Interdépendance durée et tension

Nos résultats ont montré que des densités de cristaux ainsi que des TER relativement

élevés ont pu être obtenus avec des tensions de polarisation pas trop élevées. Pour tenter de

réduire encore la tension de polarisation tout en conservant des densités de cristaux

acceptables, nous avons ajusté d’autres paramètres (pression légèrement plus basse, durée de

BEN plus longue). La durée de l’étape de décapage a été choisie plus courte que pour les

essais précédents et la pression a été diminuée permettant d’augmenter le libre parcours

moyen des ions ; ces derniers peuvent acquérir plus d’énergie pour un même champ électrique

31

. La Figure IV-14 représente les densités de cristaux et le TER en fonction de la durée du

BEN et pour différentes tensions et la Figure IV-24 donne les couples durée/tension du BEN

qui permettent d’obtenir des dépôts avec des densités de cristaux de l’ordre de 10

⁸

cm

^-2

.

1E+00 1E+02 1E+04 1E+06 1E+08 1E+10

1E+00 1E+01 1E+02 1E+03 1E+04 1E+05

durée BEN (s) d en si té d e cr ist au x (cm -2 ) 5 15 25 35 45 55 T E R (% ) 100 V 80 V 70 V 60 V 50 V 40 V

augmentation des défauts

décapage H2: 30 s

Figure IV-14 : densités de cristaux et TER en fonction de la durée du BEN pour des tensions de 40 à 100 V (décapage : 30 s, 20 hPa, BEN : 10 hPa, 3% CH4)

Une diminution de la tension du BEN mène à une diminution de l’énergie des espèces

qui doit être compensée par une augmentation de la durée de polarisation (t) pour maintenir la

densité de charge nécessaire pour initier la germination.

Lorsque que la tension du BEN augmente, le TER optimal correspond à des durées de

polarisation plus courtes. Le meilleur taux que nous ayons mesuré était de 30 % pour une

tension de 80 V et pour 45 s de BEN (30 s de décapage H

₂

). Cet échantillon est présenté

Figure IV-15 a), les autres micrographies b) et c) montrent la dégradation des cristaux suite à

une polarisation trop longue.

Schreck et al.

³²

ont étudié l’influence des paramètres de BEN sur l’orientation

azimutale des cristaux (étude DRX sur des films). D’après leurs résultats, à pression fixée (44

hPa) la durée optimale de polarisation pour une mosaïcité minimale est de 10 min à –200 V et

de 20 s à –300 V. Les FWHM des courbes de rotation du pôle {220} sont respectivement

égales à 4,6° et 7,2°. La diminution de la durée du BEN n’est donc pas automatiquement

synonyme d’une meilleure orientation. Les courbes de la Figure IV-14 montrent que pour les

plus hautes tensions de polarisation, les densités maximum sont atteintes plus rapidement, le

mécanisme de germination est donc accéléré. En conséquence la phase de dégradation décrite

plus haut, associée à des durées de BEN trop longues, va commencer plus tôt.

a) b)

c)

Figure IV-15 : micrographie MEB des échantillons de la figure 15 dont les paramètres de BEN sont: a) U=80 V, t=60 s et b) U=60 V, t=600 s, c) U=40 V, t= 3h00

Nos résultats sont en accord avec les observations de Thürer et al.

²⁷

qui ont montré

que l’orientation des cristaux était meilleure pour de faibles tensions, mais en contrepartie ces

derniers ont dû prolonger les durées de BEN pour atteindre des densités acceptables. La

différence avec nos expériences est une « fenêtre» de temps plus large permettant d’obtenir

des dépôts hétéroépitaxiés pour leurs plus faibles valeurs de tensions.

Dans nos expériences, quelle que soit la tension de polarisation et au-delà d’une

certaine durée de polarisation (300 s), la microstructure des cristaux se dégrade. Pour des

traitements plus longs qu’une heure, des cristaux de type « ballas » se forment.

Schreck et al. ont mis en évidence par EBSD une dégradation cristalline de films de

diamant soumis à de faibles tensions de polarisation (U=60 V)

²¹

.

