2.3 Analyses de la vapeur métallique
2.3.2 Caractéristiques courants/tensions et résolution temporelle
On rappelle que l’acquisition de l’ensemble des données s’effectue via un oscil-loscope (2.2.3.0). Les données provenant des différents moyens de diagnostics sont toutes synchronisées entre elles.
Cas du Platine en gaz d’argon
Cette étude commence avec l’observation sur la figure 2.16 de l’évolution de la tension HiPIMS et du courant mesuré sur une cible de platine. La pression de travail est fixée à 10 µbar en gaz d’argon. La différence de potentiel HiPIMS passe progressivement de 600 V à 2000 V. Globalement, la courbe de tension de l’impulsion HiPIMS présente au temps ON (t=0 s) un front de montée très bref, soit environ 200 ns pour une différence de potentiel de 2000 V. La tension de consigne est atteinte en 25 µs environ sur toute la gamme de tension avec une déviation inférieure à 10 % entre la tension de consigne et la tension qui est atteinte juste après le front de montée du pulse. Au tempsOFF, la tension HiPIMS décroît comme une exponentielle décroissante du type,
Udécharge(t) = (UHiP IM S −UP I)e− t
τ +UP I (2.6)
avec τ = RC la constante de temps du circuit et UP I la tension de pré-ionisation. La décharge du générateur se poursuit alors jusqu’à atteindre la tension de pré-ionisation.
Il est commun de trouver une telle tension sur les générateurs HiPIMS [107]. Celle-ci facilite l’ionisation du gaz au temps ON en diminuant artificiellement le travail de sortie
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nécessaire pour arracher les premiers électrons rapides lors de l’amorce de la décharge HiPIMS. Cette tension de pré-ionisation va donc dépendre essentiellement de la nature de la cible. Les cibles métalliques utilisées pour cette étude sont toutes très conductrices, en conséquence la tension de pré-ionisation ne varie que très peu pour l’ensemble des procédés de pulvérisation étudiés (sous réserve que les conditions de claquage du gaz sont vérifiées, voir figure 2.12). La figure 2.16 a) montre que la tension de pré-ionisation pour une tension HiPIMS de consigne de 600 V est supérieure d’environ 50 V par rapport aux cas où la tension de consigne est comprise entre 700 V et 2000 V. En observant le courant sur cible
Figure 2.16 – Évolutions des caractéristiques a) UHiP IM S et b) Icible au cours du temps en plasma d’argon pour une pression de travail de 10µbar.
2.3. Analyses de la vapeur métallique 43
de la figure 2.16 b), on remarque que celle-ci commence à collecter des charges 40µs après le temps ON. A cette tension, la décharge a du mal à s’amorcer : le générateur HiPIMS augmente alors la tension de pré-ionisation pour faciliter l’amorçage de la décharge.
L’évolution du courant sur cible suit un régime particulier en plusieurs phases :
– Durant la première phase, la sonde de courant détecte le début de l’impulsion par une augmentation négative et très brève (inférieure à la microseconde) du courant pour revenir aussitôt à une valeur nulle du courant sur cible.
– La seconde phase se caractérise par un pic de courant formé d’une augmentation plus ou moins rapide du courant en fonction de la tension appliquée, suivie d’une diminution de celui-ci. Ce pic de courant peut atteindre 50 A dans le cas d’une tension HiPIMS de 2000 V. Il s’échelonne sur une plage de temps comprise entre 25 et 5µs pour des tensions HiPIMS comprises entre 700 V et 2000 V, respectivement.
– Après ce pic, la diminution du courant laisse place à un pseudo-plateau où le courant diminue de manière linéaire. Lors de cette troisième phase, la valeur du courant augmente avec la tension HiPIMS jusqu’à 1500 V. Au-delà de cette tension, le courant du pseudo plateau est identique, ce qui permet de révéler un phénomène de saturation. Dès lors que la tension HiPIMS diminue, le plateau laisse place à une diminution du courant sur cible. De plus, lors de cette phase de diminution de courant, celui-ci peut prendre une valeur positive dans le cas de tensions de consigne HiPIMS élevée (à partir de 1500 V).
La question que soulève cette inversion du courant mesuré au niveau du magnétron n’a pas été traitée lors de cette étude. Rappelons tout de même que le courant mesuré à la cathode doit rendre compte de l’ensemble des flux de charge et donc,
Imesure(t) =Iions(t) +ISE(t) (2.7)
avec, dans un cas classique,
Imesure =Iions(1 +γ) (2.8)
où Iions est le courant d’ions collectés à la surface de la cible, ISE la valeur du courant d’électrons secondaire qui s’échappe de la surface de la cible et γ le coefficient d’émission d’électron secondaire. Le courant mesuré est donc toujours une surestimation du courant réel d’ions qui collisionnent avec la cible. Le comportement global du courant mesuré sur cible est donc régi par des processus physiques qui évoluent tout au long de la décharge.
