Etudes des propriétés structurales des couches minces Ni/Si(111) et Fe/Ni/Si(111) obtenues par PVD
O.Boudrifa and M.Boudissa
Laboratoire : Elaboration et Caractérisation des Matériaux. Université Ferhat Abbes. Sétif .Algérie.
Résumé:
Objet de notre étude ici, est la maitrise de la fabrication des alliages Fe-Ni par Evaporation par Effet Joule (PVD) sous forme de couches minces sur un substrat en silicium, dans un premier en déposant une couche de fer sur une couche de nickel sur un substrat de Si(111) et de stimuler la réaction Fe-Ni par un traitement thermique (200, 400, 600°C) et dans un deuxième temps, par l’évaporation simultanée du fer et du nickel mélangés (Ni (50%) Fe (50%)) dans un même creuset.
Pour cela, en premier lieu, nous avons étudié les différents paramètres influençant la formation des couches minces métalliques déposées sur un substrat de silicium par évaporation par effet Joule. Ces paramètres sont : La pression d’évaporation (P) et le courant de chauffage.
Après cela, dans le but d’étudier la stabilité de l’interface Ni/Si(111) en fonction de la température, nous avons préparé des couches minces de nickel (Ni) sur un silicium monocristallin d’orientation (111) auxquelles nous avons fait subir des recuit aux températures de 200, 350, 400, 600, 750 et 800°C.
La caractérisation de couches ainsi obtenues a été faite par les techniques suivantes : - la diffraction des rayons X (DRX)).
- la diffusion par la technique de rétrodiffusion des particules alpha (Rutherford Backscattering RBS).
-la mesure de la résistivité électrique par la technique des quatre pointes.
Keywords: Diffusion, Nickel, Fer, Couches minces, Silicium, DRX, RBS, résistivité.
INTRODUCTION
Les applications des matériaux magnétiques se répartissent pour l’essentiel dans trois grands domaines : l’énergie, l’information et les télécommunications, ainsi que leurs applications comme supports de l’information, c’est –à-dire de l’enregistrement audio, vidéo, et du stockage sur ordinateur (disquettes et disque durs) ; dans les disques durs actuels, l’information est codée dans des films minces magnétiques. Ces films comportent des domaines magnétiques dont l’aimantation est alignée dans une direction du plan de la couche et s’oriente soit dans un sens, soit dans l’autre : c’est l’enregistrement magnétique longitudinal .
RESULTAS
Les résultats suivants ont été obtenus:
Concernant le système Ni/Si :
1- Pour l’échantillon non recuit, nous n’observons aucune réaction entre le silicium et le nickel
2- Apres le recuit à 200°C, il ya formation de la phase Ni17Si3, très riche en nickel, le pic du nickel est toujours présent.
3- Après le recuit à 350°C, la phase Ni17Si3 s’est transformée en NiSi. Mais nous remarquons que le pic du nickel diminue de manière constante. Cela suggère qu’il y a interdiffusion entre le Ni et le Si ; Des résultats similaires ont été obtenus pour les recuit de 400 et 600°C, (mais à 400°C il y a des traces de Ni3Si et Ni2Si) mais nous remarquons que le pic du nickel diminue de manière constante : il ya donc réaction entre le Ni et Si.
4- Au recuit de 750°C, le pic du nickel a totalement disparu. Ceci indique que le Nickel résiduel a totalement réagi avec le Si.
5- Après le recuit à 800°C, la seule Phase qui apparaît est le NiSi2, riche en Silicium : Ceci indique que le nickel et le silicium se sont totalement mélangés dans la matrice du silicium, comme il a été confirmé par l’analyse RBS.
Concernant système Fe/Ni/Si :
Nous avons constaté, que lorsque la température de recuit varie de 200°C à 600°C, la réaction se passe en premier lieu entre le nickel et le silicium, ensuite survient la réaction entre le fer et le silicium, empêchent la formation des composés fer- nickel désirés.
30 40 50 60 70 80 90
0 200 400 600 800 1000 1200
NiSi2(422) NiSi2(331)
NiSi2(400) NiSi2(311)
NiSi2(220)
NiSi(211)NiSi(112)Ni(111)
NiSi(102)
NiSi(011)
Ni/Si(111) 200°C Ni/Si(111) 350°C Ni/Si(111) 400°C Ni/Si(111) 600°C Ni/Si(111) 750°C Ni/Si(111) 800°C
Intensité (u.a)
2θ (°)
Figure 1 . : Superposition des Spectres de diffraction des rayons X d’échantillon Ni(1250)/Si(111) : recuit à 200°C, recuit à 350°C, recuit à 400°C, recuit à 600°C, recuit à 750°C, recuit à 800°C.
Tableau 1 : Données du spectre RBS correspond à l’échantillon Ni/Si(111) après recuit thermique à 200°
Figure 2: a) spectre RBS et b) profil de concentration correspondant à l’échantillon
Ni/Si(111) après recuit thermique à 200°C.
Layer
caractéristiques
Layer 1 Layer 2
Thickness (Å) 1750 15000
Composition Ni 0.9/ O 0.1 Si 1
20 40 60 80 100 120 0
50 100 150 200 250 300 350 400 450
500 Fe/Ni/Si(111)
Fe/Ni/Si(111) 200°C Fe/Ni/Si(111) 400°C Fe/Ni/Si(111) 600°C
Intensité (u-a)
2θ(°)
Si(111) Si(222)
Ni (111) NiSi2 (220)FeSi(210)
NiSi (102)NiSi(111) FeSi(221) FeSi (023) FeSi (321)
Fe5Si3 (212) Ni31Si12(202)NiSi(002)
Figure 3: Superposition des Spectres de diffraction des rayons X d’échantillon Fe(1100)/Ni(1028)/Si(111) : sans recuit, recuit à 200°C, recuit à 400°C et recuit à 600°C.
Tableau 2 : Les données du spectre correspond à l’échantillon Ni/Fe/Si(111) sans recuit thermique.
Layer
caractéristiques
Layer 1 Layer 2 Layer 3
Thickness (Å) 1900 1300 1500
Composition Fe 0.76 / O 0.24 Ni 0.88 / O 0.12 Si 1
Figure 4 : a) spectre RBS et b) profil de concentration correspondant à l’échantillon Fe/Ni/Si(111) sans recuit
CONCLUSION
Concernant le système Ni/Si :
On conclut que notre étude comme les études traditionnelles menée sur l’interaction de films minces de Ni avec des substrats de Si ayant subit des recuit thermiques, a révélé de la formation séquentielles des phases Ni2Si, NiSi et NiSi2.
Concernant le système Ni50%Fe50%/Si :
Nous avons réussi à stimuler une réaction entre le fer et le nickel à la température de fusion du mélange Fer-Nickel, et nous avons ainsi pu maitriser la fabrication d’une couche mince de FeNi3 d’épaisseur 2100.
REFERENCES
[1] B. Ghebouli, Thèse de Magister, UFA de Sétif 1996
[2] B. Ghebouli, A. Layadi and L. Kerkache, Eur. Phys. J. AP. 3 (1998) 35-39.
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Lenoble, M. Piecuch, Ann. Chim. Sci. Mat. 2005, 30 (2), pp. 207-215.
[5] R.D.Thompson, K. N. Tu, G. Ottaviani, J.App.Phys. 8(2)(1985), p.705.
[6] M. Setton and J. Van der Spiegel, Thin Solid Films, 156(1988), p.360.
[7] R. Pretorius, Thin solid films 290-291 (1996), p.477.
