Vue globale de l’approche de modélisation multi-échelle
Chercheurs, enseignants-chercheurs : Rim Ettouri, Ahmed Rhallabi, Christophe Cardinaud, Marie Claude Fernandez, Aurélie Girard, Cédric Mannequin.
Chercheurs contractuels : Guillaume Le Dain [2018-2020], Joëlle Zgheib [2021-2023]
Doctorants : Hamza Tarin [2023…], Coline Chartrain [2024…]
Doctorant ayant soutenu : Mickael Cosson [2021], Joëlle Zgheib [2021], Tojo Rasoanarivo [2026]
L’activité de modélisation développée au sein de l’équipe PCM a pour objectif de :
- Mieux comprendre les phénomènes physico-chimiques et électriques des plasmas froids basse pression et leurs interactions avec la surface des matériaux
- Mettre à la disposition des technologues, des simulateurs capables de prédire les propriétés morphologiques des motifs gravés ou des couches minces déposées
- Aider à l’optimisation des procédés plasmas destinés au dépôt et à la gravure des matériaux.
L’approche multi-échelle, développée permet de prédire l’évolution spatio-temporelle des motifs gravés en fonction des paramètres opératoires. Plus récemment, les activités de modélisation ont été étendues à la simulation des mécanismes intervenant au sein d’une décharge de pulvérisation cathodique avec l’objectif de compléter l’approche en faisant appel à des algorithmes de machine learning (IA).
Mots clés : plasma, gravure, décharge pulsée, modélisation, gestion de l’énergie
Collaborations : LS2N, IJL, GEM, GEPEA, IETR, UM6P
Domaines d’application : Semi-conducteurs, Microélectronique, anti-corrosion
1 - Modélisation multi-échelles de la gravure par plasma
Schéma global décrivant la modélisation multi-échelle
Chercheurs, enseignants-chercheurs : Rim Ettouri, Ahmed Rhallabi, Christophe Cardinaud, Aurélie Girard, Cédric Mannequin, Isabelle Braems.
Post-doctorant : Guillaume Le Dain [2018-2020]
Ingénieur contractuel : Thomas le Pape [2023-2025]
Doctorant ayant soutenu : Tojo Rasoanarivo [2023-2026]
La gravure des motifs atteignant des tailles microniques voire nanométriques est l’une des étapes clés dans la fabrication des circuits intégrés ainsi que dans d’autres systèmes miniatures comme des capteurs ou des MEMS (Micro Electro Mechanical Systems). Afin de mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques de la gravure, et pour une meilleure optimisation, nous avons développé une approche de modélisation multi-échelle permettant de prédire l’évolution temporelle des profils de gravure en fonction des paramètres machines. Cette approche est composée de trois modules :
• un module cinétique pour déterminer les densités et les flux d’espèces neutres et chargées
• un module de gaine pour calculer les fonctions de distribution énergétiques et angulaires des ions.
• un module de surface pour déterminer l’évolution des motifs gravés à travers des masques.
Cette approche a été appliquée à la gravure de silicium en utilisant le procédé Bosch, la gravure des matériaux III-V et de l’acier par des plasmas chlorés. Ces simulateurs de gravure sont de bons outils au service des technologues pour une aide au développement des procédés de gravure.
Mots-clés : Modélisation, Multi-échelle, Gravure, Plasma, Silicium, Acier, Titane, Nitrure de Gallium, Bosch, ALE.
Expertise : Modélisation des décharges plasmas, modélisation 2D de la gravure par plasma à l’échelle mésoscopique et atomique, approche Monte-Carlo
Collaborations : IJL Nancy, INSP, STMicroelectronics
Publications majeures :
Dynamic global model of Cl2/Ar plasmas: Applicability to atomic layer etching processes.
T. Rasoanarivo, C. Mannequin, F. Roqueta, M. Boufnichel and A. Rhallabi.
Journal of Vacuum Science & Technology A 2024, 42, 063003
Study of Cl2/Ar transient plasmas using a dynamic global model.
T. Rasoanarivo, C. Mannequin, F. Roqueta, M. Boufnichel and A. Rhallabi.
Journal of Vacuum Science & Technology A 2025, 43, 033008
Etching of iron and iron–chromium alloys using ICP-RIE chlorine plasma.
