Microscope à force atomique

La Microscopie à Force Atomique (AFM) classique permet de mesurer la topo-graphie à la surface d’un échantillon. Un tel microscope, représenté figure 2.7, est principalement composé d’un micro-levier qui peut être translaté dans un plan pa-rallèle à la surface de l’échantillon, une pointe fixée en dessous de ce micro-levier dont l’extrémité est extrêmement fine (quelques nm), une source laser réfléchit par le dessus du micro-levier, un système de quatre photodiodes mesurant la position de la réflexion du laser et enfin une boucle de rétroaction maintient l’interaction pointe-surface constante.

Les intéractions entre les atomes de la pointe et ceux de la surface sondée [15] (Van der Wall, répulsion de Pauli...) induisent une flexion du micro-levier. La ré-flexion du laser qui était centrée entre les quatres photodiodes est alors déviée condui-sant à une différence d’illumination et donc une différence de tension mesurée. Pour maintenir l’interaction pointe-surface constante, un système de rétroaction permet d’éloigner la pointe lorsque la différence de tension augmente et de la rapprocher dans le cas contraire. La mesure de la différence de potentiel sur les photodiodes ou du signal de rétroaction permet de déduire la topographie de l’échantillon en-dessous de la pointe au cours du scan.

FIGURE2.7 – a) Représentation schématique d’un microscope à force atomique. Ce dernier est principalement composé d’un micro-levier, d’une pointe extrêmement fine fixée en des-sous du micro-levier, d’une source laser, d’un système de quatres photodiodes et d’une boucle de rétroaction. Les déplacements nanométriques de la platine sont effectués grâce à un système piézoélectrique. b) Position de la pointe pour les trois modes de scan issue de [16] : (1) Mode contact, (2) mode non-contact et (3) mode contact intermittent.

CHAPITRE 2. CROISSANCE DE COUCHES MINCES D’YSZ SUR SAPHIR

L’élément central de l’AFM est la pointe, généralement en silicium ou nitrure de silicium. Les dimensions de son apex déterminent la résolution spatiale de l’AFM et les collisions avec la surface de l’échantillon peuvent la détériorer. Il est donc nécessaire de changer la pointe régulièrement pour conserver une bonne résolution. Certaines pointes ont des propriétés supplémentaires permettant de sonder d’autres quantités physiques. Les pointes conductrices dans les PFM (Microscopie à Force Piézoélectrique) sont par exemple capables de mesurer les différents domaines des matériaux ferroélectriques.

L’AFM peut-être utilisé dans trois configurations différentes selon les besoins fi-gure2.7 b). Le premier est le mode contact, dans ce cas la pointe est maintenue en contact avec la surface et les forces sont principalement répulsives. Ce mode est très facile d’utilisation mais est aussi très sensible aux collisions avec la surface dans le cas de forte rugosité ou structures à grand rapport d’aspect. Le deuxième mode est dit en contact intermittent. Dans ce cas la pointe oscille autour de sa fréquence de ré-sonance et les interactions avec la surface modifient l’amplitude de cette oscillation. Le temps de contact entre la surface et la pointe étant beaucoup plus court, ce mode est moins sujet aux collisions et se révèle très utile pour la mesure de force dispersive affectant la phase de l’oscillation [17]. Le troisième mode est le mode non contact, préféré pour les surfaces molles ou sensibles. Dans ce dernier cas, l’oscillation de la pointe se fait un peu plus loin de la surface prévenant ainsi toute dégradation de la pointe et de l’échantillon.

Le microscope à force atomique utilisé au cours de cette thèse est un modèle Innova de Brucker. L’acquisition et le traitement des images enregistrées ont été effectués avec le logiciel WsxM 5.0, développé par Nanotec Electrónica [18]. Son uti-lisation systématique en mode contact a été limitée à la caractérisation des rugosités de surface des substrats et films minces. Le mode contact intermittent quant à lui a été utilisé pour mesurer les distances et hauteurs lors des différentes étapes de fabri-cations de structures photoniques. La caractérisation des substrats ou films minces se fait notamment avec le calcul de la rugosité Rrmsdont l’expression est :

Rrms = s 1 L Z L 0 Z L 0 Z2(x)dx (2.15) avec L la longueur de la zone carrée mesurée et Z(x) l’écart à à la hauteur mé-diane.

