Angle d’inclinaison des colonnes

L’angle d’inclinaison des colonnes (β) est déduit de mesures réalisées sur les images obtenues par MEB et sur les images obtenues avec Simul3D. Une moyenne de cinq valeurs a ensuite été calculée. La figure V-13 présente l’angle d’inclinaison des colonnes en fonction de l’angle d’inclinaison du substrat en fonction de l’angle d’incidence résultant du flux arrivant sur le substrat obtenu avec SIMTRA.

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Figure V-13 : Angle d’inclinaison des colonnes des couches métalliques (Al, Cr et Ti) en fonction a) de l’angle d’inclinaison du substrat et b) de l’angle d’incidence résultant du flux

obtenu avec SIMTRA.

L’angle d’inclinaison des colonnes a été comparé à deux modèles théoriques. Le premier est une loi semi-empirique nommée « règle des tangentes » [141][149]. Cependant, cette formule empirique n’est validée par l’expérience que pour des angles d’incidence α inférieurs à 50° [4]. Le second modèle est une relation purement géométrique qui dérive d'un modèle balistique proposé par Tait et al. [145]. La plupart du temps, les mesures expérimentales présentent des écarts importants par rapport aux lois théoriques [52] [150] [193] [196] [197]

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[198] [199]. D’après l’étude qui a été effectuée et selon la littérature, la relation réelle entre l’angle d’orientation du substrat « α » et l’angle d’inclinaison des colonnes « β » est complexe. Elle dépend de plusieurs paramètres notamment la pression de travail, la température, la géométrie et les dimensions de la cible, la distance cible-substrat, la composition et la structure cristalline de la couche. En effet, dans cette étude de trois dépôts métalliques déposés à différents angles d’orientation du substrat, l’écart entre l’angle d’inclinaison des colonnes et l’angle d’orientation du substrat a été mis en évidence (figure V- 13).

Deux zones peuvent être observées sur la figure V-13-a : en-dessous et au-dessus de l’angle d'environ 50°. Dans la première zone, en-dessous de 50°, l’angle des colonnes augmente avec l’angle d’orientation du substrat suivant la règle de Tait dans le cas des couches d’aluminium alors qu’il suit la règle des tangentes pour les couches de chrome et de titane. En d’autres termes, le matériau le plus léger (Al, A = 27) présente des colonnes plus inclinées que les matériaux lourds ((Cr, A = 52) et (Ti, A = 48)). Dans la seconde zone, au-delà de 50°, l’angle des colonnes se stabilise respectivement autour de 40, 37 et 26° pour une couche à base d’aluminium, de chrome et de titane. Si l'évolution pour les couches d'aluminium et de titane est continue avec l’angle d’orientation du substrat, l'angle des colonnes de la microstructure des dépôts de chrome présente un saut de 15° pour un angle d'inclinaison du substrat compris entre 45 et 60°. On note que ce comportement a été reproduit plusieurs fois avec des couches plus épaisses. Ce comportement reste difficile à comprendre et il n’a jamais été signalé auparavant.

Cette discussion confirme la conclusion de la partie V-5, à savoir que l’angle d’inclinaison du substrat ne peut pas expliquer correctement l’évolution d’un paramètre. Pour avoir un comportement physique, il faut utiliser l’angle résultant. En effet, l’évolution de l’angle d’inclinaison des colonnes en fonction de l’angle d’incidence du flux est en bon accord avec les lois théoriques sans prendre en compte de point critique (α = 50°) (figure V-13-b). On peut en déduire que l’angle d’incidence est un paramètre local qui dépend de plusieurs paramètres macroscopiques. L’angle d’inclinaison du substrat est l’un de ces paramètres macroscopiques. Cependant, ces deux angles (d’incidence du flux et d’inclinaison du substrat) peuvent être fusionnés dans certaines conditions particulières (source ponctuelle, basse pression) car l’angle d’inclinaison du substrat est mesuré uniquement à partir de la position et de l’orientation du substrat par rapport à la source. Dans la littérature, on peut constater l’utilisation du terme « angle d’incidence » alors que visiblement c’est l’angle d’inclinaison du substrat qui est visé. Les écarts aux lois théoriques rapportées dans ces publications devraient de la même manière s’expliquer assez facilement avec la simulation du procédé. La figure V-14 présente l’angle d’inclinaison des colonnes des couches métalliques simulées (β Simul) en fonction de l’angle d’inclinaison des colonnes des couches métalliques obtenues expérimentalement (β Exp).

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Figure V-14 : Angle d’inclinaison des colonnes (β Simul) des couches métalliques simulées en fonction de l’angle d’inclinaison des colonnes (β Exp) des couches métalliques obtenues

expérimentalement.

Selon les paramètres opératoires et la configuration particulière du système, on observe une bonne corrélation linéaire entre les angles des colonnes obtenus expérimentalement et les angles des colonnes obtenus par la simulation Simul3D pour les trois matériaux métalliques. Encore une fois, la simulation de la croissance de la couche métallique confirme l’influence du transport des atomes sur l’angle d’inclinaison des colonnes. On note également une certaine dispersion entre les angles des colonnes des films de chrome et de titane par rapport aux angles d’inclinaison des colonnes des films d’aluminium. Ceci peut s’expliquer par le fait que le flux d’atomes d’aluminium est plus directif que celui de chrome ou de titane, comme mentionné précédemment.

Dans le but de confirmer l’augmentation de la porosité et de la rugosité de nos couches observées sur les images MEB, nous exposons dans ce qui suit les résultats de calcul avec le logiciel Simul3D de la densité des couches métalliques ainsi que de leur rugosité de surface en fonction de l’angle d’inclinaison du substrat par rapport à la cible. Nous utiliserons toujours cet angle et non l’angle d’incidence par confort visuel. Par contre, dans les discussions, il pourra être fait appel à l’angle d’incidence.