La croissance de couches de CoO (111) sur substrat silicium nécessite une couche tampon de cuivre. Notons que cette option est compatible avec les mesures µSQUID à condition qu’on soit capable de graver les motifs jusqu’au substrat. Avant chaque dépôt, la couche d’oxyde natif de SiO2est retirée en
plongeant le substrat dans un bain d’acide fluorhydrique. La croissance est faite par pulvérisation catho- dique d’une cible de cuivre. Nous avons reproduit le même empilement que Ambrose et coll.[Amb98]
avec une épaisseur de Cu de 30 nm.
a Influence de la température et de la vitesse de dépôt sur la structure cristalline de la couche de Cu
Déposée à température ambiante, la couche Cu présente une direction de croissance [001] tandis qu’à 200°C, elle est nanocristalline et desordonnée comme le montrent les résultats de diffraction de rayons X présentés sur la figureII.4.
Le critère que nous avons utilisé pour rendre compte de l’influence des paramètres de dépôt est la taille moyenne des cristallites dans la direction [001] (direction de croissance). Cette longueur de cohérence verticale Dzpeut-être évaluée à partir des scans θ − 2θ autour du pic Cu (002) par la formule
de Scherrer :
Dz = Kλ
∆(2θ)cos(θ) (II.1)
où K est un facteur de forme (il varie entre 0,9 et 1,05 selon la forme des cristallites qui diffractent), λ la longueur d’onde (1.78901 Å), et ∆(2θ) la largeur du pic à mi-hauteur.
L’augmentation de la taille des cristallites dans la couche tampon de cuivre par traitement thermique (recuit à 200◦C jusqu’à 5h) n’est pas significative, comme le montrent les scans en 2θ et en ω du pic
Cu (002) mesurés avant et après recuit, contenus dans la figureII.5. On peut cependant noter une légère augmentation de la taille après le recuit, la valeur de Dz passe de 11,3 à 12,1 nm (l’incertitude est de
l’ordre de 0,2 nm). La même remarque peut être faite concernant l’influence de la vitesse de dépôt à température ambiante.
En réduisant la vitesse de dépôt de 3,0 Å/s à 0,9 Å/s, on augmente la taille des cristallites de 0,4 nm,
Dzpassant de 10,9 à 11,3 nm. La tendance observée hors plan se retrouve dans l’évolution des rocking
II 3. CROISSANCE DE FILMS MINCES DE COO (111)
FIG. II.4 – Influence de la température de substrat sur la croissance de la couche de cuivre. Comparai-
son des spectres obtenus enθ − 2θ . Les positions et intensités relatives des réflexions Cu (111) et Cu (002), attendues pour un échantillon polycristallin parfaitement désordonné sont symbolisées par des traits pleins verticaux.
cohérence verticale, de l’ordre de 10 nm, signifie que lorsqu’on sonde la couche de Cu (d’épaisseur 30 nm) dans sa direction de croissance, on traverse en moyenne trois cristallites.
L’influence des paramètres que sont la vitesse de dépôt et le traitement thermique est confirmée par les observations AFM, illustrées sur les figuresII.6etII.7. En effet, on remarque sur la figureII.6que l’état de surface est le même entre une couche déposée à une vitesse de 0,9 Å/s et 3,0 Å/s, tant en terme de rugosité que de la taille des cristallites dans le plan de la couche. Notons en outre que la taille des cristallites évaluée à partir du contraste topographique des images AFM est de l’ordre de 10 nm, soit celle calculée selon la normale à la surface à partir des mesures de diffraction de rayons X. La figureII.7
montre une influence légèrement différente du recuit sur l’état de surface. On observe que la rugosité augmente quand la couche est recuite. Un traitement thermique à 200◦C pendant 2h conduit à une
augmentation de la taille des cristallites. Pour ce qui est du recuit plus long (5h), la rugosité augmente légèrement et il semble que la taille des cristallites dans le plan augmente mais que cela conduit à rendre la couche plus poreuse.
b Direction de croissance [001] de la couche de Cu
Le spectre de diffraction de rayons X de la figureII.4, mesuré en symétrie θ − 2θ montre qu’à tem-
pérature ambiante, nous orientons la croissance de la couche tampon de Cu dans la direction [001]. Pour mettre en évidence l’orientation des cristallites dans les autres directions de l’espace (dans le plan de la couche), il suffit d’étudier une réflexion du Cu qui se trouve dans une direction différente de la direction de croissance. La géométrie des moyens de mesures n’autorise l’étude que de certaines d’entre elles.
FIG. II.5 – Influence de la vitesse de dépôt (a), (b) et du recuit (c), (d) sur la structure de la couche
de cuivre, à partir des scans enθ − 2θ (a), (c) et en ω (b), (d) autour de Cu (002). Les courbes sont ajustées avec une fonction Pseudo-Voigt ’P-V’.
II 3. CROISSANCE DE FILMS MINCES DE COO (111)
FIG. II.6 – Influence de la température et de la vitesse de dépôt sur l’état de surface de la couche
tampon de cuivre.
Intéressons-nous ici à la réflexion Cu (113). Le vecteur associé à cette raie dans l’espace réciproque étant une combinaison linéaire des trois vecteurs caractéristiques du substrat. Un scan de la tache de diffraction Cu (113) dans la direction de transfert [113] (scan ω − 2θ ) et un scan azimutal (scan en φ) du même pic permet d’une part de confirmer la direction de croissance Cu [001] et d’autre part d’évaluer le domaine angulaire de twist dans le plan de la couche. La forme de la réflexion Cu (113) est présentée sur la figureII.8.
FIG. II.8 – Scan en θ − 2θ (a), rocking curve (b) et scan en azimut (c) autour de la réflexion (113) d’une
couche de Cu de 30 nm, déposée à température ambiante.
c Direction de croissance [111] de la couche de CoO
Sur substrat de Cu (001), le CoO croît préférentiellement dans la direction [111] [Amb98]. L’in- tensité relative du pic de CoO (111) sur le scan θ − 2θ indique une orientation préférentielle, si on la compare à celle calculée à partir du facteur de structure et correspondant à un système de poudre (cris- tallites parfaitement désordonnées). En effet, dans ce cas, la raie CoO (002) est plus intense que la raie CoO (111). Toutefois, la faible intensité de la réflexion CoO (111), ajoutée à la largeur de la rocking curve (FWHM 8◦) relativement grande ainsi que l’incapacité à mesurer des réflexions asymétriques
II 3. CROISSANCE DE FILMS MINCES DE COO (111)
Ces mesures de diffraction confirment la direction de croissance [001] pour la couche tampon de Cu. Elles indiquent en outre que la couche de CoO est texturée. Cette texture (111) n’est pas suffisante pour l’étude du couplage que nous souhaitons menée. Rappelons que trois critères sont particulièrement importants :
1. une surface (111),
2. une faible rugosité à l’interface F/AF,
3. une longueur de cohérence dans le plan de la couche suffisamment grande devant la taille des agrégats.
Les couches de CoO, déposées sur substrats Si ne présentant pas les caractéristiques cristallines requises, nous avons essayé une croissance sur α − Al2O3(0001).