Comportement des dépôts multicouches à base de titane

Dans le cadre du projet MiNaTorr, la réduction de la température d'intégration des NEG par l'ajout de sous-couches métalliques a été mise en évidence (résultats présentés en 1.3.3, page 52). An d'établir de quelle manière s'opère cette modication de compor- tement, l'étude se concentre sur deux matériaux de sous-couche : le platine et le chrome.

ˆ Etude du paramètre épaisseur de la sous-couche

L'inuence de l'épaisseur de la sous-couche sur la morphologie de NEG multicouches Ti 100 nm/Cr/Ti 450 nm a été analysée en 2.3.3. Aucune modication notable n'a été

Figure 3.27  Capacité de pompage : inuence de l'épaisseur de la sous-couche pour le getter Ti 100 nm/Cr/Ti 450 nm

mise en évidence pour deux épaisseurs de chrome : 20 nm (multi-Ti 1-10) et 60 nm (multi- Ti 1-09). An de déterminer une éventuelle modication du comportement, ces deux dépôts sont analysés par mise en ampoule. Les échantillons sont conditionnés selon le protocole n°2 de mise en ampoule et activés par traitements thermiques successifs. Les courbes de pompage en capacité obtenues sont présentées sur la gure 3.27. Celles-ci mettent en évidence un comportement identique pour les deux dépôts : Ti = 350°C et

Cp = 0.38 ± 0.02mbar.cm3/cm2. La réduction d'épaisseur de la sous-couche de chrome ne détériore donc pas les performances de pompage du NEG.

ˆ Etude du paramètre nature de la sous-couche

Le tableau 3.5 présente les résultats expérimentaux obtenus pour deux échantillons multicouches, traités thermiquement par recuits successifs en ampoule (conditionnement selon le protocole n°2 de mise en ampoule). Les résultats obtenus dans le cadre du projet MiNaTorr pour les mêmes matériaux de sous-couche sont rappelés (conditionnement selon le protocole de mise en ampoule n°1 avec prétraitement). Le choix d'épaisseurs plus nes pour les nouveaux dépôts est lié au souci de réduction du temps de procédé et du coût de l'élaboration des NEG couches minces, en vue de leur intégration ultérieure dans les MEMS.

Dépôt Matériau + épaisseur (nm) Ti Cpmax

CA SC CG (°C) (mbar.cm3_/cm2₎

multi-Ti 1-02 Ti 100 Pt 60 Ti 450 450 0.32 multi-Ti 1-09 Ti 100 Cr 60 Ti 450 350 0.40 MiNaTorr TiPtTi Ti 100 Pt 50 Ti 1000 325 0.17 MiNaTorr TiCrTi Ti 100 Cr 50 Ti 1000 325 0.13

Table 3.5  Comportement des NEG multicouches -1-

Les deux dépôts élaborés pour les besoins de l'étude présentent une température d'intégration élevée : 450°C et 350°C pour le platine et le chrome respectivement, contre 325°C dans le cadre du projet MiNaTorr. Cette diérence de comportement s'explique d'une part par le protocole expérimental mis en ÷uvre : l'absence de prétraitement dans le protocole n°2 de mise en ampoule induit une perte partielle (voire totale dans le cas du platine) de l'eet de sous-couche. Le prétraitement sous vide semble donc impliquer une modication du comportement des NEG multicouches, tandis que sa suppression s'était révélée sans conséquence pour les dépôts monocouches, en 3.2.1. D'autre part, la réduction de l'épaisseur de la couche getter de titane (450 nm contre 1 µm dans le cadre du projet MiNaTorr) implique une modication de la morphologie de surface et de la microstructure des NEG couches minces (étudiées en 2.3.3, page 99). Les observations microscopiques ont mis en évidence, dans le cas de l'empilement Ti/Pt/Ti, l'augmentation de l'évasement des grains de titane et de la quantité de vides inter- et intragranulaires avec l'épaisseur de la couche getter. Aussi l'empilement possédant une couche supérieure de Ti de 1 µm doit-il présenter une surface d'échange plus importante avec le gaz à piéger.

