Théorie

Les procédés de dépôt par PVD permettent de déposer des matériaux en couches minces. Ce procédé se décompose en trois phases principales : création de la vapeur à partir d’une cible solide, transport de cette vapeur dans l’enceinte de dépôt et condensation de cette vapeur sur la surface à revêtir. La vaporisation peut se faire selon différents procédés : par chauffage dans les procédés dit par évaporation, ou par l’interaction des ions d’un plasma avec les atomes de la cible dans le cas de la pulvérisation.

Le dépôt par pulvérisation cathodique se fait dans une enceinte sous vide poussé (environ de 1 à 10 Pa), comme schématisé sur la Figure 2.3.

Figure 2.3 Schéma d'un réacteur de pulvérisation.

Dans un premier temps, le système de pompage permet de faire le vide dans la chambre, en abaissant la pression jusqu’à des valeurs de 10-7 mbar. Ce vide permet d’augmenter le libre parcours moyen des espèces vaporisées, permettant le transfert de ces espèces de la cible jusqu’au substrat. Par la suite, un gaz neutre, souvent de l’argon (Ar), est injecté dans la chambre, afin de pulvériser la cible. D’autres gaz réactifs, comme l’oxygène (O2) ou l’azote (N2), peuvent être introduits pour former des oxydes ou des nitrures. La cible est fixée à une cathode, qui est soumise à une tension négative de quelques centaines de volts, et les parois du réacteur, reliées à la masse, forment l’anode du système. En présence d’argon, il se produit une décharge électrique entre la cathode et l’anode. Il s’ensuit l’ionisation des atomes d’argon et la formation d’un plasma. Les ions Ar+, ayant une charge positive, vont être accélérés vers la cible, dont la polarisation est négative, et interagir avec les atomes de la cible. Il peut se produire quatre types d’interaction :

 Réflexion de l’ion incident ;

 Émission d’électrons secondaires ;

 Implantation de l’ion dans la cible ;

 Éjection d’un ou plusieurs atomes de la cible par transfert du moment cinétique de l’ion incident aux atomes de la cible.

et le substrat et de la température du substrat. Les défauts ou variations cristallographiques à la surface agissent comme des puits de potentiel, qui attirent les adatomes et provoquent la formation d’ilots, comme schématisé sur la Figure 2.4. Selon le flux d’atomes et la température du substrat, et donc l’énergie disponible, les ilots peuvent conserver leur orientation cristallographique (formation d’un film polycristallin ou amorphe) ou se réorganiser pour adopter une forme plus stable thermodynamiquement (formation d’un monocristal) [88].

Figure 2.4 Interactions des atomes incidents à la surface du substrat [88].

La microstructure des ilots est fortement influencée par la structure cristalline du substrat ou des couches inférieures. Par exemple, si le substrat est monocristallin, les ilots vont avoir tendance à croitre tous selon la même orientation cristallographique que le substrat et à former un monocristal. Par contre, si le substrat est polycristallin, les ilots vont avoir tendance à adopter la structure cristalline des grains sur lesquels ils croissent et donc à former une couche polycristalline. Selon l’énergie des atomes incidents et du substrat (énergie thermique), les ilots peuvent ne pas avoir assez d’énergie pour former un cristal, ce qui donne naissance à une couche de matériau amorphe. Une énergie insuffisante peut aussi engendrer la formation d’un film poreux, car les clusters n’ont pas assez d’énergie pour se déplacer à la surface du substrat et former une couche dense [89].

Les ilots peuvent croitre latéralement, par diffusion des adatomes, ou verticalement par impact direct des atomes incidents sur l’ilot. Généralement, la vitesse de croissance latérale est très supérieure à la vitesse de croissance verticale [90]. Cette tendance s’inverse quand la surface devient saturée en adatomes, c’est la phase de croissance du film.

Cette phase de croissance est notamment contrôlée par deux paramètres principaux : la pression de gaz de pulvérisation et la température du substrat. L’influence de ces deux paramètres sur la microstructure des films déposés est mise en avant par le modèle de zone,

développé par Movchan and Demchishin dans le cas de matériaux déposés par évaporation [91] et adapté au cas de la pulvérisation par Thornton et al. [92]. Les différentes zones de ce modèle sont décrites sur la Figure 2.5, où la température du substrat est définie comme le ratio entre la température réelle du substrat (T) et la température de fusion du matériau déposé (TM). Les zones I et T sont les seules qui peuvent correspondre aux procédés employés lors de cette thèse. Les morphologies décrites dans les zones II et III n’apparaissent qu’à des températures beaucoup plus élevées que celles atteintes par les procédés de dépôt employés dans cette étude, aussi leur description ne sera pas détaillée ici.

Figure 2.5 Influence de la température du substrat et de la pression d’argon sur la microstructure de films métalliques obtenus par pulvérisation [93].

La zone I est constituée de grains en forme de fibres séparés par du vide. Cette structure poreuse est due à l’effet d’ombrage qui se produit pendant la croissance. En effet, les atomes arrivant sur la surface avec une incidence qui n’est pas forcément normale à la surface, le relief des ilots déjà formés les empêche de se déposer dans les vallées, favorisant la croissance sur les ilots. Plus la pression augmente, plus le risque de collision avec les atomes de gaz est grand. Le nombre d’atomes arrivant sur la surface avec une incidence oblique est donc plus élevé, du fait de la diffusion des atomes sur les molécules de gaz. L’aspect de surface du substrat peut aussi avoir un effet sur l’ombrage. À l’inverse, plus la température est élevée, moins cet effet