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Caractérisation de structures du type couche sur
substrat par ulltrasons-lasers
Michaël Lemaire
To cite this version:
Michaël Lemaire. Caractérisation de structures du type couche sur substrat par ulltrasons-lasers. Electronique. Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, 2008. Français. �NNT : 2008VALE0024�. �hal-00362349�
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UMR CNRS 1520 }(/r.t11&fl011
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Institut d'Eil'ctroniqu~ de ,\licroél«troniqlle
et de N:~notechnolügil'
Oépartcml'nl Opto-Acousto-[lectronique
N° d'ordre: 08-21
THESE DE DOCTORAT
présentée
à
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ftl
0
UNIVERSITE DE VALENCIENNES ET DU HAINALIT -cAMBRESIS
L'UNIVERSITE DE VALENCIENNES
ET DU HAINAUT CAMBRESIS
par
Michaël LEMAIRE
Pour obtenir le
grade
de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITE
Spécialit
é
:ELECTRONIQUE
CARACTERISATION DE STRUCTURES DU TYPE
COUCHE SUR SUBSTRAT PAR ULTRASONS-LASERS
Soutenue le 11 Juillet
2008
devant la Commission d
'
Examen:
M. Walter LAURIKS
M. Daniel ROYER
M. Frédéric COHEN-TENOUDJI
M. Marcel GINDRE
M. Mohammadi OUAFTOUH
' . ~ --"iéric JENOT tammed OURAK
Professeur à l'Université de Louvain Rapporteur Professeur à l'Université de Paris 7 Rapporteur
Professeur à l'Université de Paris 7 Examinateur
Professeur à l'Université de Cergy Pontoise Examinateur Professeur à l'université de Valenciennes Examinateur Maître de Conférences à l'Université de Valenciennes Co-directeur de thèse Professeur à l'université de Valenciennes Directeur de thèse
Remerciements
Ce travail de thèse a été réalisé au sein du département d'Opto-Acousto-Electronique de l'Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie- UMR CNRS 8520, de l'Université de Valenciennes et du Hainaut Cambrésis.
Ce département a été dirigé successivement par Messieurs les Professeurs M. Gazalet et B. Nongaillard. Je les remercie de m'avoir accueilli au sein de ce laboratoire afin d'y réaliser ce projet.
Je souhaite remercier tout particulièrement mon directeur de thèse, Monsieur le Professeur M. Ourak pour la confiance et le soutien qu'il m'a accordés tout au long de cette thèse.
Je suis très reconnaissant envers Messieurs les Professeurs D. Royer et W. Lauriks qui me font l'honneur d'être rapporteurs ainsi qu'envers Messieurs les Professeurs F. Cohen-Tenoudji, M. Gindre et M. Ouaftouh qui ont accepté de faire partie de mon Jury.
Mes remerciements vont également à F. Jenot, Maître de conférence, et à Monsieur le Professeur M. Ouaftouh, qui ont suivi et encadré ce travail, ainsi qu'à Monsieur Xu, Maître de conférence, pour le temps qu'il m'a consacré et l'aide précieuse qu'il m'a apportée sur le plan théorique.
Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance envers Messieurs les Professeurs W. Lauriks etC. Glorieux du Laboratorium voor Akoestiek en Thermisch Fysica de l'Université Catholique de Louvain pour m'avoir fait bénéficier de leurs compétences; et envers Monsieur R. Côte qui m'a aidé à réaliser des mesures au sein de ce même laboratoire.
Un grand merci à ma famille, et tout particulièrement à ma femme, aux amis et aux collègues pour leurs encouragements et leur soutien.
Enfin, je remercie toutes les personnes qui ont contribué, d'une manière ou d'une autre, à l'enrichissement et au bon déroulement de cette thèse. Qu'ils trouvent ici l'expression de ma profonde gratitude.
A Léa et Julie,
Mes parents et mes amis.
