Nous avons réalisé une étude de la morphologie de surface des films dans le but de déterminer la rugosité de cette surface. Cette étude a été réalisée à l’aide d’un microscope électronique à balayage (MEB) au sein de la structure 2Matech, à Clermont-Ferrand. La description de la technique est présentée en annexe VI.7.
La Figure III.30 représente les clichés obtenus pour neuf échantillons déposés à 0, 400 et 800 pour R=0, 0,34 et 1.
Figure III.30 : images MEB de films de SiCxNy:H déposés à R= 0- 0,34 et 1 à différentes puissances microonde (0, 400 et 800 W).
Dans le cas des films déposés sans plasma ECR (Figure III.30-a, b et c), nous avons constaté pour l’échantillon déposé à R=0, une microstructure sous forme de grains de diamètre
159 variable entre 50 et 100 nm. Li et al. [168] ont rapporté le même type de morphologie pour un
film de SiCx riche en carbone où des clusters de petites sphères de diamètre compris entre 20 et
60 nm ont été observées. Quand la proportion d’azote augmente dans le mélange de gaz, à R= 0,34, nous observons une densité surfacique ou un taux de recouvrement des clusters légèrement plus faibles. Nous supposons que l’apparition des grains sur ces échantillons est due à la polymérisation des espèces carbonées issues de la décomposition du méthane. Quand le pourcentage de méthane diminue dans le mélange gazeux, ces réactions de polymérisation sont de moins en moins présentes donnant lieu à des dépôts avec une plus faible rugosité. En effet, pour le film déposé à R=1, c’est-à-dire en absence de méthane dans le réacteur, ces clusters disparaissent complètement et un film totalement lisse et compact est obtenu. Cette même morphologie a été obtenue par Kishore et al. [169] pour un film de nitrure de silicium déposé par pulvérisation magnétron. L’absence de grain pour ces films peut expliquer l’augmentation de la densité observée lorsque R augmente.
Pour R=0, nous observons une disparition progressive des grains en fonction de la puissance microonde (Figure III.30-a, d et g), conduisant à une diminution de la rugosité de surface. Ceci peut également être expliqué par la diminution du phénomène de polymérisation suite à la dissociation plus forte des espèces carbonées avec la puissance, comme nous l’avons constaté par XPS où le taux de liaisons C=C diminue quand on augmente la puissance du plasma ECR (Figure III.20).
Dans le cas des dépôts à 400 W (Figure III.30-d, e et f), les surfaces obtenues sont moins rugueuses que celles à 0 W suite à la combinaison de l’effet du plasma ECR mais aussi à l’évolution du mélange de gaz réactifs.
Concernant le film déposé à R=0,34 à une puissance de 800 W (Figure III.30-h), des grains de formes sphériques d’un diamètre moyen de l’ordre de 450 nm ont réapparu. Une étude plus approfondie est nécessaire pour déterminer la nature et l’origine de celles-ci.
III.6 Conclusion
Les principales conclusions que nous pouvons indiqués par type de procédé sont les suivantes :
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✓ Procédé sans utilisation d’ECR
Ce procédé nous a permis de déposer des films SiCxNy:H de composition variable en
fonction du mélange de gaz utilisé, allant d’un film avec un rapport C/Si=1,9 pour R=0 à un film avec un rapport N/Si= 1,3 pour R=0,7.
Les taux importants de carbone dans les films déposés à R≤0,3 sont dus à la formation de liaisons de type C-C et C=C révélées par XPS (22 et 43% respectivement pour R=0).
Les films contiennent de l’oxygène qui augmente de 7 à 14% at. en fonction de R. Cet oxygène provient essentiellement de l’oxydation après exposition à l’air. Son évolution en fonction de R s’explique par le caractère hydrophile que les films acquièrent avec la diminution du taux de liaisons C-H et Si-H (diminution du taux d’hydrogène en fonction de R).
La diminution de la formation de clusters de carbone (polymérisation des espèces carbonées) en fonction de R conduit à une diminution de la rugosité des films.
✓ Procédé avec ECR à une puissance de 400 W
L’utilisation du plasma ECR à une puissance de 400 W a permis d’augmenter le taux de silicium pulvérisé, ce qui a conduit à une augmentation du taux du silicium dans les films de 30 à 40% at.
Le plasma supplémentaire a permis également d’augmenter le flux d’atomes qui arrivent à la surface des échantillons, augmentant ainsi la vitesse de croissance. Cette vitesse varie de 3,45 à 2,5 nm/min en fonction de R en présence de l’ECR à 400 W contre une variation de 3,1 à 2,1 nm/min.
Ce procédé hybride a conduit à une diminution de la quantité de liaisons C=C qui tendent vers zéro à partir de R=0,34 (à partir de R=0,67 sans plasma ECR). Il nous a permis également de densifier les films et réduire ainsi la quantité d’oxygène à une gamme de [1- 11% at.].
L’augmentation de la dissociation du méthane dans ces conditions permet d’augmenter le taux d’hydrogène libre dans les films.
La diminution du taux de liaisons C=C se manifeste par la formation de moins de clusters de carbone, ce qui a conduit à la disparition de la morphologie sous forme de grains dans cette configuration.
161 ✓ Procédé avec ECR à une puissance de 800W
L’augmentation de la puissance microonde à 800 W nous a permis d’augmenter la
dissociation des molécules N2. Cette augmentation conduit à une saturation des films par N à
partir de R=0,45 et limiter ainsi la variation de la gamme de compositions de SiCxNy:H.
Cette configuration a permis d’augmenter davantage les vitesses de croissance. En revanche la densité des films est plus faible que celle à 400 W, expliquant l’augmentation du pourcentage d’oxygène à [7- 16% at.] très proche de celui de la série obtenue sans ECR.
La dissociation des précurseurs qui augmente avec la puissance microonde, plus particulièrement le méthane, conduit à une diminution de la densité des liaisons X-H révélé par IRTF. Le taux d’hydrogène libre augmente.
Nous rappelons que les films SiCxNy:H que nous étudions sont destinés au domaine
photovoltaïque de première génération et plus précisément en tant que couches antireflet et de passivation. Nous nous intéressons dans le chapitre suivant à l’étude de leurs propriétés optiques
et électriques ainsi que l’amélioration de l’interface SiCxNy:H /substrat de silicium et son effet
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