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Elaboration et caractérisation physique des couches minces de TiO2 déposées par pulvérisation cathodique( Télécharger le fichier original )par Ihsen BEN MBAREK Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tunis - Mastère en Génie des Systèmes Industriels 2009 |
Mémoire Présenté à l'ENIT Diplôme de Mastère en Génie des Systèmes Industriels : Systèmes & Procédés Semi-conducteurs Par Ihsèn BEN MBAREK Ingénieur en Electronique&Microélectronique de l'ENIT
Elaboration et Caractérisation Physique des Couches Minces de TiO2 Déposées par Pulvérisation Cathodique Réalisé au Laboratoire de Photovoltaïque et Matériaux Semi-conducteurs : LPMS-ENIT Soutenu le 04 avril 2009 Devant le Jury : Président : M. Ridha BEN CHEIKH (Professeur à l'ENIT) Rapporteur : M. Mounir KANZARI (Professeur à l'IPEIT) Co-encadreur : M. Mohamed ABAAB (Professeur à l'ENIT) Encadreur : Mme Fatma CHAABOUNI (Maitre de Conférence à l'ENIT) Année : 2008 - 2009 Réf : MGSI 04/GI-09 enit@enit.rnu.tn íäæÑÊßááÅÇ ÏíÑÈáÇ - 71 872 729 ÓßÇáÇ - 71 874 700 ÊÇåáÇ ÓäæÊ 1002 ÑíÏáÈáÇ 37 È Õ ÓäæÊÈ äíÓÏäåãáá ÉíäØæáÇ ÉÓÑÏãáÇ Ecole Nationale d'Ingénieurs de Tunis BP 37 le Belvédère 1002 Tunis Tél: 71874700 - Fax: 71872729 - Email enit@enit.rnu.tn ÁÇÏåÅ ãíÙÚøÊáÇ øÞÍ øíáÚ ãåá äã ìáÅ ÉÒíÒÚáÇ íÊÏáÇæ æ ÒíÒÚáÇ íÏáÇæ ìáÅ
äíÏáÇ íÓ íÎ ãå áÇÛ ÉÕÇÎæ ÉáÆÇÚáÇ ÏÇÑ øáß ìáÅ ÇÑÍ íäãøáÚ äã øáß ìáÅ áÖÇáÇ íÊÐÊÇÓ ìáÅ ÁÇÞÏÕáÇæ ÁÇøÈÍáÇ áß ìáÅ ä ÇÓÍÇ áãÚáÇ ÇÐå íÏå Remerciements Mes sincères et infinis remerciements s'adressent à Mr Mohamed ABAAB et Mme Fatma CHAABOUNI mes encadreurs au sein du Laboratoire de Photovoltaïque et Matériaux Semiconducteurs (LPMS) de l'ENIT, pour leurs disponibilités, leurs encouragements et leurs conseils qui m'ont été très précieux et l'effort qu'ils ont fourni en faveur de la réussite de ce travail avec beaucoup d'amabilité et de gentillesse. Qu'ils trouvent ici l'expression de ma haute gratitude. J'adresse mes sentiments respectueux à Mr Bahri REZIG et je tiens à lui exprimer ma profonde reconnaissance pour m'avoir accueillie dans son laboratoire. La réalisation de cet ouvrage et le bon déroulement de ce travail ont été aussi rendus possible grâce à la collaboration d'un nombre de personnes du laboratoire de recherche, tout particulièrement Mr Mohamed Maher LANDOLSI, le technicien du laboratoire, qui ont accepté de partager avec moi leurs connaissances, leurs expériences et leur savoir-faire. J'espère que cet ouvrage rendra justice à la qualité de leur apport. Je tiens à exprimer mes remerciements à Mr Hassan BOUZOUITA, Mr Mounir KANZARI, Mr Bechir ZOUEBI et Mr Jaouhar MOUIINE mes enseignants à l'ENIT, pour leurs confiances en acceptant de me diriger patiemment, pour les efforts méritoires qu'ils ont déployés, leur soutien constant, leurs grandes expériences et leurs qualités humaines m'ont été d'une grande importance et m'ont permis de mener à bien ce travail. Je remercie aussi Mr Rached GHARBI, Maitre de conférences de l'ESSTT, de son aimable aide pour les mesures de caractérisation IV. Qu'ils trouvent ici l'expression de ma profonde reconnaissance. Table des matières Liste des figures iii Liste des Tableaux iv Liste des Abréviations v Introduction générale 1 1 Matériau TiO2 3 1.1 Introduction 4 1.2 Structure cristalline 4 1.2.1 Phase rutile 5 1.2.2 Phase anatase 6 1.2.3 Phase brookite 7 1.3 Propriétés électriques 8 1.3.1 Dopage et type de conductivité 8 1.3.2 Conductivité 9 1.3.3 Constante diélectrique 10 1.4 Propriétés optiques 10 1.5 Applications 12 1.5.1 Biocompatibilité du