III. Logiciels de simulation SRIM, SIMTRA et Simul3D
III.5. Simul3D
III.5.3. Entrées et sorties de Simul3D
La figure III-16 présente l’interface du logiciel Simul3D et les différents paramètres à introduire pour le calcul. Dans ce qui suit, une brève description du mode de fonctionnement des options qui ont été utilisées dans cette étude est exposée.
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Figure III-16. Interface du logiciel Simul3D.
III.5.3.1. Le monde
Le monde représente le volume désigné pour simuler la couche mince (figure III-17). Il est sous forme parallélépipédique rectangle (x, y, z). Le repère du monde est équivalent au repère absolu (xyz) qui constitue la référence pour le positionnement des atomes, le 0 étant dans un coin inférieur. Le nombre maximal de particules dans la couche est égal aux dimensions du monde : Nb = xmax * ymax * zmax.
Figure III-17. Représentation du monde.
Le logiciel Simul3D permet de prendre en compte les éventuels sites de nucléation présents avant le dépôt (le plan xy en z = 0 représente la surface du substrat sans site), ainsi que l’allure macroscopique et la topographie du substrat. Il est possible d’avoir des sites répartis aléatoirement, des sites répartis selon un réseau ou une monocouche de particules. Simul3D offre la possibilité de réaliser des surfaces artificielles (fond d’image) ou de créer des surfaces
X Y Z xmax ymax zmax Surface du substrat 0
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à partir de l’image topographique d’un échantillon réel, obtenue par métrologie (AFM, microscope interférométrique, etc.).
Le substrat et le film en cours de croissance ne vont pas interagir de la même manière avec la particule incidente. Quand une particule atteint le substrat (en z = 0), elle va chercher à minimiser son énergie, ce qui revient à chercher d’autres particules à proximité (comportement en z = 0). Pour cela, Simul3D propose :
a) Recherche d’un voisin par mouvement brownien (figure III-18-a) : le déplacement de la particule sur la surface est aléatoire et ne s’arrête que quand un voisin est trouvé.
b) Recherche d’un voisin de manière aléatoire (figure III-18-b) : le déplacement consiste à chercher un voisin en envoyant des particules virtuelles sur la surface du substrat. Dès qu’une de ces particules tombe à côté d’un voisin, la particule originelle va prendre cette place.
c) Recherche rapide (figure III-18-c) : si le site d’arrivée d’une particule sur la surface n’a pas de voisins, la particule est éliminée et on recommence le lancer.
d) Recherche du plus proche voisin dans une zone circulaire d’un rayon donné (figure III-18-d) : le déplacement se fait en spirale autour de la position initiale. Une fois un voisin trouvé, la distance entre les deux positions est mesurée. Puis, le déplacement se poursuit jusqu'à atteindre cette distance dans les directions x et y pour être sûr d’avoir trouvé le plus proche voisin. Si aucune particule n’est trouvée quand toute la zone a été parcourue, la particule lancée reste à sa position initiale.
Figure III-18 : Collage en z = 0 : a) recherche d’un voisin par mouvement brownien, b) recherche d’un voisin de manière aléatoire, c) recherche rapide, d) recherche d’un voisin dans
une zone circulaire d’un rayon donné.
Dans le cas où la particule est en contact avec la couche, sa position finale va dépendre de ses plus proches voisins. Pour que la particule incidente reste à une position donnée, il faut que son énergie soit inférieure à la somme des énergies de ses plus proches voisins.
x
y
x
y
x
y
x
y
(a) (b) (d) (c)_______________________________________III. Simulation : SRIM, SIMTRA et Simul3D
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Si l’énergie de la particule incidente est supérieure à l’énergie totale des voisins, la particule continue donc sa trajectoire et si elle est plus faible, la particule est stoppée au site considéré.
III.5.3.1. Balistique
Cette fenêtre permet de télécharger et de lire en séquentielle ou aléatoire les données de fichiers « ParticleData.txt » générés par SIMTRA. Elle permet aussi de définir le nombre de particules à simuler.
