Paramètres de dépôt

Figure 62 : Schéma du système magnétron [189].

II.2.2. Paramètres de dépôt

Pour la réalisation de films minces de PCM de bonne qualité, il faut prendre en considération plusieurs paramètres spécifiques à la technique de pulvérisation. Ces paramètres sont la pression de travail, la distance entre la cible et le substrat, la température de dépôt, la puissance DC de pulvérisation et le débit de gaz.

La pression de travail a une influence sur les propriétés structurelles du film. Si la pression est basse, il y aura moins de collisions entre les atomes pulvérisés et les atomes du gaz, et par conséquent, l’énergie cinétique des atomes à leur arrivée sur le substrat sera plus importante, et ainsi le film déposé sera plus dense (de meilleure qualité). Cependant, un apport d’énergie excessif aux atomes peut re-pulvériser la couche en croissance ou créer des défauts sur celle-ci, ce qui détériore la qualité des films et la vitesse globale de dépôt. En revanche, si la pression augmente, la morphologie du film évolue vers une structure colonnaire ou poreuse. Ainsi, il existe un compromis entre une pression suffisamment basse pour obtenir un film dense et une pression suffisamment élevée pour maintenir la décharge (un plasma stable) [190].

La distance cible-substrat peut également jouer un rôle important sur l’uniformité en épaisseur de la surface de dépôt désirée. En effet, le flux des espèces issues de la pulvérisation présente

une distribution spatiale inhomogène qui se traduit par des variations en épaisseur sur les couches déposées. En règle générale, il y a plus de matière qui se dépose dans la direction correspondant au centre de la cible que sur les côtés. Ainsi, la position des échantillons est essentielle pour que la vitesse de croissance soit optimale et uniforme sur la totalité du substrat considéré.

Un autre paramètre important pour le dépôt de couches fines de PCM est la température du porte-substrat pendant la croissance du film. Une température élevée augmente la mobilité des espèces qui arrivent sur la surface du substrat et permet aux atomes de se diffuser dans toutes les directions de la surface, formant des grains équi-axiaux et donc un dépôt plus dense. Cependant, la température de dépôt ne participe pas seulement à l’homogénéité du film, elle contribuera également à une meilleure cristallisation du matériau à changement de phase (transformation amorphe-cristallin) au cours du processus de chauffage direct, en post-dépôt.

(a)

(b) (c)

Figure 63 : (a) Résultats de mesures par diffraction à rayons X (DRX) pour les films de GeTe entièrement cristallisé par chauffage direct à 230 °C (post-élaboration) et obtenus à différentes

températures du substrat (température ambiante, 60 °C, 80 °C et 100 °C). (b) Courbes de cristallisation du GeTe pour différentes températures de dépôt du film (cristallisation par chauffage

direct des films à 2°C/min jusqu’à 230 °C), basées sur les magnitudes normalisées du pic (011) d’intensité observées par DRX. (c) Variation de l’énergie de nucléation (EN) et de l’énergie de croissance (EG) du processus de cristallisation en fonction de la température de dépôt du GeTe [191].

En effet, des expériences rapportées dans la littérature [191] de dépôt des films de GeTe (à température ambiante (RT), 60°C, 80°C, et 100°C) sur des substrats de silicium montrent que l’augmentation de la température de dépôt diminue proportionnellement l’énergie d’activation