La caractérisation par rayons X (scan ω−_{2θ et ω) et par AFM a été faite de}

manière systématique pour les quelques 220 dépôts réalisés en PLD au cours de cette thèse. Ceci nous permet une statistique confortable pour l’interprétation et la compréhension des mécanismes mis en jeu, et ceci malgré la grande quantité de paramètres impliqués lors de la croissance par ablation laser.

2.3 Choix du substrat : Saphir C ou R

Les substrats de saphir

Le saphir, ou corindon (α−Al₂O₃), est un oxyde d’aluminium cristallisant dans le groupe d’espace R-3C et connu en joaillerie comme pierre précieuse. Il peut être

CHAPITRE 2. CROISSANCE DE COUCHES MINCES D’YSZ SUR SAPHIR

FIGURE2.8 – a) Structure schématique et maille unitaire du saphir (α−Al₂O₃). b) Topogra-phie initiales des substrats utilisés (coupe R et C) mesurées par AFM.

de plusieurs couleurs mais le bleu est le plus connu et provient des traces de fer ou de titane présentes dans le cristal. Dès le 20^eme siècle, le saphir a pu être synthétisé en laboratoire, et de nos jours, il est fabriqué de manière industrielle, essentielle-ment pour sa transparence dans le visible et ses propriétés mécaniques. Nous le retrouvons par exemple dans les verres de montres, lentilles de caméra, et dans les smartphones.

L’oxyde d’aluminium s’est également développé en microélectronique pour les substrats de silicium sur isolant (SOS) utilisés pour la fabrication de transducteurs, capteurs de pression ou dispositifs radio-fréquences [19].

Les substrats peuvent se présenter avec différentes orientations normales selon la direction de coupe [1]. Les plus communs et les mieux maitrisés sont les saphirs R et C représentés sur la figure2.8a). Le saphir C présente une surface vicinale (0001) et le saphir R (10-12). La topographie a été mesurée figure 2.8 b) par AFM sur des substrats sans aucun traitement préalable. Les marches atomiques caractéristiques, hautes de 2 Å, ne sont que rarement observables. Les surfaces sont en général pol-luées et nécessitent un traitement avant l’étape de croissance.

Les conditions de croissance d’YSZ sur saphir au départ de cette étude sont is-sues de l’expertise de l’équipe OXIDE au laboratoire C2N.

Procédé de dépôt initial

Le procédé de dépôt initial, avant optimisations, se décrit comme suit :

CHAPITRE 2. CROISSANCE DE COUCHES MINCES D’YSZ SUR SAPHIR

laque d’argent qui permet un excellent contact thermique. Ensuite le barreau est in-séré dans le bâti qui est alors plongé dans un vide secondaire de 10⁻⁶ torr, tout en démarrant la montée en température du substrat à 10°C/min. Une fois la tempéra-ture de dépôt atteinte, 750°C pour l’YSZ, nous procédons au nettoyage de la cible du matériau que nous souhaitons déposer, en l’occurrence ici les cibles d’YSZ 8% ou 15%.

Pour cela, nous devons calibrer la puissance et la taille du faisceau laser pulsé. La puissance du laser est mesurée par un puissance-mètre et modulée si besoin grâce à un système optique d’atténuation. Pour l’YSZ la densité d’énergie du laser est de 3,6 J/cm². La taille du faisceau, qui influence la surface de la cible ablatée et donc la vitesse de dépôt, est fixée par un système de masque sur le chemin optique dont les dimensions rectangulaires peuvent être contrôlées entre 5x12 mm²et 6x21 mm². Le masque, utilisé lors des phases d’optimisations de la qualité cristalline détaillées dans ce chapitre, est de 6x15 mm². Il sera par contre de 6x21 mm²dans le chapitre 3 pour les échantillons utilisés pour les étapes de fabrication. Un masque plus grand permet en effet une plus grande surface homogène en épaisseur sur l’échantillon, favorable aux structures photoniques. Nous devons noter qu’aucune influence de la taille du masque sur la croissance n’a été observée.

