2.4 Caractérisation de la microstructure des dépôts
2.4.1 Conditions d’élaboration
Afin d’étudier les effets des conditions d’élaboration des dépôts sur leur microstruc-
ture, deux échantillons α et ε, obtenus dans des conditions de débit φO2 différentes (cf.
Tab. 2.10), sont observés par METb en mode champ clair et en mode champ sombre (cf.
page 84). La nature de la phase majoritaire dans chacun des échantillons a précédemment été identifiée par spectroscopie Raman (cf. Fig. 2.3 page 115) : il s’agit de la magnétite
Fe3O4 pour α) et de l’hématite α-Fe2O3 pour ε).
Les micrographies sont orientées de sorte que les couches successives correspondent, de
bas en haut, au substrat SiO2, à la couche d’oxyde de fer, à la résine protectrice et à la
couche de W (cf. Fig. 2.7 page suivante).
Toutefois, la résine est absente d’un des échantillons (cf. Fig. 2.9 page 126) : le dépôt de la couche de W assisté par un faisceau d’ions a alors provoqué une importante modification de la microstructure du dépôt sur une dizaine de nm sous l’interface.
2.4.2
Description de la microstructure
Pour l’ensemble des échantillons, les micrographies champ clair (cf. Fig. 2.9 page 126 et 2.11 page 128) et champ sombre (cf. Fig. 2.10 page 127 et 2.12 page 128) mettent en évidence la présence de structures colonnaires. Ces colonnes sont perpendiculaires au dépôt et ont un diamètre compris entre 10 et 20 nm. Il n’apparaît pas de porosités intergranulaires, ni même de volumes amorphes.
124 Partie III, Chapitre 2 : Étude de l’influence des conditions d’élaboration
Fig. 2.7 – Image champ clair et mesure de l’épaisseur de la couche α).
Il apparaît également des réseaux de traits sombres, appelés « franges de moiré ». De telles figures sont observables lorsqu’il y a chevauchement de plusieurs réseaux cristallins. Elles trahissent donc la cristallinité des échantillons et la présence de plusieurs grains dans l’épaisseur de matière analysée. Celle-ci ne dépassant pas 50 nm, la taille des cristallites dans le plan du dépôt doit donc également être de l’ordre de la dizaine de nm.
L’observation d’alignements d’atomes à plus haute résolution confirme la présence de cristallites (cf. Fig. 2.8 page ci-contre). Les images champ sombre permettent également d’identifier de nombreux cristallites avec la variation de la direction de diffraction. Ils constituent l’essentiel du volume des colonnes. Nous pouvons estimer leur taille moyenne comprise entre 10 et 20 nm. Dans les conditions d’élaboration étudiées, il n’apparaît pas d’évolution de la microstructure avec le débit d’oxygène. La microstructure est donc indépendante de la phase déposée.
Les relativement petites tailles des cristallites, ainsi que les petits diamètres des co- lonnes, sont les marques d’une croissance cristalline limitée dans le plan du dépôt. D’après les travaux de Thornton [71], ceci est la conséquence de la faible mobilité des adatomes
Paragraphe 2.4 : Caractérisation de la microstructure des dépôts 125
Fig. 2.8 – Image champ clair haute résolution de la couche α).
sur la surface. On peut estimer que la distance parcourue par les adatomes ne dépasse pas la taille des grains, c’est-à-dire environ 10 nm.
L’importante énergie cinétique des particules pulvérisées de la cible, d’environ 15 eV, ne permet pas le réarrangement de surface qui ferait grossir les grains. Cette énergie est très rapidement dissipée sous forme de chaleur dans le substrat, lui-même maintenu à température ambiante par contact avec les parois de l’enceinte de dépôt. La microstructure du dépôt serait donc le résultat d’une trempe par contact avec une « masse thermique » à température ambiante.
2.4.3
Conclusion
Les dépôts observés en MET présentent une microstructure constituée de colonnes parallèles à l’axe de croissance et elles-mêmes formées par plusieurs cristaux empilés. Les cristallites, qui occupent la quasi-totalité du volume de la couche ont des tailles de l’ordre de 10 à 20 nm.
126 Partie III, Chapitre 2 : Étude de l’influence des conditions d’élaboration
Fig. 2.9 – Micrographie de l’échantillon α) en mode champ clair. La ligne discontinue blanche représente la limite du volume modifié au cours du dépôt de la couche de W.