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE ... 9
CHAPITRE 1 ... 12
LES FILMS MINCES: NOTIONS GENERALES, LEURS DEFAUTS ET LEURS CONTROLES ... 12
1 NOTIONS GENERALES SUR LES COUCHES MINCES ... 12
I.l DEFINITIOND'UNECOUCHEMINCE ... l2 I.2 LES DIFFERENTES METHODES DE FABRICATION ... 13
1.2.1 La technique du vide ... 13
1.2.1. I Pompes dites <<primaires » ... 14
1.2.1.2 Pompes dites<< secondaires>> ... 14
/.2.2 Description des modes de dépôts PVD ... l5 1.2.2.1 Les techniques PVD de dépôt par évaporation sous vide ... 15
1.2.2.2 Les techniques PVD de dépôt par pulvérisation cathodique sous vide ... 17
1.2.2.3 Mécanisme de croissance des couches minces ... 19
1.2.2.4 Les techniques PVD de dépôt ionique ou ION PLA TING ... 20
1.2.2.5 Comparaison des modes de déposition PVD ... 21
1.2.3 Les techniques CVD ... 22
1.2.4 Autres techniques de dépôts de couches minces ... 23
l.3 QUELQUES APPLICATIONS DES COUCHES MINCES ... 24
/.3.1 Les couches minces dans les composants et dispositifs électroniques ... 24
1.3.1.1 L'interconnexion ... 24
1.3.1.2 Les composants et dispositifs électroniques ... 25
/.3.2 Couches minces pour les capteurs ... 26
1.3.3 Couches minces pour l'optique ... 27
1.3.4 Couches de protection ... 27
II GENERALITES SUR LES DEFAUTS RENCONTRES DANS LES COUCHES MINCES ... 28
Il.l LES DIFFERENTS DEFAUTS ... 28
Il.2 ADHERENCE ET CONTRAINTES ... 28
//.2.1 Adhérence ... 28
1/.2.2 Origines des contraintes ... 29
1/.2.3 Contraintes thermiques ... 30
1/.2.4 Les défauts liés aux contraintes ... ]] Il.3 SOLUTIONS POUR EVITER LES DEFAUTS ... 32
III CONTROLE DES COUCHES MINCES ... 33
Ill.l CONNAITRE LA COMPOSITION ET L'ASPECT DE LA COUCHE MINCE ... 34
III.2 CONNAITRE LES PROPRIETES MECANIQUES ... 36
1//.2.1 Exemples de méthodes pour la détermination de 1 'adhérence ... .36
1//.2.2 Exemples de méthodes pour la détermination des caractéristiques élastiques ... 37
III.3 CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR ULTRASONS ... .40
CONCLUSION ... 43
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES CHAPITRE 1 ... .45
-CHAPITRE II ... 47
GENERATION ET DETECTION D'ONDES ELASTIQUES PAR SOURCES LASER ... 47
INTRODUCTION ... 47
1 LASERS ET APPLICATIONS AU CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR ULTRASONS ....•... 48
l.l INTRODUCTION ... .48
l.2 GENERALITE SUR LE LASER ... .48
l.3 APPLICATION DU LASER DANS LE CONTROLE NON DESTRUCTIF PAR ULTRASONS ... 50
1.3.1 Avantages de la technique laser ultrasons . ... , ... 50
1.3.2 Les lasers utilisés dans la génération et détection des ultrasons ... 51
1.3.2.1 Caractéristiques du laser pour la génération des ultrasons ... 51
1.3.2.2 Caractéristiques du laser pour la détection des ultrasons ... 52
II GENERATION PHOTOTHERMIQUE D'ONDES ELASTIQUES DANS LES SOLIDES ...•... 56
Il.l INTERACTION LASER-MATIERE ... , ... 56
11.1.1 Rayonnement électromagnétique . ... , ... 56
11.1.2 Propagation d'une onde électromagnétique dans un milieu ... 57
11.1.3 Absorption et réflexion . ... , ... 58
11.1.4 Absorption de l'énergie photonique par un méta/... ... 58
11.2 LES MODES DE GENERATION ... 61
11.2.1 Mode thermoélastique . ... 62
11.2.2 Mode d'ablation . ... 62
11.2.3 Mode enterré . ... 63
Il.3 CHOIX DU MODEDEGENERATION ... 64
III THEORIE DE LA GENERATION THERMOELASTIQUE ...•.•... 65
Ill.l RAPPEL DES PRINCIPES DE LA THERMOELASTICITE ... 65
111.1.1 Equation parabolique de conduction de la chaleur ... 65
111.1.2 Distribution spatiale gaussienne de la densité de puissance ... 66
III.2 MODELISATION PAR ELEMENTS FINIS DE LA DISTRIB UT! ON DE TEMPERA TURE ... 67
Ill.3 LES MODELES HYPERBOLIQUES DE CONDUCTION DE LA CHALEUR ... 70
Ill.4 DIRECTIVITES DES ONDES ULTRASONORES GENEREES PAR LASER ... 72
111.4.1 Diagramme de directivité des ondes de volume . ... 74
111.4.2 Influence de la conduction thermique et de la taille de la source sur les diagrammes de directivité. . ... 75
111.4.3 Directivité de l'onde de Rayleigh générée par laser ... 77
CONCLUSION ... 80
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES CHAPITRE II ... 81
CHAPITRE III ... 83
PROPAGATION D'ONDES ELASTIQUES DANS LES COUCHES MINCES ... 83