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Il est intéressant de remarquer que l’évolution du courant au cours du temps en HiPIMS ressemble aux profils de courant lors de procédés d’implantations ioniques par immersion plasma (Plasma-Based Ion Implantation : PBII). Ce procédé fait intervenir lui aussi plu-sieurs phases [108] : une phase de répulsion des électrons au voisinage de la surface à implanter avec création d’une matrice ionique, une seconde phase d’expansion de la gaine ionique qui intervient au fur et à mesure que l’on collecte les ions de la matrice ionique à la surface d’implantation, puis une dernière phase qui établit un régime stationnaire dé-crit par la loi de Child-Langmuir (gaine non-collisionnelle et courant limité par la charge d’espace),
avecJionsle flux d’ions incidents à la surface de la cible,mionsla masse des ions,∆V la ten-sion appliquée etlg l’épaisseur de gaine ionique. Ainsi la première et la deuxième phase du procédé PBII correspondraient à la seconde phase (pic de courant) décrite précédemment dans le cas d’une décharge HiPIMS. Il en serait alors de même entre la troisième phase du PBII à la troisième phase en HiPIMS (plateau de courant). Les seules différences sont une tension d’implantation plus grande (plusieurs dizaines de kV) que la tension HiPIMS (jusqu’à 2 kV) et l’existence d’un plasma avant l’application du pulse de haute tension dans le cas PBII qui n’existe pas dans le cas de l’HiPIMS pour les conditions de durée de pulse et de fréquence précédemment données. Il est à noter que les temps caractéristiques des différentes phases des procédés PBII et HiPIMS sont similaires.
Une remarque supplémentaire peut être faite sur la dernière phase HiPIMS précédemment décrite. A tension équivalente sur cible et à deux temps distincts, les courants sur cible sont très différents selon la tension de consigne HiPIMS appliquée. Par exemple, en prenant pour commencerUHiP IM S = 1300 V, le courant minimum durant le régime pseudo-stationnaire est d’environ 8 A au temps OFF. Pour une tension de consigne UHiP IM S = 2000 V, la tension mesurée 25 µs après le temps OFF au niveau de la décroissance est elle aussi de 1300 V. Le courant à cette tension est alors de 4 A, bien en dessous de la valeur du courant trouvée précédemment dans le cas d’une tension HiPIMS de consigne de 1300 V.
Ce constat est toujours valable à partir du moment où une comparaison est faite entre le courant d’une tension après le temps OFF, avec le courant minimum collecté sur la cible durant le pulse à tension de consigne HiPIMS équivalente. Ce phénomène semble pouvoir être expliqué en considérant qu’il y a raréfaction du gaz au cours du temps au niveau de la zone de décharge, diminuant alors fortement la pression liée au gaz dans cette zone et donc la capacité de générer un plasma [109].
2.3. Analyses de la vapeur métallique 45
Caractéristiques électriques de la décharge pour d’autres matériaux et d’autres gaz
La figure 2.17 présente les évolutions du courant sur cible en fonction du temps mais aussi en fonction de la nature de cette cible et du gaz utilisé pour sa pulvérisation, cela pour différentes tensions et pressions des gaz (1000 V, 1500 V pour 10 µbar et 1300 V pour 30 µbar). L’ensemble de ces évolutions reflète la quasi-totalité des tests qui sont effectués par la suite en balance à quartz polarisable (BQP) et par analyseur d’énergie des ions (RFEA).
La pulvérisation HiPIMS d’une cible de platine en gaz d’argon (Ar) donne un courant sur cible toujours plus important qu’en gaz de krypton (Kr) ou de xénon (Xe) quelle que soit la tension HiPIMS et la pression d’enceinte. En revanche, avec le néon (Ne), c’est l’inverse (comparaison avec Ar à 30 µbar). En résumé, le courant est d’autant plus important que la masse atomique du gaz est faible. A épaisseur de gaine lg quasi constante, ce résultat corrobore le modèle de transport ionique de type Child-Langmuir (2.9). Ce résultat doit être nuancé par l’observation du courant sur le pseudo-plateau mesuré en gaz Kr et Xe à 1500 V HiPIMS. En effet la valeur du courant est légèrement plus élevée en Xe qu’en Kr alors que Xe est de masse plus élevée. Plusieurs hypothèses peuvent être avancées : soit lg(Xe) lg(Kr), soit l’échange de charge entre les ions Xe+ et le platine (Pt) est plus efficace qu’avec les ions Kr+, soit les deux. D’autre part, en gaz Ne la décharge met plus de temps à s’amorcer (25µs après le tempsON)et n’est possible qu’à partir d’une tension d’au moins 1 kV. Rappelons que son énergie de première ionisation est 1.37 fois plus élevée que celle de Ar. On notera aussi que la courbe présente une inversion marquée du courant vers les valeurs positives peu de temps après la coupure HiPIMS en Ne et beaucoup moins en Ar (30µbar dans les deux cas).
