Libre parcours moyen

En se déplaçant dans un plasma, chaque atome d‟un gaz, mais aussi les atomes pulvérisés depuis la cible, subissent plusieurs collisions et changent de direction. Ils décrivent alors une trajectoire aléatoire comme le montre la Figure 11. La distance parcourue par cet atome entre deux collisions successives est appelée libre parcours moyen. Il est calculé, pour les molécules d‟un gaz de diamètre d à pression P et à température T, à partir de l‟équation suivante :





)

Avec KB: la constante de Boltzman, qui vaut 1,38 10^-23 J/K, T : la température du gaz (en Kelvin),

P : la pression du gaz (en Pa), d : le diamètre de molécule (en m).

Figure 11. Trajectoire aléatoire décrivant le libre parcours d’un atome suite à de nombreuses collisions dans le plasma.

La pression du gaz a donc une influence directe sur le libre parcours moyen. En effet quand la pression augmente, la densité de gaz augmente. La probabilité qu‟un atome rencontre des atomes du gaz résiduel augmente et par conséquent le libre parcours moyen diminue. Le Tableau 1 représente les valeurs du libre parcours moyen pour un gaz composé d‟atomes d‟argon (de diamètre 71.10-12 m) à une température de 300 K, pour différentes valeurs de pression totale [52].

Tableau 1. Variation du libre parcours moyen en fonction de la pression.

Pression (Pa) cm 10-2 462 10-1 46,2 1 4,62 10 0,462 100 0,0462

Pour avoir le maximum d‟efficacité, nous avons travaillé avec une pression représentant un libre parcours moyen de l‟ordre de grandeur de la distance cible-substrat (qui est pour nous de 9,5 cm). En effet, si la pression est suffisamment basse pour obtenir un libre parcours moyen largement supérieur à la distance cible-substrat, la probabilité de collisions électrons-atomes serait trop réduite et le plasma risquerait de s‟éteindre faute de présence d‟ions Ar+ [53]. A l‟inverse, une pression trop élevée, et un libre parcours moyen trop petit, aurait pour conséquence une perte importante d‟énergie pour les espèces pulvérisées à partir de la cible, ce qui entraînerait une diminution de la vitesse de dépôt et une diminution de la densité des films [54].

2.2.4. Les sources d’excitation

2.2.4.1. La pulvérisation cathodique à courant continu : ses limites

Le système de pulvérisation cathodique, à courant continu, présente l‟avantage d‟être très simple à mettre en œuvre. Cependant, un de ses inconvénients est lié à la nécessité d‟utiliser une pression élevée (13,33 ou 1,33 Pa) pour entretenir une décharge stable [55]. En effet, aux pressions élevées, des quantités non négligeables d‟impuretés sont observées dans les films, principalement en provenance [56] :

 Du gaz de bombardement, par exemple de l‟argon diffusé dans les couches.

 De l'atmosphère résiduelle ; par exemple de la vapeur d'eau, de l'oxygène ou des molécules organiques, qui ne peuvent être totalement éliminés du fait de la faible dynamique de pompage dans la gamme de pression considérée.

Dans notre cas, un second problème se pose. En effet, le bombardement continu par des ions positifs de cible isolante provoque une accumulation de charges à la surface de la cible, ce qui crée une polarisation positive au niveau de la cible et empêche alors l‟attraction d‟autres ions positifs. À terme, cela provoque l‟arrêt de la pulvérisation.

2.2.4.2. La pulvérisation cathodique radio fréquence

Pour contourner ce problème, une puissance utilisant un champ électrique alternatif radio fréquence est utilisée. Cette technique repose sur la différence de mobilité entre les ions et les électrons. En effet, dans un champ électrique RF, les électrons très mobiles suivent les variations du champ électrique alors que les ions ne voient que le champ électrique moyen. Pour cela, il faut que la fréquence appliquée soit comprise entre la fréquence ionique (fpi), caractérisant la capacité des ions à répondre à un champ électrique alternatif, et la fréquence du plasma (fpe). Parmi les fréquences autorisées par les instances des télécommunications et répondant aux exigences précédentes, la fréquence choisie en général est de 13,6 MHz.

Comme le montre la Figure 12, durant l‟alternance négative, la cathode attire les ions positifs qui la pulvérisent mais la chargent aussi positivement. Puis, l‟alternance positive lui permet d‟attirer des électrons et de se décharger.

Figure 12. Principe de la pulvérisation cathodique radiofréquence.

Cependant, en raison de leur mobilité bien plus grande, le flux des électrons attirés durant l‟alternance positive de la puissance électrique est beaucoup plus grand que le flux d‟ions attirés durant l‟alternance négative. Pour compenser cela, il se crée sur la cible un potentiel négatif stable appelé tension d‟autopolarisation, Vap. La présence de ce potentiel, réduit la durée de l‟alternance positive et augmente celle de l‟alternance négative, de sorte que les flux d‟ions positifs et d‟électrons s‟égalisent. La valeur de ce potentiel dépend principalement de la puissance de la décharge, de la pression, de la nature de la cible et de la géométrie des électrodes [57].

Comme le montre la Figure 13, une chute de potentiel (Vap + Vp) s‟établit dans la gaine cathodique, c'est-à-dire sur une très courte distance au voisinage la cathode. Le champ électrique moyen communique une grande énergie cinétique aux ions situés à la lisière de la gaine cathodique et de la pré-gaine, si bien que les ions positifs arrivent sur la cible avec une énergie cinétique proche de Ei = e × (Vap + Vp). La tension d‟autopolarisation contrôle donc l‟énergie des ions bombardant la cible, et donc son rendement de pulvérisation.

Figure 13. Schémas des potentiels entre les électrodes de notre système de pulvérisation cathodique radiofréquence.

L‟alimentation radiofréquence réduit cependant la vitesse de dépôt. Pour l‟améliorer, on pourrait augmenter la puissance appliquée ou le débit du gaz pulvérisant, mais cela n‟aurait que des conséquences limitées. Une meilleure solution consiste à superposer, au voisinage de la cathode, un champ magnétique au champ électrique. Les électrons vont alors avoir des trajectoires qui s‟enroulent autour des lignes du champ magnétique, ce que l‟on peut voir sur la Figure 14. Leur parcours au voisinage de la cathode est ainsi allongé, ce qui augmente la probabilité de collision avec un atome neutre et augmente donc leur densité. Un flux d‟ions plus grand conduit à un flux d‟espèces pulvérisées à partir de la cible plus élevé, ce qui augmente ainsi la vitesse de dépôt.

Ce champ magnétique peut être créé soit par des bobines électromagnétiques ou par des aimants permanents placés à l‟arrière du porte cible. C‟est ce dernier système que nous utilisons.

Le dispositif à cathode magnétron permet non seulement d‟augmenter la vitesse de dépôt mais aussi de maintenir la décharge à de plus faibles pressions. Des dépôts de plus grande pureté peuvent ainsi être obtenus. Cependant, les zones de pulvérisation étant davantage localisées sur la surface de la cible, l‟érosion n‟y est pas uniforme comme le montre la Figure 15. L‟usure est irrégulière. De plus, il est difficile de déposer des films à partir de cible magnétique avec ce système, puisque celle-ci confine le champ magnétique et fait ainsi disparaitre l‟effet magnétron.

Figure 15. Différents états d’une cible utilisée en pulvérisation magnétron: de gauche à droite, une cible neuve, moyennement usée et très usée.