Si le protocole n°2 de mise en ampoule induit une atténuation de l'eet de sous-couche, la capacité de pompage des nouveaux dépôts est améliorée : 0.32 et 0.40 mbar.cm3_/cm2

pour le platine et le chrome respectivement. En eet, cette augmentation par rapport aux dépôts du projet MiNaTorr est liée à la pression initiale de gaz dans les ampoules : 0.2 mbar de N2 dans le cadre du protocole n°2, contre 0.1 mbar dans le cadre du premier.

gaz introduite dans les ampoules : 1.93 × 10−8_{moles de N}

2 pour le dépôt multi-Ti 1-02,

contre 1.97 × 10−8_{moles pour le dépôt multi-Ti 1-09.}

Dépôt Matériau + épaisseur (nm) Ti Cpmax

CA SC CG (°C) (mbar.cm3_/cm2₎

multi-Ti 2-10 Ti 20 Pt 20 Ti 200 450 0.40 multi-Ti 1-24 Ti 20 Cr 20 Ti 200 450 0.43 Table 3.6  Comportement des NEG multicouches -2-

Le tableau 3.6 présente les résultats de l'analyse comportementale pour deux dépôts multicouches, aux épaisseurs réduites par rapports aux dépôts multi-Ti 1-02 et 1-09. Ainsi les dépôts multi-Ti 2-10 et 1-24 possèdent une couche supérieure de titane de 200 nm. La température d'intégration mesurée dans les deux cas est alors de 450°C : l'eet de sous- couche n'est donc plus observé. L'épaisseur de chacune des trois couches des empilements ayant été réduites, la perte d'eet de sous-couche ne peut être attribuée à la seule réduction de l'épaisseur de la couche supérieure de titane. Néanmoins, dans le cas de la sous-couche de chrome, les résultats présentés ci-avant sur l'inuence de l'épaisseur de la sous-couche indiquent que la réduction de cette dernière ne modie pas le comportement des NEG multicouches.

Dépôt Matériau + épaisseur (nm) Ti Cpmax

CA SC CG (°C) (mbar.cm3_/cm2₎

multi-Ti 1-15 Ti 10 Cr 55 Ti 35 pas d'activation Table 3.7  Comportement des NEG multicouches -3-

Le tableau 3.7 présente les résultats de l'analyse comportementale pour un dépôt aux épaisseurs de nouveau réduites : pour le dépôt multi-Ti 1-15, aucun eet de pompage n'est mesuré dans l'ampoule au cours des traitements thermiques d'activation. Pourtant, l'épaisseur de la couche getter de titane (35 nm) est supérieure à la limite théorique calculée précédemment en 3.2.1 (15 nm). Aussi le masquage du pompage de N2 par le dégazage

d'hydrogène et la formation d'hydrocarbures (mis en évidence précédemment) peut-elle être envisagée. Néanmoins, seule une analyse RGA des gaz dans l'ampoule à l'issue des traitements thermiques d'activation permettrait de s'en assurer.

ˆ Etude de la cinétique de pompage

Deux dépôts multicouches sont sélectionnés pour l'analyse de la cinétique du pompage : Ti 20 nm/Pt 20 nm/Ti 200 nm (multi-Ti 2-10) et Ti 20 nm/Cr 20 nm/Ti 200 nm (multi-Ti 1-24). Ces dépôts possèdent la même épaisseur de couche getter de titane que le dépôt monocouche analysé précédemment (page 142). Les échantillons sont conditionnés selon le protocole de mise en ampoule n°2 et activés par paliers de température de 10 minutes, de 50°C à 450°C par pas de 25°C. La gure 3.28 présente l'évolution de la pression dans les ampoules au cours de l'activation des échantillons. La courbe correspondant à l'analyse précédente du dépôt Ti 200 nm sur SiO2 natif (mono-Ti 1-22) est fournie

pour comparaison. En premier lieu, les deux dépôts multicouches présentent un eet de pompage, conrmant ainsi les mesures par recuits successifs (tableau 3.6). Il est important de remarquer que dans les deux cas, la chute de pression dans l'ampoule commence lors du palier à 350°C, de la même manière que pour le dépôt monocouche de titane.