L’or (Au) présente de fortes similitudes avec le Pt. Avec une masse et un rayon atomique similaires, l’or est idéal pour une comparaison avec le Pt. Seule sa configuration électro-nique diffère. Ce critère semble avoir son importance, que ce soit au début de l’impulsion comme pendant toute la durée du pulse. Pour chaque condition de tension et de pression, les courants pour Au et Pt évoluent de manière similaire mais ils diffèrent de par leurs in-tensités qui peuvent être jusqu’à deux fois moins élevées pour Au que pour Pt. L’inversion du courant du côté positif en Au avec Ne est bien plus faible qu’en Pt.
La pulvérisation sur cible de palladium (Pd) présentée par la figure 2.17 est intéressante car elle met en jeu un élément beaucoup plus léger que le platine pour une configuration électronique du même groupe (10 de la table de Mendeleïev). Le résultat le plus surprenant est une augmentation marquée du courant sur cible dans le cas de pulvérisation en gaz de Kr et Xe, surtout à 1500 V HiPIMS où le courant sur cible en Xe atteint presque celui en Ar aux temps longs. De plus celui-ci est cette fois-ci largement plus important que
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Figure2.17 – Évolution du courant au cours du temps selon la nature de la cible et celle du gaz plasmagène pour 1000 V et 1500 V à 10 µbar (Ar, Kr, Xe), 1300 V à 30 µbar (Ar, Ne).
dans le cas d’une pulvérisation en gaz de Kr. Comme le suggère la figure 2.18, le taux de pulvérisation d’une cible de Pd par Xe est supérieur au taux de pulvérisation de Pd par lui-même. Ce résultat sera à comparer avec ceux issus des diagnostics électriques utilisés pour les mesures en post-décharge de la vapeur métallique. Il est à noter que l’amorçage du plasma en gaz Ne n’est pas possible pour les conditions de pression adoptées lors de
2.3. Analyses de la vapeur métallique 47
Figure 2.18 – Taux de pulvérisation de Pt, Au, et Pd en fonction de l’énergie de bom-bardement d’atomes (ions) de Ne, Ar, Kr, Xe et du métal considéré. Calculs basés sur les équations empiriques du taux de pulvérisation en incidence normale provenant de N.
Matsunami, Y. Yamamura, Y. Itikawa, N. Itoh, Y. Kazumata, S. Miyagawa, K. Morita, R.
Shimizu, and H. Tawara, dansEnergy Dependence of the Yields of Ion-Induced Sputtering of Monatomic Solids, IPPJ-AM-32. Outils de calcul de M. Schmid,IAP/TU Wien Surface Physics Group.http://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/sputteryield
cette étude, même pour une tension UHiP IM S = 2000 V.
Les courants sur cibles alliées de cette même figure présentent de fortes similitudes avec ceux des matériaux qui les composent. Les valeurs des courants atteints se situent entre les valeurs maximales des courants que l’on obtient avec les cibles pures. A cause d’instabilités prononcées du courant à la cathode, la pulvérisation de la cible Pt50Au50 en gaz Kr et Xe n’a pas pu être exécutée. Expérimentalement, après plusieurs essais infructueux en gaz Kr pour une tension HiPIMS de 1000 V (comme pour Xe), le retour d’une pulvérisation en gaz Ar n’est pas immédiatement possible. Cet état instable de la décharge perdure plusieurs minutes en gaz Ar avant de revenir à l’état stable. Un empoisonnement de la cible alliée par implantation de Kr ou Xe dans la matrice métallique peut être considéré.
Du côté de la cible Pt5Pd95, on notera que le courant sur cible lors de la pulvérisation en
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gaz Xe est une nouvelle fois plus important qu’en gaz Kr mais aussi qu’en gaz Ar 70 µs après le tempsON pour une tension HiPIMS de 1500 V. Une nouvelle fois, l’amorçage en gaz Ne n’est pas possible, malgré la présence d’une faible concentration de Pt.
2.3.3 Mise en évidence de l’ionisation partielle de la vapeur métallique