Protocole expérimental

Les échantillons sont élaborés par pulvérisation cathodique assistée par magnétron, méthode qui a été détaillée dans laSection II.1du chapitre précédent. Sauf précisions supplémentaires, les films sont déposés sur des substrats de silicium recyclé (l’épaisseur de la plaque n’est donc pas connue) de 200 mm de diamètre sur lesquels ont été déposés 500 nm de SiO₂, pour permettre les caractérisations électriques.

III.1.1. Descriptions des études réalisées

Les variations des propriétés suivantes ont été étudiées lors de ce travail de thèse : • La vitesse de dépôt a été évaluée à partir des temps de dépôt et des épaisseurs

obtenues par réflectométrie des rayons-X (XRR, X-Ray Reflectometry).

• la microstructure du matériau, i.e. la répartition des hybridations et le type, cycle ou chaine, de liaison hybridéesp².

◦ La proportion des hybridations est calculée à partir des résultats des ana-lyses par spectrométrie de photoélectrons induits par rayons-X (XPS, X-Ray Photoelectron Spectrometry).

◦ Les informations sur la structure des liaisonssp²sont données par les carac-térisations par spectrométrie Raman.

• La densité est obtenue via des modélisations effectuées à partir des spectres XRR. • La résistivité électrique est calculée à partir des résistances carrées des films, qui sont obtenues par des mesures 4-pointes, et de leurs épaisseurs, obtenues par XRR.

• Les contraintes résiduelles sont calculées via l’équation de Stoney, à partir du rayon de courbure des plaques obtenu par profilométrie optique. Pour ces me-sures, des substrats d’épaisseur de 750 µm de silicium sur lesquels ont été dé-posés 500 nm de SiO₂sont utilisés.

Des études systématiques ont porté sur l’analyse de l’effet de l’épaisseur des films, de la puissance de dépôt, de la post-ionisation, de la température du substrat de la pression et de l’adjonction de diazote. Ces études sont dites systématiques, car chaque paramètre est étudié au travers d’une gamme d’échantillons. Lors d’études plus ponc-tuelles, certains échantillons ont été analysés avec des méthodes comme l’ellipsomé-trie, la spectrométrie Raman avec un laser proches UV ou microscope à force atomique (AFM, Atomic Force Microscope). Dans ces cas-là, seuls quelques échantillons ont été analysés. Ces analyses ont été effectuées pour apporter des informations complémen-taires sur ces échantillons. Les résultats de ces études seront ensuite comparés et dis-cutés dans laSection III.3.

III.1.2. Prise en compte de la variabilité

LeTableau III.1récapitule les conditions de mesures pour chaque équipement.

Tableau III.1. –Synthèse des conditions de mesure pour principales techniques de caractérisa-tion utilisées.

Équipement Échantillon Nombre de mesure par échantillon Durée de mesure

XPS Coupon 0,5 cm2 1 30 min chargement + 40 min par échantillon

XRR Plaque 200 mm 1 5 min

Raman Coupon 2 cm² 3 acquisitions sur un point 1 min

Profilomètre optique Plaque 200 mm 1 2 min

4-pointes Plaque 200 mm 49 10 min

Dans l’optique de rendre plus industriels les procédés étudiés durant ce travail de thèse une évaluation de l’incertitude de mesure et de la variabilité des dépôts serait idéale afin de montrer que le procédé choisi est constant sur toute la plaque de sili-cium et d’une plaque à l’autre. Cependant cela nécessiterait des mesures lourdes en temps telles des mesures XRR, Raman, XPS en plusieurs points par plaque et sur plu-sieurs plaques pour un même procédé. Comme il n’est raisonnablement pas possible de

faire une telle étude pour chaque paramètre étudiés dans le cadre de cette thèse, nous avons uniquement évalué la répétabilité dans le cas d’un procédé précis, à savoir le pro-cédé de référence, pour lequel de nombreux échantillons ont été déposés puisque ce procédé a servi de référence de stabilité de dépôt et de mesure pour chaque étude.

Tout d’abord pour limiter l’influence d’une variabilité sur une même plaque les me-sures par spectroscopie Raman et XPS sont effectuées sur un coupon (voirTableau III.1) à l’endroit où la mesure XRR et celle de résistivité sont faites. De plus, comme les me-sures de résistivité sont faites en 49 points par plaque elles permettent de vérifier une faible variation de ce paramètre sur l’ensemble de la plaque. Selon le procédé, un écart type sur la mesure de résistance carrée compris entre 2 et 10% a été mesuré. il a alors été extrapolé que les autres paramètres matériaux varient aussi faiblement.

Nous présenterons alors, lors des mises en forme des résultats, une seule barre d’er-reur correspondant à l’écart type la mesure sur le procédé de référence pour lequel elle a pu être évaluée. L’équipement étant de type industriel, il est raisonnable de postuler que la variabilité du procédé est constante lorsque on change un paramètre de ce pro-cédé.

Dans le cas d’une intégration ultérieure il faudra bien penser, une fois les paramètres choisis, à mesurer cette variabilité.

III.1.3. Échantillons de référence

Pour pouvoir comparer les résultats des différentes études, il est nécessaire de définir au préalable des échantillons qui serviront par la suite de références. Il a été décidé d’utiliser pour cela des échantillons de DLC déposés avec les paramètres décrits sur le Tableau III.2.

Tableau III.2. –Paramètres de dépôt utilisés pour la réalisation des échantillons DLC de référence.

Épaisseur Puissance Débit d’argon Pression Température Polarisation

10 ou 50 nm 1,4 W · cm⁻² 40 sccm 1,1 × 10⁻³mbar 25 °C - 20 V

Les spectres Raman visibles sur la Figure III.1 montrent un pic G aux environs de 1580 cm⁻¹et un picD qui n’est à peine plus qu’un épaulement du précédent vers 1400 cm⁻¹.

Figure III.1. –Spectres Raman de films DLC de 10 et 50 nm déposés dans les conditions de réfé-rence.

LaFigure III.2présente les spectres XPS des échantillons de référence. Le calcul des rapports d’aires des contributionssp²etsp³permettent de calculer un taux de liaisons hybridéessp³de l’ordre de 40 % pour les films élaborés dans les conditions de référence.

(a)10 nm. (b)50 nm.

Figure III.2. –Spectres XPS des échantillons de référence. Les positions et aires des différentes contributions sont visibles en haut à gauche. Le calcul du taux d’hybridation sp3

donne 39,5% pour le film de 10 nm et 40,4% pour celui de 50 nm.

Les propriétés des échantillons de référence sont listées dans leTableau III.3.

Tableau III.3. –Propriétés des échantillons de référence. Les valeurs sont données sous la forme moyenne ± écart-type. Les nombres entre parenthèses correspondent aux nombres d’échantillons utilisés pour le calcul.

Épaisseur taux de liaisonssp3 P osG Γ_G ID/IG Densité Résistivité 50 nm 39,8 ± 0,6 % (3) 1548 ± 3 cm−1(3) 191 ± 5 cm−1(3) 0,76 ± 0,04 (3) 1,99 ± 0,05 (8) 1,13 ± 0,11 Ω cm (8) 10 nm 40,2 ± 0,3 % (3) 1552 ± 4 cm−1(6) 186 ± 4 cm−1(6) 0,79 ± 0,08 (6) 2,00 ± 0,03 (12) 3,98 ± 0,28 Ω cm (12)