Comportement du dépôt monocouche Ti sur SiO 2 natif

Dans le cadre du projet MiNaTorr, l'analyse d'un dépôt monocouche Ti 800 nm sur SiO2 natif, conditionné selon le premier protocole de mise en ampoule et sous 0.1 mbar

de N2, a permis de déterminer ses deux paramètres comportementaux : une température

d'intégration Ti de 450°C, et une capacité de pompage maximale de 0.24 mbar.cm3/cm2

(tableau 1.9, page 52). An d'aner l'étude comportementale des dépôts monocouches, plusieurs aspects de l'eet getter sont analysés : les limites de la capacité de pompage, l'inuence de l'épaisseur de la couche de titane, l'inuence de la température d'élaboration des dépôts et les aspects cinétiques du pompage.

ˆ Nouvelles caractérisations

L'analyse du même échantillon (Ti 800 nm sur SiO2 natif), selon le même protocole

de mise en ampoule (protocole n°1) mais en y injectant initialement 0.2 mbar d'azote, met en évidence un pompage plus important de l'échantillon (gure 3.19). Ce dernier n'est plus limité par la quantité de gaz initialement présente dans l'ampoule. La nouvelle valeur de capacité de pompage ainsi obtenue est de 0.48 mbar.cm3_/cm2_{. La température}

d'intégration est sensiblement diminuée : 425°C. Il convient néanmoins de préciser que pour l'analyse réalisée dans le cadre du projet MiNaTorr, les traitements thermiques 4 à 7 (375°C à 450°C) n'ont duré que 30 minutes, contre 1 heure pour les nouvelles mesures. Aussi le dépassement de la valeur limite de 0.11 mbar.cm3_/cm2 _{dès 425°C peut-elle être}

attribuée à cette diérence de budget thermique fourni à l'échantillon. En revanche, la diérence de capacité de pompage nale mesurée dans les deux cas ne saurait être attribuée à cette diérence de traitement thermique : le même niveau de pression est atteint à l'issue de l'expérience dans les deux cas (quelques 10−3_mbar).

Figure 3.19  Capacité de pompage pour le dépôt monocouche Ti 800 nm sur SiO2 natif : pour

0.1 mbar (×) et 0.2 mbar (+) de N2 initialement injecté dans l'ampoule

L'analyse du même dépôt à l'aide du protocole n°2 de mise en ampoule (pré-étuvage du verre sans prétraitement de l'échantillon) n'a pas été réalisée. Néanmoins, les résultats suivants (étude du paramètre épaisseur), obtenus selon ce second protocole, indiquent

pour des dépôts d'épaisseur proche (450 nm) un comportement identique au dépôt Ti 800 nm. Aussi, dans le cas du dépôt monocouche de titane, la suppression de l'étape de prétraitement de l'échantillon pour des dépôts d'épaisseur supérieure à 100 nm ne dégrade pas leurs performances.

ˆ Etude du paramètre épaisseur

Dans certains cas d'intégration, l'épaisseur d'un dépôt getter peut être une contrainte technique, liée à l'espace disponible au sein de la cavité du MEMS. Sa minimisation est donc recherchée. Cependant, un élément s'y oppose : la nécessité de dissoudre l'oxyde natif du titane dans le volume du matériau an de régénérer la surface du dépôt, base de l'activation des getters non-évaporable comme le rappelle Ferrario [6]. Cela implique que le getter doit avoir une épaisseur susante an de dissoudre l'ensemble de l'oxygène contenu dans cet oxyde. Dans le cas d'un dépôt NEG sur substrat de silicium, il convient également de tenir compte de l'oxyde natif du silicium : l'oxygène issu de cet oxyde est lui aussi dissous dans le volume du titane, comme le prédit la thermodynamique [8]. Ainsi la gure 3.20 illustre la dissolution des deux couches d'oxyde dans le titane. Un rapide calcul, basé sur quelques données bibliographiques, permet de déterminer la limite d'épaisseur théorique d'un dépôt getter.