III.5.3.2. Diffusion
Le programme Simul3D simule deux modes de diffusion à la surface de l’échantillon : mode de diffusion dit « simple » et un mode dit « Métropolis ».
Diffusion simple : Ce mode de diffusion est basé sur le nombre de voisins. Cette valeur est
évaluée parmi les positions adjacentes, libres et accessibles, à celle de la particule. Parmi les sites ayant un nombre de voisins supérieur au critère, le choix se porte sur celui en ayant le plus. Cette étape peut se répéter un nombre de fois déterminé par l’utilisateur.
Diffusion Métropolis : la probabilité pour une particule d’aller dans un site voisin libre et
accessible, est évaluée proportionnellement aux énergies initiales (Ei) et finales (Ef) des sites. Elle est proportionnelle à une loi de type Maxwell [177] :
P ∝ e Ei−Ef
kBT (III-3)
avec : kB = constante de Boltzmann (1,38·10-23 J·K-1) et T = température (K). Ei et Ef sont calculées par l’équation I-20.
Le programme Simul3D propose deux types de simulation de la diffusion Métropolis :
- Diffusion Métropolis Simple (DMS) : une fois les probabilités de chaque site calculées, le choix va se porter sur le site possédant la plus grande des valeurs,
- Diffusion Métropolis Cinétique (DMC) : le site final est déterminé par un tirage aléatoire entre les différents sites pondérés par leur probabilité. Dans ce cas, un site improbable peut être sélectionné.
D’autres options ont été intégrées dans le programme pour traiter les images obtenues comme le choix de couleurs (vingt-trois couleurs), le mode de visualisation en 2D et 3D, etc. A la fin de chaque simulation, un fichier de type .pxy sera enregistré. Ce fichier contient tous les paramètres d’entrée et de sortie.
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Dimension du monde 150 x 150 x 150
Site de nucléation Pas de site
Comportement en z = 0
Z = 0 (sans diffusion), Z (Al) = 10 (avec diffusion) et Z (Cr et Ti) = 5 (avec
diffusion)
Condition de collage Energie minimum = 4 eV
Nombre de particules simulées ≈ 10+6
Paramètres de jets Fichier sputter.txt
Mode de diffusion Diffusion simple (test avec et sans
diffusion) Tableau III-9. Les paramètres d’entrée du programme Simul3D.
Les images obtenues par la simulation seront comparées aux images MEB pour évaluer la microstructure de la couche ainsi que l’angle d’inclinaison des colonnes.
III.6. Conclusion
Dans ce travail de thèse, la méthodologie numérique employée consiste à travailler avec trois logiciels en cascade (SRIM, SIMTRA et Simul3D). Chaque logiciel permet de simuler une étape du système de pulvérisation (SRIM pour simuler l’éjection de matière de la cible, SIMTRA simule le transport des atomes de la cible jusqu’au substrat, et Simul3D permet de simuler la croissance de la couche).
Les paramètres d’entrée de chaque logiciel ont été fixés selon les conditions opératoires d’élaboration des dépôts. Les distributions angulaires et en énergie obtenues avec SRIM ont été utilisées pour alimenter le logiciel SIMTRA. Puis, les sorties du logiciel SIMTRA ont été utilisées pour lancer le logiciel Simul3D.
Au cours des trois ans de mon travail de la thèse, plusieurs améliorations ont été apportées au logiciel SIMTRA. L’enceinte de dépôts a été simulée selon deux configurations (complexe et simple). Les résultats de SIMTRA sur les deux configurations montrent que l’influence des shutters et de leurs accessoires est négligeable. Donc seule la configuration « simple » de l’enceinte de dépôts sera utilisée pour la suite de notre travail. Le problème de la captation de particules par les deux surfaces du substrat a été résolu par un cache placé à une distance de 1 µm de la surface du substrat.
L’étude de l’érosion de la cible montre que l’érosion de la cible d’aluminium et de chrome est inhomogène, et présente une symétrie par rapport au centre de la cible. En revanche, l’érosion de la cible de titane présente un profil beaucoup plus hétérogène. Cette hétérogénéité de l’érosion de la cible de titane est due à un problème du refroidissement de la cible