Lorsque le laser est calibré, le nettoyage de la cible peut commencer. Pour l’YSZ, il est constitué de 3000 tirs laser dans une atmosphère de 30 mtorr d’oxygène sur la cible d’YSZ mise en rotation. Pendant cette étape de nettoyage, le substrat est évi-demment tourné à 180° et reculé par rapport à la plume de telle sorte que la crois-sance ne démarre pas à ce stade. Cette approximation est correcte lorsque la pression est suffisamment grande et que le libre parcours moyen des particules ablatées est petit. Par contre lors du nettoyage à basse pression, il est envisageable qu’une ou plusieurs monocouches se déposent.

Enfin, lorsque la cible est nettoyée, la croissance d’YSZ sur saphir peut démarrer. Un certain nombre d’impulsions, en fonction de l’épaisseur du film désirée, est tiré sur la cible dans une atmosphère de 30 mtorr d’oxygène. Cette fois-ci le substrat est placé face à la plume, le plus centré possible. Nous verrons dans le chapitre 3 que le positionnement du substrat par rapport à la plume est un paramètre important pour la fabrication des structures photoniques puisqu’il détermine les variations d’épaisseur au centre de l’échantillon.

Une fois la croissance terminée, l’échantillon d’YSZ sur saphir est descendu en température à 10°C/min sous une pression d’oxygène de 300 torr. Lorsque l’échan-tillon est à température ambiante, ce dernier est sorti du bâti puis libéré de la laque d’argent par de délicates incisions au cutter autour du substrat.

La caractérisation par diffraction X des films produits par ce procédé est présen-tée dans la suite.

Caractérisation XRD des films d’YSZ déposés par le procédé initial

Aucune étude ne semble favoriser une coupe de saphir par rapport à l’autre pour le dépôt d’YSZ. Les deux types de substrats ont donc été utilisés et compa-rés. D’après les diffractogrammes X figure2.9, l’YSZ peut présenter deux directions de croissance lorsqu’il est déposé sur saphir. Alors que le saphir R n’autorise que l’orientation(001) d’YSZ, le saphir C permet la croissance de grains orientés (001)

CHAPITRE 2. CROISSANCE DE COUCHES MINCES D’YSZ SUR SAPHIR nous indiquent que les grains d’YSZ orientés(111)sont contraints. Leur paramètre de maille est de (a_YSZ8% = 5,18 Å) en tension de 0,7 % par rapport au fiche ICCD (a_YSZ8% =5,14 Å).

FIGURE2.9 – Diffractogrammes typiques de films minces (100 nm) d’YSZ déposés en condi-tion standard sur saphir C (rouge) et R (noir) non préparés. Les plans (111) et (002) de l’YSZ sont représentés au-dessus des pics de diffraction correspondants.

Une première optimisation des paramètres de croissance a été faite parallèle-ment sur les deux substrats. Celui qui conduira à la meilleure qualité cristalline du film d’YSZ sera privilégié dans la suite de l’étude pour la réalisation de structures photoniques.

Nous présentons ci-dessous le travail comparatif qui a permis d’optimiser les trois paramètres suivants : La préparation du substrat avant dépôt, la température de croissance et la densité surfacique de puissance optimale du laser. Les autres paramètres maintenus constants sont la dimension de la zone irradiée par le laser à 1x1,8 mm², la cadence de tir à 5 Hz, la pression d’oxygène pendant le dépôt à 30 mtorr et la redescente en température sous 300 torr d’oxygène.