Déposition physique en phase vapeur de films de silice

Déposition physique en phase vapeur de films de silice

Les tout premiers dépôts en phase vapeur furent observés par Joseph Priestley en 1767 [3] alors qu’il étudiait les cratères formés par les arcs électriques sur la cathode d’un condensateur. En déchargeant une batterie dans un circuit formé par une chaîne de maillons de laiton, il fut capable de générer des arcs électriques au niveau des interstices entre les maillons. Il plaça par la suite un morceau de verre à proximité de la chaîne et observa à sa surface des dépôts noirs. Par la suite, il mit en place une série d’expériences qui lui permirent de comprendre que le dépôt observé provenait du laiton. À partir de ses observations, on peut penser que les couches obtenues se formaient probablement à partir des ions métalliques et des macroparticules de laiton fondu éjectés des maillons. La couleur noire était due à l’oxydation des couches déposées à l’air libre [4].Différents travaux scientifiques décrivant ou utilisant des dépôts en phase vapeur furent ensuite réa- lisés. Parmi les plus connus figurent les études de W.R. Grove en 1852 [5] (dépôt par pulvérisation cathodique d’acier sur de l’argent, à 0.5 Torr), de F. Wöhler en 1855 [6] (dépôt de tungstène sur les parois d’une enceinte en verre chauffée et remplie de gaz de chlorure de tungstène et d’hydrogène), de M. Faraday en 1857 [7] (dépôt de films d’or probablement par arc électrique) et de M. Plücker en 1858 [8] (dépôt d’un film de platine par pulvérisation cathodique).

Ensuite, des articles scientifiques ou des brevets furent publiés, avec pour objectif de mettre en place des procédés de fabrication industrielle de films par dépôt en phase vapeur. Ainsi, A.W. Wright conçut en 1877 un appareil de dépôt sous vide (par pulvérisation cathodique ou arc électrique [9]) qu’il utilisa pour fabriquer des miroirs en platine pour télescopes de 4 cm de diamètre [10, 11]. Les travaux de L. Mond en 1890 [12, 13] sur la déposition de nickel par décomposition thermique de vapeur de tétracar- bonyle de nickel et les nombreuses inventions d’Edison [14], par exemple le procédé de fabrication de filaments pour lampes à incandescence par dépôt sous vide par évaporation thermique [15, 16], achevèrent de populariser le procédé de dépôt en phase vapeur.Dans un dépôt chimique, la vapeur est constituée d’espèces volatiles, appelées précurseurs. Elle est amenée au-dessus de la surface d’un substrat sur lequel les précurseurs réagissent, pour former un produit solide, le film ; la réaction dégage éventuellement des produits volatiles [17]. Pour activer les réactions chimiques des espèces volatiles sur le substrat, il est presque toujours nécessaire de le chauffer. Par exemple, les films de silice utilisés comme isolant en microélectronique sont déposés àLa nécessité de travailler à haute température limite l’utilisation des dépôts chimiques. En effet, beau- coup d’objets contiennent des matériaux qui ne peuvent pas être chauffés, comme c’est le cas pour les verres ophtalmiques fabriqués avec des substrats organiques. D’autre part, le dépôt à haute tem- pérature sur un substrat avec un coefficient thermique différent de celui du film peut générer des contraintes résiduelles importantes lors du refroidissement, jusqu’à quelques 0.5 GPa [18].

Dans un dépôt physique, les espèces qui constituent la vapeur ne sont pas volatiles ; elles sont pro- duites en vaporisant une source solide ou liquide dans le vide. Les principales techniques de dépôt physique sont classées à partir du principe ou de la technique utilisée pour vaporiser la source.Dans ce qui suit, on ne présentera que les dépôts par évaporation et pulvérisation, parce que les deux autres techniques ne sont pas utilisées pour produire des films nanométriques de silice. Pour les dépôts par arc cathodique, cela s’explique par la nécessité de travailler avec une source, la cathode, qui conduise bien l’électricité et puisse ainsi supporter la décharge électrique de l’arc. Ce n’est pas le cas du silicium ou de ses oxydes [23, 24]. En ce qui concerne les dépôts par ablation laser le principal problème est que ce procédé génère des agrégats dont la taille peut atteindre 100 nm, ce qui est plus grand que l’épaisseur des films. Notons cependant que des travaux sont en cours pour éliminer ces agrégats et déposer des couches minces de silice par ablation laser pulsé [25, 26].