Le ph´enom`ene de pulv´erisation fut d´ecouvert en 1852 par W. R. Grove. Ce dernier remarqua la cr´eation d’un d´epˆot du m´etal constituant les deux ´electrodes dans un tube `a d´echarge sur les parois de ce dernier. Pour des raisons technologiques, le d´eveloppement et l’utilisation de ce ph´enom`ene pour le d´epˆot de couches minces sont rest´es tr`es li-mit´es `a cette ´epoque, et cette technique a ´et´e pricipalement utilis´ee pour pr´eparer des couches minces de mat´eriaux r´efractaires. Depuis les ann´es 1950, la pulv´erisation a re-pris de l’importance comme technique de d´epˆot de couches minces, notamment avec le fort d´eveloppement de la micro´electronique.
La pulv´erisation cathodique repose sur un principe simple qui consiste `a ´ejecter des particules d’une cible sous l’impact d’atomes ionis´es. Les particules ´eject´ees se d´eposent ensuite sur un substrat plac´e en vis-`a-vis de la cible sur lequel croˆıt une couche mince. Une diff´erence de potentiel appliqu´ee entre la cible et le porte-substrat provoque l’ionisation du gaz de d´echarge. Le gaz utilis´e est un gaz neutre appel´e gaz de d´echarge, il s’agit en g´en´eral de l’argon en raison de son inertie chimique, sa faible ´energie d’ionisation et son faible prix.
En r´ealit´e, il existe deux proc´ed´es diff´erents : la pulv´erisation `a diode continue (dc) et la pulv´erisation radio-fr´equence (rf ).
II.1.1.1 La pulv´erisation cathodique `a diode continu (dc)
La pulv´erisation cathodique dc, dont le principe est pr´esent´e sur la Figure II.1, est la technique la plus simple parmi les diff´erents types de pulv´erisation cathodique et permet de d´eposer des couches minces de mat´eriaux conducteurs. Elle consiste `a ´ejecter de la mati`ere `a partir d’une cible qui est fix´ee sur une ´electrode (cathode) port´ee `a une tension n´egative et refroidie par une circulation d’eau. La deuxi`eme ´electrode (anode) est plac´ee en face de la cathode, `a quelques centim`etres. En appliquant une diff´erence de potentiel entre les deux
II.1. Les m´ethodes d’´elaboration PVD
Fig. II.1 – Principe de la pulv´erisation cathodique dc
´electrodes, cela provoque l’ionisation du gaz de d´echarge dans des conditions de pression favorables, et un plasma est ainsi cr´e´e contenant des ´electrons et des ions positifs. Les ions positifs sont ensuite, sous l’effet du champ ´electrique, acc´el´er´es vers la cible qui est polaris´ee n´egativement. L’impact de ces ions sur la cible provoque l’´ejection d’atomes ou de mol´ecules de cette derni`ere qui se d´eposent sur un substrat plac´e en vis-`a-vis de la cible et conduit ainsi `a la croissance d’une couche mince.
Dans le cas d’une cible isolante, l’accumulation des charges positives `a la surface de la cible induit une polarisation de cette derni`ere qui n’est pas compens´ee par l’apport d’´electrons provenant du circuit ext´erieur ; cela provoque l’extinction du plasma et l’arrˆet du processus de pulv´erisation. Afin de pulv´eriser des cibles isolantes, il convient d’utiliser un courant alternatif qui permet d’alterner la polarit´e de la cible ; il s’agit de la pulv´eri-sation cathodique radio-fr´equence.
II.1.1.2 La pulv´erisation cathodique radio-fr´equence (rf)
En utilisant la pulv´erisation cathodique rf, dont le principe est repr´esent´e sur la Fi-gure II.2, le champ ´electrique continu est remplac´e par un champ ´electrique alternatif `a haute fr´equence (13.56 MHz). Cette technique permet la pulv´erisation de mat´eriaux
iso-Fig. II.2 – Principe de la pulv´erisation cathodique rf
lants, mais aussi de mat´eriaux conducteurs. Le principe de fonctionnement repose sur la diff´erence de mobilit´e des ´electrons et des ions positifs dans un champ ´electrique alterna-tif `a haute fr´equence conduisant `a une polarisation n´egative de la cible appel´ee tension d’auto-polarisation Vc. Les ions, contrairement aux ´electrons, sont pratiquement immo-biles dans le champ haute fr´equence et ne sont sensibles qu’`a la pr´esence de la tension d’auto-polarisation, entraˆınant ainsi la pulv´erisation de la cible en la chargeant positi-vement. Les ´electrons, sensibles au champ haute fr´equence, neutralisent la cible durant l’alternance n´egative.
Cette technique a ´et´e employ´ee dans cette ´etude afin de d´eposer nos diverses couches minces de V2O5 `a partir d’une cible c´eramique isolante de V2O5.
II.1. Les m´ethodes d’´elaboration PVD
Fig. II.3 – Sch´ema d’une cathode magn´etron
II.1.1.3 La pulv´erisation radio-fr´equence `a effet magn´etron
Dans le cas de la pulv´erisation `a effet magn´etron, des aimants permanents sont plac´es sous la cathode, appel´ee alors cathode magn´etron, afin de cr´eer un champ magn´etique parall`element `a la surface de la cible et perpendiculairement au champ ´electrique (Figure II.3). Ce champ magn´etique permet de concentrer les ´electrons secondaires dans un espace proche de la cible et sur des trajectoires circulaires. Ce confinement d’´electrons pr`es de la cible permet d’augmenter les chances d’ioniser un atome de gaz au voisinage de la cible et de cr´eer une zone de plasma intense. Il est ainsi possible d’augmenter consid´erablement la vitesse de d´epˆot, mˆeme `a des pressions tr`es basses. N´eanmoins, le confinement des ´electrons dans certaines zones de la cible a pour inconv´enient de provoquer une ´erosion non uniforme de la surface de la cible.
Dans ce travail, tous les d´epˆots ont ´et´e r´ealis´es `a l’aide d’une cathode magn´etron.
II.1.1.4 La pulv´erisation r´eactive
La pulv´erisation r´eactive consiste `a remplacer le gaz de d´echarge neutre, tout ou en partie, par un gaz chimiquement r´eactif. Cette technique peut ˆetre utilis´ee pour pulv´eriser un m´etal en pr´esence d’un gaz r´eactif (par exemple de l’oxyg`ene, qui conduit `a un oxyde, ou de l’hydrog`ene, qui produit un hydrure), ou bien pour pulv´eriser un compos´e en pr´esence d’un gaz r´eactif pour maintenir sa composition. La pulv´erisation r´eactive n´ecessite l’uti-lisation de d´ebitm`etres massiques pour contrˆoler finement la proportion des gaz introduits dans l’enceinte. Nous verrons dans le chapitre III, que la pression partielle d’oxyg`ene dans
l’enceinte joue un rˆole primordial sur la composition, la morphologie et la structure de nos couches minces.