Yugo et al.

³³

suggèrent que le nombre de germes de diamant augmente avec une

énergie croissante des ions au niveau du substrat, or cette dernière dépend des paramètres du

plasma comme le montre la formule proposée par Saitoet al.

³⁴

:

P

A V

E

ion 0



 (2)

Avec A constante dépendant des paramètres tels que la puissance micro onde

P pression

V

₀

tension de polarisation

Nous pensons que l’énergie des ions positifs, principalement C

⁺

, CH

⁺

, CH

₂⁺

, CH

₃⁺

n’est pas le principal paramètre critique pour la germination du diamant comme il l’est

souvent admis, tout du moins d’un point de vue quantitatif. Le flux d’ions et la durée de

polarisation jouent également un rôle important. En effet, pour les plus faibles tensions, nous

avons vu que de plus hautes densités de germination peuvent être obtenues en augmentant la

durée du BEN ou en augmentant la densité de puissance (Figure IV-9).

Aussi, il faut tenir compte du fait que la densité varie selon une loi gaussienne en

fonction de la tension appliquée. Ainsi si V<V

_max

, la quantité N de diamant formé est

proportionnelle à un facteur du type:

Avec n

_i

nombre d’espèces carbonées activées arrivant sur substrat

E

i

énergie associée à la tension Vi (à pression donnée)

V

_max

tension au delà de laquelle la densité diminue (cf courbe d=f(U

_BEN

))

t durée de la polarisation

Une densité de puissance plus élevée permet d’augmenter le nombre d’espèces

carbonées activées sans pour autant modifier la tension. On constate que l’intensité augmente

significativement, or cette dernière est caractéristique du flux ionique si V<Vmax, l’émission

secondaire intervenant aux plus hautes tensions. La Figure IV-24 présentée plus loin montre

que l’addition du tube permet de diminuer la durée du BEN pour une tension fixée et pour une

densité finale de cristaux donnée (ici 10

⁸

cm

^-2

). On observe ainsi que du diamant s’est formé

sur un substrat soumis à une tension de polarisation U=35 V, ceci pendant une durée limitée

(60 s).

Le fait de travailler à plus haute densité de puissance mais à plus faible tension

préserve la qualité cristalline des cristaux, comme en témoigne la Figure IV-16. Le paramètre

alpha des cristaux, caractéristique de la morphologie, est plus élevé cependant comparé aux

expériences à plus faible densité de puissance (on tend vers l’octaèdre), d’où la difficulté de

déterminer le taux d’épitaxie.

Dans notre cas où la pression totale était comprise entre 15 et 20 hPa, l’énergie

moyenne des ions ne peut dépasser 15-20 eV à cause des collisions inélastiques dans la gaine

du plasma

^35,36

. Or le modèle d’implantation ionique proposé par plusieurs auteurs stipule que

les ions doivent avoir une énergie moyenne d’au moins 30-35 eV

^37,38

pour pouvoir pénétrer

les premières couches atomiques.

Figure IV-16 : micrographie d’un échantillon préparé avec un tube en quartz, BEN 60 s et 60 V

La possibilité de faire germer du diamant à de très faibles tensions remet en question

ce mécanisme. Un autre mécanisme a été avancé plus récemment et stipule que le carbone

amorphe peut se transformer en diamant à condition que des espèces avec une énergie

minimale de l’ordre de 4-5 eV l’atteignent

³⁴

(résultats non publiés de Hirahara et al.). Des

valeurs d’énergie des ions de E=5-7 eV ont été calculées et vérifiées expérimentalement pour

des expériences dont les conditions étaient : tensions de 70-100 V. Cette énergie serait

suffisante pour casser les liaisons covalentes C-C et former des liaisons sp

³

.

Dans le document Contribution à la compréhension de l'épitaxie du diamant élaboré par MPCVD assisté par polarisation sur silicium : étude de la réactivité du substrat et influence des étapes de prétraitement sur le dépôt (Page 166-170)