Chapitre III - Techniques expérimentales
4. Bâti ultravide de caractérisation des films getter
Au cours de cette thèse, outre les analyses par faisceau d’ions, une autre de mes activités a nécessité une grande attention et beaucoup de travail : la construction d’un bâti ultravide pour la caractérisation de films NEG. La réalisation de ce bâti est aujourd’hui quasiment terminée, sa mise en service est en cours et nécessitera plusieurs longues étapes de calibration et phases de tests. Suite à plusieurs retards et perturbations notamment dus au déménagement du laboratoire et à la crise de la COVID-19, les travaux sur le bâti ont dû être interrompus à plusieurs reprises. Ainsi, au moment de la rédaction de cette thèse, aucune mesure sur nos échantillons n’a pu être réalisée.
Néanmoins, ce travail n’est pas vain puisque le bâti sera très largement utilisé à l’avenir, pour la caractérisation sous ultravide de films minces getter de toutes compositions en fonction de la
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température et de nature des gaz avant, pendant et après activation in situ par diverses techniques, notamment optiques et d’analyse chimique développées ci-après.
Présentation
La conception de ce bâti ultravide multichambres a été débuté fin 2014 par Alain Bosseboeuf, Directeur de Recherche CNRS au C2N (et co-encadrant de cette thèse) avec l’aide d’un technicien (Serge Jacob) du bureau d’étude de l’IEF. Sa réalisation a commencé au printemps 2017. Le montage complet, l’installation des lignes de gaz et l’automatisation ont été réalisés tout au long de cette thèse sous la supervision de A. Bosseboeuf avec l’aide des services mécanique de l’IEF et du C2N pour la fabrication de pièces spécifiques. Tous les éléments de structure et de réglages ont été conçus sur mesure, auxquels seuls les éléments de réalisation et contrôle du vide provenant de fabricants industriels ont étés ajoutés (pompes, vannes et jauges). Des cartes électroniques pour le contrôle par ordinateur des vannes électropneumatiques et de l’étuvage ont été développées par Fabien Parrain (Maître de Conférence au C2N).
Un logiciel de pilotage a également été conçu et réalisé par Philippe Coste (Maître de Conférence au C2N), permettant la mesure (pressions, températures, caméras, RGA, …), le contrôle (cordons d’étuvage, vannes, chauffage, canne de transfert, pompes, …) et la sécurisation de la plupart des éléments du bâti face aux risques de coupure électrique, de coupure d’eau de refroidissement ou de coupure d’air comprimé. Toutes les fonctions sont réalisées par un seul et unique logiciel codé en Python et fonctionnant en multitâches.
Mon rôle dans cette réalisation a été de largement participer à sa construction ainsi qu’aux réflexions sur les améliorations possibles, à la résolution de problèmes, aux tests de chauffage, de pompages, aux détections de fuites, aux montage/démontage des enceintes et de leurs accessoires, et au test du logiciel et des cartes électroniques de contrôle des vannes.
La Figure III-56 présente de façon simplifiée les divers éléments centraux du bâti.
Figure III-56 : Représentation schématique du bâti ultravide de caractérisation des films getter
Le système comporte principalement quatre chambres connectées entre elles par des vannes tiroir : un sas d’introduction, une chambre d’analyse, une chambre de recuit et une enceinte "garage" (de droite à gauche sur la Figure III-56). Une vue d’ensemble de ces éléments est visible dans la Figure III-57.
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Page | 139 Figure III-57 : Vue d’ensemble du bâti ultravide de caractérisation des films getter
Sas d’introduction
En partant de la droite du schéma (Figure III-56), le sas d’introduction est destiné à recevoir un wafer en silicium de 100 mm recouvert d’un film mince getter ou un wafer en titane alvéolé permettant d’introduire un ensemble de puces avec film getter (Figure III-58). Le wafer est disposé sur la fourche d’une canne de transfert manuelle.
Figure III-58 : Sas d’introduction et wafer support en titane sur la fourche de la canne de transfert permettant l’insertion de 9 puces de films getter
Enceinte d’analyse
Après pompage du sas, l’échantillon peut être transféré dans l’enceinte d’analyse sur un support qui peut être refroidi à l’eau. Elle est destinée à caractériser la composition de surface à différents stades d’activation du film getter et à mesurer la cinétique de sorption de gaz à température ambiante. Elle est équipée d’un spectromètre de masse (RGA) pour analyser le vide résiduel, la pureté des gaz injectés et le cas échéant la sorption de mélanges de gaz., d’une jauge Bayart Alpert de précision et pourra accueillir à terme un spectromètre Auger (AES) pour l’analyse de surface du film. Différents gaz peuvent être introduits de manière contrôlée à partir du panneau de gaz (voir plus loin).
