Paramètres clés du dépôt PECVD

Comme dans le cas des décharges plasma à pression atmosphérique, les procédés de dépôt par PECVD sont dépendants de plusieurs paramètres. La variation de chacun de ces paramètres agit sur une ou plusieurs propriétés du dépôt (structure, vitesse de dépôt, rugosité, etc.). L’ensemble de ces paramètres donne au procédé PECVD une grande modularité et permet d’optimiser au mieux le dépôt recherché en fonction de ses besoins. Les principaux paramètres à contrôler lors du dépôt PECVD sont les suivants :

– Le gaz précurseur : il peut s’agir d’un gaz monomoléculaire ou d’un mélange gazeux. Dans ce cas, il est possible de contrôler la concentration des espèces présentes dans le dépôt (incorporation d’oxygène par exemple) en contrôlant le ratio d’entrée de chaque gaz dans le système.

– La tension de polarisation: elle va directement agir sur l’énergie cinétique des espèces ioniques présentes dans la phase plasma. Elle peut être soit naturelle (on parle de self-bias), due à l’accumulation de charges négatives à la surface du porte-substrat, souvent présent en plasma capacitif, soit imposée par un générateur de tension. Une tension de polarisation V_b (pour Bias voltage) négative, augmente l’énergie cinétique des ions positifs de la phase plasma, ceux-ci vont alors être accélérés et impacter la surface avec une énergie plus importante. Une tension V_b positive va accélérer les ions négatifs, les électrons et repousser les ions positifs. Cette situation peut être intéressante dans le cadre par exemple du nettoyage au niveau des parois de l’intérieur du réacteur, où le plasma est habituellement moins dense. Dans leur étude, Ouchabane et al. [97] ont démontré que la structure et la vitesse de dépôt type Diamond-like Carbon (DLC) étaient directement reliées à la tension de polarisation dans le réacteur PECVD.

– La pression : elle doit être suffisamment élevée afin de favoriser les réactions en phase gazeuse et ainsi limiter le bombardement ionique. Cependant elle ne doit pas non plus être trop importante au risque d’initier des réactions de nucléation qui conduisent à la formation de poudre en phase gazeuse. Une pression élevée dans le réacteur engendre une augmentation du nombre de collisions en phase plasma et influe directement sur la répartition d’énergie des ions. Plus les collisions sont nombreuses et plus la répartition d’énergie est importante. Une pression faible (5-10 mTorr) permet d’obtenir une répartition d’énergie limitée [98], les ions ont ainsi quasi tous la même énergie.

– La température du substrat : elle influe sur les réactions en surface du matériau, pouvant ainsi favoriser la mobilité et la désorption d’espèces adsorbées. Une température élevée va par exemple augmenter l’ablation ou la désorption d’espèces comme l’hydrogène en surface du dépôt.

– La puissance : le dépôt plasma étant dépendant des mécanismes de fragmentation des précurseurs en phase gazeuse, une augmentation de la puissance du champ d’excitation conduira à l’augmentation du phénomène de dissociation des précurseurs et donc à une augmentation du nombre d’espèces réactives en phase gazeuse. La puissance du plasma va donc avoir un impact sur le taux de fragmentation de l’espèce primaire (monomère) et sur l’énergie des ions fragments formés.

38 Thèse de doctorat Olivier Lesage

– Géométrie du système de dépôt : le volume de l’enceinte, la position du substrat par rapport au plasma et la zone d’introduction des précurseurs modifient le paramètre de transport des espèces intervenant dans le processus de dépôt. Cependant dans les réacteurs de dépôt utilisés en recherche, la géométrie d’ensemble est fixe. Il n’y a guère que la position du substrat vis-à-vis du plasma qui peut être modifiée. Cela indique également que les dépôts peuvent être différents d’un réacteur à l’autre, cette situation limite donc la transposée simple des paramètres de dépôt d’un réacteur à l’autre.

– Le paramètre de Yasuda (Figure 15) [99]: c’est sans doute le paramètre le plus important pour le dépôt de couches minces par plasma. Il est défini comme étant le rapport de la puissance (W) en Watts sur le flux molaire (F) en mol.min-1 et la masse molaire (M) de l’espèce considérée (en g.mol-1) (paramètre Yasuda = W/FM). On peut distinguer deux grands régimes :

o Régime déficient en énergie : dans ce cas la puissance est insuffisante pour convertir la quantité totale de monomère. Le monomère est donc faiblement fragmenté. La vitesse de dépôt augmente et la couche de polymère est peu réticulée et ressemble beaucoup au monomère original.

o Régime déficient en monomère : dans ce cas la quantité de monomère est le facteur limitant de la polymérisation. Il est en général totalement converti et la couche de polymère ne ressemble plus au monomère, plus réticulée. La vitesse de dépôt est dans ce cas faible.

o Régime compétitif : Dans ces conditions il existe une compétition entre le régime déficient en monomère et le régime déficient en énergie. Ce sont les conditions optimales pour une vitesse de dépôt importante.

Figure 15: Régime de dépôt de la polymérisation par plasma [99].

Dans le cadre du projet de recherche, comme spécifié en partie I.2.2.4, nous souhaitons réaliser une matrice polymérique (à base de carbone donc) permettant de fixer le catalyseur en surface du bâti d’expérimentation. Cette matrice doit donc répondre à certains critères :

n Bonne résistance mécanique : Le dépôt doit résister aux forces de cisaillement imposées par le film d’eau liquide.

n Résistance à la corrosion : Le dépôt polymère doit résister à l’oxydation par l’ozone, le peroxyde d’hydrogène, les radicaux hydroxyles mais aussi les acides nitrites ou nitreux. n Stable dans le temps à température ambiante

n Déposable par PECVD

Pour répondre à ces critères, nous avons choisi le dépôt carbone de type Diamond-like Carbon (DLC), dont nous allons détailler les différentes propriétés et caractéristiques dans la partie suivante.