INTRODUCTION ... 83
I RAPPELS SUR LES ONDES ELASTIQUES DANS LES SOLIDES ... 84
l.l ONDES ACOUSTIQUES DANS UN MILIEU INFINI, HOMOGENE ET ISOTROPE ... 84
1.1.1 Equation de propagation ... 84
1.1.2 Equations de propagation des ondes de volume . ... 85
1.2 ONDES ACOUSTIQUES A LA SURFACE D'UN SOLIDE ISOTROPE ET HOMOGENE: ONDE DE RAYLEIGH ... 86
II ONDES ELASTIQUES DANS LES COUCHES MINCES ... 89
Il. 1 EQUATION DE PROPAGATION ET CONDITIONS AUX LIMITES ... 90
11.1.1 Solutions de l'équation de propagation . ... 90
11.1.2 Conditions aux limites . ... 92
Il.2 RELATIONS DE DISPERSION POUR LES MODES DE RAYLEIGH ... 93
Il.3 LES DIFFERENTS MODES DE RAYLEIGH ... 95
11.3.1 Lorsquev 1>vt' ... 95
II.3.1.1 M~élisation du cas de la couche de silicium déposée sur un substrat d'alunùnium ... 97
11.3.2 Lorsque v 1 < v1 ... 98
II.3.2.1 Influence des paramètres de la couche sur la courbe de dispersion ... 101
11.3.2.2 Modélisation du cas de la couche d'aluminium déposée sur un substrat de silicium ... 102
Il.3.3 Modes de Rayleigh pour V t :=:: v t et ondes de Stoneley ... 1 04 CONCLUSION ... 107
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES CHAPITRE III ... 108
CHAPITRE IV ... 110
ETUDE EXPERIMENTALE DE DIFFERENTES STRUCTURES DE TYPE COUCHE MINCE SUR SUBSTRAT ... 110
INTRODUCTION ... 110
1 PRESENTATION GENERALE ... 111
1.1 CHOIX DES MATERIAUX ... 111
1.2 ELABORATION DES ECHANTILLONS ... 111
1.3 DISPOSITIFS DE GENERATION ET DE DETECTION LASER DES ONDES ACOUSTIQUES ... 113
1.3.1 Première méthode de génération et de détection ... 113
1.3.2 Seconde méthode de génération et de détection ... 117
1.4 P ARAMETRES ELASTIQUES DES DEPOTS ET METHODE DE TRAITEMENT DU SIGNAL ... 118
1.4.1 Approximation des modules élastiques des couches polycristallines ... 118
1.4.2 Détermination des vitesses de groupe à l'aide de la transformée temps-fréquence de Wigner- Ville ... 121
II OBSERVATIONS ET RESULTATS EXPERIMENTAUX ..•...•...•...••.• 122
11.1 ETUDE PREALABLE DU SILICIUM ... 122
11.1.1 Analyse temps-fréquence des signaux obtenus pour le substrat de silicium ... . 125
11.2 PREMIERE METHODE DE GENERATION ET DETECTION LASER ... 126
Il.2.1 Résultats expérimentaux pour la couche d'or ... 126
ll.2.2 Résultats expérimentaux pour les couches d'argent ... 129
Il.2.2.1 Couche d'argent A ... 130
Il.2.2.2 Couche d'argent B ... 132
11.3 SECONDE METHODE DE GENERATION ET DETECTION LASER ... 135
11.3.1 Résultats obtenus ... 135
III DETERMINATION DE L'EPAISSEUR ET DES PARAME TRES ELASTIQUES ...••..•...•.• 138
111.1 DETERMINATION DE L'EPAISSEUR ... 138
111.1.1 Détermination de l'épaisseur de la couche d'or ... 138
111.1.2 Détermination des épaisseurs des couches d'argent ... 139
III.2 DETERMINATION DES CONSTANTES ELASTIQUES ... 140
111.2.1 Détermination des constantes élastiques de la couche d'or ... 140
111.2.2 Comparaison avec la simulation par éléments finis ... 142
CONCLUSION ... 144
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES CHAPITRE IV ...•••.•...•...•...•...••...•....• 145
CONCLUSION GENERALE ...•..•..•...•..•. 147
ANNEXES ...•...•...•...•..•...•. 151
}!nne:q 1 :Tableau récapitulatif des différentes méthodes de caractérisation des couches minces ... 152
}!mze:q 2: Relations entre quelques grandeurs acoustiques pour un solide isotrope et homogène et classes de symétrie des cristaux ... 153
}!nne:q 3: Le silicium : un matériau semi-conducteur ... 154
-INTRODUCTION GENERALE
Les technologies basées sur l'exploitation des propriétés spécifiques des couches (ou films) dites minces se sont fortement développées à la fin du 20ème siècle et sont devenues l'une des voies de progrès les plus importantes tant en ce qui concerne la miniaturisation que le développement de nouveaux capteurs. Ces avancées technologiques ne pourraient se faire sans l'exploitation des couches minces. Ce champ d'application englobe plusieurs domaines notamment les matériaux multicouches, les films déposés sur des substrats fins ou épais, ou encore les films sans support. On les retrouve souvent dans les domaines de l'optique, de 1' électronique, de la microélectronique, ...