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Enceinte de recuit
Figure III-59 : Enceinte de recuit du bâti ultravide de caractérisation des films getter
L’activation sous ultravide (pression résiduelle visée < 5.10-10 mbar) de films getter est effectuée dans l’enceinte suivante dite de "recuit" (Figure III-59). Un système de chauffage par rayonnement du wafer permettra cette activation. Une analyse du dégazage de l’échantillon ou des autres surfaces, et une analyse de la sorption de gaz à différentes températures pourront être effectuées. Cette enceinte comporte une double paroi refroidie par eau pour limiter son dégazage lors d’un chauffage. Un spectromètre de masse avec photomultiplicateur a également été installé pour analyser le dégazage de l’enceinte, du système de chauffage et, si possible de réaliser une spectroscopie de désorption thermique de l’échantillon (DTS).
De multiples piquages avec hublots orientés à 0°, 60° et 90° d’angle d’incidence sur l’échantillon sont prévus pour l’ajout de caractérisations in situ par voie optique de la température (pyrométrie IR, thermoréflectance), de l’activation (réflectométrie ou ellipsométrie) et des contraintes mécaniques (balayage laser 2D).
Garage
La quatrième et dernière enceinte sert de garage à la seconde canne de transfert (automatisée) du wafer entre les enceintes "Garage", "Recuit" et "Analyse" afin de l’isoler et ainsi d’éliminer sa contribution au dégazage dans l’enceinte de recuit.
Panneau de gaz
Pour l’étude de sorption des getters en fonction de la nature des gaz, une introduction contrôlée de gaz peut être effectuée dans l’enceinte de recuit comme dans l’enceinte d’analyse. Pour y parvenir, un panneau de distribution des gaz est disposé au-dessus du bâti (Figure III-60). Ce panneau est lié à une armoire de gaz contenant les bouteilles de gaz utilisées pour l’étude. Les gaz standards possibles sont : H2, CO, CH4, Air sec et N2. Récemment, des lignes de gaz isotopiques (D2 et 18O2) ont été ajoutées. Ceci permettra de distinguer, grâce à des analyses nucléaires (NRA), l’oxydation et l’hydrogénation des films getter pendant leur exposition à l’air après dépôt ou après recuit, de celles liées à la sorption de gaz dans le bâti. L’utilisation de gaz isotopiques permettra également de déterminer si une oxydation se produit à l’interface entre l’oxyde en croissance et le métal sous-jacent (diffusion d’oxygène) ou à la surface du film (diffusion d’ions métalliques).
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Page | 141 Figure III-60 : Panneau de distribution des gaz du bâti ultravide de caractérisation des films getter
Ce panneau comporte les éléments pour la caractérisation de la cinétique de sorption de gaz par un film getter par la méthode dite de la "conductance connue". Cette méthode permet la mesure de la vitesse de pompage instantanée en fonction du temps à partir de la variation de pression aux bornes d’une conductance connue. En pratique, pour couvrir une large gamme de vitesse de sorption, 4 fuites réglables peuvent être utilisées comme conductances connues. La calibration de ces conductances sera réalisée à l’aide de fuites calibrées. La pression amont peut être mesurée avec une jauge piezorésistive ou une jauge à bille tournante (Spin Rotor Gauge) et la pression aval avec la jauge à bille ou, dans l’enceinte d’analyse, par une jauge Bayart Alpert de précision. Une fuite asservie disposée en amont des conductances permettra d’analyser la sorption à pression constante ou à flux constant. Pour l’analyse de la sorption de mélange de gaz, il est prévu de pouvoir réaliser une analyse des pressions amont et aval par spectrométrie de masse. Les différentes portions du système de distribution de gaz peuvent être purgées avec une pompe turbomoléculaire dédiée
Pompage
Le sas comporte un système de pompage primaire-turbomoléculaire indépendant. Les autres chambres peuvent être remises à pression atmosphérique ou pompée séparément à l’aide d’une pompe primaire commune et de pompes turbomoléculaires individuelles. Pour pouvoir atteindre une pression résiduelle dans la gamme 10-10 mbar après étuvage, ces pompes turbomoléculaires sont en configuration tandem (pompage amont réalisé par une autre pompe turbomoléculaire commune).
Perspectives
Le bâti ultravide qui a été construit permettra de réaliser des recuits sous ultravide avec une pression partielle contrôlée de gaz pur y compris de gaz marqués et la caractérisation du dégazage d’hydrogène à basse température (< 400 °C).
