I.4. Technique expérimentales de
dépôt des couches minces
Les principales méthodes utilisées pour
fabriquer des couches minces sous vide font appel à la technique de
dépôt en phase vapeur chimique (CVD : Chemical Vapor Deposition)
[69] et de dépôt en phase vapeur physique (PVD : Physical Vapor
Deposition) [70]. La classification des méthodes est
présentée sur le schéma de la figure I.10[71].
Figure I.b0. Présentation des principaux
procédés de dépôt de couches
minces.
I.4.1. Dépôts physiques en phase vapeur
Les procédés par PVD regroupent principalement
l'évaporation, la pulvérisation sous toutes ses formes et
l'ablation laser. Dans la réalisation d'une couche on peut distinguer
les trois étapes suivantes:
_ la création de la plume ou des espèces à
déposer, sous forme d'atomes, de molécules ou de clusters
(groupes d'atomes ou de molécules),
_ le transport de ces espèces en phase vapeur de la source
vers le substrat,
_ le dépôt sur le substrat et la croissance de la
couche.
Ce type de dépôt présente beaucoup
d'avantages par rapport au dépôt CVD.
Les films sont denses, le processus est facile à
contrôler et il n'y a pas ou peu de pollution.
I.4.1.1. La pulvérisation cathodique.
Les techniques de pulvérisation sont
généralement utilisées pour déposer toutes sortes
de matériaux : métaux, matériaux réfractaires,
diélectriques, céramiques. Des décharges de
différents types peuvent être utilisées : continues (DC) ou
alternatives (le plus souvent à haute radio fréquence (RF) : 13.6
MHz). Le principe de la pulvérisation consiste à bombarder la
surface du matériau à déposer par les ions d'un gaz
neutre, très souvent l'argon. Lors du choc avec la surface, ceux-ci
communiquent leur énergie cinétique. L'éjection d'atomes
ou de groupement d'atomes du matériau a lieu et ces derniers viennent se
déposer sur le substrat. L'ionisation des atomes d'argon est
réalisée dans une enceinte à vide qui peut atteindre
10-6 Torr. Une décharge électrique se produit dans
l'enceinte après application d'une tension entre deux électrodes
planes : une cathode où est installée la cible du matériau
à déposer et une anode qui est généralement
reliée à la masse et porte le substrat à recouvrir. Les
ions d'argon (Ar+) créés dans la décharge sont
accélérés vers la cathode et acquièrent ainsi
l'énergie qu'ils libèrent lors de leur impact à la surface
de la cible. Cela peut entraîner l'éjection d'atomes qui viennent
se déposer sur le substrat. Un schéma de principe de
fonctionnement de pulvérisation est présenté sur la figure
I.11. Les mécanismes physiques de pulvérisation sont
traités dans de nombreux ouvrages [72, 73].
Il existe plusieurs variantes de la pulvérisation
cathodique. Une très bonne synthèse de tous les systèmes
de pulvérisation est faite dans les Techniques de l'Ingénieur par
Bessot J-J [74].
Dans le cas particulier de la formation du ZnO, ou utilise une
cible de zinc, et l'on injecte conjointement à l'argon, de
l'oxygène qui s'associe au zinc pour former des molécules de ZnO.
L'intérêt de l'emploi d'une tension RF (13.56 MHz) réside
dans le fait que grâce à la différence de mobilité
entre les ions et les électrons, une auto polarisation négative
va se développer sur la surface isolante en contact avec le plasma
lorsque l'on doit déposer un isolant.
De ce fait, on va pouvoir déposer des matériaux
isolants sans accumulation de charges sur la surface de la cible, ce qui
provoquerait l'arrêt de la formation de plasma (voir figure I.11).
Mais pour qu'un tel procédé fonctionne, il faut que
:
_ La décharge soit continument maintenue durant toute
une période de la forme d'onde AC. Cette condition est
vérifiée si la fréquence est supérieure à 1
MHz. Dans ce cas, une période est plus courte que le temps
nécessaire pour charger l'isolant et éteindre la décharge
(temps de 1 à 10 ms). La plupart des plasmas sont
générés à 13,56 MHz (fréquences
réservées aux équipements industriels).
_ Les électrons perdus par la surface isolante soient
périodiquement régénérés. Cette condition
est réalisée en régime établi lorsque la charge
positive accumulée à la surface de la cible lors de l'alternance
négative est remplacée par des électrons incidents lors de
l'alternance positive.
_ Une configuration de champ électrique soit
créée dans la chambre permettant aux ions d'énergie
suffisante de bombarder et de pulvériser l'isolant de la cible. Pour
vérifier cette condition, un champ électrique doit exister en
face de la cible pour accélérer les ions avec un énergie
suffisante pour pulvériser le matériau de la cible.
Un tel champ électrique est produit dans les
systèmes RF par un phénomène appelé "auto
polarisant" ou "self-bias".
_ la pulvérisation dans la chambre soit limitée sur
toutes les surfaces excepté la cible.
Cette condition est vérifiée si la surface de la
cible montée sur une électrode est petite devant la surface de
l'autre électrode qui est constituée de la chambre et du
porte-substrat ayant un point commun avec la masse du générateur
RF.
_ la puissance RF soit accordée à la
décharge pour optimiser la vitesse de dépôt.
Figure I.11. Schéma de la technique de
pulvérisation cathodique "Sputtering"
Afin d'augmenter les vitesses de dépôts, la
plupart des bâtis de pulvérisation sont équipés
d'une cathode dite magnétron. Dans cette technique, on utilise un aimant
permanent placé dans la cathode qui permet d'appliquer un champ
magnétique parallèle à la surface de la cathode. Les
électrons dans l'enceinte sont soumis à ce champ
magnétique qui les piège autour de la cible et permet ainsi
d'augmenter le taux d'ionisation et par conséquent le taux de
pulvérisation. Pour permettre le dépôt des oxydes, des
nitrures, des sulfures et des hydrures, des gaz chimiquement actifs comme
l'oxygène ou l'azote sont introduits dans l'enceinte.
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