Méthodes de dépôts en couches minces – Procédé Sol-Gel

Méthodes de synthèse et de dépôts des couches minces

L’ensemble des techniques utilisées dans la préparation des couches minces peut être divisé en deux catégories : les dépôts physiques et les dépôts chimiques. Les méthodes de dépôts physiques les plus utilisées pour la croissance des oxydes sont : • La pulvérisation cathodique RF (Sputtering) • L’ablation laser (Pulsed Laser Deposition – PLD) Les méthodes les plus courantes de dépôts chimiques sont celles des dépôts chimiques en phase vapeur (Chemical Vapor Depostion – CVD) et des dépôts chimiques en phase liquide (Chemical Solution Deposition – CSD).

Parmi les techniques chimiques les plus utilisées on peut citer : Méthodes de dépôts en couches minces – Procédé Sol-Gel 42 • La méthode de décomposition métallo-organique (Metallo-Organic Decomposition – MOD) • La technique d’Electro-spray (Electrostatic Spray Deposition – ESD) • Le procédé Sol – Gel Nous allons décrire sommairement chacune de ces méthodes dans les paragraphes suivants en présentant leurs avantages et leurs inconvénients d’une manière plus précise

Les méthodes physiques 

La pulvérisation cathodique RF

D’une manière générale, une pulvérisation est le résultat des collisions qui ont lieu entre les particules incidentes (ou bien injectées) et les atomes qui se trouvent sur la surface de la cible (matériau à déposer) [113]. Le principe de la pulvérisation cathodique est représenté sur la figure II.1. Figure II. 1:Schéma de principe de la pulvérisation cathodique. Un champ électrique appliqué entre l’anode (le substrat) et la cathode (la cible) provoque une décharge qui va ioniser les atomes d’argon injectés dans la chambre. Les ions contenus dans ce plasma d’argon (Ar+ ) sont alors accélérés vers la cible.

Par transfert de la quantité de mouvement contenu dans chaque ion Ar+ , les atomes constituants la cible se retrouvent arrachée et expulsée vers le substrat. Cette technique largement répandue dans l’industrie microélectronique assure en général une bonne homogénéité, une bonne reproductibilité et une haute densité des films préparés [114]. Chapitre II 43 Les principaux inconvénients se situent au niveau du contrôle de la stœchiométrie et de la faible vitesse de dépôt dans le cas des matériaux isolants [115]. La pulvérisation cathodique a été considérablement utilisée au sein de l’équipe MIMM pour la fabrication des couches minces ferroélectriques telles que le titanate de bismuth et de sodium (BNT) [116], le titanate de baryum et strontium (BST) [117] [118], les matériaux à base du plomb [119] [120] [121] [122], etc.. 

L’ablation laser

La technique de dépôts par ablation laser (PLD) est une autre technique largement utilisée aujourd’hui pour déposer des matériaux oxydes [123]. Le principe général de dépôt par PLD est de concentrer un faisceau laser pulsé de forte énergie dans une chambre à vide et de le focaliser sur une cible constituant le matériau à déposer (figure II.2). Figure II. 2: Schéma du principe du PLD. Le matériau va alors subir une montée en température extrêmement rapide et extrêmement locale (dépendante de la surface du spot laser et de la conductivité thermique du matériau cible).

Les contraintes induites par les différences de dilatation entre le matériau illuminé par le laser et son voisinage immédiat (encore froid) conduisent à une expulsion de la matière en direction du substrat. On observe alors une « plume » très directive comme le montre la figure II.2. De la forte directivité de cette plume découle à la fois le principal avantage de la méthode par l’ablation laser mais également son principal inconvénient : Méthodes de dépôts en couches minces – Procédé Sol-Gel 44 – Avantage : Le transfert de la composition des éléments entre la cible et le substrat possède un rendement proche de 100%.

– Inconvénient : L’épaisseur du film déposé est très inhomogène ce qui conduit à une forte limitation de la surface des échantillons. Des films minces de BNT ont été déposés par PLD. On peut citer les travaux de Duclère et al. et de Bousquet et al. qui ont rapporté la croissance des films épitaxés de BNT en utilisant des lasers pulsés avec une longueur d’onde λ=248 nm. Des substrats de Saphir (Al2O3) et de titanate de strontium (SrTiO3) ont été utilisés avec une couche épitaxiale de Platine Pt(110) pour déposer les films de BNT [96] [97]. D’autres travaux ont été réalisés sur les films minces de BNT déposés par PLD pour étudier l’effet du dopage par de Manganèse (Mn) sur les propriétés structurales et électriques.