten Hohlkathodenbauform ist das aus Tantal bestehende, vom Arbeitsgas Argon durchströmte Kathodenröhrchen koaxial von einer Ringanode sowie von einer Magnetfeldspule umgeben. Die Entladung wird durch Hochspannungspulse gezündet, worauf sich ein diffuser Bogen im Röhrchen (internes Plasma) ausbildet. Das Röhrchen wird von Plasmaionen auf hohe Temperaturen geheizt, die eine thermionische Emission von Elektronen ermöglichen, welche das Plasma speisen. Das technologisch nutzbare externe Plasma wird im Vakuumrezipienten durch Wechselwirkung der Gasteilchen mit Strahlelektronen aus der Kathode erzeugt. Bei starker Reduktion des Arbeitsgasflusses wird die Entladung durch das Magnetfeld der Spule stabilisiert. Der experimentelle Befund, dass dadurch Plasmadichte und -reichweite sowie ggf. die Ladungsträgerenergien im Rezipienten aufgrund des intensiveren Elektronenstrahls wesentlich gesteigert werden können, wird durch ortsaufgelöste Langmuir-Sondenmessung, optische Emissionsspektroskopie und energieaufgelöste Massenspektrometrie ausführlich belegt und nach der Lösung von Strom- und Wärmebilanzgleichungen durch die Verhältnisse im Kathodenröhrchen begründet. Neben Argon werden auch typische Reaktivgase der Vakuumbeschichtung im Hohlkathodenplasma betrachtet: zum einen Stickstoff und Sauerstoff, die in reaktiven PVD-Prozessen (physikalische Dampfphasenabscheidung) zur Beschichtung mit Oxid- bzw. Nitridschichten zum Einsatz kommen und durch Ionisation, Dissoziation und Anregung im Hohlkathodenplasma verbesserte Schichteigenschaften ermöglichen; zum anderen Azetylen, das bei PECVD (plasmagestützte chemische Dampfphasenabscheidung) von amorphen wasserstoffhaltigen Kohlenstoffschichten z. B. für tribologische oder biokompatible Beschichtungen genutzt wird. Azetylen wird durch Streuprozesse mit Elektronen und Ionen im Plasma aufgespalten, wodurch schichtbildende Spezies erzeugt werden, die am Substrat kondensieren. Durch die Wahl der Plasmaparameter sowie durch abgestimmte Substratbiasspannung und Substratkühlung lassen sich die Beschichtungsrate einstellen sowie polymer-, graphit- oder diamantartige Eigenschaften erzielen. Neben der Plasmadiagnostik mittels energieaufgelöster Massenspektrometrie werden die erzeugten Kohlenstoffschichten vorgestellt und hinsichtlich Härte, Zusammensetzung und Morphologie analysiert. / In the present thesis, characterization, modeling and application of a magnetically enhanced hollow cathode arc discharge are presented. Since the 1960s, hollow cathodes are being studied in basic and applied research. At Fraunhofer Institute for Electron Beam and Plasma Technology, further development concerning the application in vacuum coating technology has been carried out for about twenty years. The present work targets on physically understanding the technological progress in order to enable specific further development and application. In the investigated hollow cathode device, a ring-shaped anode and a magnetic field coil are arranged coaxially around the tantalum cathode tube, which is flown through by argon as the working gas. The discharge is ignited by high voltage pulses establishing a diffuse arc within the cathode tube (internal plasma). The cathode is being heated by the plasma ions to high temperatures, which leads to thermionic emission of electrons sustaining the plasma. The external plasma in the vacuum chamber, which can be used for technological applications, is generated by collisions of gas atoms with beam electrons originating from the cathode. In the case of strongly reduced working gas flow, the discharge is stabilized by the magnetic field of the coil; the related experimental findings such as significantly increased plasma density and range as well as higher charge carrier energies in the external plasma are extensively proved by spatially resolved Langmuir probe measurements, optical emission spectroscopy, and energy-resolved ion mass spectrometry. Furthermore, the results are correlated to the conditions within the cathode tube by solving the current and heat balance equations. Besides argon, typical reactive gases used in vacuum coating are examined in the hollow cathode plasma, too. First, nitrogen and oxygen, which are applied in PVD (physical vapor deposition) processes for the deposition of oxide and nitride layers, are ionized, dissociated, and excited by plasma processes. In the case of practical application, this plasma activation leads to improved film properties. Second, acetylene is used as a precursor for PECVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition) of amorphous hydrogenated carbon films, e.g. for tribological or biocompatible applications. Acetylene is cracked by electron and ion scattering in the plasma providing film-forming species to be deposited on the substrate. The deposition rate as well as the polymeric, graphitic, or diamond-like properties can be controlled by plasma parameters, a defined substrate bias, and substrate cooling. The hollow cathode-generated acetylene plasma has been characterized by energy-resolved ion mass spectrometry, and the carbon films obtained are analyzed regarding hardness, film composition, and morphology.