G. Le Dain, F. Laourine, S. Guilet, T. Czerwiec, G. Marcos, C. Noel, G. Henrion,C. Cardinaud, A. Girard and A. Rhallabi, Plasma Sources Sci. Technol. 30, 095022 (2021).
2 - Modélisation de la décharge plasma pour le dépôt physique en phase vapeur (PVD)
Chercheurs, enseignants-chercheurs : Rim Ettouri, Ahmed Rhallabi, Pierre Yves Jouan, Jérémy Barbé.
Post-doctorante : Joëlle Zgheib [2021-2022]
Doctorante ayant soutenu : Joëlle Zgheib [2018-2021]
Doctorante : Coline Chartrain [2024…]
L’émergence du procédé PVD pulsé connu sous le nom HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering), a pour intérêt d’améliorer la qualité structurelle des films déposés. D’autre part, le phénomène d’auto-ionisation des atomes pulvérisés rend le dépôt plus directionnel et par conséquent améliore le recouvrement de marches des structures à fort rapport d’aspect (tranchées, vias, etc). Ses améliorations sont dues à l’application d’une tension de quelques kilovolts sur la cathode, d’une durée de quelques dizaines de microsecondes et d’une fréquence de l’ordre du kilohertz. Afin de mieux comprendre les phénomènes physiques dans ce type de décharges, nous développons un modèle cinétique global appliqué à une cible de chrome bombardée par des ions issus d’une décharge plasma d’argon. Le modèle global a pour objectif de quantifier l’évolution temporelle des densités d’espèces neutres issues du gaz et de la cible ainsi que des espèces chargées. L’étude de la décharge HiPIMS Ar/Cr pourrait s’adapter à d’autres types de mélanges de gaz et de cibles pour d’autres types de dépôt de couches minces.
Dans cette optique, nous développons un modèle global HiPIMS Ar/Ti et Ar/N₂/Ti dans la zone d’ionisation, en vue du dépôt de couches minces de Ti et TiN. Ce modèle sera ensuite étendu à la post-décharge afin de quantifier les flux d’espèces actives arrivant à la surface du substrat.
Mots-clés : Modélisation, Simulation, PVD, HiPIMS, Couches minces.
Expertise : Modélisation des décharges plasmas, Physique HiPIMS, Modélisation Monte-Carlo
Publications majeures :
A high-power impulse magnetron sputtering global model for argon plasma-chromium target interactions.
Joelle Zgheib, Pierre Yves Jouan and Ahmed Rhallabi.
Journal of Vacuum Science & Technology A 2021, 39, 043004
Modeling of ion transport from ionization region to entrance of mass spectrometer in HiPIMS argon/Cr target
J. Zgheib, P-Y. Jouan, A. Rhallabi, J. Vac. Sci. Technol. A 42, 033004 (2024).
3 - Modélisation et conception d’un capteur intelligent de gaz
Chercheurs : Ahmed Rhallabi
Doctorant : Mehdi Belghiti [2023…]
Ce projet vise le développement d’un capteur intelligent de gaz, miniaturisé, à faible coût et faible consommation, destiné aux applications de l’industrie du futur et aux systèmes embarqués connectés. Le capteur repose sur un transducteur à base d’oxydes métalliques, tels que TiO₂, WO₃ ou leurs composés, déposés par PVD et utilisés comme couche active.
L’approche combine l’étude des propriétés électriques hyperfréquences des matériaux déposés avec la modélisation et la simulation de l’architecture du capteur à l’aide d’outils de conception tels que HFSS, ADS et Cadence. Ces simulations permettront d’optimiser le transducteur et les différents éléments du système, avant validation expérimentale par le suivi en temps réel et sans contact de la réponse du capteur en fonction de la concentration du gaz détecté.
Publication majeure :
« Planar microstrip ring resonator for microwave liquid sensing: Electromagnetic design and dielectric perturbation analysis with porous ZnO ». Mehdi Khaiaf Belghiti, Mohammed El Gibari, Stéphane Ginestar, Amal El Fallah Seghrouchni, Ahmed Rhallabi, Sensors and Actuators A: Physical, Volume 408, 2026, 118012
