Les dépôts physiques en phase vapeur (PVD)

PROCEDES D’ELABORATION & TECHNIQUES D’ANALYSES

Les dépôts physiques en phase vapeur (PVD)

 Les procédés de dépôt physique en phase vapeur regroupés sous le nom « PVD » qui vient de l’anglais « Physical Vapour Deposition » permettent de réaliser un revêtement sous pression réduite. La particularité de ces dépôts est de produire de la vapeur par un phénomène purement physique. Toutes ces techniques reposent sur un même principe dont le processus peut être décrit par trois étapes fondamentales : – la vaporisation des espèces à déposer, – le transport de ces espèces jusqu’au substrat au sein d’une atmosphère résiduelle réactive ou non réactive, – la condensation de ces espèces et la croissance du dépôt. En général, les différentes techniques PVD sont classées selon trois grandes catégories : – la pulvérisation cathodique (sputtering), – l’évaporation, – le dépôt ionique (ion plating). 

La pulvérisation cathodique

 Observée par Grove en 1852 , c’est seulement en 1877 que Wright a proposé l’utilisation de la pulvérisation cathodique pour effectuer des dépôts métalliques en couches minces. Les progrès et les améliorations dans les technologies du vide, de la mécanique et de l’électronique font que cette technique trouve indéniablement sa place aussi bien dans le milieu industriel que dans le domaine de la recherche. 

Principe de la pulvérisation cathodique

 La pulvérisation cathodique repose sur le principe de l’éjection de matière par l’impact de particules (ions en général) sur le matériau que l’on veut déposer appelé  »cible ». Cette technique consiste à obtenir de la vapeur sous l’effet du choc entre des ions et le matériau à déposer. Si les ions lors du choc sont suffisamment énergétiques, des atomes (région II, figure 1.1) sont arrachés et propulsés dans l’enceinte (région I, figure 1.1). Le matériau de la cible, en phase solide à l’origine, passe instantanément en phase gazeuse par un procédé purement mécanique. Le nuage de matière ainsi créé se déplace dans l’enceinte jusqu’à atteindre une surface où il peut se condenser (parois, éléments de l’enceinte et substrat). Figure 1.1 : Collisions entre un ion argon et la surface à pulvériser provoquant l’éjection d’un atome..

Le principe de base de la pulvérisation cathodique à diode DC (direct current) est d’appliquer une différence de potentiel entre deux électrodes, dans une enceinte sous une faible pression partielle d’argon, permettant de créer un plasma (cf. figure 1.2). Le gaz argon est un gaz chimiquement neutre permettant de ne pas réagir avec les matériaux pulvérisés. Le matériau à pulvériser (cible) est placé sur la cathode et le porte substrat constitue l’anode. Sachant qu’un gaz se trouvant entre deux électrodes contient toujours quelques électrons libres, lorsqu’un champ électrique est appliqué entre les électrodes, ces électrons vont être accélérés. Ce sont ces électrons qui vont s’entrechoquer avec les atomes d’argon créant ainsi un plasma contenant des ions Ar+ . Ces ions sont attirés par la cathode (cible polarisée négativement) qui, par leur impact, vont provoquer l’expulsion des atomes et des électrons de la cible. Les particules expulsées de la cible vont alors se déplacer dans l’enceinte puis se condenser sur l’ensemble de ses parois, et plus particulièrement, sur le substrat situé en face de la cathode créant ainsi une couche de matériau. Figure 1.2 : Schéma de principe d’un système de pulvérisation diode DC [15]. Substrat (anode) Pompage Film Ar+ (-) Plasma Ar Cible (cathode) 

Pulvérisation cathodique radiofréquence

 C’est une technique semblable au système diode DC mais dans ce cas, une tension alternative est appliquée entre les deux électrodes (Figure 1.3). Cette méthode est ainsi utilisée lorsque l’on a à pulvériser des matériaux non-conducteurs. En effet, dans un système diode DC, les charges électriques apportées sur la cible par les ions ne peuvent s’écouler lorsqu’on pulvérise un diélectrique. La fréquence du signal utilisé en mode radiofréquence (RF) est de 13,56 MHz. Lors de l’alternance négative du signal, les ions sont attirés vers la cathode (cible). Au cours de l’alternance positive suivante, ce sont les électrons qui vont être attirés à leur tour vers la cible, neutralisant ainsi la charge positive sur la cible qui est apparue au cours de la précédente alternance.

A des fréquences supérieurs au MHz, les ions du plasma, du fait de leur masse élevée, deviennent suffisamment immobiles pour que l’on puisse négliger le bombardement ionique des électrodes. Si l’électrode est couplée au générateur à travers une capacité montée en série, un potentiel négatif pulsé va se développer sur l’électrode dont la valeur moyenne va tendre rapidement vers une valeur constante appelée « tension d’autopolarisation ». Figure 1.3 : Schéma de principe de la pulvérisation diode RF [16]. Du fait de l’utilisation d’une tension alternative, la vitesse de dépôt se trouve diminuée d’environ un facteur deux par rapport au système diode DC. Afin d’augmenter cette vitesse de dépôt, des améliorations technologiques ont été apportées aux systèmes de pulvérisation notamment l’effet magnétron.

