Caract´erisation des structures

De nombreuses techniques de caract´erisation ont ´et´e mises en œuvre dans ce chapitre afin de com- prendre le comportement des couches minces r´efractaires selon la temp´erature dans des configurations en surface libre ou en environnement de collage. Certaines techniques ont d´ej`a ´et´e pr´esent´ees dans les chapitres pr´ec´edents telle que la microscopie AFM d´etaill´ee en page 41, la spectroscopie ToF-SIMS d´etaill´ee en page 71 ou encore la diffraction DRX d´etaill´ee en page 130. Cependant, de nouvelles techniques ont ´et´e utilis´ees sp´ecifiquement dans le cadre de l’´etude de ces nouvelles couches de m´etaux r´efractaires.

Contraintes r´esiduelles

Nous allons ainsi estimer la contrainte r´esiduelle de film par la mesure de la courbure de substrat. Le principe du microscope confocal est repris pour ´evaluer la distance entre une source lumineuse monochromatique et la surface du substrat permettant ainsi l’extraction de son profil en z. Une mesure r´ealis´ee sur la face avant puis la face arri`ere du substrat permet de s’affranchir des effets de pesanteur et donne acc`es `a la fl`eche du substrat. Le rayon de courbure avant et apr`es d´epˆot d’une couche donne

acc`es `a sa contrainte r´esiduelle par l’interm´ediaire de la formule de Stoney [46] : σ = Es 1 − νs · t2 s 6 · tf  1 Rap − 1 Rav  (5.2) Avec Es le module d’Young du substrat de Si en Pa,

νs le ratio de poisson du substrat de Si,

ts et tf les ´epaisseurs respectives du substrat et de la couche d´epos´ee en m,

Rap et Rav les rayons de courbure respectivement avant et apr`es d´epˆot de la couche en m.

´

Epaisseurs et densit´es

La technique de XRR a ´egalement ´et´e utilis´ee pour caract´eriser les couches minces d’´epaisseurs inf´erieures `a 30 nm. Le principe de la mesure consiste `a utiliser un faisceau de rayon X en incidence rasante. Pass´e un certain angle critique, l’intensit´e incidente n’est plus totalement r´efl´echie et une partie du faisceau p´en`etre dans la couche. Les multiples r´eflexions qu’il va subir vont conduire `a des ph´enom`enes d’interf´erences et `a la d´etection des franges de Kiessig [47]. La figure 5.9 montre le type de spectre obtenu par cette technique. Le plateau de r´eflexion totale est fonction de la densit´e des couches minces pr´esentes en surface du substrat. La p´eriodicit´e et l’intensit´e des franges refl`ete l’´epaisseur des couches d´epos´ees. La pente globale de la seconde partie du signal d´epend de la rugosit´e `a grande longueur d’onde spatiale de la surface de l’´echantillon2_.

Fig. 5.9 – Spectre XRR obtenu sur une couche de 10 nm de W PVD d´epos´ee sous PAr de 2 mTorr

R´esistivit´e

La r´esistivit´e des couches a pu ˆetre appr´eci´ee par une mesure dite « quatre pointes ». Cette technique consiste `a imposer le passage d’un courant dans la couche `a l’aide de deux pointes en carbure de W et de mesurer la tension `a l’aide de deux autres pointes. Nous pouvons en extraire une valeur dite de R2

2. Cette derni`ere donn´ee a ´et´e extraite lors de l’analyse des signaux mais ne sera pas utilis´ee dans la suite de notre ´etude

qui, dans notre configuration, pourra s’exprimer comme suit : R2 =

ρf

tf

(5.3) Avec ρf la r´esistivit´e du m´etal composant la couche mince en Ω.m,

tf l’´epaisseur de la couche conductrice en m.

Une attention particuli`ere doit ˆetre port´ee sur l’ajout d’une couche de di´electrique sous la couche `a mesurer afin de forcer le passage des lignes de courant dans la couche d’int´erˆet conductrice. Dans notre ´etude, nous avons utilis´e les ´epaisseurs extraites par la m´ethode XRR afin de calculer les r´esistivit´es de nos couches.

