Tailoring Absorption in Optical Thin Films Using Atomic Layer Deposition of High Quality Titanium Nitride

Le dépôt par couche atomique (ALD) est un type de dépôt chimique en phase vapeur (CVD)dans lequel la croissance se produit par monocouches atomiques successives. La méthode présente un grand potentiel pour le traitement de revêtements optique car l'épaisseur précise et la haute conformité des dépôts ALD les rendent très utiles pour adapter les propriétés optiques de matériaux nanostructurés. En effet, de nombreux travaux ont été réalisés sur la modification de structures photoniques utilisant diverses épaisseurs de matériaux diélectriques déposés par ALD. La même technique pourrait être utilisée pour contrôler l'absorption optique dans des matériaux similaires, mais les revêtements métalliques et les nitrure métalliques produit par ALD demeurent d'une qualité inférieure à ceux produit par d'autres méthodes. Dans cette thèse, nous optimisons le dépôt de TiN par ALD pour des applications optiques et proposons un moyen d'améliorer ses propriétés grâce à l'utilisation du dépôt de couche atomique assisté par plasma à cathode creuse (HC-PEALD). Des couches de TiN sont d'abord déposées par ALD, puis par HC-PEALD, et les paramètres de dépôt sont variés dans les deux cas afin de déterminer leur effet sur les propriétés des revêtements. Comme le second processus est plus complexe et relativement nouveau, une grande attention est accordée à sa caractérisation. Nous constatons que l'utilisation d'un plasma à cathode creuse peut diminuer la contamination au chlore et augmenter le taux de croissance par rapport à d'autres types de source plasma dans le dépôt de couche atomique amélioré par plasma. Notre TiN optimisé est ensuite utilisé pour ajuster l'absorption de revêtements colonnaires inclinés (SCTF) en SiO2 en déposant de fines couches conformes de TiN absorbant autour des colonnes diélectriques. Ces colonnes core-shell présentent une sélectivité angulaire similaire à celle observée dans les revêtements colonnaires métalliques. Nous déterminons que l'utilisation du dépôt de couche atomique dans ce contexte permet un réglage précis de l'absorption visible qu'il serait difficile d'obtenir uniquement à l'aide de SCTF métalliques. De plus, le procédé proposé permet l'utilisation de matériaux à partir desquels les SCTF ne pourraient normalement pas être fabriqués.

Abstract

Atomic layer deposition (ALD) is a type of chemical vapour deposition (CVD) in which growth occurs though successive atomic monolayers. The method is of great interest for optical coating processing as the precise thickness and high conformity of ALD films make them very useful for tailoring the optical properties of nanostructured coatings. Indeed much work has been done pertaining to the tuning of photonic structures using varying thicknesses of dielectric materials deposited by ALD. The same technique could be used to tune optical absorption in similar types of nano-structured films however much less research has been done on this topic as the quality of metal and metal nitride films processed by ALD lags behind those processed by other methods. In this thesis, we optimize TiN ALD for optical applications and propose a way of improving its quality through the use of hollow cathode plasma enhanced atomic layer deposition (HCPEALD). Films are deposited first by ALD and then by HC-PEALD and process parameters are varied in both cases to determine their effect on film properties. Since the second process is more complex and relatively novel, great attention is given to characterising it. We find that using a hollow cathode plasma source can reduce chlorine content and increase growth rate as compared to competing sources in PEALD. Our optimized TiN is used to tune absorption in SiO2 slanted columnar thin films (SCTFs) by depositing thin conformal layers of absorbing material around the dielectric columns. These core-shell columns are found to exhibit angular selective properties similar to what is observed in metallic columnar films. We find the use of ALD in this context enables precise tuning of visible absorption that would be difficult to obtain only using metallic SCTFs. Furthermore, with the proposed method, materials can be used from which SCTFs could not normally be made.