3.1 Synthèse de films minces par pulvérisation magnétron
3.1.2 Le bâti de pulvérisation magnétron PUMA
Précédemment nous avons souligné l’importance de la température du substrat lors de la croissance de phases MAX par pulvérisation magnétron. Le dispositif de pulvérisation ma- gnétron utilisé au laboratoire est un prototype constitué d’une enceinte maintenue sous vide secondaire et d’un système de chauffage du substrat limité à une température de consigne de 800°C. En réalité, des mesures de température ont montré qu’avec un porte substrat conven- tionnel, le substrat peut atteindre une température maximale de 650 à 700°C. En raison de cette température relativement faible, nous avons utilisé un porte substrat percé à l’arrière, initialement utilisé pour des mesures de contraintes in situ en cours de croissance, de sorte que l’arrière du substrat voit directement le rayonnement du four (cf. figure II.7). Il s’est avéré que le perçage du porte échantillon a permis d’améliorer considérablement la qualité des films minces de phases MAX, par rapport à celle obtenue avec un porte-substrat plein. Compte tenu de cette difficulté, nous nous sommes concentrés sur la croissance de deux phases 211, Cr2AlC et Cr2GeC. La première est en effet connue pour nécessiter des températures aussi faibles que 450°C pour permettre l’obtention d’un film monophasé.
La pulvérisation magnétron fait partie des techniques PVD. Elle est basée sur le principe de la pulvérisation cathodique. Dans une enceinte maintenue sous vide (pression de base ≤ 10−6 mbar), le gaz de pulvérisation (Argon dans notre cas) est introduit au voisinage d’une
- - + + - - Four Four Substrat (a) (b) Substrat
Lignes de champ magnétique Porte-substrat
Générateur DC ou RF Refroidissement par
circuit d’eau Plasmas de fortes densités Anode
Cible Cible
Figure II.8 – Illustration de la répartition des lignes de champ magnétique au voisinage d’une cible.
En mode compensé (a), les lignes de champs sont fermées sur la cible au profit d’un plasma très dense et d’une vitesse de dépôt élevé, alors qu’en mode décompensé (b), les lignes de champs sont plus ouvertes et certaines atteignent le substrat favorisant l’assistance ionique du dépôt en cours de croissance au détriment de la vitesse de dépôt.
cible (cathode) sur laquelle un potentiel négatif important est appliqué. Si la tension appliquée à la cathode et la pression partielle d’Argon sont suffisamment importantes (typiquement 5 sccm d’Argon pour une tension de -100 V), des atomes du gaz sont ionisés et il en résulte la formation d’un plasma au voisinage de la cible. Les atomes ionisés, accélérés par le potentiel négatif, frappent la cible et permettent l’éjection d’atomes pulvérisés de la cible, qui vont se condenser sur le substrat. La particularité du dispositif magnétron réside dans la présence de deux aimants situés derrière la cible. Les lignes de champ magnétique fermées de ces aimants ont pour effet de confiner les électrons issus du processus d’ionisation du gaz au niveau du plasma, permettant d’entretenir ce processus de neutralisation/ionisation du gaz (cf. figure II.8). Le plasma est auto-entretenu par la production d’électrons secondaires issus du processus de pulvérisation. Ce plasma est alors plus dense que dans le cas d’une pulvérisation cathodique classique, et le taux de pulvérisation est plus élevé. Ainsi la pulvérisation magnétron permet la synthèse de phases cristallines à température plus basse que celle requise pour des techniques moins énergétiques telle que l’évaporation thermique par exemple.
Au sein du bâti de pulvérisation magnétron utilisé, trois cibles (diamètre 2.5 pouces) peuvent être pulvérisées simultanément ("copulvérisation") : trois cathodes magnétron GENCOAT M sont
disposées en cluster, orientées vers le haut et focalisées sur le substrat situé à 17 cm, pour une désorientation de 25° par rapport à la normale, tel que représenté sur la figure II.7. Deux de ces cathodes sont alimentées par des générateurs continus DC, et une en radiofréquence (RF). La position de l’aimant central situé à l’arrière des cibles est également modifiable. Ainsi lorsque ce dernier est éloigné de la cible, les lignes de champ magnétique s’ouvrent et peuvent atteindre le substrat (cf. figure II.8 (b)). Il s’agit alors d’un mode décompensé, par opposition au mode compensé où les lignes de champ sont fermées. Il est également possible d’apporter de l’énergie au dépôt en cours de croissance en appliquant un potentiel négatif, ou "polarisation", au substrat. Ce potentiel varie de quelques volts à quelques dizaines de volts et permet notamment de favoriser la mobilité des atomes qui se déposent sur la surface du film en cours de croissance et de diminuer la température de synthèse d’une phase donnée. Sa valeur peut être imposée arbitrairement, mais ne doit cependant pas être trop élevée (typiquement≤ 30 V) au risque de favoriser la désorption de certains éléments, de modifier la microstructure du film en cours de croissance via des phénomènes de mise sous contrainte par implantation ionique ou même de repulvériser le film en cours de croissance [40, 69, 70]. C’est notamment ce phénomène de modification de surface qui sera utilisé pour le nettoyage de surface de couches tampon de TiN par pulvérisation (tension de polarisation de 90 V en présence d’un plasma d’Argon) avant le dépôt du film proprement dit. Par ailleurs, l’anode peut aussi être fixée à la masse ou alors laissée au potentiel flottant, le substrat prenant alors une valeur de potentiel (∼ 10 V) due aux espèces chargées qui viennent à son voisinage avant de se condenser à sa surface. Il s’explique par la différence de mobilité des électrons et des ions du plasma, ce qui engendre une arrivée massive d’électrons sur le substrat. Réciproquement le plasma prend un potentiel positif à cause d’une majorité de cations. De manière générale, le substrat ne doit pas être placé à un potentiel positif pour éviter un flux important d’électrons conduisant à son échauffement et à une distribution de courant non uniforme à sa surface. Dans la majorité des études portant sur la synthèse de films minces de phase MAX, le substrat est placé en potentiel flottant.