7 – Impact sur une structure multicouches

Dans cette partie, on étudie le comportement des impacts sur une structure bicouches. Pour

faciliter le raisonnement, nous avons conservé le même type de matériaux que ceux utilisés en

couche simple, c’est-à-dire Al, Cu et Fe. Les structures étudiées sont les suivantes : Cu/ Al/

Si, Al/ Cu/ Si, Fe/ Al/ Si, Al/ Fe/ Si, Fe/ Cu/ Si et Cu/ Fe/ Si (voir chapitre II pour plus

d’informations sur la méthode de dépôt).

Tout d’abord, on présente figure IV.15 quelques propriétés thermo-physiques correspondant

aux matériaux étudiés. On note que Al, Cu, Si et Fe ont des températures de fusion de 933,

1357, 1685 et 1809 K respectivement. Ils ont des conductivités thermiques λ différentes qui

diminuent dans l’ordre suivant : λ_Cu > λ_Al > λ_Si ~ λ_Fe.

Les impacts dans cette partie sont étudiés de façon qualitative en fonction de l’énergie E.¹

Trois intervalles sont choisis pour l’énergie : faible (E < 0,5 mJ), intermédiaire (0,5 mJ < E <

1,5 mJ) et forte (E > 1,5 mJ).

Les impacts obtenus sont classés par exemples types suivant les matériaux et l’énergie mis en

jeu (fig. IV.16).

Figure IV.16 : Impacts obtenus sur différentes structures multi-couches sur Si : effet de l’énergie

et de l’interface.

1

Ce choix résulte de ce que les séries d’expériences présentées ici ont été réalisées sans le switch

nanoseconde, avec le seul générateur haute tension. Dans ce cas, plusieurs impacts sont créés à la fois

et leur diamètre a alors été utilisé comme mesure de la charge ou de l’énergie pour une distance

interélectrodes fixe, en vertu de l’équivalence entre ces grandeurs telle que nous l’avons établie.

137

Les structures Al/ Cu/ Si et Cu/ Al/ Si, en raison de la différence de conductivités thermiques

entre Al et Cu (λCu > λ_Al), se comportent de façon différente. En effet, si le cuivre est présent

sur la surface, on observe un impact qui ressemble beaucoup à l’impact obtenu sur Cu/ Si et

ceci pour toute valeur de l’énergie appliquée. En revanche, si l’aluminium est en surface, la

géométrie de l’impact obtenu dépend de l’énergie : pour une faible énergie, la couche

d’aluminium est affectée mais pas le cuivre en dessous. Pour des énergies intermédiaires ou

fortes, on observe deux impacts concentriques avec un trou dans la couche d’aluminium plus

grand que celui créé dans la couche de cuivre.

Il est intéressant d’obtenir également la composition chimique de l’extrême surface. Figure

IV.17, une cartographie de la surface autour des impacts obtenus sur une structure Cu/Al/Si

est présentée. Les éléments analysés sont Al, Cu, Si, C et O. Le carbone est une signature de

la décomposition du liquide diélectrique (heptane) et donc de la synthèse de nanomatériaux.

Cet élément est surtout distribué sur la surface autour des gros impacts. L’aluminium est

détecté au centre des gros impacts ainsi que l’oxygène. Ce dernier est présent simultanément

avec l’aluminium pour former l’oxyde natif du métal lequel a été formé dans lair. Le silicium,

suivant la taille de l’impact, est aussi détecté au centre.

Figure IV.17 : Composition chimique de l’extrême surface obtenue par nano-SIMS pour une

structure Cu/ Al/ Si.

Dans la structure Al/ Cu/ Si (fig. IV.18), l’analyse en composition chimique de la surface a été

réalisée pour un impact créé avec une énergie intermédiaire. Conformément à ce qui a été

démontré, l’analyse chimique montre aussi que le mixage chimique au niveau de l’impact est

supérieur pour la couche d’aluminium par rapport à la couche de cuivre. Ce dernier conduit en

effet la chaleur beaucoup mieux que l’aluminium et permet donc d’abaisser la température

C O

Al Cu

Si

138

locale pour un flux donné. Le signal du Si provenant du substrat montre également qu’à cette

énergie, le cuivre peut être éjecté dans le liquide.

Figure IV.18 : Composition chimique de l’extrême surface obtenue par nano-SIMS pour une

structure Al/ Cu/ Si.

De manière générale, on notera qu’il est impossible de former des alliages. Les éléments sont

présents à des positions différentes sur la surface. La durée du plasma est beaucoup trop

courte pour que des réactions chimiques se produisent. On rencontre donc davantage un

mixage chimique qui permet d’obtenir des distributions d’éléments différentes après impact.

Pour alléger cette partie, les résultats des analyses chimiques réalisées pour les autres

structures sont regroupés en annexe 2. On note que le fer a un comportement spécifique. En

effet, grâce à sa température de fusion relativement élevée, sa présence en surface (structure

Fe/ Al/ Si et Fe/ Cu/ Si) conduit à un comportement similaire à celui d’une structure où le Cu

est en surface. L’excellente conduction de chaleur pour le cuivre est en partie compensée par

une température de fusion plus élevée pour le fer. Dans le cas inverse, c’est-à-dire lorsque le

fer est à l’interface avec le silicium, un phénomène de démouillage de la surface semble

dominer. Cette propriété est aussi bien sollicitée lors des processus d’interaction surface-laser

femto-seconde [Kim2007] que pour créer des nanoparticules catalytiques en vue de la

production de nanotubes [Dev2008].

Le comportement de l’impact sur une structure multicouche mince d’éléments métalliques sur

silicium nous a permis de franchir une étape supplémentaire dans la compréhension de la

nature de l’interaction d’un streamer avec la surface. Le mode de conduction et de dissipation

de la chaleur (déposée par le plasma) influe sur la forme et la taille de l’impact via les

propriétés physicochimiques et thermiques (température de fusion et conductivité) des

matériaux [Ham2013b].

C O

Al Cu

Si

139