Figure 3.20  Dissolution en volume de l'oxyde natif du silicium et du titane

La limite de solubilité de l'oxygène dans le titane est donnée dans la littérature à 32 % at. [9]. En se basant sur les observations TEM du chapitre précédent, les épaisseurs d'oxydes natifs pour le silicium et le titane sont respectivement d'environ 2 et 3 nm (pour un dépôt de 450 nm de Ti). L'oxygène contenu dans ces deux couches d'oxyde natif va devoir être dissous à moins de 32 % at. dans la couche getter. Il est possible d'estimer la quantité d'oxygène contenue dans chacune de ces deux couches d'oxyde. En supposant que l'oxyde de titane TiO2 possède une structure cristallographique du type rutile, le nombre

d'atomes d'oxygène nOx(T iO2) est donné par l'équation :

nOx(T iO2) = nOx(rutile) ·

S · ´ep(T iO2)

V (rutile)

nOx(rutile) est le nombre d'atomes d'oxygène dans la maille élémentaire de rutile et

vaut 4. V (rutile) est le volume de la maille élémentaire de rutile et vaut 0.040 nm3_{. La}

surface S considérée pour le calcul est de 1 cm2_{. ´ep(T iO2) est l'épaisseur de la couche de}

TiO2. En considérant de la même manière que l'oxyde de silicium SiO2 a une structure

de type quartz10_{, le nombre d'atomes d'oxygène n}

Ox(SiO2) est donné par l'équation :

nOx(SiO2) = nOx(quartz) ·

S · ´ep(SiO2)

V (quartz)

nOx(quartz)est le nombre d'atomes d'oxygène dans la maille élémentaire de quartz et

vaut 6. V (quartz) est le volume de la maille élémentaire de SiO2 quartz et vaut 0.130 nm3.

10. en réalité, l'oxyde natif de silicium a une structure amorphe [10]. Néanmoins, an d'évaluer la quantité d'oxygène dans la couche, il est nécessaire d'eectuer cette hypothèse.

´

ep(SiO2) est l'épaisseur de la couche de SiO2. La concentration atomique d'oxygène dans

le lm de titane suite à la dissolution de l'oxyde, supposée uniforme dans tout le volume du dépôt, est donnée par l'équation :

cOx = nOx(tot) nT i+ nOx(tot) avec nOx(tot) = nOx(T iO2) + nOx(SiO2) et nT i = nT i(hex) · S · ´ep(f ilm) V (hex)

nT i(hex) est le nombre d'atomes de titane dans la maille hexagonale α-Ti et vaut 6.

V (hex) est le volume de la maille hexagonale du titane α et vaut 0.106 nm3. ´ep(film) est l'épaisseur du dépôt de Ti. La gure 3.21 présente la concentration en oxygène dissous dans la couche de Ti en fonction de son épaisseur, pour 6 valeurs d'épaisseurs d'oxydes. Pour les valeurs proposées, l'épaisseur minimale de Ti nécessaire pour dissoudre l'ensemble de l'oxygène à moins de 32 % at. varie de 11 à 21 nm. Dans le cas de 2 nm de SiO2 et 3 nm

de TiO2 (mesures TEM du chapitre précédent), elle est d'environ 15 nm.

Figure 3.21  Epaisseur de titane nécessaire pour la dissolution de SiO2 et de TiO2

La mise en ÷uvre du getter implique elle aussi une limitation sur son épaisseur. Celle-ci s'ajoute à la limitation précédente. Il s'agit de la formation de siliciure à l'interface entre le titane et le silicium au cours des traitements thermiques d'activation. L'interdiusion du titane et du silicium entraîne la formation d'une couche de TiSi2, dont l'épaisseur dépend

du budget thermique fourni au dépôt, selon l'équation (2.4), présentée en 2.3.1 (page 93). L'épaisseur de Ti ainsi consommée ne participe pas à la dissolution de l'oxygène.

An de valider par l'expérience la limite théorique obtenue précédemment, l'étude du comportement de dépôts monocouches de titane de diérentes épaisseurs est réalisée. La caractérisation s'appuie sur les dépôts mono-Ti 1-18 (20 nm), mono-Ti 2-03 (50 nm), mono-Ti 1-14 (100 nm), mono-Ti 1-13 (200 nm) et mono-Ti 1-01 (450 nm) (tableau 2.4). La gure 3.22 représente les courbes de pompage en capacité pour ces cinq dépôts. Seul le dépôt de 20 nm d'épaisseur ne présente pas d'activation. Ce résultat est en accord avec l'épaisseur limite théorique : l'épaisseur totale du lm n'est pas susante pour permettre la dissolution des deux couches d'oxyde natif et la formation du siliciure.

Figure 3.22  Capacité de pompage pour 5 épaisseurs de dépôts monocouches Ti sur SiO2

natif : 20, 50, 100, 200, et 450 nm

Les courbes de pompage de la gure 3.22 indiquent un comportement identique pour tous les dépôts à partir de 50 nm d'épaisseur. Leur température d'intégration est la même : 425°C. Leur capacité de pompage nale est comparable pour les dépôts d'épaisseur supérieure à 100 nm (entre 0.33 et 0.41 mbar.cm3_/cm2_{). Seule la couche mince de 50 nm}

présente une évolution particulière : après un début d'activation à 425°C, la capacité de pompage chute progressivement. Ce comportement peut s'expliquer par le probable dégazage de la bille métallique (mis en évidence en 3.1.2, page 122) : l'eet getter du dépôt n'est pas susant pour compenser la remontée de pression liée à ce dégazage. L'analyse RGA pour cet échantillon conrme l'hypothèse du dégazage (gure 3.23) : à l'issue des traitements thermiques, l'ampoule contient majoritairement du H2 et des hydrocarbures.