Les gaz ionisés contenant des particules solides, appelés plasmas poussiéreux, sont principalement utilisés pour le dépôt de couches minces et la synthèse de nanoparticules aux propriétés maîtrisées.<br />L'objectif de cette thèse était de synthétiser des poussières de taille et/ou composition chimique connues en vue d'applications en microélectronique, photovoltaïque (nanocristaux de silicium) et astrophysique (tholins, ISD grains).<br />La localisation et l'étude du démarrage de la phase d'agrégation des nanocristaux, par l'étude paramétrique d'une instabilité, ont été réalisées dans des plasmas d'Argon/Silane. Puis, une étude de la forme et du comportement du nuage de poussières a été menée dans deux décharges différentes. Elles ont mis en évidence la forte influence de la croissance des poussières sur le plasma et sur le nuage, et d'optimiser nos paramètres de dépôt pour les nanocristaux de silicium non-agglomérés. Une étude paramétrique des caractéristiques électriques du plasma (courant, tension et densités électronique et ionique) en Azote/Méthane a permis de cibler les meilleurs paramètres pour synthétiser des tholins (aérosols analogues de Titan). Par ailleurs, l'ellipsométrie in-situ de Mie-Rayleigh en chimie Azote/Acétylène nous a donné certaines informations sur les analogues de poussières interstellaires synthétisés (structure, indice optique). Finalement, l'effet des basses températures de gaz a été exploré afin d'augmenter la taille des nanocristaux de silicium. Différentes hypothèses (chimiques et thermodynamiques) sont discutées dans le but d'expliquer les effets observés : accélération de la cinétique de croissance et augmentation de la taille des nanocristaux.

A l'aide d'un modèle électrique précis du réacteur plasma, la mesure avec une méthode vectorielle de l'impédance RF à l entrée du réacteur a permis, après correction de la perturbation des impédances parasites, de calculer l impédance du plasma dans une large gamme de fréquences (13,56-100 MHz) et de pressions (0,1-1 torr). Son interprétation a dégagé des lois d'échelle de variation des paramètres plasma avec la fréquence et la pression en accord avec celles déduites des modèles numériques. La résonance série du plasma a été observée à 90 MHz et 0,1 torr. Ce type de décharge a été étudié dans les années 70 dans le cassymétrique où le potentiel d auto-polarisation est nul. Dans le cas asymétrique, nous constatons que ce potentiel continu passe par unmaximum égal à la tension RF appliquée à la résonance. La comparaison de la mesure vectorielle de la puissance couplée avec la méthode soustractive montre qu il est possible d utiliser cette dernière en VHF. Un autre effet bénéfique de la VHF est l augmentation de l'efficacité du couplage de la puissance RF. Les sondes RF utilisées pour réaliser cette étude se sont révélées délicates à mettre en oeuvre. Cela a motivé la mise au point d unnouveau capteur de courant-tension RF (brevet INPI n̊ 875 304) répondant aux problèmes métrologiques se posant face à l augmentation de la fréquence et de la puissance dans l'industrie.La densité du plasma a été dans un premier temps mesurée avec des sondes de Langmuir délicates à utiliser au dessus de 0,1 torr dans l'hydrogène. Pour pallier aux limitations de celles-ci, un nouveau type de sonde à onde de surface (la sonde plasma à transmission) a été développé (brevet INPI n̊ 876 536).

