Chapitre III : Procédé d’élaboration et dispositifs expérimentaux
III- 2-3 Conditions d’obtention de dépôts homogènes
L’étude de l’influence des paramètres expérimentaux sur le recouvrement du substrat
par la décharge secondaire reste qualitative dans la mesure où elle est basée sur une
observation visuelle des phénomènes et du dépôt de diamant. La qualité chimique et
structurale d’un film de diamant est conditionnée par le choix des paramètres de croissance.
Ceux-ci doivent être menés de façon à sélectionner les dépôts homogènes qui présentent des
spectres Raman caractéristiques du diamant sans défauts. Une caractérisation morphologique
des dépôts de diamant obtenus a été effectuée systématiquement par microscopie électronique
à balayage.
Nous avons effectué un balayage des paramètres de synthèse afin d’obtenir un dépôt
homogène. Cela a nécessité un grand nombre d’expériences car le choix de ces paramètres est
très vaste. Le Tableau III-3 résume les différentes conditions expérimentales conduisant à un
dépôt homogène.
La photo MEB correspondante est présentée sur la Figure III- 8. Nous remarquons la
présence des cristaux bien facettés exempts de germination secondaire. Le choix de ces
conditions est qualitatif puisque notre choix était basé sur des observations visuelle
(recouvrement du substrat et l’homogénéité des dépôts) et sur la morphologie des cristaux et
films de diamant, de la densité de germination et de la présence des défauts en surface des
faces.
Une caractérisation par microscopie électronique à transmission présentée sur les
Figure III-9 et Figure III-10, nous a permis d’observer de façon plus fines les défauts
structuraux présents dans le film (joint de macle, dislocations,..) et d’apprécier la cristallinité
sur les clichés de diffraction électronique.
La Figure III-9 révèle la présence des défauts et des cristaux multimaclés dans le
dépôt. Le cliché de diffraction (Figure III-10) met en évidence la désorientation des cristaux et
la présence d’anneaux indique la présence d’une phase amorphe. La présence de cette phase
peut provenir d’un processus d’amorphisation pendant la préparation des lames minces
(amincissement par bombardement ionique).
Chauffage Décapage Polarisation Croissance
Durée (s)
Pression (hPa)
Puissance µ-ondes (w)
Débit gazeux (cm
3/min)
Composition gazeuse
Teneur en H
2(vol%)
Teneur en CH
4(vol%)
T de Tension de polarisation (V)
180
10
-3120
17
400
400
100
90
17
400
400
96
4
-150
5400
17
400
150
99,5
0,5
Substrat : Si (100) 10*10 mm
2Porte substrat : Molybdène (avec cône)
Electrode : Molybdène
Tableau III-3: Conditions expérimentales conduisant à la synthèse de dépôts de diamant
homogènes.
Figure III- 8 : Photo MEB d’un dépôt de diamant présentant une densité homogène élaboré
selon les conditions reportées dans le tableau III-3
Figure III-9: Micrographie en fond clair du
dépôt de diamant
Figure III-10: Cliché de diffraction en aire
sélectionnée.
III-3 Dispositifs expérimentaux d’analyse
Les cristaux et films de diamant CVD élaborés ont été caractérisés du point de vue de
leurs structures (morphologie, taille des grains et orientation) et de leur pureté (présence des
phases graphitiques et des phases du carbone amorphe, impuretés, degré de cristallinité). Ces
différentes caractérisations doivent nous permettre d’évaluer la qualité globale.
Les principales techniques que nous avons mises en œuvre pour caractériser le
diamant sont :
La spectroscopie Raman
La photoluminescence
La spectroscopie XPS
La microscopie électronique à balayage (MEB)
La diffraction des rayons X (DRX)
Nous tenons à noter que certaines techniques n’ont fait l’objet que de peu de mesures,
soit par manque de disponibilité des appareils (Photoluminescence), soit en raison du faible
apport d’informations pour notre étude (SIMS, EDX, Microsonde de castaing), ou encore de
la difficulté de mise en œuvre de ces moyens (IR). Les résultats obtenus par ces techniques
seront détaillés dans les chapitres correspondants.
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(311)
III-3-1 Microscopie électronique à balayage
Pour avoir une description morphologique des cristaux et films de diamant, nous
avons utilisé la microscopie électronique à balayage (MEB) qui nous a permis d’étudier
l’effet des gaz additifs sur la morphologie des dépôts formés, d’analyser la topographie des
films de diamant, et d’étudier l’aspect cristallin des cristaux isolés ou des structures
émergentes à la surface des films.
III-3-1-1 Appareillage et conditions d’analyse
Au cours de notre étude, la morphologie des dépôts du diamant a été évaluée par la
microscopie électronique à balayage (MEB) à l’aide d’un microscope Philips model XL 30
S
FEG.
L’observation des cristaux et films de diamant par cette technique peut se réaliser sans
métallisation préalable. Il semble en effet que l’évacuation des charges électriques se réalise
assez bien, même dans le cas de films épais. Cette facilité est probablement due à un
écoulement préférentiel des charges au niveau des joints de grains, zones toujours perturbées
contenant des phases plus conductrices de type graphitique, carbone amorphe ou d’autres
impuretés. Néanmoins, l’obtention de photos de bonne qualité est souvent conditionnée par
l’utilisation du mode haute résolution à 25 KV. L’inconvénient majeur avec le MEB est l’effet
du bombardement électronique, qui peut créer dans certains cas une localisation de charges,
qui provoque un craquage de composés carbonés (apparition des taches noires).
III-3-1-2 Morphologies et microstructures
L’observation détaillée des faces cristallines des cristaux ou des films de diamant par
MEB, permet d’évaluer la topographie des dépôts et la détection d’un éventuel axe de fibre.
Cette orientation préférentielle se caractérise qualitativement par la présence d’un ou plusieurs
types de faces cristallines possédant une inclinaison particulière par rapport à la surface de
l’échantillon. L’observation de la surface des échantillons donne aussi des informations sur la
taille des cristaux et permet de caractériser les défauts de croissance.
a- orientation préférentielle des cristaux
La Figure III-11 montre un film de diamant avec un taux important d’épitaxie. Sur
cette figure, il apparaît des facettes carrées {100} parallèles à la surface. Cette croissance
préférentielle dépend directement des conditions d’élaboration choisies et met en évidence le
mécanisme d’évolution sélective.
Figure III-11: Photo MEB de la surface d’un dépôt de diamant présentant des cristaux en
relation d’épitaxie avec le substrat
b- Défauts de surface
Sur certains échantillons, nous remarquons une croissance anormale qui s’est produite
localement. Des îlots sont formés à la surface, l’étude par spectroscopie Raman révèle que ces
îlots sont composés du diamant et de phases carbonées amorphes (large bande au voisinage de
1500 cm
-1). La Figure III-12 illustre la présence de ces défauts à la surface des échantillons.
c- Inhomogénéité de surface
Nous avons remarqué pour certains échantillons (en présence de l’argon), la présence
de plusieurs morphologies au sein même du dépôt qui varient du bord au centre, dues
essentiellement à l’hétérogénéité du plasma micro-onde, présentées sur la Figure III-13. Ces
variations ont été limitées au maximum pour éviter des analyses dépendant de la localisation
sur l’échantillon.
Figure III-13: Variations de la microstructure au sein d’un même échantillon
d- Morphologies cristallines