Pulvérisation magnétron radiofréquence

La pulvérisation cathodique magnétron est un procédé de dépôt physique en phase vapeur (Physical Vapor Deposition (PVD)). Elle est l’une des techniques permettant la fabrication de couches minces sur un substrat. Cette technique est adoptée au laboratoire CIMAP pour fabriquer des couches minces de silice enrichie en silicium et dopées aux terres rares.

Nous décrivons brièvement ci-après le principe de cette technique ainsi que les para-mètres et les conditions de dépôt qui ont été utilisés par K. Hijazi et ses collaborateurs lors de l’élaboration des échantillons SiO_x dopésEr étudiés au cours de ce travail.

•Principe général de la pulvérisation magnétron radiofréquence

Le principe de dépôt par pulvérisation repose sur la condensation à la surface d’un substrat d’atomes arrachés d’un matériau cible après être bombardé par des ions très énergétiques.

La figure 2.2 est une représentation schématique de la pulvérisation cathodique. Un bâti de pulvérisation comporte une enceinte sous un vide poussé atteignant 10≠7≠10≠8

mT orr. L’enceinte contient la cible constituée du matériau à déposer et un substrat disposé face à la cible. Cette dernière est soumise à un potentiel électrique négatif et correspond à la cathode. Le substrat est lié à la masse et représente l’anode. Lors de l’élaboration, un gaz, en général l’argon, est injecté d’une façon contrôlée dans l’enceinte. L’application d’une différence de potentiel entre la cathode et l’anode crée un champ électrique intense entrainant l’ionisation du gaz. Cette ionisation provoque l’apparition d’un nuage luminescent appelé plasma. Ce dernier est constitué d’atomes neutres (Ar), d’ions positifs (Ar⁺) et d’électrons. Sous l’effet de champ électrique, les ions positifs (Ar⁺) sont accélérés vers la cathode. Celle-ci est alors bombardée par ces ions qui ar-rachent les atomes dont elle est constituée. Ce sont ces atomes pulvérisés qui, en se dépo-sant sur le substrat, constituent progressivement la couche mince à élaborer. L’épaisseur du film déposé est contrôlée par le temps de pulvérisation.

2.1. Elaboration des couches minces SiOx dopées aux terres rares

Figure 2.2 – Représentation schématique de la pulvérisation cathodique.

• Effet magnétron et tension radiofréquence

Afin d’améliorer le rendement de pulvérisation, l’effet magnétron est utilisé. Cet effet consiste à créer un champ magnétique par des aimants placés sous la cathode. Le rôle de ce champ magnétique est de confiner la trajectoire des électrons libres près de la surface de la cathode. Ces électrons circuleront alors aux alentours de la cible augmentant ainsi la probabilité qu’ils rentrent en collision avec les constituants du plasma. Ceci augmente le nombre d’ions susceptibles de heurter la cible permettant ainsi un rendement de pulvérisation plus important.

Pour une cible isolante, l’utilisation d’une tension continue n’est pas efficace en rai-son des charges qui s’accumulent à la surface de la cathode. Ceci peut provoquer l’arrêt du processus de pulvérisation. La pulvérisation radiofréquence a été ainsi développée afin de s’affranchir de ce problème. Le fonctionnement de la pulvérisation radiofréquence (RF) a fait l’objet d’une description détaillée par Swann [137]. En appliquant une ten-sion alternative (généralement 13,56 M Hz), les charges vont être dirigées vers l’une ou l’autre des électrodes. La mobilité des électrons étant bien plus grande que celle des ions, une tension continue due aux électrons apparaît. Celle-ci est appelée tension d’auto-polarisation. Grâce à cette tension, les ions vont être accélérés vers la cathode et active

Chapitre 2. Silice enrichie en silicium et dopée aux terres rares :

élaboration & caractérisation structurale et optique

ainsi la pulvérisation.

•Préparation des échantillons

La pulvérisation magnétron de cathodes confocales, ORION séries, développée par la société AJA Inc.(Scituate≠U SA)est l’appareil utilisé pour élaborer les échantillons

SiOx dopés Er de cette étude.

La figure2.3 illustre une représentation schématique (à gauche) et une photographie du bâti de pulvérisation (à droite). Les couches mincesSiOx dopées Er ont été déposées en pulvérisant trois cibles SiO₂, Er₂O₃ et Si en configuration confocale par un plasma d’argon (voir figure 2.3) sur des substrats de Si cristallins. La température de dépôt et la pression du plasma ont été fixées à 500¶C et 3 mT orr respectivement.

Figure 2.3 – Schéma des trois cathodes surmontées de trois cibles de SiO₂, Si et Er₂O₃ à l’intérieur du bâti de pulvérisation à gauche et à droite une photo du plasma pendant le dépôt, où on voit seulement deux cathodes dû à la difficulté de prendre les trois en photo pendant le dépôt [136].

L’excès deSiet la concentration enErsont contrôlés via la puissance radiofréquence appliquée à chaque cathode. Au cours de la croissance, le substrat est mis en rotation (20

tours/min) conférant ainsi au film déposé une bonne homogénéité et une reproductibilité tant au niveau de l’épaisseur que de la composition du matériau déposé.

Après dépôt, les couches sont soumises à un traitement thermique dans le but de favoriser la séparation de phase entre le Si et le SiO₂ et de restaurer les défauts de la

2.1. Elaboration des couches minces SiOx dopées aux terres rares couche qui nuisent aux propriétés optiques recherchées. Cette opération s’effectue sous un flux d’azote pur dans un four préalablement pompé jusqu’au vide primaire. La durée est typiquement d’une heure et à des températures allant de600¶C à 1100¶C.