TiO2 12 1.5.2 Pigments et peintures 12 1.5.3 Activité photocatalytique 13 1.5.4 Super-hydrophilie (anti-buée) 15 1.5.5 Electronique et photovoltaïque 15 1.5.6 Eclairage des tunnels 16 1.5.7 Chauffage 16 1.5.8 Autres applications 17 1.6 Conclusion 18 2 Techniques de dépôt : Pulvérisation cathodique 19 2.1 Introduction 20 2.2 Dépôt chimique en phase vapeur (CVD : Chemical Vapor Deposition) 22 2.3 Evaporation thermique 24 2.4 Ablation laser (Pulsed Laser Deposition- PLD) 26 2.5 Epitaxie par jets moléculaires 27 2.6 Pulvérisation cathodique 27 2.6.1 Principe de la pulvérisation 28 2.6.2 Pulvérisation DC (Direct Current) 32 2.6.3 Pulvérisation RF (Radio-fréquence) 34 2.6.4 Pulvérisation triode 35 2.6.5 Pulvérisation réactif 36 2.6.6 Croissance cristalline 37 2.7 Conclusion 39 3 Elaboration et caractérisation des couches minces de TiO2 40 ENIT 2007 i 3.1 Introduction 41 3.2 Elaboration des couches minces de TiO2 41 3.2.1 Préparation des substrats 41 3.2.2 Dispositif de pulvérisation 42 3.2.3 Etching 43 3.2.4 Pré-pulvérisation 43 3.2.5 Pulvérisation 44 3.3 Caractérisation structurale : Analyse par Diffraction des Rayons X (DRX) 45 3.3.1 Principe de la méthode 45 3.3.2 Description de l'appareillage 46 3.3.3 Couches élaborées sur des substrats de verre 49 3.3.4 Couches élaborées sur des substrats de silicium 51 3.4 Caractérisation morphologique par Microscopie à Force Atomique 54 3.4.1 Les modes de fonctionnement les plus courants 55 3.4.2 Dispositif utilisé 56 3.4.3 Couches de TiO2 élaborées sur des substrats de verre 57 3.4.4 Couches de TiO2 élaborées sur des substrats de silicium 59 3.5 Caractérisation optique des couches minces de TiO2 62 3.5.1 Méthode de calcul des constantes optiques 62 3.5.2 Couches élaborées sur des substrats de verre 65 3.5.3 Couches élaborées sur des substrats de silicium 71 3.6 Caractérisation électrique 72 3.6.1 Spectroscopie d'impédance électrique 72 3.6.2 Type de conductivité 83 3.7 Conclusion 85 Conclusion générale 87 Bibliographie 89 Netographie 94 ENIT 2007 ii Liste des figures Fig. 1. 1 L'agencement des octaèdres des variétés des oxydes de titane 5 Fig. 1. 2 Maille élémentaire de TiO2 rutile 5 Fig. 1. 3 Maille élémentaire de TiO2 anatase 7 Fig. 1. 4 Maille élémentaire de TiO2 pour la structure brookite 7 Fig. 1. 5 Tableau des impuretés incorporées dans TiO2 10 Fig. 1. 6 Spectre de lumière (a) avec la zone d'action du TiO2 (b) 10 Fig. 1. 7 Illustration d'applications concrètes des propriétés de TiO2 14 Fig. 2. 1 Méthodes générales pour déposer une couche mince 21 Fig. 2. 2 Schéma de principe de dépôt CVD, réacteur à parois chaudes 23 Fig. 2. 3 Principe d'évaporation thermique 24 Fig. 2. 4 Schéma de principe de l'ablation laser 26 Fig. 2. 5 Système de pulvérisation diode 28 Fig. 2. 6 Schéma des composants de la cathode magnétron 29 Fig. 2. 7 Principe de la pulvérisation cathodique diode 30 Fig. 2. 8 Décharge et zone de luminescence négative (plasma) 31 Fig. 2. 9 Mécanisme d'arrachage des atomes 31 Fig. 2. 10 Schéma du créneau de potentiel appliqué à la cible. 33 Fig. 2. 11 Principe de la pulvérisation radiofréquence 34 Fig. 2. 12 Schéma d'un dispositif de pulvérisation cathodique RF magnétron 35 Fig. 2. 13 Principe de fonctionnement de la pulvérisation triode 36 Fig. 2. 14 Zones Structurales (Mochvan et Demchishin) 37 Fig. 2. 15 La morphologie d'une CM par le modèle M-D et Thornton. 38 Fig. 3. 1 Bâti de pulvérisation cathodique au Laboratoire : (a) enceinte, (b) cible, et (c) unité de contrôle 43 Fig. 3. 2 Pulvérisation préférentielle : cible d'éléments à rendements différents 44 Fig. 3. 