Description physique du dépôt en vue de la construction d’un modèle numérique

Description physique du dépôt en vue de la construction d’un modèle numérique

Les premières simulations atomistiques du procédé de dépôt se sont principalement intéressées à la croissance épitaxiale (c’est à dire à la croissance de cristaux par dépôt en phase vapeur). Après quelques travaux appuyés sur des modèles numériques simples – potentiels de Lennard-Jones – [88, 97, 98], la plupart ont cherché à représenter la croissance de matériaux spécifiques, tels que : arséniure de gallium [99], tungstène [100], silicium [101], cuivre [102], argent [103], dioxyde de titane [104], alumine [105], etc. Si ces travaux se sont souvent appuyés sur la dynamique moléculaire [88, 97, 98, 100, 104, 105] un certain nombre d’études ont pu mettre en œuvre des méthodes de Monte Carlo [99, 101, 102, 103], qui permettent d’accéder à des échelles de temps beaucoup plus grandes. Cela est en effet possible dans le contexte de l’épitaxie parce que la croissance est contrôlée par des mouvements atomiques – sauts entre sites cristallins – qui sont en principe énumérables. La méthode de simulation « accélérée en température » a pu aussi être utilisée pour la croissance du cuivre [106].Les études du dépôt de films amorphes sont plus récentes et exclusivement menées par dynamique moléculaire. On peut citer par exemple des simulations de dépôts par pulvérisation de films de carbone amorphe [107, 108], de dépôt de glace amorphe [109], de matériaux vitreux modèles [110, 111], de verres de polymères [112] ou de verres organiques [113]. Le dépôt par pulvérisation magnétron réactive de Mg, dont la structure passe de cristalline à amorphe à mesure que la teneur en Al augmente, a été étudié d’abord par dynamique moléculaire [114] puis par dynamique moléculaire accélérée [115].Peu d’études numériques [116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123] portent sur le dépôt d’oxyde de silicium. Toutes – hormis [116] – traitent de vaporisation par pulvérisation. Nous n’en avons trouvé aucune portant sur le dépôt de films par évaporation sous vide.

Le dépôt sous vide fait intervenir simultanément un ensemble de processus : vaporisation de la source, transport de la vapeur à travers de gaz, phénomènes réactifs éventuels, impact de particules sur le film, réorganisations à l’intérieur du film. Pour simplifier, toutes les simulations de dépôt se placent du point de vue de la surface en train de croître suite à une série d’impacts de particules – atomes, ions, molécules, amas – provenant de la source vaporisée ou du gaz résiduel dans l’enceinte.Un certain nombre d’hypothèses sont indispensables. D’abord, les simulations ne peuvent traiter que de systèmes de tailles relativement faibles – pour les modèles de silice, on accède à des cellules de quelques nanomètres de côté, ce qui correspond à quelques dizaines de milliers d’atomes. Desconditions de périodicité dans le plan du film sont indispensables pour limiter les effets de bords. Les données expérimentales présentées au chapitre précédent suggèrent que de telles dimensions sontsuffisantes pour accéder aux propriétés macroscopiques des films d’oxydes de silicium puisqu’ils sont amorphes et ne forment pas de structure spécifique (îlots, colonnes,…). De plus, on a vu que la valeur stationnaire des contraintes intrinsèques est mesurée dès les tout premiers instants du dépôt, alors que l’épaisseur du film n’est que de quelques nanomètres (voir les expériences de Hill et Hoffman 1.3.1 et Scherer et. al. 1.3.2). Tout porte donc à croire que ces contraintes ne résultent pas de la présence de défauts (pores, îlots, etc) de dimensions supérieures aux échelles accessibles par la simulation. On peut donc considérer qu’un volume élémentaire de quelques nanomètres doit suffire pour étudier l’apparition de contraintes au cours de la croissance.Les atomes qui impactent le film rebondissent ou s’y condensent. Dans ce dernier cas, il suffit typique- ment de quelques picosecondes pour « résoudre » l’impact, c’est-à-dire pour que l’énergie des atomes incidents soit transférée et dispersée dans le matériau et qu’ils trouvent un premier point d’équilibre au sein du film [119]. La vitesse de croissance d’un film d’oxyde de silicium est typiquement de l’ordre du 1 nmstoutes les 0.5 ms environ, ce qui est considérablement plus grand que les quelques picosecondes de « résolution » d’un impact. Très clairement, ces évènements sont lar- gement séparés en temps et il est toujours légitime de modéliser la simulation par une série d’impacts indépendants et séparés en temps.