La pulvérisation cathodique simple présente les inconvénients de nécessiter une tension élevée afin d'initier la décharge plasma ; elle induit également des vitesses de dépôt faibles, en raison du faible
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taux d'ionisation de l'Ar. Une solution technique a été apportée en accolant un « magnétron » sous la cathode. Les aimants du magnétron induisent le déplacement des électrons du plasma selon une trajectoire hélicoïdale, démultipliant leur trajet et les possibilités d'interactions avec l'Ar : son taux d'ionisation est alors plus important.
Techniquement, un magnétron de petite taille, tels que ceux que nous avons utilisés sont constitués des éléments dessinés dans la Fig. A 2 :
– une cible de matériau pur est mise en contact (électrique et thermique) (3) avec la cathode (7) ;
– cette cathode comprend des aimants de polarités opposées entre le centre et la périphérie : (5) et (6) ;
A.1 Pulvérisation cathodique magnétron DC
1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b 10 11 N S S N S N 1 Anode 2 Injection du gaz 3 Cible 4 « Racetrack » 5 Aimant Nord 6 Aimants Sud
7 Cathode (plaque de cuivre) 8 Plaque de retour de champ 9 Circuit de refroidissement (eau) 10 Lignes de champ magnétique 11 Trajectoire des électrons
Légende c
1 cm
Figure A 2 Cathode magnétron (a) Vue éclatée et (b) Coupe d'une cathode. (c) Lignes de champ magnétique et élec-trons secondaires.
– en raison de l'échauffement lors de la pulvérisation, la cathode doit être refroidie, en général par de l'eau (9) ;
– en face arrière de la cathode (à l'opposé de la cible), est ajoutée une plaque magnétique (8), qui permet le retour des lignes de champs, sous le dispositif ;
– enfin, le tout est couvert par l'anode (1), qui dispose souvent d'orifices d'injection des gaz qui permettent d'apporter les gaz réactifs au plus près de la cathode (2).
La présence des aimants induit les lignes de champs magnétique telles que présentées dans la
Fig. A 2 (c). Ces-dernières confinent les électrons secondaires à proximité de la cible, permettant la production efficace d'ions Ar+, en raison de la distance accrue qu'ils parcourent. Le plasma nécessite donc une différence de potentiel moins importante pour maintenir la décharge, la tension de travail peut donc être limitée (plus les aimants sont puissants, et plus cet effet est prononcé).
Lors de la pulvérisation de la cible par ces ions Ar+, la charge de l'ion est transmise à la cible (dès lors, elle doit donc être suffisamment conductrice). En revanche, les espèces atomiques ou moléculaires pulvérisées sont très généralement neutres (faible taux d'ionisation, de l'ordre de quelques fractions de pourcents) : le piège magnétique n'a donc aucun effet sur elles. Elles continuent donc leur trajectoire en ligne droite (si la pression est suffisamment faible pour que leur libre parcours moyen soit supérieur à la distance cible–substrat), et peuvent alors se déposer à la surface du substrat. Il existe une zone d'abrasion préférentielle, nommée « racetrack », située dans l'entrefer des aimants (Fig. A 2 (b)).
Si le matériau de départ composant la cible est constitué d'un seul types d'atomes, ces atomes vont être pulvérisés et se déposeront à la surface du substrat. La vitesse du dépôt dépend alors des paramètres du magnétron (puissance, tension, pression du gaz, etc), mais également du taux de pulvérisation propre au matériau considéré. Ce taux de pulvérisation correspond au nombre d'atomes éjecté par ion Ar+ incident (dont l'énergie est fixée, par exemple à 1 keV). Ainsi, à titre d'exemple, un ion Ar+ à 1 keV arrivant selon une incidence normale sur une cible d'Ag ou de Ti, arrachera respectivement : environ 3,7 atomes d'Ag et seulement 0,7 atomes de Ti202. Ce taux de pulvérisation dépend de la masse des atomes, de leur énergie de liaison à la surface de la cible (et également des propriétés de l'ion incident : masse, énergie, et angle d'incidence).
À présent, si la cible est constituée d'un mélange d'atomes dans une stoechiométrie déterminée, comme par exemple d'Ag et de Ti, quel matériau obtient-on sur le substrat ? Souvent, les cibles à plusieurs composants sont de simples galettes obtenues par pressage de poudres des deux matériaux voulus, ce qui permet un dosage précis des quantités souhaitées.
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Comme nous l'avons vu précédemment, les atomes de Ti ont une probabilité 5,3 fois plus faible d'être pulvérisés que les atomes d'Ag. Ainsi, dans une première phase de pulvérisation, de très nombreux atomes d'Ag vont être pulvérisé et donc supprimés de la surface de la cible ; en conséquence, le ratio de surface de la cible occupé par l'Ag va diminuer. La probabilité de pulvériser des atomes d'argent va ainsi mécaniquement baisser, au profit des atomes de Ti. Ainsi, le ratio des taux de pulvérisation va être compensé automatiquement par le ratio des surfaces exposées.
La pulvérisation cathodique (magnétron ou non) permet donc le dépôt de films composé de plusieurs éléments dont la stoechiométrie est strictement égale à la stoechiométrie nominale de la cible. Mais pour obtenir cette égalité, il est nécessaire de pulvériser la surface pendant un temps suffisant, afin que les aires respectives des différents matériaux trouvent leur équilibre. Cette étape est appelée pré-pulvérisation.
La cathode que nous avons schématisée (Fig. A 2 (a) et (b)) utilise des cibles de 2” de diamètre, qui permettent donc des dépôts homogènes sur des substrats de taille similaire. Dans l'industrie, ces ca-thodes prennent d'autres formes, mais sont toutes basées sur le même mode de fonctionnement. Elles peuvent notamment être rectangulaires (plusieurs mètres de longs pour une dizaine de cm de large), ou encore cylindriques (mises en rotation selon leur axe, l'usure préférentielle observée est partagée sur toute la surface). Elles permettent alors d'effectuer des dépôts rapides sur de très grandes surfaces.
A.1.2
Pulvérisation réactive DC
Nous avons précédemment détaillé les principes de base du dépôt par pulvérisation cathodique par magnétron, à partir de cibles conductrices. Le dépôt de céramiques est néanmoins également possible, selon deux méthodes :
– l'utilisation d'une cible non conductrice de ladite céramique, et d'un potentiel de cathode alternatif (radiofréquences) (non détaillé dans ce manuscrit) ;
– l'utilisation d'une cible métallique pure et l'ajout d'un gaz réactif, tel que l'O2 ou le N2, afin de déposer l'oxyde ou le nitrure correspondant.
a) Principe
Lors de la pulvérisation d'une cible en présence de l'ajout d'un gaz réactif, la surface de la cible participe à une réaction qui peut être totale ou partielle en fonction du flux du gaz. En ajustant la quantité de gaz, il est possible de déposer des films de stoechiométrie et de composition déterminées avec des forts taux de dépôts. Les réactions entre gaz et espèces ont exclusivement lieu aux surfaces de la cible
et/ou de l'échantillon : en fonction des para-mètres utilisés, les composés émis peuvent avoir réagi ou non (Fig. 2.1 3), ils peuvent également réagir sur le substrat pour former des composés gaz-espèce déposée.
Comme dans le cas d'une cible faite d'un alliage, si la cible a une surface partiellement oxydée, nous effectuons un dépôt multi-espèces : le ré-glage des gaz réactifs permet donc d'obtenir la stoechiométrie souhaitée.