Spectroscopie infrarouge

L’analyse spectroscopie infrarouge par r´eflectance totale att´enu´ee (InfraRed-Attenuated total reflec- tance – IR-ATR – en termes anglophones) permet l’´etude des liaisons chimiques pr´esentes dans les couches d´epos´ees. Puisque les rayons infrarouges (IR) sont absorb´es par les m´etaux, seules les couches de WOx ont pu ˆetre caract´eris´ees par cette technique. Elle consiste `a envoyer un faisceau IR polaris´e

p sur un prisme en Ge lui-mˆeme plaqu´e sur la surface de la couche `a analyser. Le domaine spectral d’int´erˆet s’´etend de 700 `a 1400 cm-1_{dans lequel des bandes d’absorption de liaisons Si–O et W–O sont}

visibles [48–50]. Aucun ´echantillon de r´ef´erence n’est n´ecessaire puisqu’il suffit de soustraire le spectre `

a vide pour s’affranchir de la contamination de surface du prisme.

Ellipsom´etrie

La technique de caract´erisation optique par ellipsom´etrie a ´egalement ´et´e utilis´ee sur nos couches d’oxydes m´etalliques. Cette technique consiste en l’envoi d’une onde lumineuse de polarisation connue sur une surface puis l’analyse de l’´etat elliptique de l’onde r´efl´echie par l’´echantillon. La modification de la polarisation de l’onde lumineuse est fonction des indices r´eels n et complexes k de la couche ainsi que de son ´epaisseur [51, chap 1]. Dans notre ´etude, nous avons extrait les lois d’indices des couches d’int´erˆet correspondantes `a l’´evolution des indices n et k en fonction de la longueur d’onde de l’onde incidente.

Stœchiom´etrie

Devant la tr`es grande vari´et´e des phases de WOx, nous avons ´et´e amen´es `a utiliser une technique de

caract´erisation permettant une appr´eciation pr´ecise de la stœchiom´etrie des couches : la spectroscopie de r´etrodiffusion de Rutherford (Rutherford Backscattering Spectroscopy – RBS – en termes anglo- phones)3_{. Cette technique consiste en l’´etude de la diffusion ´elastique entre les noyaux d’un faisceau}

d’ions He+ _{et ceux des atomes constituant la couche `a analyser. Les spectres obtenus pr´esentent le}

nombre de particules d´etect´ees apr`es r´etro-diffusion en fonction de leur ´energie ; elle-mˆeme image de la profondeur `a laquelle la collision a eu lieu. Tr`es efficace pour quantifier les ´el´ements lourds, la RBS est cependant peu pr´ecise pour les ´el´ements l´egers. C’est pourquoi l’analyse par r´eaction nucl´eaire (Nuclear Reaction Analysis – NRA – en termes anglophones) a ´egalement ´et´e mise en œuvre pour quantifier l’O pr´esent dans nos couches. Elle consiste `a envoyer un faisceau de deutons2

1H afin de provoquer la

3. Ces analyses ont ´et´e r´ealis´ees sur l’acc´el´erateur ´electrostatique AIFIRA du Centre d’´Etude Nucl´eaire de Bordeaux Gradignan (CENBG)

r´eaction nucl´eaire suivante :

16

8 O +21H →11p +178 O (5.4)

La comparaison de la quantit´e de17_{O d´etect´ee sur notre ´echantillon, avec celle fournie par un ´echantillon}

de saphir dont la concentration en O en parfaitement connue, permet de quantifier pr´ecis´ement cet ´el´ement.

Caract´erisation des structures coll´ees

Les structures assembl´ees ont ´et´e caract´eris´ees selon un protocole tr`es similaire `a ce que nous avons d´ej`a d´evelopp´e dans les chapitres pr´ec´edents. La d´efectuosit´e du collage a pu ˆetre appr´eci´ee par une cam´era IR et par microscopie acoustique SAM. La morphologie des couches de collage a ´et´e inspect´ee par microscopie ´electronique MET. Le protocole de pr´eparation de la lame mince a d´ej`a ´et´e d´etaill´e quant `a lui dans le chapitre 4 page 115.