Figure 3.23  Spectre RGA pour le dépôt Ti 50 nm (mono-Ti 2-03) après activation

L'analyse RGA de l'ampoule contenant l'échantillon d'épaisseur 100 nm conrme le piégeage de l'azote par le dépôt. En eet, par rapport au spectre d'une ampoule avant traitement thermique (gure 3.10(a), page 125), le spectre de la gure 3.24 indique une contribution atténuée de plus de 98.5 % du signal d'azote (AMU 14 et 28). De plus, la pré- sence de pics des AMU 12 à 16 et des AMU 24 à 30 permet d'attribuer la contribution des AMU 14 et 28 en majorité à la formation d'hydrocarbures CH4 et C2H6. Ce résultat corro-

bore l'analyse des limites de l'activation des getters en ampoule réalisée en 3.1.2(page 122). Ainsi il peut être conclu que le dépôt monocouche Ti 100 nm a consommé l'ensemble de l'azote initialement injecté dans l'ampoule. Par conséquent, la valeur de capacité de pompage déterminée pour ce dépôt, mais également pour les dépôts d'épaisseur supérieure (l'analyse RGA sur l'ampoule contenant le dépôt monocouche Ti 450 nm fournit le même résultat), est de nouveau limitée par la quantité initiale de gaz dans l'ampoule, et non par une limite comportementale du getter. Aussi l'obtention de la même valeur de capacité de

pompage pour l'ensemble des dépôts d'épaisseur supérieure à 100 nm est-elle uniquement liée au protocole expérimental. Pour autant, l'augmentation de la quantité initiale de gaz dans les ampoules n'a pas été mise en ÷uvre, du fait de l'erreur croissante sur la mesure de pression par la jauge à bille.

Figure 3.24  Spectre RGA pour le dépôt Ti 100 nm (mono-Ti 1-14) après activation

ˆ Etude du paramètre température du substrat lors du dépôt

Dans le cadre de cette étude, deux dépôts monocouches Ti 200 nm sont réalisés en modiant la température du substrat lors de l'élaboration : 300°C pour le dépôt mono-Ti 2-08 et 425°C pour le dépôt mono-Ti 2-09. Les modications morphologiques engendrées par cette élaboration en température ont été étudiées en 2.3.1 (page 76) : augmentation de la taille de grains (quelque 80 nm à 20°C contre environ 150 nm à 300°C) et facettage. Les caractéristiques de pompage pour ces deux dépôts sont analysées par mise en ampoule (protocole n° 2) et activation par recuits successifs. La gure 3.25 présente les courbes de pompage en capacité de ces deux dépôts. La courbe de pompage du dépôt Ti 200 nm élaboré à 20°C (mono-Ti 1-13) est représentée pour comparaison. Le pompage de l'azote est observé pour les deux dépôts. Cependant, il apparaît un décalage de la température d'intégration : le dépôt élaboré à 20°C ache un pompage eectif de l'azote à l'issue du traitement thermique de 425°C-1 h, contre 450°C-4 h pour les dépôts élaborés en température. Néanmoins, le dépôt élaboré à 300°C présente une activation partielle dès le traitement thermique de 450°C-1 h. Le piégeage de N2 est donc davantage retardé pour le

dépôt élaboré à 425°C. La diérence de comportement entre les trois dépôts semble ainsi être d'ordre cinétique. Il sera discuté par la suite de quelle manière le retard d'activation constaté peut être relié à la diérence de microstructure des trois dépôts.