Parmi les technologies photovoltaïques à base de silicium, les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si (HJ) ont montré une attention croissante en ce qui concerne leur fort potentiel d'amélioration du rendement et de la réduction de coûts. Dans cette thèse, des investigations sur les cellules solaires à hétérojonction a-Si:H/c-Si de type (n) développées à l'Institut National de l'Énergie Solaire sont présentées. Les aspects technologiques et physiques du dispositif à HJ ont été revus, en mettant l'accent sur la compréhension du rôle joué par la face arrière. À travers le développement et la mise en œuvre des films de a-Si:H intrinsèques et dopés (n) de haute qualité des cellules solaires à HJ, les conditions requises en face arrière des dispositifs ont été établies. Une comparaison entre plusieurs types de champ surface arrière, avec et sans l'introduction d'une couche buffer, est présentée et les caractéristiques des cellules solaires résultants sont discutées. Une discussion autour du contact arrière de cellules solaires à HJ est aussi présentée. Une nouvelle approche d'oxyde transparent conducteur en face arrière basé sur les couches d'oxyde de zinc dopé au bore (ZnO:B) est étudié. Dans le but de développer des couches de ZnO:B de haute qualité bien adaptées à leur utilisation dans des dispositifs à HJ, différents paramètres de dépôt ainsi que des traitements après dépôt comme le post plasma d'hydrogène ou le recuit laser sont étudiés et leur influence sur des cellules solaires est évaluée. Au cours de ce travail il est montré que la face arrière des cellules solaires à HJ joue un rôle important sur l'accomplissement de hauts rendements. Cependant, l'augmentation de la performance globale du dispositif dû à l'optimisation de la face arrière de la cellule est toujours dépendante des phénomènes ayant lieu en face avant des dispositifs. L'utilisation des films optimisés pour la face arrière des HJs développées dans cette thèse, associée à des couches améliorées pour la face avant et une nouvelle approche de métallisation nous a permis d'atteindre un rendement de conversion record de plus de 22%, démontrant ainsi le grand potentiel de cette technologie à HJ de a-Si:H/c-Si.

This dissertation proposed the idea of “plasma-enhanced chemical vapor deposition on living substrates (PECVD on living substrates)” to bridge the gap between the thin film deposition technology and the biological and living substrates. This study focuses on the establishment of the knowledge and techniques necessary to perform “PECVD on living substrates” and contains three main aspects: development, characterization, and biological applications. First, a PECVD tool which can operate in ambient air and at low temperature was developed using a helium dielectric barrier discharge jet (DBD jet). It was demonstrated that various materials, such as polymeric, metallic, and composite films, can be readily synthesized through this technique. Second, the PMMA and copper films deposited using DBD jets were characterized. High-rate (22 nm/s), low-temperature (39 ºC) PMMA deposition was achieved and the film surface morphology can be tailored by altering the discharge power. Conductive copper films with an electrical resistivity lower than 1×10-7 ohm-m were obtained through hydrogen reduction. Both PMMA and copper films can be grown on temperature-sensitive substrates, such as plastics, pork skin, and even fingernail. The electrical, optical, and imaging characterization of the DBD jets was also conducted and several new findings were reported. Multiple short-duration current pulses instead of only one broad pulse per half voltage cycle were observed when a dielectric substrate was employed. Each short-duration current pulse is induced by a leading ionization wave followed by the formation of a plasma channel. Precursor addition further changed the temporal sequence of the pulses. An increase in the power led to a mode change from a diffuse DBD jet to a concentrated one. This mode change showed significant dependence on the precursor type, tube size, and electrode configuration. These findings regarding the discharge characteristics can thus facilitate the development of DBD-jet operation strategies to improve the deposition efficacy. Finally, this technique was used to grow PMMA films onto agar to demonstrate one of its potential biological applications: sterile bandage deposition. The DBD jet with the film depositing ability enabled the surface to be not only efficiently sanitized but also protected by a coating from being reached by bacteria.

Dans l'industrie agro-alimentaire, l'adhésion de micro-organismes altérants ou pathogènes sur les surfaces induit des effets néfastes à la fois en termes de qualité, d'hygiène et de santé publique. Les vêtements professionnels constituent un des vecteurs de contamination par le personnel. Ce travail de thèse concerne l'évaluation de l'activité antimicrobienne de textiles antimicrobiens développés pour le secteur hospitalier et le secteur agro-alimentaire et rentre dans le cadre du projet collaboratif Actiprotex. Trois méthodologies ont été employées pour le dépôt d'agents antimicrobiens sur les textiles : méthodologie plasma (PVD/PECVD) ou sol-gel pour le dépôt d'argent, foulardage avec une solution contenant du laurylsulfate et du Poly Hexaméthylène Biguanide (PHMB) pour provoquer une co-précipitation du PHMB. Les activités antimicrobiennes de chaque textile ont été évaluées après 24 h de contact (suivant la norme ISO 20743-2005). Les quantités d'agent antimicrobien à la surface des textiles ont été évaluées par 2 techniques d'analyses de surface : la spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) et la spectrométrie de masse d'ions secondaires (ToF-SIMS). Les textiles traités par plasma à l'argent se sont avérés être efficaces vis-à-vis de Listeria innocua LRGIA 01. Pour le traitement sol-gel, les textiles testés étaient également très actifs vis-à-vis de L. innocua LRGIA 01 et d'Escherichia coli XL1 blue. Cependant, E. coli XL1 blue est apparue plus sensible à l'argent que L. innocua LRGIA 01. Les textiles traités au PHMB se sont également avérés être très actifs vis-à-vis de L. innocua LRGIA 01 et de Staphylococcus aureus méthi-R nosoco 3011 cependant des cellules viables mais non cultivables (VNC) ont également été mises en évidence après contact de ces 2 souches avec le textile traité au PHMB. Pseudomonas aeruginosa ATCC 15742 s'est quant à elle avérée être plus résistante que ces 2 souches. La tenue aux lavages industriels ou ménagers des dépôts plasma d'argent et de PHMB par foulardage a également été évaluée. Les dépôts plasma d'argent résistent mal au lavage alors que le dépôt PHMB par foulardage s'est avéré résister à 10 lavages industriels. Pour mieux comprendre le mécanisme d'action du PHMB vis-à-vis de L. innocua LRGIA 01 en milieu liquide, trois approches ont été mises en oeuvre : la microscopie à épifluorescence en présence de marqueurs fluorescents pour évaluer l'état de la membrane des cellules, la spectrofluorimétrie en présence de sondes fluorescentes (DPH et TMA-DPH) pour évaluer la fluidité de la membrane des cellules et enfin la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) pour évaluer les changements de conformation de la membrane. Les résultats obtenus par ces 3 méthodes permettent de proposer un mode d'action du PHMB de type " carpet ", c'est à dire une fixation de l'agent antimicrobien en surface puis une désorganisation de la membrane conduisant à des changements de sa conformation puis à la formation de pores et à la mort cellulaire