La caractérisation des propriétés élastiques des matériaux est importante pour contrôler leur bonne « santé » et assurer ainsi un fonctionnement efficace lors de leur utilisation. L'évaluation non destructive de leurs propriétés peut être menée à bien à l'aide de techniques ultrasonores. Dans ce domaine, les ondes de surface sont fréquemment utilisées pour l'inspection en surface de la structure. Plusieurs techniques peuvent alors être utilisées pour générer ce type d'ondes. Toutefois, la génération et la détection par source laser présentent l'avantage d'être une méthode sans contact permettant l'inspection à distance de matériaux possédant une géométrie complexe, ou portés à haute température ou encore de ceux dont la surface ne peut être contaminée par un couplant. L'étude et l'analyse des ondes de surface générées et détectées par cette méthode, permettent d'obtenir certaines caractéristiques comme les constantes élastiques, les contraintes résiduelles, l'adhérence et 1' épaisseur de revêtements ...
Dans le premier chapitre, nous présentons les principaux procédés d'élaboration d'une structure du type couche sur substrat et donnons quelques-unes de leurs applications. L'une des principales difficultés d'emploi de ces couches minces concerne la reproductibilité de leurs caractéristiques. Nous verrons que les variations d'épaisseur et/ou des constantes élastiques, problème récurrent des films minces, peuvent induire de nombreuses conséquences indésirables. Dans la suite de ce chapitre, nous étudierons les défauts des films minces, leurs
causes, conséquences et quelques solutions à apporter afin de les éviter. Les différentes méthodes de contrôle et de caractérisation des couches minces seront alors exposées. L'étude de celles-ci débouchera sur notre méthode de contrôle basée sur la génération et la détection laser d'ondes ultrasonores et montrera ses avantages dans la caractérisation des couches mmces.
Le deuxième chapitre sera consacré à l'étude de la génération et de la détection d'ondes ultrasonores par source laser. Nous détaillerons dans ce chapitre le principe de la technique laser-ultrasons ainsi que les avantages de cette méthode. Dans un premier temps, le principe du laser et les mécanismes qui régissent l'interaction laser-matière seront abordés. Ceci nous permettra d'introduire, dans un second temps, les différents modes de génération et divers formalismes de la génération photoélastique. Une simulation par éléments finis de 1' élévation de la température ainsi que de la génération des ondes ultrasonores seront alors présentées.
Dans le troisième chapitre, la propagation des ondes ultrasonores dans les structures du type couche sur substrat sera étudiée. Plus particulièrement, les modes de Rayleigh seront introduits à partir d'un rappel des équations fondamentales de l'acoustique. La présence d'une couche sur la surface d'un matériau semi-infini provoque la dispersion de l'onde de Rayleigh conduisant alors à l'apparition de modes de type Rayleigh. Une simulation par éléments finis sera proposée afin d'étudier le comportement du premier mode de Rayleigh dans de telles structures et d'illustrer sa propagation.
Le dernier chapitre présente la partie expérimentale de ce travail. Dans un premier temps, le choix des matériaux et l'élaboration des échantillons ainsi que les techniques laser-ultrasons y sont décrits. Une première technique laser-laser-ultrasons permet la génération en régime impulsionnel des modes de Rayleigh. Une seconde technique, développée par une équipe de recherche de l'Université Catholique de Louvain, au « Laboratorium voor Akoestiek en Thermische Fysica, Departement Natuurkunde en Sterrenkunde », est utilisée afin d'obtenir une génération quasi-monochromatique des modes de Rayleigh. Ces deux techniques laser-ultrasons permettent ainsi d'étudier la dispersion des modes de Rayleigh sur une large plage fréquentielle. Les résultats expérimentaux portent sur différentes structures ; le silicium, rencontré dans de nombreux domaines, est utilisé comme substrat sur lequel trois dépôts d'épaisseurs différentes ont été réalisés. Le premier dépôt est une couche d'or alors
10-que les deux autres sont constitués d'argent. Ces trois dépôts possèdent des épaisseurs distinctes et permettront d'étudier d'une part l'influence des constantes élastiques des deux matériaux constituant les couches et d'autre part l'influence de l'épaisseur d'un même matériau déposé. Nous verrons alors qu'il est possible de remonter à l'épaisseur et aux caractéristiques élastiques à l'aide des deux techniques laser-ultrasons complémentaires, basses et hautes fréquences, et d'une méthode d'optimisation. Nous montrerons enfin qu'une simulation par éléments finis peut être utilisée afin de confirmer l'épaisseur et les paramètres élastiques déterminés et ainsi s'assurer de la robustesse du modèle.
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
CHAPITRE!
Les films minces · notions générales, leurs défauts et leurs
contrôles
1 Notions générales sur les couches minces
1.1 Définition d'une couche mince
Par principe, la couche n'a pas nécessairement de limites physiques bien déterminées. Une couche d'un matériau donné est un élément de ce matériau dont l'épaisseur a été fortement réduite. Cette faible distance entre ses deux surfaces limites entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. La différence entre le matériau à 1' état massif et à 1' état de couche est principalement due au fait que 1' on néglige le rôle des limites dans les propriétés. Ces effets liés aux surfaces limites sont prépondérants dans les couches dites minces. Plus l'épaisseur sera faible plus les effets perturbateurs dus à l'épaisseur seront importants et inversement jusqu'à ce que le matériau retrouve les propriétés du matériau massif. Il est assez difficile de définir une couche mince par la seule notion d'épaisseur. En effet, la limite de l'épaisseur qui sépare couche mince/épaisse est devenue très floue. Les couches minces se distinguent par leurs applications et leurs modes de dépôt plus que par leurs épaisseurs.