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Si les performances sont conformes aux prévisions, ce bâti ultravide une fois finalisé et calibré devrait permettre une analyse de la vitesse initiale de sorption et de la capacité de sorption d’un film getter déposé sur un wafer pour une large gamme de gaz et pour des mélanges de gaz à température ambiante et en fonction de la température. Si le dégazage du système de chauffage peut être suffisamment minimisé et si la température maximum de chauffage est suffisante (950 °C), une analyse par spectroscopie de désorption thermique des états de piégeage des espèces piégées sera possible ainsi qu’une mesure de la quantité totale d’hydrogène dans les films. La spectrométrie Auger sera utilisée pour analyser la composition de surface à différents stades de l’activation. Une difficulté non encore résolue de manière satisfaisante est la calibration ou la mesure précise, rapide et sans contact de la température de l’échantillon pour T < 400 °C. Un autre challenge restant est de déterminer une méthode permettant une analyse in situ en temps réel de l’activation. La chambre de recuit comporte de nombreux hublots à incidence variable pour tenter de résoudre ce problème par voie optique.
5. Conclusion du Chapitre III
A l’aide de ces nombreuses techniques, nous avons réalisé durant cette thèse le dépôt de films minces d’yttrium et d’alliages d’yttrium pour la réalisation de getters non évaporables et leur caractérisation, notamment grâce aux techniques d’analyses par faisceau d’ions. Notre objectif est de progresser dans l’étude de ce matériau nouveau en tant que NEG et d’ouvrir une nouvelle voie de recherche dans le domaine des getters pour l’encapsulation sous vide de MEMS avec des films activables à plus basse température et sensible à un grand nombre de gaz.
Chaque technique employée apporte des informations utiles à la compréhension du phénomène getter. Le Tableau III-15 résume l’apport de chaque technique de mesure.
Pression Type de détection
Mode de mesure
Temps
réel Informations Diffusion Absorption MEB Vide secondaire Surface Ex situ Non Morphologie Non Non
EDX Vide secondaire Volume Ex situ Non Composition
(métaux) Non Oui
DRX Pression ambiante Volume Ex situ Non
Microstructure (uniquement
phases cristallines)
Non Oui
ERDA Vide secondaire Volume Ex situ Non Composition
(hydrogène) Oui Oui
RBS Vide secondaire Multicouches Ex situ Non
Profils de composition par couche (éléments lourds) Oui Oui
XPS UHV Surface Ex situ
& In situ Non
Composition
de surface Oui Non
NRA Vide secondaire Multicouches Ex situ
& In situ Oui
Profils de composition par couche (éléments légers) Oui Oui Mesures électriques 4-pointes UHV, Vide secondaire, Pression ambiante Volume Ex situ
& In situ Oui
Tout (non dissociable, non quantifiable) Oui Oui
Tableau III-15 : Comparaison des techniques de caractérisation physico-chimiques utilisées pendant ce travail de thèse La complexité d’étude de ces matériaux très réactifs rend l’usage de ces techniques d’analyse parfois limité. La plupart des mesures doivent être réalisées ex situ, i. e. après exposition du getter à
Chapitre III - Techniques expérimentales
Page | 143 l’air. Réalisées sur des films non activés, elles permettent d’étudier son l’état dans des conditions réelles avant encapsulation sous vide pour un packaging industriel. En revanche lorsque les mesures sont réalisées ex situ après activation, les pollutions extérieures sont également mesurées.
L’utilisation de mesures in situ est donc un avantage. L’utilisation de plusieurs pressions de travail est un avantage car elles permettent d’étudier les getters sous plusieurs angles : l’étude de la dissolution de l’oxyde de surface n’est par exemple possible que sous UHV afin d’éviter toute sorption additionnelle (par XPS). L’étude de sorption peut en revanche se faire à plus haute pression (4-pointes, NRA).
Parmi les deux techniques permettant une analyse in situ en temps réel, chacune présente des avantages et des inconvénients. La NRA est la technique la plus complexe mise en œuvre dans ce travail de thèse, ce qui la rend forcément difficile à réaliser pour un grand nombre d’échantillons. En revanche, elle a l’avantage de permettre une analyse très fine et certaine de la composition chimique en profondeur du film mince étudié. Dans le cas des mesures électriques, la simplicité de mise en œuvre et la facilité d’accès sont les avantages les plus importants. En revanche, la sensibilité de la mesure face à tous les phénomènes sans pouvoir les identifier précisément est une difficulté. Ainsi, ces mesures électriques ne sont utiles que lorsque les phénomènes observés sont parfaitement connus. Dans le cas des matériaux getter, les travaux réalisés précédemment dans notre équipe ont permis d’identifier le rôle de l’oxydation sur la résistivité et nous permettent donc d’utiliser cette technique. Mais les données sur l’yttrium restent encore rares.
C’est donc en combinant toutes ces méthodes que nous avons réalisé l’étude de films minces d’yttrium et d’alliages à base d’yttrium pour l’encapsulation sous vide de MEMS présentée dans les chapitres suivants.
Chapitre IV - Activation et stockage de gaz par les getters à base d’yttrium
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