ETUDE DE FILMS MINCES DE SiNy

Ce chapitre est destiné à exposer les principaux résultats de la caractérisation des films minces de nitrure de silicium élaborés en pulvérisation cathodique magnétron en conditions réactives. Plusieurs procédés réactifs seront utilisés pour étudier leurs impacts sur les caractéristiques des films de SiNy. De très nombreux travaux utilisent cette technique pour élaborer des couches minces céramiques (nitrures, oxydes, oxynitrures …). Le but final sera de trouver les conditions de dépôt pour élaborer des couches minces de nitrures de silicium ayant les meilleures propriétés optiques afin de créer des multicouches antireflets ; trouver un indice de réfraction le plus élevé possible tout en restant transparent dans le domaine du visible. La première partie a pour objectif de rappeler certains travaux marquants sur les couches minces de SiNy permettant de mieux appréhender les différentes structures et propriétés de ces films. La deuxième partie fait état des différentes caractéristiques et propriétés des couches de SiNy suivant leurs conditions d’élaboration. Ces différentes couches seront élaborées en procédé conventionnel de pulvérisation cathodique réactive, noté CP de l’anglais « Conventional Process ». Dans la troisième et la quatrième partie, le procédé changera. La pulvérisation cathodique réactive se fera d’une part en procédé gaz pulsé, noté RGPP de l’anglais « Reactive Gas Pulsing Process », et d’autre part en pulvérisation sous incidence oblique, noté GLAD de l’anglais « GLancing Angle Deposition ». La dernière partie fera l’objet d’une étude structurale théorique du Si3N4 pour mieux appréhender les propriétés des couches minces de SiNy à l’échelle nanométrique et présentera les différentes simulations ainsi qu’une loi des mélanges permettant de mieux comprendre les résultats expérimentaux obtenus.

Le nitrure de silicium n’existe pas à l’état naturel. Il fût créé artificiellement par l’homme pour le première fois en 1857 par Deville et Wöhler [60]. Son potentiel d’utilisation, dû à ses excellentes propriétés, n’a été découvert que dans les années 1960. Le nitrure de silicium, quand il est cristallisé et stœchiométrique, se trouve sous la forme Si3N4. Il existe deux phases cristallographiques du nitrure de silicium : la phase α-Si3N4 et la phase β-Si3N4. Ces deux composés sont de type hexagonal où chaque atome de silicium est lié à trois atomes d’azote (Figure 2.1). Les paramètres respectifs de leur maille cristalline ainsi que l’angle des liaisons Si-N-Si sont regroupés dans le tableau 2.1.  Le nitrure de silicium possède de bonnes propriétés mécaniques, électriques et optiques. Les liaisons covalentes Si-N lui permettent d’avoir une grande dureté [63] et une forte résistance aux hautes températures [64]. De plus, sa structure dense empêche la diffusion des espèces chimiques et permet donc de réaliser d’excellentes barrières de diffusion [65]. Le nitrure de silicium possède une constante diélectrique relative de 7,5 [66] (ce qui lui confère des propriétés isolantes) et a une Ω.cm [67]. Dans le cadre de cette étude, ses propriétés optiques seront mises à profit car le nitrure de silicium est transparent et a un indice de réfraction élevé de l’ordre de 2 dans les longueurs d’onde du visible [25,68,69]. Utilisé avec des couches d’oxyde de silicium, il permet de réaliser des multicouches antireflets performantes [70–72].

Différentes séries ont été réalisées en pulvérisation cathodique magnétron en procédé conventionnel pour étudier le comportement des propriétés des films minces de SiNy suivant leurs conditions de dépôt. Le but est de trouver les conditions pour lesquelles le film de SiNy aura l’indice de réfraction le plus élevé possible tout en restant transparent dans les longueurs d’ondes du visible. Dans toutes ces différentes séries, l’objectif est de trouver les propriétés optiques des différentes couches minces. L’indice de réfraction étant déterminé par la méthode de Swanepoel [40,41], le temps de dépôt des échantillons a été calculé pour que leurs épaisseurs soient de l’ordre de 700 nm (cf. chapitre I). Les différents dépôts ont été réalisés sur silicium pour déterminer les caractéristiques fondamentales (composition et morphologie) et sur quartz pour les caractéristiques fonctionnelles (propriétés optiques).