du processus de cristallisation du changement de phase, et par conséquent, la température de cristallisation du PCM (Figure 63). La Figure 63 (a) montre les résultats DRX (diffraction des rayons X) obtenus après la cristallisation des films et on remarque que quelles que soient les températures de dépôt, les films de GeTe étaient composés de la même phase. La Figure 63 (b) montre les courbes de cristallisation du GeTe, basées sur l'intensité maximale du pic (011) normalisé par l'intensité maximale de ce pic après transformation complète jusqu’à 230°C. Il faut préciser que les films tels qu’ils ont été déposés étaient amorphes à toutes les températures de dépôt, comme le montre la Figure 63 (b). La cristallisation a été effectuée par le chauffage des échantillons à une vitesse de 2 °C/min jusqu’à 230°C. De la Figure 63 (c), l’énergie d’activation de la cristallisation du GeTe par croissance (EG) reste relativement constante, alors que celle de la cristallisation par nucléation (EN) diminue linéairement. Plusieurs études ont été réalisées pour évaluer la qualité des couches de GeTe et du processus de changement de phase en fonction de la vitesse de dépôt [176], [181], [192]. Il en résulte qu’une augmentation du taux de croissance des films déposés se traduit par des morphologies de couches plus denses, une rugosité plus petite, des températures de cristallisation plus basses ainsi que des résistivités à l’état cristallin du GeTe plus faibles (Figure 64). Ces études ont été réalisées en faisant varier la pression de travail et la puissance de pulvérisation appliquée à la cible de GeTe. L’effet est bien établi et le taux de dépôt est directement proportionnel à la puissance appliquée et inversement proportionnel à la pression de travail. Ainsi, la vitesse augmente avec une pression plus basse et une puissance plus forte. Dans des régimes de vitesses plus élevées, il a également été observé une réduction des impuretés incorporées lors du dépôt. Ce dernier point est particulièrement critique, car les impuretés (notamment la présence d’oxygène résiduel dans l’enceinte de dépôt) peuvent affecter négativement la valeur de la résistivité minimale du GeTe à l’état cristallin.

Figure 64 : Variation de la résistance normalisée des films de GeTe en fonction de la température avec différentes conditions de dépôt. (b) Zone en ligne pointillée étendue pour afficher le détail des

températures de changement de phase [192].

En considérant les paramètres mentionnés ci-dessus (pression, température, vitesse de dépôt et la distance entre la cible et le porte substrat), la combinaison (de ces paramètres) qui assure la croissance des films de GeTe de qualité optimale a déjà été réalisée dans des travaux antérieurs de notre laboratoire [193]. Ces dépôts de couches minces de GeTe ont été effectués sur des substrats de saphir (c-Al2O3), de silice (SiO2) et d’alumine (Al2O3). Ces substrats seront utilisés dans notre travail et nous étudierons également ces dépôts sur un substrat de type Rogers (RO4003C) très utilisé pour des applications antennaires pour la caractérisation des

propriétés électriques des films PCM et pour la fabrication de dispositifs qui seront décrits dans les chapitres suivants.

Il faut préciser que la qualité et l’adhérence de films obtenus sont aussi améliorées par une surface avec une faible rugosité et propre. Ainsi, au cours de nos travaux, le protocole de nettoyage est appliqué à l’ensemble des substrats utilisés et consiste en un bain d’acétone dans un bac à ultrason, puis de l’alcool et de l’eau osmosée, pour être finalement séché sous un flux d’air comprimé sec et filtré.

Les dépôts de GeTe ont été réalisés en appliquant à la cible des puissances DC entre 40 W et 60 W pour des pressions de travail entre 3 et 7 x 10-3 mbar. Le débit de gaz argon pur (Ar) introduit dans l’enceinte varie entre 40 et 60 sccm (« standard cubic centimeters per minute ») tandis que la température du porte substrat est régulée de 150°C à 250°C, en fonction du type de substrat utilisé. En effet, certains matériaux comme le RO4450F, utilisé pour le dispositif antennaire décrit au chapitre suivant, n’est pas stable thermiquement pour des températures supérieures à 200°C.

Avant chaque étape de dépôt, une phase de pulvérisation de la cible de 10 minutes a été ajoutée (« pre-sputtering ») afin de réduire toute contamination provenant de la surface de la cible. Dans ces conditions établies et pour avoir un fonctionnement du plasma stable (pour le réacteur utilisé) la vitesse de dépôt des films est de 8,3 Å/s (~ 50 nm/min). Les caractéristiques physiques des couches minces de GeTe obtenues ont été étudiées par la suite dans chacun des deux états (phases amorphes et cristallines).

II.3. Changements de phase des couches minces de PCM obtenues par pulvérisation