La pulvérisation cathodique réactive magnétron radiofréquence

fonctionnement raisonnable. Elle est très utilisée aussi bien dans la recherche que dans le domaine industriel. Cette méthode consiste à bombarder une cible du matériau à déposer via les ions d’un plasma créé dans une chambre3, 4, 6, 10, 11, 12, 13, 14. Pour cela, cette chambre est préalablement mise sous un vide poussé (environ 10-7 Torr) pour éviter des contaminations venant des molécules présentes dans l’air ambiant, puis remplie par un gaz généralement inerte (gaz nobles principalement) de basse pression (de l’ordre du mTorr). L’application d’une différence de potentiel entre une cathode (au niveau de la cible) portée à un potentiel négatif -V, et une anode située au niveau du substrat reliée à la masse, ou étant constituée des parois intérieures de la chambre, entraîne l’accélération des électrons libres présents initialement dans le gaz. Ces électrons entrent en collision avec les atomes du gaz, l’ionisation partielle du gaz se produit et un plasma est généré. Le plasma est considéré comme stable dès qu’il y a équilibre entre les processus de recombinaison (des électrons rencontrant des ions, reformant des atomes neutres) et d’ionisation. Les collisions entre les électrons et les atomes ont aussi pour effet d’exciter électroniquement ces derniers, leur désexcitation passant par l’émission d’un photon dont la longueur d’onde se trouve dans le domaine visible. Un plasma est donc lumineux, et la couleur observée peut être utilisée comme indice sur la qualité du vide avant entrée des gaz. Par exemple, un plasma à base d’argon sera violacé, tandis qu’un plasma à base d’azote sera plutôt orangé.

Puisque la cible est portée à une tension négative via l’anode, les ions positifs (Ar+, Kr+ etc.) présents dans le plasma sont attirés et accélérés vers la cible, ce qui provoque un bombardement de cette dernière. Les chocs conduisent à l’expulsion par transfert d’énergie cinétique, des atomes situés au point d’impact. Ces atomes voyagent dans la chambre dans une direction aléatoire, certains allant jusqu’au substrat, formant ainsi la

Figure 2.1 : Schéma du principe de pulvérisation d’une cible.

Le cas précédent traite du cas d’un gaz inerte. Le film obtenu possède donc la même composition que la cible. Il est possible d’injecter dans la chambre un gaz cette fois non-inerte, dont le plasma présentera des ions réactifs. Ces ions se lieront avec les éléments de la cible lors du choc. Le film formé aura donc une composition différente de la cible. Prenons par exemple, une chambre dans laquelle on aura placé une cible d’aluminium pure baignant dans un gaz d’azote et d’argon (N₂/Ar). La différence de potentiel dans ce gaz engendrera un plasma composé d’ions Ar+, N+ et N₂+. Si les ions à base d’Ar sont inertes, ce n’est pas le cas des ions à base d’azote, qui réagissent avec les atomes d’aluminium, formant ainsi des molécules d’AlN. Dans le cas d’une pulvérisation via un plasma non-inerte on parle de pulvérisation cathodique réactive.

Un problème de la pulvérisation cathodique est que le temps de pulvérisation dépend de la densité de plasma au niveau de la cible. Pour augmenter cette densité, on peut disposer des aimants sous la cible. Ces derniers créent un champ magnétique sous

formes de lignes de champ (Fig. 2.2), qui vont piéger les électrons près de la cible. Le taux d’ionisation va augmenter, et donc la densité de plasma autour de la cible aussi, et le bombardement va s’intensifier. Finalement, la vitesse de dépôt augmente. On parle alors de pulvérisation cathodique réactive magnétron. La zone d’érosion principale est dépendante de la forme du magnétron, mais elle est en générale en forme de couronne.

Figure 2.2 : Schéma d’un magnétron plane (a) et de sa composition (b).

Il existe plusieurs modes de génération de plasma pour la technique de pulvérisation :

- Dans le mode DC (direct-current) le champ électrique nécessaire pour la génération du plasma est apporté par un courant continu. L’utilisation de ce type de décharge entraîne soit une surpopulation d’électrons au niveau de l’anode, conduisant à un potentiel électrique au niveau de l’anode plus faible que le potentiel du plasma. Si l’anode est reliée à la masse, alors son potentiel est nul. Dans tous les cas, le potentiel du plasma Vp sera positif. Le profil de potentiel au sein de la chambre est reporté sur la figure suivante :

Figure 2.3 : Profil du potentiel électrique au sein de la chambre.

La gaine cathodique est une zone où les électrons sont accélérés vers le plasma (du fait du potentiel négatif de la cathode) jusqu’à y rencontrer un atome neutre, la collision entraînant l’ionisation de ce dernier. La gaine anodique est une zone où les électrons sont décélérés à cause de la chute de potentiel. Cependant, ce profil de potentiel dans la gaine anodique provoque un bombardement du film par les ions du plasma. Si ce bombardement est trop important, il est possible de pulvériser le film. De plus l’utilisation de courants continus entraîne l’obligation d’utiliser des substrats conducteurs. Dans le cas d’un substrat de saphir, matériau isolant, le mode DC est donc proscrit.

- Le mode DC pulsé, consiste à basculer périodiquement le potentiel -V de la cathode vers une valeur positive pendant un temps très court. Ces courts basculements permettent de décharger le substrat (à l’anode) qui voit son potentiel décroître, via l’accumulation des électrons à sa surface (si le substrat est isolant) pendant la période négative.

- Le mode radiofréquence, ou RF, consiste à remplacer le courant continu par un courant alternatif de fréquence 13,56 MHz. En mode RF, les ions sont trop lourds pour suivre les cycles du champ électriques, ce qui n’est pas le cas des électrons. Les ions se comportent donc comme en mode DC, et le profil de potentiel de la figure 2.3 reste inchangé. De plus, tout comme le mode DC pulsé, le potentiel de la cathode devient positif pendant une très courte durée. Donc le substrat peut se décharger de l’accumulation des électrons à se surface, ce qui permet l’utilisation de substrats isolants. C’est ce mode qui sera utilisé lors de cette thèse.