3 Schéma de DRX par une famille de plans réticulaires : a1, a2, a3 46 Fig. 3. 4 Le diffractomètre « Philips X'Pert 1 X-ray diffractometer » 47 Fig. 3. 5 Schéma de principe d'un diffractomètre par Rayon X 47 Fig. 3. 6 Spectres de DRX des couches de TiO2/Verre 49 Fig. 3. 7 Plan réticulaire (110) et (210) et maille de TiO2 rutile 50 Fig. 3. 8 Spectres de DRX des couches de TiO2/Si 51 Fig. 3. 9 AFM : (a) principe, (b) zone d'interaction pointe-échantillon, (c) Image d'une pointe en Si3N4 54 Fig. 3. 10 Le microscope « Dimension 3100 Scanning Probe Microscope (SPM) » 56 Fig. 3. 11 Images AFM 2D des couches de TiO2/Verre à TS : (a) ambiante, (b) 100, (c) 200 et (d) 300°C 57 Fig. 3. 12 Images AFM 3D des couches de TiO2/Verre à TS (a) ambiante, (b) 100, (c) 200 et (d) 300°C 59 Fig. 3. 13 Images AFM 2D des couches de TiO2/Si à TS : (a) ambiante, (b) 100, (c) 200 et (d) 300°C 60 Fig. 3. 14 Images AFM 3D des couches de TiO2/Si à TS : (a) ambiante, (b) 100, (c) 200 et (d) 300°C 61 Fig. 3. 15 Spectrophotomètre Shimadzu UV 3100S. 62 Fig. 3. 16 Spectres de transmission en fonction de A des couches de TiO2/Verre 65 Fig. 3. 17 Spectres d'absorption en fonction de A des couches de TiO2/Verre 66 Fig. 3. 18 Spectre de réflexion en fonction de A des couches de TiO2/Verre 67 Fig. 3. 19 Coefficient d'absorption en fonction de l'énergie des couches deTiO2/verre 69 Fig. 3. 20 Gap optique des CMs de TiO2 à : (I) différentes température, (a) TAmb, (b) 100, (c) 200 et (d) 300°C 70 Fig. 3. 21 Spectre de réflexion en fonction de A des couches de TiO2/Si 71 Fig. 3. 22 Modèle des cellules élémentaires ou modèle des briques ("Brick Layer Model"). 73 Fig. 3. 23 Circuit équivalent du modèle des briques (a) et sa représentation de Nyquist (b) 74 Fig. 3. 24 Circuit équivalent du modèle simplifié (a) et sa représentation de Nyquist (b). 75 Fig. 3. 25 Modèle de circuits équivalents et le spectre d'impédance correspondant 76 Fig. 3. 26 Modèle révisé de spectre d'impédance avec les demi-cercles de recouvrement 78 Fig. 3. 27 Principe de modulation d'une CM 79 Fig. 3. 28 Montage de mesure des impédances et modèle simplifié 79 Fig. 3. 29 Diagramme de Nyquist des CMs de TiO2/verre à TS : (a) Ambiante, (b) 100, (c) 200 et (d) 300 °C 80 Fig. 3. 30 Spectre d'impédance d'une CM de TiO2/Verre pour TS = 300 °C 80 Fig. 3. 31 Principe de la méthode de la pointe chaude 83 ENIT 2007 iii Liste des Tableaux Tab. 1. 1 Propriétés physiques de TiO2 11 Tab. 3. 1 Identification des raies des spectres RX des couches de TiO2/Verre 50 Tab. 3. 2 Taille des grains des couches de TiO2/Verre 50 Tab. 3. 3 Identification des raies des spectres RX des couches de TiO2/Si 52 Tab. 3. 4 Taille des grains des couches de TiO2/Si 53 Tab. 3. 5 Rugosité moyenne obtenue par AFM des couches minces de TiO2 élaborées sur substrats de verre 58 Tab. 3. 6 Rugosité moyenne obtenue par AFM des couches de TiO2/Si 60 Tab. 3. 7 Epaisseurs et indice de réfraction des couches de TiO2/Verre 68 Tab. 3. 8 Valeurs des transitions directes permises des couches de TiO2/Verre 70 Tab. 3. 9 Calcul des propriétés électriques des CMs de TiO2 pour différentes températures de substrat 81 Tab. 3. 10 Types de conductivité des CMs de TiO2 83 ENIT 2007 iv ENIT 2007 V Liste des Abréviations A-------------------------------------------------------------------------------------AFM : Atomic Force Microscope. APCVD : Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition. ASTM : American Society for Testing and Materials. |
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