 Effet magnétron

 L’idée d’origine du système magnétron était d’augmenter la vitesse de dépôt des systèmes classiques diode DC et diode RF. Ce perfectionnement consiste à combiner un champ magnétique intense (plusieurs centaines de Gauss) perpendiculairement au champ électrique entre les deux électrodes. Ce champ magnétique (en général produit par des aimants permanents) est parallèle à la cathode et par conséquent, les trajectoires électroniques s’enroulent autour des lignes de champ magnétique, augmentant considérablement les chances d’ioniser un atome ou une molécule de gaz au voisinage de la cathode (Figure 1.4). Générateur radio fréquence 13,56 MHz (ou ses harmoniques) Cible en métal ou en céramique (SiO2, TiO2, Al2O3 …) V(t) t (-) (+) Ar+ électron Figure 1.4 : Schéma de principe de l’effet magnétron..

Ce système magnétron a ainsi deux conséquences importantes. La première est une augmentation de la vitesse de dépôt. L’augmentation du nombre d’ions présents à proximité de la cathode entraîne une augmentation importante du bombardement ionique de la cible. La vitesse de dépôt peut être multipliée par 50. La seconde est un abaissement de la pression limite inférieure d’entretien de la décharge. L’augmentation de l’efficacité d’ionisation des électrons due à l’utilisation d’un champ magnétique permet de maintenir la décharge luminescente à des pressions beaucoup plus basses que sans champ magnétique. Ceci a comme autre avantage d’améliorer la pureté des couches. Malheureusement, l’usure de la cible n’est pas homogène puisqu’elle suit les lignes de champ du magnétron. On constate donc une usure très faible au centre et sur les bords de la cible alors que le long de l’anneau intérieur, elle sera fortement usée. 

Effet de la polarisation du substrat (BIAS)

 Cet effet consiste à appliquer une tension négative (quelques centaines de volts, correspondant à la tension de polarisation ou tension BIAS) sur le substrat au cours du dépôt. En polarisant négativement le substrat, les ions positifs du plasma sont donc accélérés et viennent bombarder le dépôt. Cette polarisation permet, entre autre, de diminuer la contamination de la couche en cours de croissance et de modifier sa structure et sa morphologie. Les paramètres importants de la pulvérisation BIAS sont l’énergie des ions, noté , et le rapport du flux d’ions Ar sur le flux d’atomes  » X+/M  » arrivant sur le dépôt. Selon l’ordre de grandeur de ces deux paramètres, différents phénomènes peuvent être observés (Figure 1.5).

Chapitre I : Procédés d’élaboration & techniques d’analyses Implantation Pas de film Repulvérisation Densification Désorption Pas d’effet Rapport des flux X+ /M Energie des ions (eV) Figure 1.5 : Influence de l’énergie des ions et du rapport des flux d’atomes et d’ions sur les caractéristiques de couches préparées par pulvérisation BIAS [17]. Aucun effet n’est observé lorsque le rapport des flux et l’énergie des ions sont trop faibles alors que des phénomènes de désorption, de densification et de re-pulvérisation des films sont obtenus lorsque ces deux paramètres augmentent. Les limites de chaque phénomène dépendent du matériau déposé ainsi que de la nature des ions. En augmentant encore les valeurs de ces deux paramètres, on assiste alors à l’implantation des ions (contamination de la couche par piégeage) voire à la re-pulvérisation complète du film.

 La pulvérisation en conditions réactives

 La pulvérisation en conditions réactives consiste à remplacer partiellement ou en totalité le gaz neutre par un gaz chimiquement actif dans le plasma de pulvérisation. Ce gaz réactif dépend du matériau que l’on désire déposer à partir de la cible utilisée. Par exemple, on utilise les gaz N2, O2, CH4, B2H6   pour former respectivement des nitrures, des oxydes, des carbures, des borures, et des mélanges de gaz comme O2/N2 pour former des oxynitrures  . Les électrons du plasma jouent alors un rôle important dans la dissociation, l’excitation et l’ionisation de ces gaz. Les espèces neutres, ainsi créées, réagissent avec les vapeurs métalliques provenant de la pulvérisation de la cible et viennent former le dépôt. Les espèces ioniques sont accélérées dans la gaine cathodique en fonction de la nature de leur charge. Elles peuvent se neutraliser à la surface de la cible ou s’incorporer dans le dépôt. Elles peuvent réagir avec la cible, ce qui entraîne la formation d’un composé et modifie le processus de pulvérisation. Les principaux inconvénients de cette pulvérisation réactive sont   : – la possibilité de réaction chimique indésirable et difficile à contrôler lors du processus de pulvérisation (vaporisation, transport et condensation),