CE08 - Matériaux métalliques et inorganiques et procédés associés

Réactivité d’interface, évolution de la microstructure et des contraintes durant la croissance de films minces - modélisation multi-échelle et validation expérimentale – INTEGRAL

Résumé de soumission

Le projet "INTEGRAL" a pour objectif de développer un outil de modélisation multi-échelle, robuste et réaliste, de la croissance de films minces métalliques par dépôt physique en phase vapeur, et en particulier dans des conditions énergétiques telles que celles du dépôt par pulvérisation cathodique dans le but ultime d'étudier les processus de génération de stress et de relaxation. Les mécanismes élémentaires d'adsorption et de diffusion, au niveau atomique, ainsi que les hauteurs de barrière d'énergie correspondantes seront identifiés en utilisant à la fois des calculs ab initio de type DFT et la dynamique moléculaire. Ces événements seront ensuite incorporés dans un code de Monte Carlo cinétique (kMC), de manière à reproduire des conditions de croissance réalistes pour la pulvérisation magnétron (distribution en énergie et distribution angulaire des particules incidentes). Le code de simulation ainsi développé sera capable de combiner différentes échelles de longueur et de temps et de prédire l'évolution de grandeurs physiques, telles que la rugosité, la densité et/ou la morphologie des films minces, dans le but ultime de traiter les processus de génération et de relaxation de contraintes intrinsèques dans un code de simulation multi-physique unique.
Les premiers stades de croissance sont d'une importance primordiale pour le développement subséquent de la microstructure; ainsi, le cas des métaux à haute mobilité (Cu) et celui des métaux à faible mobilité (Mo) seront étudiés en parallèle, afin de les comparer aux observations expérimentales montrant différents modes de croissance adoptés, 3D vs 2D, respectivement. La réactivité chimique à l'interface entre métal et silicium cristallin sera étudiée afin de mieux comprendre les mécanismes de formation de siliciures d'interface. Enfin, dans le cas de la croissance polycristalline, la formation et l'évolution des joints de grains seront abordées, en relation avec la diffusion des défauts ponctuels.
L'approche de simulation réunira les modèles de kMC sur réseau rigide et de kMC hors réseau pour traiter de la création de défauts, du mélange chimique interfacial et de la formation des joints de grains lors de la croissance de films polycristallins. La modélisation de la contrainte intrinsèque sera abordée en utilisant la technique d'activation-relaxation cinétique (k-ART), un algorithme kMC hors réseau auto-apprenant, en collaboration avec le groupe du Professeur Mousseau à l'Université de Montréal. Des données expérimentales seront obtenues à partir d'expériences de croissance par pulvérisation magnétron au sein du laboratoire Pprime, en utilisant une palette unique d'études en temps réel et in situ à la croissance, mais également en utilisant les installations Synchrotron, permettant une analyse structurale in situ, par diffraction ou diffusion aux petits angles des rayons X. La force du projet INTEGRAL réside dans la confrontation directe des résultats de modélisation numérique aux données expérimentales obtenues sur les propriétés structurales, électriques et optiques des films minces. La disponibilité au sein du groupe de recherche de différentes techniques in situ à la croissance, permet une constante validation du code de calcul.
Le but ultime du projet est d'évaluer les contraintes intrinsèques et de simuler leur évolution durant la croissance dans des conditions énergétiques, car une telle étude n'a pas encore abouti avec succès jusqu'ici. Les connaissances fondamentales obtenues lors de la mise en œuvre du projet INTEGRAL permettront une vision plus claire de la relation entre l'évolution de la microstructure des films minces (taille de grains et texture) et leurs propriétés (contraintes intrinsèques, densité de défauts, propriétés mécaniques). Cela ouvrira de nouveaux horizons pour la conception et la mise en œuvre de concepts fondamentaux et technologiques et réduira considérablement le temps nécessaire du concept au produit industriel.

Coordinateur du projet

Monsieur Cedric MASTAIL (Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Pprime Institut P' : Recherche et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Energétique

Aide de l'ANR 256 947 euros
Début et durée du projet scientifique : mars 2020 - 48 Mois

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