Chapitre 2 : Techniques expérimentales
5. Conclusions
Le bon déroulement d’une activité en science et génie des matériaux, incluant la toute première étape, celle de leur élaboration, dépend de la qualité des moyens de production des échantillons mis en œuvre. Par qualité, on entend (i) accès aux instruments nécessaires à l’activité expérimentale, (ii) choix raisonné parmi les options techniques en fonction du cahier de charges préétabli, (iii) optimisation de ces options par modélisation et simulation des conditions opératoires pressenties. Cependant, même si ce schéma est pris en compte dès les premiers instants du projet de recherche, la notion de l’adéquation des moyens techniques avec les besoins est par nature prévisionnelle. Il rentre par conséquent dans le processus de la définition des solutions techniques, des facteurs comme l’expérience de l’utilisateur, voire même « un pressenti », fruit justement de ce savoir-faire. Il convient dans ce cas de considérer également des solutions qui puissent être modifiées jusqu’à un certain niveau, relativement facilement. Bien entendu, cette adaptabilité des installations a des limitations techniques. Alternativement, des moyens peuvent être dupliqués, avec des orientations complémentaires de criblage et d’optimisation, mais cette possibilité est limitée par des contraintes économiques.
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Les travaux de cette thèse ont été menés dans le cadre de problématiques nouvelles pour l’équipe SURF et de nouveaux projets qui les ont soutenus. Pour cette raison, les éléments ci-haut ont été appliqués dans presque toutes les étapes de l’étude. Il a fallu ainsi concevoir une installation de purification des précurseurs solides par sublimation et d’optimiser le protocole de son utilisation, en fonction des composés moléculaires solides testés. En effet, la qualité des précurseurs MOCVD originaux disponibles commercialement n’était pas toujours suffisante : des résultats non reproductibles pour ce qui est des vitesses de croissance, des caractéristiques des films, voire de leurs propriétés peuvent être attribués à une pureté non constante d’un lot à l’autre. C’est à la suite de telles observations après plusieurs expériences de dépôts que le besoin de purifier ces précurseurs a été ressenti. Ce travail a aussi révélé certains inconvénients des installations disponibles, dus à des choix techniques non appropriés. Ceci a été notamment le cas pour l’appareil de mesure de la tension des vapeurs saturante des précurseurs, pour lequel il est nécessaire de remplacer les surfaces en acier inoxydable de la chambre de sublimation par un matériaux qui ne permet pas la décomposition autocatalytique du composé à des températures relativement élevées de mesure. Des parois en verre ou en polymère haute température (PEEK®, Torlon®) devront être testées dans l’avenir. Le dernier point qui concerne le comportement des précurseurs étudié dans le cadre de cette thèse est une approche théorique de leur transport dans des conditions opératoires d’un réacteur de dépôt. Nous avons contribué au développement d’un modèle pour un sublimateur qui permet de quantifier la relation entre les conditions opératoires et le flux gazeux du précurseur. Pour une température de sublimation donnée, ce flux dépend du flux du gaz vecteur, de la quantité de précurseur disponible, du rapport de la tension de vapeurs saturante sur la pression totale et d’un coefficient de transport de masse. La valeur de ce coefficient dépend de la surface et de la distribution de la taille des particules du précurseur et de l’efficacité du sublimateur. En tenant compte de ce modèle et dans un objectif d’optimiser la valeur du coefficient de transport de masse et de faire ainsi une utilisation efficace des nouveaux précurseurs de Cu et de Fe, nous avons conçu un sublimateur compact. Ses avantages sont la minimisation des volumes morts, la possibilité de le thermoréguler de manière homogène et efficace et enfin la possibilité de l’insérer aisément dans la boite à gants pour le chargement du précurseur et des pesées à l’abri de l’air.
Deux réacteurs de dépôt ont été utilisés dans le cadre de ce travail. Le réacteur A a été adapté pour le criblage des conditions de dépôt de Cu et de Fe à partir des précurseurs originaux à base de ligands amidinates. Le réacteur B a été conçu et réalisé en fonction du cahier de charges incluant le dépôt simultané sur plusieurs substrats de taille variable. La configuration du réacteur, est verticale, à parois tièdes (thermostatées). L’introduction de la phase gazeuse est assurée par une douchette. Il est possible d’analyser la phase gazeuse par spectrométrie de masse à l’aide d’un prélèvement en ligne. Les profils
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de température et des flux ont été modélisés par CFD à l’aide du logiciel PHOENICS®. Le modèle élaboré servira de base pour l’analyse des profils de croissance d’Al et de Cu.
La conception de l’installation permet un vide limite de 10-6 - 10-7 mbar, assuré par un système de pompage qui comporte une pompe turbomoléculaire et des raccords de type VCR. Cependant, certaines pièces qui sont régulièrement démontées sont raccordées avec des joints Viton®. L’absence de sas d’introduction d’échantillons nous a conduits à installer dans le réacteur même un système de nettoyage de la surface des échantillons par plasma. Il sera montré par la suite que ce dispositif est efficace car il permet d’obtenir de films adhérents, avec des microstructures améliorées.
Le choix des substrats a été fondé sur le besoin de disposer d’échantillons facilement analysés ; le Si monocristallin et la silice thermique répondent à cette demande. Pour ce qui est de substrats d’intérêt technologique, notre choix s’est reporté essentiellement vers l’acier inoxydable, nuance 304L. Ce matériau est plus dur que l’acier au carbone ou le fer pur et permet ainsi une analyse des caractéristiques mécaniques des films moins biaisée par la contribution du substrat.
Enfin, les techniques de caractérisation, essentiellement conventionnelles, de structure et des propriétés, ont été mises en œuvre. Certaines moins usuelles, comme la RF GD-OES, HTDRX et résistivité électrique à haute température, ont été utilisées ponctuellement ; elles sont présentées dans les chapitres correspondants. Dans ce chapitre nous avons présenté les outils techniques indispensables pour le déroulement des études expérimentales de la thèse. Il est entendu que la conception et la réalisation de tous ces instruments n’aura pas été possible sans l’aide, voire la prise en charge par des membres, tant techniques que scientifiques de l’équipe.
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