Principe de la pulvérisation cathodique

Les films minces peuvent être élaborés par des procédés de dépôts chimiques tels que le procédé de dépôt chimique assisté plasma et la déposition pyrolytiqueou par des procédés de dépôts physiques (Physical Vapor deposition) tels que le dépôt laser pulsé et la pulvérisation cathodique

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69 radiofréquence. Selon la technique de dépôt utilisée, les films obtenus sont plus ou moins homogènes ou uniformes et présentent des microstructures et des tailles de grains variables. C’est le procédé de pulvérisation cathodique, fréquemment employée en microélectronique et permettant d’obtenir des dépôts homogène et dense, que nous avons utilisée pour élaborer les couches minces de cuivre allié.

2.3.1.1.Historique

C’est en 1852, en observant le fonctionnement de tubes à décharges que Grove [GRO1853] remarqua que le métal constituant la cathode se déposait sur les parois du tube. Ce phénomène, longtemps perçu comme l'effet limitatif de la durée de vie des tubes à gaz, ne fut repris que dans les années 1950 pour être étudié et développé pour la production de films minces. Les progrès réalisés, tant en matière de compréhension des phénomènes physiques et physicochimiques mis en jeu qu’en matière d’avancées technologiques dans les appareils de contrôle et les générateurs, ont pu conduire au développement industriel de cette technique. Aujourd’hui, la pulvérisation est largement utilisée pour le dépôt de couches minces dans les domaines de la microélectronique, de l’optique et de la mécanique.

2.3.1.2.Principe de la pulvérisation cathodique

La pulvérisation cathodique est une technique de dépôt en phase vapeur physique (PVD Physical Vapor Deposition). C’est un procédé de dépôt sous vide où le matériau à déposer est éjecté de la surface d’un solide par un bombardement de particules énergétiques crées à l’intérieur d’un plasma. On parle de pulvérisation cathodique car le matériau précurseur est situé à la cathode [BES1985]. Le matériau à déposer, appelé matériau cible se présente sous la forme d’un cylindre de quelques millimètres d’épaisseur. Il est fixé à la cathode et est porté à une tension négative (Figure 2-2). L’anode, disposée parallèlement à la cible et à quelques centimètres de celle-ci, sert de porte substrat. En général, cette anode est reliée avec le pôle positif de l’alimentation à la masse. Après avoir atteint un vide secondaire dans l’enceinte, on introduit un flux contrôlé d’argon qui sous l’effet du champ électrique créé entre les deux électrodes, va provoquer l’ionisation du gaz. C’est cette ionisation qui produit entre les deux électrodes une décharge luminescente appelé plasma. Un courant électrique s’établit alors entre les deux électrodes et permet le dépôt sur le substrat d’une couche mince du matériau constituant la cible.

Afin d’augmenter l’efficacité du processus de pulvérisation classique, on utilise une variante appelé pulvérisation cathodique radiofréquence (rf) magnétron. Le terme « rf » signifie que l'on utilise une alimentation alternative radiofréquence. Le terme magnétron quant à lui précise que le fonctionnement de la cathode est amélioré par un champ magnétique qui permet d’accroitre la vitesse de dépôt. Penning [PEN1936] a été le premier à proposer l’utilisation d’un champ magnétique dans un système de pulvérisation, et son utilisation s’est généralisée depuis les années

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1970 [WAS1969]. On place sous la cible un aimant permanant (Figure 2-3), de manière à produire un champ magnétique, perpendiculaire au champ électrique, utilisé pour piéger des électrons dans des configurations de boucles fermées. En effet, les trajectoires électroniques s'enroulent autour des lignes de champ magnétique augmentant considérablement les chances d'ioniser un atome de gaz au voisinage de la cathode. Notons qu’une érosion inhomogène apparaît à la surface de la cible (Figure 2-4).

Figure 2-2: Schéma de fonctionnement de la pulvérisation cathodique en mode diode continue

Figure 2-3 : Schéma de fonctionnement d’une cathode à effet magnétron

S N S N N S CIBLE e -e -Lignes de champs magnétiques Aimant permanant Gaz à ioniser Vide Ar⁺ Anode Alimentation électrique Cathode Cible +

-

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Figure 2-4 : Cible de cuivre (a) avant et (b) après pulvérisation.

2.3.1.3.Processus d’arrachement du matériau à déposer :

Les atomes vont être arrachés de la cible par un processus essentiellement mécanique. Lors du choc, les ions incidents vont transférer leur quantité de mouvement aux atomes environnants et, ainsi, déclencher des cascades de collisions qui vont permettre l’arrachage d’un atome de surface (Figure 2-5). Certains ions incidents peuvent être implantés dans le matériau cible jusqu’à 10 nm de profondeur. Le bombardement de la cible par les ions Ar⁺ provoque également l'émission d'électrons secondaires très énergétiques (pour environ 10% des ions Ar⁺ incidents) qui entretiennent la décharge en ionisant les molécules de gaz rencontrées sur leur parcours [REY2004].

Figure 2-5 : Interactions entre les ions incidents et la surface de la cible [REY2004].

2.3.1.4.Mécanisme de croissance :

Les principaux processus impliqués dans la germination et la croissance des couches minces à partir de la phase vapeur sont représentés schématiquement à la Figure 2-6.

Ions incidents Atomes éjectés Ions réfléchis Electron secondaire Cible

(a) (b)

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Figure 2-6 : Processus de germination-croissance d’une couche mince.

Les particules hautement énergétiques (50 à 100 eV) qui sont éjectées de la cible traversent le plasma et pénètrent directement dans le substrat créant ainsi des sites de germinations. Les particules de faibles énergies (4 eV) éjectées de la cible traversent elles aussi le plasma, puis elles sont physiquement adsorbées sur la surface du substrat (sur des sites favorables comme des aspérités à l’échelle atomique ou des lacunes). Ces particules adsorbées sur le substrat sont appelées adatomes. Elles ne sont pas thermodynamiquement en équilibre avec le substrat et vont migrer sur sa surface puis interagir avec d’autres adatomes pour former des germes. Ces germes étant instables, ils ont tendance à se réévaporer si le flux de particules est faible. Par contre s’il est suffisamment important, les germes entre en contact avec d’autres espèces et commencent alors à croître. Après avoir atteint une taille critique, ces germes deviennent thermodynamiquement stables, la barrière de germination est franchie, permettant ainsi la formation de la couche mince sur le substrat [BES1985] [MUT]. L’étape de croissance peut se faire selon 3 modes différents. Elle peut être bidimensionnelle (dite de Franck Van-der-Merve). Dans ce cas les couches atomiques croissent les une sur les autres et la surface reste plane au cours du dépôt. Elle peut être tridimensionnelle (dite de Volmer-Weber) et cette fois, il y a formation d’îlots composés de plusieurs couches atomiques. Et pour finir elle peut être mixte (2D + 3D) (dite de Stranski-Krastanov) et débuter par une croissance 2D puis après quelques couches atomiques, devenir tridimensionnelle [MAR1996].