Ces caractéristiques ne semblent pas varier avec le type de phase déposée et la quantité d’oxygène introduite; elles sont davantage le résultat d’une trempe pendant la croissance du dépôt que le résultat d’une organisation induite par la structure des phases en pré- sence. Il est probable qu’un apport d’énergie, par exemple sous la forme d’un contrôle en température du substrat pendant le dépôt, modifie la microstructure en permettant une croissance cristalline plus importante.
2.5
Synthèse
L’identification des phases par diffraction des rayons X puis par spectroscopie Raman
démontre la présence des phases α-Fe, Fe1−xO, Fe3O4 et α-Fe2O3 selon le débit d’oxygène
introduit et l’énergie de pulvérisation, et nous permet de proposer un diagramme de phase expérimental (cf. Fig. 2.4 page 117).
Paragraphe 2.5 : Synthèse 127
Fig. 2.10 – Micrographies de l’échantillon α) en mode champ sombre pour deux directions de diffraction différentes; le volume observé est le même que celui de la micrographie précédente (cf. Fig. 2.9 page ci-contre).
Les mesures magnétiques des mélanges magnétite – hématite permettent de quantifier l’aimantation à saturation des échantillons et d’en estimer la teneur en magnétite. Celle-ci décroît avec le débit d’oxygène, ce qui est en accord avec les conclusions des identifications de phases.
L’obtention de wustite Fe1−xO est la preuve d’un transfert de l’énergie cinétique des
particules pulvérisées à la surface du dépôt sous forme de chaleur. Sous l’effet de la rapide dissipation de cette chaleur à travers le substrat, le dépôt subit une trempe qui fige la
phase Fe1−xO métastable et limite la taille des cristallites à 10 ou 20 nm en réduisant la
mobilité des adatomes.
Cette microstructure colonnaire présente d’importantes contraintes de compression, de l’ordre de 2 GPa, potentiellement limitantes pour l’élaboration des planches bolo- métriques.
128 Partie III, Chapitre 2 : Étude de l’influence des conditions d’élaboration
Fig. 2.11 – Micrographie de l’échantillon ε) en mode champ clair.
Fig. 2.12 – Micrographies de l’échantillon ε) en mode champ sombre pour deux directions de diffraction différentes; le volume observé est le même que celui de la micrographie précédente (cf. Fig. 2.11).
Chapitre 3
Modélisation du procédé de dépôt
3.1
Introduction
Berg et al. [64, 73, 74] proposent un modèle analytique afin de prédire les vitesses de
croissance et les compositions de dépôts élaborés selon des procédés « PVDa réactif ».
Cependant, dans la littérature, ce modèle n’est appliqué qu’à des procédés de pulvé- risations cathodiques. Son application à l’IBS réactif se fait en prenant en compte l’hé- térogénéité de la pulvérisation de matière par faisceau d’ions. À cette fin, nous utilisons la loi de distribution angulaire proposée par Tsuge et al. [57]; les équations permettant son application à la pulvérisation dans l’Oxford DIBS 500 sont rapportées en annexes (cf. page 201).
Le modèle permet l’étude de l’évolution de la vitesse de dépôt et de la composition du dépôt en fonction des conditions d’élaboration. Les relations permettant le calcul des résultats rapportés dans cette partie sont également en annexes (cf. page 205). Sauf mention contraire, les conditions d’élaboration correspondent à celles tabulées ci-après (cf. Tab. 3.1 page suivante).
Dans un premier temps, nous étudierons l’influence de la quantité d’oxygène introduite dans l’atmosphère de l’enceinte sur la vitesse de dépôt et sur la composition des couches. Dans un second temps, nous étudierons les variations de l’épaisseur et de la composition avec la distance au centre du substrat afin de caractériser l’hétérogénéité des couches.
a. Physical vapor deposition.
130 Partie III, Chapitre 3 : Modélisation du procédé de dépôt
Énergie cinétique des ions Xe+ (eV) 700
Intensité du faisceau d’ion Xe+ (mA) 50
Rayon de la cible (cm) 6
Rayon du point M sur le substrat (cm) 5
Vitesse de pompage (l/s) 3700
Tab. 3.1 – Conditions d’élaboration utilisées dans les calculs par défaut.