La seconde notion qui intervient dans la définition de couche mince est 1 'ensemble des méthodes employées pour la fabrication de celle-ci. Il est impératif de tenir compte du fait qu'une couche est toujours solidaire d'un support sur lequel elle est construite même si cette couche peut être par la suite séparée de celui-ci. Les propriétés structurales de la couche sont influencées par le support. Ainsi une couche déposée sur un substrat isolant n'aura pas les mêmes propriétés que cette même couche déposée sur un substrat semi-conducteur.
12-Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
Il faut aussi remarquer que lors de sa réalisation, la couche peut être « polluée » ou encore endommagée. Nous verrons par la suite les principales méthodes de dépôts des couches. Le gaz utilisé dans certains procédés peut se mélanger au dépôt et entraîner une structure remplie de cavités. La fabrication a donc une influence importante sur la structure de la couche.
1.2 Les différentes méthodes de fabrication
Physical Vapor Deposition (PVD) et Chemical Vapor Deposition (CVD) sont les méthodes les plus communes pour le transfert de matériau atomes par atomes, d'une ou de plusieurs sources pour la croissance d'un film déposé sur un substrat.
Si la vapeur est créée par un moyen purement physique sans aucune réaction chimique, le processus est classé dans les méthodes PVD ; alors que si le dépôt est le produit d'une réaction chimique ou d'une décomposition d'une molécule, le processus est classé dans les méthodes CVD. Beaucoup de variantes de ces méthodes ont été développées dans le but d'équilibrer les avantages et inconvénients et ainsi de respecter les conditions de pureté des films, de qualité de la structure, du taux de croissance, des contraintes de température, et d'autres facteurs.
Dans la plupart des cas, une couche va être déposée sur un substrat dans un environnement de vide poussé. Tout d'abord, nous présenterons succinctement la technique du vide puis les différentes méthodes de dépôts, sources de la quasi-totalité des défauts, et dont l'influence peut être forte sur l'état de la couche.
1.2.1 La technique du vide
Deux grandes catégories de moyen de production de vide existent : celle qui conduit au vide dit «classique » et celle qui génère un ultravide encore appelé vide «propre ». Le vide poussé sera obtenu en deux étapes, une étape dite primaire qui exploitera un principe de pompage et conduira à des pressions réduites et une étape secondaire utilisant des pompes amenant l'enceinte associée à de très basses pressions. Le vide est un paramètre important dans la conception des couches minces et peut être à l'origine de certains défauts de fabrication [ 1].
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
1.2.1.1 Pompes dites« primaires»
Différents systèmes de pompes primaires existent mais nous donnerons dans cette partie un seul exemple de pompe primaire. La plus couramment employée pour réaliser un vide primaire est la pompe à palette. La figure 1 donne le principe de son fonctionnement. La rotation du système à palettes dans une enceinte cylindrique déplace le gaz. Cette rotation permet d'isoler ce gaz puis de le comprimer vers la sortie. Le gaz s'échappe par une soupape
noyée dans l'huile. Ce type de pompe permet d'atteindre une Figure 1: Pompe primaire.
pression de 133.10-1 à 133.10-2 Pa (1 Torr
=
133 Pa).1.2.1.2 Pompes dites« secondaires»
Pour améliorer le vide obtenu, une seconde pompe est utilisée d'où le terme de pompe secondaire (figure 2). La plus usitée est la pompe à diffusion d'huile (appelée aussi pompe à jet de vapeur). Pour son fonctionnement, il est nécessaire d'avoir une pression supérieure à
quelques Torrs par conséquent une pompe primaire (pompe à palette) est placée en amont. L'huile est portée à ébullition par le système de chauffage. Les vapeurs émises sont canalisées vers l'éjecteur supérieur. Celui-ci réexpédie le
jet vers le bas à grande vitesse en formant une nappe conique qui entraîne les molécules rencontrées sur son passage. Elle atteint ensuite la paroi refroidie par une canalisation d'eau où elle se condense pour retourner vers le chauffage. Les gaz emportés par ce phénomène sont récupérés par la pompe primaire de même que les vapeurs les plus volatiles de l'huile qui sont envoyées par l'éjecteur inférieur. Entre la pompe et l'enceinte à vider est disposé un piège à azote liquide (ou simplement de l'eau pour des pompes simplifiées). Les vapeurs d'huile viennent se condenser sur les parois refroidies. Ainsi elles ne vont pas polluer l'enceinte à vider [ 1].
