Dépôt des couches minces

Propriétés des couches minces réelles

Une couche dite mince est un objet dont l’une des dimensions géométriques est très faible (de quelques dizaines nanomètres à quelques micromètres). Cela explique un rôle essentiel des interactions surfaciques dans l’établissement des propriétés physiques de ces objets. D’ailleurs, c’est la raison principale pour laquelle les propriétés physiques des couches minces diffèrent de manière significative de celles des corps massiques.
L’aire totale de grains cristallins est supérieure à celle des deux faces d’une couche mince. Par conséquent, généralement, l’effet de frontières de grains cristallins sur les propriétés d’une couche mince prévaut sur celui de ses faces. Ainsi, les propriétés physiques d’une couche mince dépendent essentiellement de sa morphologie interne. En général, les couches minces utilisées dans les applications optiques sont poly-cristallines ; leur état est métastable, hors de l’équilibre et éloigné du minimum énergique. D’un point de vue microscopique, elles se composent des grains cristallins enrichis par des défauts, qui sont séparés par des zones enrichies par des impuretés (Fig.1). Les dimensions des grains cristallins sont du même ordre de grandeur que l’épaisseur de la couche mince, [1]. II ressort de l’étude bibliographique que les couches minces présentent une micro structure en forme de colonnes de diamètres variant de 10 à 30 nm . L’orientation des grains cristallins varie en fonction de l’angle entre le plan du substrat et le flux de molécules lors du dépôt.
La microstructure des couches minces est extrêmement sensible aux propriétés chimiques et physiques de tout matériau mis en jeu lors de sa croissance, ainsi que des conditions physiques de dépôt à chaque étape d’évolution de la couche mince (Tableau 1). En particulier, les propriétés d’une couche mince sont très sensibles à la nature du substrat, sur lequel elle se situe. Cela explique, par exemple, pourquoi les couches d’un même matériau et d’une même épaisseur peuvent présenter des propriétés physiques essentiellement différentes sur les substrats de nature différente.

Contraintes internes et leur origine

Comme on l’a noté précédemment, les molécules du réseau cristallin d’une couche mince se trouvent écartées de l’état d’équilibre primitif. De ce fait, pratiquement toutes les couches minces présentent des contraintes mécaniques internes, qui tendent à faire revenir le réseau cristallin à l’état d’équilibre. D’une manière générale, on peut identifier deux catégories de contraintes internes :
– les contraintes extrinsèques apparues dues à la différence entre les coefficients de dilatation thermique des couches minces et du substrat (contraintes thermiques) ;
– les contraintes intrinsèques spécifiques au matériau.
Les contraintes totales sont donc une superposition des contraintes extrinsèques avec celles intrinsèques. Il faut noter que si lors du dépôt Ts/TF<0,25 (où Ts est la température du substrat et TF est la température de fusion du matériau déposé), les contraintes intrinsèques l’emportent sur celles extrinsèques.

Origines des contraintes intrinsèques

Les origines physiques des contraintes intrinsèques sont multiples. Il s’agit, tout d’abord, de l’effet du désaccord entre les paramètres de mailles du substrat et de la couche mince à déposer. De plus, on peut citer l’effet des forces intermoléculaires provenant des parties du réseau cristallin étant hors de position du minimum énergétique dans le solide.
L’importance des contraintes intrinsèques est liée directement au procédé de fabrication : elle varie en fonction de la densité des impuretés et des défauts de la structure présentés dans la couche mince, ainsi que du régime thermique suivi durant le dépôt.
Notons enfin que les contraintes intrinsèques incitées par un désaccord de mailles peuvent éventuellement se relaxer en partie ou en totalité, via une formation des dislocations locales.

Origine de contraintes extrinsèques

En général, la température du substrat durant le dépôt TD est plus élevée que la température ambiante T. Par conséquent, à l’issue du dépôt, la couche mince subit une déformation thermomécanique qui entraîne dans cette couche des contraintes mécaniques appelées « extrinsèques ».