Compared to wafer based solar cells, thin film solar cells greatly reduce material cost and thermal budget due to low temperature process. Monolithically manufacturing allows large area fabrication and continuous processing. In this work, several photovoltaic thin films have been developed by rf-PECVD including a-Si:H and μc-Si, both intrinsic and doped on Corning 4 inch glass substrate at low temperature. The conductivity of n type and p type μc-Si at 180ºC was 17S/cm and 7.1E-2S/cm, respectively. B dopants either in a-Si:H or μc-Si films require higher plasma power to get active doping. The B2H6-to-SiH4 flow ratio for p type μc-Si lies from 0.01 to 0.025. Chamber conditions have critical effect on film quality. Repeatable and superior results require a well-established cleaning passivation procedure. Moreover, μc-Si films have been deposited from pure silane on glass substrate by modified rf-ICP-CVD. The deposition rate has been dramatically increased to 5Å/s due to little H2 dilution with crystalline fraction was around 69%, and 6.2Å/s with crystalline fraction 45%. Microstructure started to form at 150ºC with a thin incubation layer on the glass substrate, and became fully dense conical conglomerates around 300nm where conductivity and crystallinity saturated. Additionally, a-SiGe:H films have been developed by modified rf-ICP-CVD. The optical band gaps have been varied from 1.25 to 1.63eV by changing SiH4-to-GeH4 ratio. Also high temperature resulted in low bandgap. Cross-section TEM showed some microcrystllites appeared near interface region. Heterojunction solar cells on p type c-Si wafer have been fabricated using films developed in this thesis. Interference fringes in EQE disappeared on either textured substrate or cells with lift-off contacts. Maximum EQE was 87% around 700nm. I-V curves have also been studied where the interesting kink suggests a counter-diode has formed between emitter region and contacts.

The structure and the energy band gap of hydrogenated amorphous silicon carbide are theoretically revised. In the light of defect pool model, density of states distribution is investigated for various regions of mobility gap. The films are deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition system with various gas concentrations at two different, lower (30 mW/cm2) and higher (90 mW/cm2), radio frequency power densities. The elemental composition of hydrogenated amorphous silicon carbide films and relative composition of existing bond types are analyzed by x-ray photoelectron spectroscopy measurements. The thicknesses, deposition rates, refractive indices and optical band gaps of the films are determined by ultraviolet visible transmittance measurements. Uniformity of the deposited films is analyzed along the radial direction of the bottom electrode of the plasma enhanced chemical vapor deposition reactor. The molecular vibration characteristics of the films are reviewed and analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy measurements. Electrical characteristics of the films are analyzed by dc conductivity measurements. Conduction mechanisms, such as extended state, nearest neighbor and variable range hopping in tail states are revised. The hopping conductivities are analyzed by considering the density of states distribution in various regions of mobility gap. The experimentally measured activation energies for the films of high carbon content are too low to be interpreted as the difference between Fermi level and relevant band edge. This anomaly has been successfully removed by introducing hopping conduction across localized tail states of the relevant band. In other words, the second contribution lowers the mobility edge towards the Fermi level.