Influence des paramètres de dépôt

Pour une croissance de film mince par pulvérisation cathodique réactive magnétron RF, certains paramètres doivent être fixés. Chaque paramètre influe sur la croissance, et certains changements peuvent être redondants. Il est donc judicieux de discuter de chaque paramètre, et de voir leurs effets sur le dépôt :

- La tension présente dans le plasma : cette tension, que nous avons appelée Vp lors de la description du mode de génération de plasma DC, influe sur l’énergie cinétique des ions présents dans le plasma, et allant vers la cible. Lors du bombardement de la cible par les ions, l’énergie cinétique acquise par les atomes éjectés de la cible dépend directement de l’énergie des ions. Finalement, plus la tension est élevée, plus les atomes (ou les molécules) arrivent sur le substrat avec une énergie élevée. Si cette énergie est faible au moment où l’atome arrive sur le substrat, cet atome ne peut plus se mouvoir sur la surface, et il aura peu de chances de trouver un site qui le stabilise. Le film obtenu sera peu cristallin, voire amorphe. Au contraire, si l’énergie de l’atome est trop élevée, alors il aura comme action de pulvériser le film, ce qui donnera une microstructure très désordonnée. Pour

défaut, il faut trouver une tension intermédiaire qui donne assez d’énergie (mais pas trop). Cette dernière analyse est applicable à tous les paramètres de dépôt.

- La puissance électrique injectée dans le plasma : exprimée en W, elle dépend de la

tension du plasma et du courant. Elle va donc influer sur l’énergie des atomes, et aussi sur le taux d’ionisation des atomes du gaz via le courant. Un courant plus important induit donc à un bombardement plus intense. Cependant, tout comme pour la tension, seule une valeur intermédiaire de courant conduira à une microstructure optimale. En effet, un courant fort induit un bombardement de la cible très intense, et donc le nombre d’éléments arrivant à la cible par unité de temps sera trop élevée pour laisser le temps aux atomes déjà présents sur la surface, de trouver un site qui les stabilise. Si le courant est trop faible, les éléments à la surface du substrat auront le temps de se placer, mais d’autres phénomènes pourront arriver comme une désorption de ces derniers. La puissance électrique influant sur les deux composantes courant et tension, il est crucial de l’étudier pour déterminer une valeur satisfaisante.

- La pression des gaz dans la chambre : elle va influer sur le libre parcours moyen

des espèces (et donc des atomes) dans le plasma. Pour les espèces plus rapides que la moyenne des espèces dans la région considérée (par exemple, des ions accélérés sous l’effet de la cathode) le libre parcours moyen (lpm) est donné par :

𝑙𝑝𝑚 = ^𝑘𝐵𝑇 4𝜋𝑟²𝑝

Où kB est la constante de Boltzmann (kB = 1,38.10-23 J.K-1), T la température en K, p la pression en Pa, et r le rayon effectif des espèces dans le gaz (r ≈ 1,5.10-10 m pour un plasma N₂/Ar).

L’augmentation de la pression va donc diminuer le libre parcours moyen des atomes dans le plasma, et ces derniers auront une probabilité plus importante de subir une collision pendant leur trajet, perdant ainsi de l’énergie. En conséquence, les atomes vont arriver au substrat avec une énergie plus faible, ce qui va influer sur la microstructure de la même manière qu’une variation de la tension. Ce raisonnement est réciproque, i.e. si on diminue la pression, alors les atomes arriveront au substrat sans perdre d’énergie, puisqu’ils n’auront subi aucun choc (ou très peu) pendant leur voyage.

- La réflexion précédente sur la pression n’a bien évidemment de sens que si on compare le libre parcours moyen avec la distance entre la cible et le substrat notée dcible-substrat. Pour que les atomes arrivent avec toute leur énergie (si c’est ce que l’on veut), alors il suffit que le lpm soit nettement supérieur à la distance entre la cible et le substrat, ou lpm >> dcible-substrat. A l’inverse, si on veut partiellement thermaliser les atomes, alors il faut favoriser les collisions, et augmenter cette distance. Le choix de la pression des gaz réactifs nécessite donc de prendre en compte d_{cible-substrat}.

- Les gaz utilisés pour produire le plasma : les gaz utilisés et le ratio entre eux va

avoir deux incidences. Premièrement, pour une pression donnée, la section efficace sera plus ou moins importante suivant les types de gaz utilisés. La probabilité de collisions entre les ions du plasma et les éléments voyageant vers le substrat va donc dépendre des gaz. L’autre influence vient de l’énergie dépensée pour exciter les modes de vibration et de rotation des éléments du gaz. Plus l’énergie requise pour exciter ces modes est importante, moins il en restera pour ioniser les atomes du gaz. Si le taux d’ionisation est plus faible, alors le plasma est plus résistif, ce qui va augmenter la tension Vp, et entraîner toutes les conséquences décrites auparavant.

- La température du substrat : La probabilité pour un atome ou une molécule de

trouver un site qui optimise sa stabilité, est directement corrélée à leur mobilité à la surface du substrat. Cette mobilité étant liée à l’énergie de l’espèce, il suffit de leur en fournir pour l’augmenter. Un apport d’énergie thermique est une solution typique. La mobilité des éléments se voit alors accrue, et on augmente ainsi la qualité cristalline du dépôt. Il faut cependant ne pas trop chauffer le substrat. La conséquence directe serait l’incorporation d’impuretés présentes dans le plasma, et un stress dans le film peut apparaître sous l’effet d’une dilatation du substrat (le film et le substrat n’ayant généralement pas les mêmes coefficients d’expansion thermiques), comme pour la CVD.