-
14-E"jeete:ur
inférieur
R&frol<ll-m&nt
airieau
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
Certaines méthodes de dépôts nécessitent un vide relativement poussé d'où l'utilisation des pompes primaires et secondaires. Nous allons maintenant présenter les différentes techniques utilisées dans le dépôt de couches minces.
1.2.2 Description des modes de dépôts PVD
1.2.2.1
Les techniques PVD de dépôt par évaporation sous vide
Cette technique consiste à chauffer sous vide le matériau que 1' on veut déposer. Les atomes du matériau à évaporer reçoivent de l'énergie calorifique, c'est-à-dire que leur énergie vibratoire dépasse l'énergie de liaison et provoque l'évaporation. Le matériau évaporé est alors recueilli par condensation sur le substrat à recouvrir [2] .
1
CIBLE~~--OltASMA
G · 0 G 'Fnîî:tffl
1
11
•
Pompe • vide~*
.1~ _ Eatrttd•J•• t ••ittr1
Alialeatai~o é!utri'l••1
+
Figure 3: Principe de dépôt par évaporation.
Les principales techniques se différencient par le mode de chauffage du matériau :
~ Evaporation par bombardement d'électrons.
Le matériau à évaporer est placé dans un creuset en cuivre refroidi par eau et bombardé par un faisceau d'électrons. Les sources d'évaporation par bombardement électronique les plus couramment utilisées comportent un filament en tungstène chauffé à haute température et qui de ce fait, émet des électrons. Ces électrons sont accélérés par un champ électrique de quelques kV/cm créé par une anode placée devant et percée d'un trou
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
pour laisser échapper le faisceau d'électrons. La déflexion du faisceau est contrôlée grâce à
des bobines magnétiques qui permettent un balayage de toute la surface du creuset.
~ Evaporation par effet joule (résistance).
L'élément chauffant peut être un filament, une nacelle ou un creuset plus ou moins compliqué.
~ Evaporation par arc électrique.
L'évaporation est réalisée par une décharge électrique entre le creuset (cathode) et une anode.
~ Evaporation par induction.
Dans ce cas, le matériau à évaporer est placé dans un creuset en matériau diélectrique. Ce creuset est entouré d'une bobine alimentée en courant alternatif haute fréquence qui induit des courants électriques dans le matériau provoquant ainsi son échauffement.
~ Evaporation assistée par faisceau d'ions (l.B.A.D).
L'évaporation assistée par faisceau d'ions (Ion Bearn Assited Deposition) est un système relativement récent (figure 4), conçu pour pallier la qualité souvent médiocre des dépôts obtenus par simple évaporation.
La technique de dépôt consiste à évaporer le matériau, présent dans le creuset, à
l'intérieur de l'enceinte. En même temps, le film en cours de croissance est bombardé par le faisceau d'ions énergétiques issu d'une source plasma.
L'énergie apportée par les ions est transférée aux atomes issus de l'évaporation et qui s'adsorbent à la surface de la couche [3]. En fonction de la nature des atomes évaporés et des
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Figure 4: Principe d'évaporation par faisceau d'ions.
ions plasma du bombardement, des réactions chimiques peuvent être observées donnant naissance à des composés définis.
L'avantage de cette technique est que le dépôt peut s'effectuer à température ambiante ou à toute température si l'on inclut un dispositif de chauffage ou de refroidissement de l'échantillon. Cette technique permet donc de synthétiser une multitude de matériaux des structures multicouches peuvent être obtenues par
16-Chapitre 1 : Les films minces : notions générales, ...
évaporation simultanée et localisée de plusieurs matériaux et par mouvement du substrat. Il n'y a pas de plasma en contact avec la couche en croissance, d'où une pollution minimale [3].
Par ailleurs, les films déposés par évaporation peuvent parfois adopter une structure colonnaire, induisant des contraintes internes en tension [3]. Les propriétés optiques, mécaniques et électriques des films minces sont donc affectées par cette structure colonnaire des dépôts. Un des buts de l'assistance du dépôt par un bombardement ionique est d'éliminer cette structure colonnaire [4]. Le bombardement ionique influence de façon importante 1' arrangement des atomes de la couche en formation. De nombreuses caractéristiques du _film dépendent de ce paramètre :
+L'adhérence au substrat; + Les contraintes internes ; +La composition (impuretés) ; + Les caractéristiques optiques ; + La résistivité électrique.
1.2.2.2
Les
techniques PVD de dépôt par pulvérisation cathodiquesous
videCette technique consiste à éjecter des particules de la surface d'un solide par le bombardement de cette surface avec des particules énergétiques, en général des ions argon. En première approximation, ce processus mécanique ne dépend donc que de la quantité de mouvement, cédée au moment du choc, de l'ion incident avec l'atome du solide bombardé.