Figure 3.28  Analyse dynamique du pompage des dépôts multicouches Ti 20 nm/Cr 20 nm/Ti 200 nm et Ti 20 nm/Pt 20 nm/Ti 200 nm

Le comportement des dépôts multicouches dière pourtant de celui du dépôt mono- couche en plusieurs points. Le dépôt possédant la sous-couche de chrome présente une cinétique de pompage plus rapide que celle du titane seul. Aussi, malgré un dégazage consé- quent dès 275°C, sa vitesse de pompage plus importante se traduit par une pression nale dans l'ampoule plus faible. Il est par ailleurs à remarquer que la température à laquelle débute le dégazage est similaire à celle mesurée précédemment pour l'ampoule contenant un échantillon de substrat silicium (page 132). La vitesse de pompage maximale pour ce dépôt est atteinte au cours du palier à 425°C. Elle est estimée à 9.0 × 10−12_mol/cm2.s.

La capacité de pompage calculée à température ambiante, à l'issue du cycle thermique, est de 0.29 mbar.cm3_/cm2_.

Le dépôt multicouche Ti/Pt/Ti présente une cinétique de pompage proche de celle du dépôt monocouche de titane. Ce résultat est en accord avec la caractérisation comporte- mentale par recuits successifs en ampoule, présentée précédemment. L'analyse dynamique conrme ainsi l'atténuation de l'eet de sous-couche liée à la réduction d'épaisseur de la couche supérieure de titane. La vitesse de pompage maximale est atteinte lors du palier à 400°C. Elle y est estimée à 5.2 × 10−12_{mol/cm2.s. La capacité de pompage calculée à}

température ambiante, à l'issue du cycle thermique, est de 0.16 mbar.cm3_/cm2_.

Pour les deux dépôts multicouches, les capacités de pompage mesurées à température ambiante sont plus faibles que celles obtenues à l'issue de l'analyse par recuits successifs (tableau 3.6). De nouveau, ces résultats s'expliquent par la diérence de budget thermique fourni aux échantillons au cours de la caractérisation.

An de valider l'hypothèse d'atténuation de l'eet de sous-couche par réduction de l'épaisseur des dépôts, l'analyse cinétique d'un dépôt Ti 100 nm/Cr 20 nm/Ti 450 nm (multi-Ti 1-10) est réalisée. La gure 3.29 (échelle logarithmique) présente la courbe d'évolution de pression obtenue pour ce NEG. Celle-ci met en évidence l'accélération de la chute de pression dans l'ampoule par rapport au dépôt Ti 20 nm/Cr 20 nm/Ti 200 nm. La diérence de comportement devient signicative à partir du palier de température à 400°C. La vitesse de pompage maximale est atteinte au cours du palier à 425°C, et est estimée à 3.7 × 10−11_{mol/cm2.s. Il peut être remarqué, au cours de ce palier de}

température, l'existence de deux régimes de pompage : la pression chute de plus d'une décade au cours des 5 premières minutes, puis d'un tiers de décade au cours des 5 minutes suivantes. L'existence potentielle de deux mécanismes de pompage permettant d'expliquer ce comportement sera discutée par la suite.

Figure 3.29  Analyse dynamique du pompage des dépôts multicouches Ti 20 nm/Cr 20 nm/Ti 200 nm et Ti 100 nm/Cr 20 nm/Ti 450 nm

ˆ Conclusion sur le comportement des dépôts multicouches

La réduction de la température d'intégration des NEG par l'ajout d'une sous-couche, mise en lumière dans le cadre du projet MiNaTorr, est conrmée par la présente étude. Néanmoins, il apparaît que contrairement au cas des dépôts monocouches, l'absence de prétraitement dans le cadre du protocole n°2 de mise en ampoule entraîne pour les dépôts multicouches une atténuation de l'eet de réduction de la température d'intégration par la sous-couche. De plus, cette perte d'eet de sous-couche semble accentuée par la réduction d'épaisseur de la couche getter de titane.

L'analyse dynamique semble mettre en évidence une diérence uniquement cinétique du pompage entre les diérents NEG couches minces : le pompage s'amorce à la même température pour l'ensemble des dépôts. Le report sur la gure 3.30 des valeurs de vitesses de pompage déterminées pour les quatre dépôts NEG analysés dynamiquement met en évidence la similitude du comportement jusqu'à 375°C, puis les diérences pour les températures supérieures. An d'aner l'analyse dynamique de l'eet getter, les aspects énergétiques du pompage sont à considérer.

Figure 3.30  Bilan des vitesses de pompage estimées pour les NEG couches minces