Figure 3.25  Capacité de pompage des dépôts monocouches Ti 200 nm élaborés à 20°C, 300°C et 425°C

ˆ Etude de la cinétique de pompage

L'activation du dépôt monocouche Ti 200 nm élaboré à température ambiante (mono- Ti 1-22) est étudiée à l'aide du dispositif d'analyse dynamique du pompage. La gure 3.26 présente l'évolution de la pression dans l'ampoule au cours du cycle thermique (paliers de températures de 10 minutes, de 50°C à 450°C par pas de 25°C), après correction des valeurs de pression an de soustraire l'eet de l'agitation thermique. La courbe correspondant à l'ampoule contenant un échantillon de silicium est représentée pour comparaison. Jusqu'au palier à 325°C, la pression corrigée dans l'ampoule contenant l'échantillon NEG reste constante. L'évolution réelle de la pression (non représentée) ne dépend ainsi que de l'agitation thermique. A partir du palier à 350°C, la pression commence à décroître : le piégeage du gaz par le dépôt s'amorce. La pente de la courbe au cours du palier de température permet de calculer la vitesse de pompage apparente du dépôt : 8.5 × 10−13_{mol/cm2.s à 350°C}11_{. L'augmentation de température entraîne une}

accélération du pompage jusqu'à 400°C : 4.2 × 10−12_{mol/cm2.s. Au-delà, la diminution}

de pression se poursuit, mais à une vitesse moindre : 2.7 × 10−12_{mol/cm2.s à 450°C. A}

l'issue du cycle thermique, la capacité de pompage mesurée à température ambiante est de 0.15 mbar.cm3_/cm2_{. L'écart avec la valeur obtenue lors de l'activation par recuits successifs}

(0.41 mbar.cm3_/cm2_{) provient de la diérence de budget thermique fourni à l'échantillon}

au cours de la caractérisation.

Figure 3.26  Analyse dynamique du pompage du dépôt Ti 200 nm (mono-Ti 1-22)

La mise en évidence d'une amorce de pompage dès 350°C paraît contradictoire avec la température d'intégration précédemment mesurée en ampoule (425°C). En supposant que la vitesse de pompage précédemment calculée (8.5 × 10−13_{mol/cm2.s) reste constante}

au cours d'un traitement thermique d'une heure tel que pratiqué sur les ampoules lors de l'activation par recuits successifs (cas extrême), cette vitesse de pompage induirait une chute de pression dans l'ampoule de 3.6 × 10−2_{mbar, soit une capacité de pompage de}

0.07 mbar.cm3_/cm2 _{(pour un volume usuel d'ampoule de 2.5 cm}3 _{et un échantillon NEG}

de 1.20 cm2 _{de surface). Ce résultat implique que l'activation de l'échantillon devrait être}

presque eective dès 350°C lors des recuits successifs (la valeur limite ayant été dénie à 0.11 mbar.cm3_/cm2_{). Néanmoins, contrairement au dispositif d'analyse dynamique du}

pompage, l'activation dans le four à moue induit un dégazage au sein des ampoules (mis en évidence en 3.1.2 par RGA, page 122). Celui-ci peut masquer en partie l'activation du getter et se traduire dès lors par un décalage de Ti vers les hautes températures.

11. le calcul de cette valeur tient compte de la géométrie de l'ampoule et de la taille de l'échantillon introduit.

Au-delà de 400°C, la vitesse de pompage du dépôt diminue. Deux mécanismes sont envisageables pour expliquer cette diminution. La première hypothèse est la contribution d'un dégazage (du silicium ou du getter lui-même) prenant le pas sur l'augmentation continue de la vitesse de pompage. Malgré l'accélération du piégeage de l'azote, le dégazage d'autres espèces ou la formation de composés volatiles non pompés par le dépôt (tels que les hydrocarbures) peut masquer partiellement la chute de pression. La seconde hypothèse est que le pompage du gaz devient constant, voire ralentit réellement, en raison d'une limite intrinsèque au getter. Dès lors, l'augmentation de l'agitation thermique induit ou accentue le ralentissement apparent du pompage. L'absence d'analyse complémentaire empêche de valider l'une ou l'autre des hypothèses.

ˆ Conclusion sur le comportement des dépôts monocouches

Les dépôts monocouches Ti sur SiO2 natif présentent un eet de pompage caractérisé

par une température d'intégration de 425°C. L'analyse RGA pratiquée sur les ampoules à l'issue de l'activation des dépôts met en évidence la consommation totale de l'azote initialement injecté dans les ampoules. Aussi la capacité de pompage maximale mesurée (0.41 mbar.cm3_/cm2_{) est-elle limitée par la quantité initiale de gaz. Cette valeur est donc}

vraisemblablement sous-estimée. D'autre part, l'élaboration des dépôts en température se traduit par une augmentation de leur température d'intégration. Enn, d'un point de vue dynamique, la vitesse maximale de pompage est mesurée au cours du palier de température à 400°C. Elle y est estimée à 4.2 × 10−12_{mol/cm2.s. Cette valeur implique,}

pour l'exemple présenté en 1.1.3 (page 37) d'une cavité MEMS de 0.3 mm3_{à 10 mbar après}

scellement, un vidage en quelque 16 minutes.