L'effet de pulvérisation est dû essentiellement au transfert de moment des ions incidents aux atomes de la surface du
Figure 5: Principe de dépôt par pulvérisation. matériau bombardé. L'arrachage d'atomes superficiels se produira lorsque l'énergie effectivement transférée dépassera l'énergie de liaison des atomes (figure 5).
Les paramètres gouvernant le dépôt de couches minces par pulvérisation sont : +Les pressions résiduelles et de travail de l'enceinte ;
Chapitre 1 : Les films minces : notions générales, ...
+
La puissance appliquée sur la cible ;+
La tension de polarisation du porte-substrats ;+
La densité de courant ;+
La géométrie de l'ensemble ;+
La présence ou non des champs magnétiques.Les ions peuvent provenir soit d'un plasma, soit directement d'une source d'ions. La caractéristique la plus intéressante du procédé de dépôt par pulvérisation est son universalité.
Comme le matériau à déposer passe en phase vapeur à la suite d'un processus mécanique (transfert d'énergie de l'ion incident vers l'atome de surface au moment de la collision), on peut déposer pratiquement tous les matériaux inorganiques.
Plusieurs procédés existent :
~ Le procédé diode.
Le plasma est créé par une décharge électrique dans un gaz (l'argon par exemple) au moyen de deux électrodes : une cathode appelée la cible car c'est elle qui attire les ions positifs, une anode, qui peut être le porte-substrats, placée en face de la cible ou tout autre accessoire au potentiel de la masse.
~ Le procédé diode DC.
La tension d'attraction des ions est continue et, par conséquent, le procédé ne permet pas de pulvériser des matériaux conducteurs.
~ Le procédé diode RF.
La tension d'attraction des ions est alternative c'est-à-dire qu'on attire alternativement des ions (qui pulvérisent) ou des électrons qui neutralisent les charges apportées par les ions :
-on peut d-onc pulvériser des matériaux c-onducteurs ou diélectriques.
~ Procédé Triode.
Alors que dans le procédé diode, le plasma se faisait entre la cible et le porte-substrats, dans le procédé triode, le plasma est créé puis entretenu indépendamment de la cible.
~ Pulvérisation par faisceau d'ions.
Dans le procédé diode, la cible créait elle-même son plasma et attirait les ions qu'elle avait engendrés. Dans le système de pulvérisation triode, on séparait les fonctions de création et d'utilisation des ions. Mais les ions engendrés par le générateur de plasma étaient diffus, la cible devait être polarisée pour les attirer. Ici on va créer des ions dont on pourra fixer le flux
-Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
et 1' énergie puis les accélérer sous forme d'un faisceau que l'on enverra sur la cible à pulvériser.
~ Procédé Magnétron :
La cathode magnétron est un perfectionnement de la cathode utilisée en pulvérisation diode classique, qui permet de s'affranchir du filament chaud. Ce perfectionnement résulte de la combinaison d'un champ magnétique intense, perpendiculaire au champ électrique crée par la cathode, c'est-à-dire parallèle à la cible.
La pulvérisation magnétron peut être effectuée en utilisant une seule cathode ou bien plusieurs (par exemple une cible de titane et une cible d'aluminium). Elle permet de réaliser des multicouches de composés biphasés (TiN/AIN) et est appelée « dual magnétron ».
Actuellement ces techniques de pulvérisation à plusieurs cathodes permettent la synthèse de couches 'superlattices' ou de couches triphasés (Ti,Al)N.
1.2.2.3 Mécanisme de croissance des couches minces
Lorsque la trajectoire des atomes émis par la source coupe la surface du substrat, les atomes se déposent sur cette dernière. Cependant ils restent déposés sur la surface si leur énergie de liaison avec les atomes du substrat est supérieure à l'énergie moyenne d'agitation thermique. Néanmoins les atomes peuvent se décoller dans le cas d'un écart de leur énergie. Il faut donc trouver un compromis entre température et vitesse de dépôt.
vitesse de dépôt (R)
substrat (T) Figure 6 : Phénomène de nucléation et de croissance [5].
La figure 6 montre une croissance d'une couche mince sur un substrat à la température T. Un flux de particules à une vitesse de dépôt R percute le substrat et s'adapte thermiquement avec sa surface. Les adatomes (atomes incidents adsorbés) sont soit réévaporés, soit diffusés sur la surface à cause d'un déséquilibre thermodynamique et interagissent avec d'autres atomes pour
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
former des clusters (groupes ou nuclei). Une partie des clusters ainsi formés continue leur croissance en surface pour former par la suite des îlots qui se rejoignent à leur tour pour former une couche continue (figure 7).
il.··.·l···
. . ~
..•
.
~
.
Coaleseence Canaux Trous Couche carninue
Figure 7 : Différents stades de croissance d'une couche mince [5].
La coalescence est une étape dans laquelle les îlots se regroupent et croissent encore en laissant des canaux puis des trous pour former au final une couche continue.
