Évaporation par faisceau d’électrons

La synthèse de couches minces par évaporation – logiquement, une technique de dépôt en phase vapeur – constitue une des plus vieilles techniques de dépôt de couches minces recensée. En effet, l’évaporation thermique est accessible relativement tôt dans l’histoire puisqu’il suffit de posséder une cloche sous-vide et une flamme pour y parvenir. Afin de mieux contrôler le processus, l’évaporation thermique moderne utilise plutôt des éléments chauffants électriques afin de vaporiser l’espèce chimique qui fait le sujet du dépôt. Cette technique comporte donc le désavantage de devoir chauffer à la fois le creuset et le matériau à évaporer. Ainsi, les risques de contamination croisée entre le creuset et le matériau s’en trouvent augmentés si la température est élevée. Dans le cas de l’oxyde de tungstène, il faut atteindre une température de 1970 K pour commencer l’évaporation. Il sera évident pour le lecteur que de maintenir une telle température nécessiterait un fort courant électrique dans le creuset et serait peu pratique en application réelle. Dans ce type de scénario, l’évaporation par faisceau d’électron est beaucoup plus efficace et permet de limiter à la fois l’usure de l’équipement et la contamination croisée.

L’évaporation par faisceau d’électron repose sur un principe simple : un faisceau d’électron est d’abord généré en faisant circuler un courant dans un filament métallique. Ce filament s’échauffe par effet joule et certains des électrons acquièrent assez d’énergie pour être émis dans la chambre à vide : c’est la thermo-émission. Un champ électrique est appliqué au filament afin d’accélérer ces

électrons libres tandis qu’un champ magnétique permet de contrôler leur trajectoire via la force de Lorentz. Lorsque ces électrons accélérés entrent en collision avec le matériau (généralement concassé) contenu dans le creuset, le transfert d’énergie cinétique qui s’effectue chauffe localement la surface des granules et permet la sublimation du matériau qui passe alors en phase vapeur. Dans les systèmes de dépôt par e-beam modernes, ce processus est entièrement contrôlé par ordinateur. Étant donné que chaque matériau possède une température d’évaporation et une capacité à accepter les charges différentes, le faisceau balaie les grains suivant un motif spécifique et le courant d’émission est lui aussi spécifique à chaque matériau. Le système utilisé par le LaRFIS est particulièrement efficace à utiliser puisqu’il s’agit d’un modèle industriel prêté par un des partenaires de la chaire de recherche MIC-CSE que chapeaute le laboratoire. Le Leybold Optics BoxerPRO permet la synthèse de couches organiques, inorganiques (oxydes et métaux) ainsi que de couches hybrides. De par le grand volume de la chambre à vide, plusieurs équipements d’appoints y sont apposés : un évaporateur thermique, des buses permettant d’introduire des gaz comme l’argon ou l’oxygène ou encore des précurseurs organiques pour réaliser des couches par CVD en utilisant une source ionique. Le tout est contrôlé par un ordinateur dans lequel l’utilisateur peut programmer des recettes qui seront suivies automatiquement par l’appareil. Les substrats sont généralement placés sur la calotte sphérique située au haut de la chambre. Celle-ci est mise en rotation afin d’assurer l’uniformité des couches déposées, dont l’épaisseur est contrôlée par une microbalance au quartz (QCM). Dans le cas des couches GLAD, il est nécessaire de faire parvenir le flux de vapeur à un angle différent de 0° par rapport à la normale du substrat. À cette fin, un porte-substrat fait sur mesure a été conçu et est fixé à un moteur électrique situé à l’extérieur de la chambre, ce qui permet de contrôler la rotation des substrats de quelques tours par minutes à quelques dizaines de tours par minute. Le système ne permet pas pour le moment de contrôler la position angulaire des substrats ni d’utiliser la méthode phi-sweep. En plus de la position par défaut sur la coupole hémisphérique, il est donc possible de placer des substrats à des positions formant un angle avec le flux de matière de 60°, 67°, 77° et 85° respectivement. Les résultats initiaux ayant démontré que les couches déposées à 85° étaient trop poreuses pour être vraiment utiles, cette position n’est pas utilisée dans cette étude. La Figure 3.1 illustre la configuration du système utilisé. Dans tous les cas, la pression mesurée durant le dépôt était de l’ordre de 0.25 mTorr.

Figure 3.1 Schéma du système de dépôt e-beam utilisé pour synthétiser les couches minces GLAD de WO3.

3.1.1 Bombardement ionique par plasma d’oxygène

Le bombardement ionique est souvent utilisé en industrie afin de nettoyer la surface d’un substrat pour que la couche qui y sera déposée possède des propriétés jugées plus intéressantes, principalement une meilleure adhésion. Par exemple, il est possible de modifier la rugosité du substrat, son énergie de surface ou encore d’implanter des ions. Toutes ces modifications ont un impact sur la croissance des couches. Dans le cadre de ce projet, la source ionique est utilisée afin d’ajouter de l’énergie dans la couche en croissance. En effet, les ions d’oxygène accélérés permettent de densifier la couche de WO3 par un processus de collisions balistiques.

La source ionique utilisée est de type End-Hall (modèle eH-1000) produite par Kaufman & Robinson. Ce type de source ionique consiste en une entrée de gaz passant à travers un aimant permanent, une anode et un filament cathodique dans lequel un courant élevé circule. Le gaz introduit autour de l’anode est bombardé par les électrons émis par le filament cathodique. Les électrons subissent des collisions avec les atomes et une proportion de ceux-ci sont ionisés. En

raison de la tension appliquée entre l’anode et la cathode, les ions sont accélérés hors de la source ionique en suivant les lignes de champ électrique, ce qui produit un flux d’ions conique possédant une ouverture d’environ 60°. Les ions sont neutralisés par l’excès d’électrons provenant de la cathode chaude. La dépendance angulaire selon a du courant ionique produit est décrit par 𝐼_o = 𝐴 𝑐𝑜𝑠s_{𝛼 avec A l’intensité à la source et n = 2 à 4 généralement [81].}

Cette source ionique est bien caractérisée [82] et la distribution d’énergie ionique obtenue pour différents courants de décharge Id est présentée au Tableau 3.1.

Tableau 3.1 Distribution de l'énergie moyenne 𝐸 des ions produits par la source ionique en fonction du courant de décharge Id.

Courant de décharge Id

[A]

Énergie moyenne des ions 𝐸 [eV] 1 50 2 60 3 70 4 90 5 120 6 135 7 155

La source ionique est contrôlée par un ordinateur afin de fixer les paramètres de la décharge. Puisque les caractérisations précédentes avaient été effectuées pour un plasma généré avec un flux de 20 sccm d’O2, c’est ce gaz qui est utilisé.