I.2.2.4 Les techniques PVD de dépôt ionique ou ION PLA TING
Le procédé de dépôts ioniques est une sorte de technique hybride entre l'évaporation et la pulvérisation. Il consiste à évaporer le matériau dans une enceinte dans laquelle on entretient une pression résiduelle de 1,3 à 13 Pa en introduisant de 1' argon par exemple. Pendant le dépôt, on provoque et on entretient une décharge électrique luminescente de manière à créer un plasma. Cette décharge est obtenue généralement en appliquant une tension négative de quelques kV au porte-substrats, ce qui a pour effet d'attirer les ions sur ce dernier.
La pression élevée du gaz résiduel diminuant considérablement le libre parcours moyen des atomes évaporés, ceux-ci s'agglomèrent au sein de la vapeur et forment autour du substrat un nuage diffus qui uniformise le flux de particules et, par conséquent, améliore l'uniformité de l'épaisseur. Par ailleurs, le bombardement ionique du substrat améliore l'adhérence de la couche. Ce procédé n'a d'intérêt que si la vitesse d'évaporation est grande.
Dans la pratique, 1 'enceinte comprend deux parties :
+ La partie inférieure pompée à 1 ,3 .10 2 Pa ou en dessous, et qui est occupée par le canon à
électrons;
+
La partie supérieure où l'on entretient une pression de 1,3 à 13 Pa et qui est occupée par le substrat.20-Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
La paroi qui sépare ces deux parties comporte :
+
L'orifice de passage du faisceau d'électrons ;+
L'orifice d'échappement des vapeurs du creuset;+
Un orifice de pompage généralement de faible diamètre pour ne pas perturber le fonctionnement du canon à électrons.1.2.2.5 Comparaison des modes de déposition PVD
Comme les paragraphes précédents l'ont illustré, les procédés PVD offrent une large variété de modes de dépôt de couches minces. Il est dès lors très difficile de faire un choix optimum a priori. L'analyse de la littérature montre qu'il n'existe pas de procédés universels et que tous offrent leurs avantages et leurs inconvénients. On peut néanmoins tenter de faire un comparatif des 5 procédés les plus largement répandus (Tab. 1 ).
Avantages Inconvénients
Evaporation sous vide
•
Vitesse de dépôt élevée.•
Mal adapté aux dépôts•
Matériel simple . réfractaires.•
Investissement faible.•
Difficultés de déposer des•
Faible température du substrat. alliages.•
Bien adapté aux applications•
Faible pouvoir de recouvrement. électriques et optiques•
Adhérence faible.•
Dépôts poreux et non uniformes . Pulvérisation cathodique (diode)•
Possibilité de déposer de nombreux•
Faible vitesse de dépôt.métaux, alliages, composés
•
Investissement élevé . réfractaires, conducteurs ou•
Dépôts non uniformes. diélectriques.•
Maîtrise de la stœchiométrie .•
Bonne adhérence des dépôts .Pu! vérisation
•
Idem système diode.•
Dépôts non uniformes en épaisseur.Magnétron
•
Vitesse de dépôt élevée.•
Investissement élevé .•
Faible température de dépôts.•
Cibles sensibles à la fissuration .•
Réaction possible de la cibleavec l'atmosphère gazeuse. Dépôts ioniques
•
Vitesse de dépôt élevée•
Investissement matériel élevé.•
Bonne adhérence.•
Contrôle de la stœchiométrie•
Bon pouvoir de recouvrement. parfois délicat.•
Possibilités de déposer de nombreux•
Dépôts non uniformes en métaux, alliages. etc. épaisseur.•
Bien adapté aux applications mécaniques.Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
1.2.3 Les techniques CVD
Mis au point vers 1968, la technique CVD est un procédé fondamentalement différent des procédés précédents puisqu'il est basé sur une série de réactions chimiques dans une enceinte placée à haute température (de l'ordre de 950 à 1000°C) [2]. Le dispositif se compose de la façon suivante :
~ Un générateur de gaz.
~ Une enceinte de dépôt.
~ Un dispositif de chauffage.
~ Un ensemble de distribution des gaz.
~ Un système de neutralisation des gaz corrosifs.
Ce procédé permet de réaliser une très grande variété de couches, ainsi que des couches à gradient de composition et des revêtements multicouches en faisant varier dans le temps la composition des gaz. La figure 8 montre le principe de la technique CVD.
Figure 8: Principe de la méthode CVD.
Le procédé est basé sur le principe des équations chimiques de décomposition thermique. Un gazAX est thermiquement dissocié en A (le solide) et X (le produit gazeux de la réaction).
AX (g) ___, A(s) +X (g)
Différentes méthodes CVD existent telles que le dépôt à basse pression (LPCVD), assisté par plasma (PECVD) ou encore les dépôts par immersion dans un liquide (chimique ou électrolytiques).
Les films déposés par CVD possèdent fréquemment un état de contraintes résiduelles en tension ce qui les rend sensibles à la fissuration.
22-Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
1.2.4
Autres techniques de dépôts de couches minces
D'autres techniques de dépôts ont été développées afin de répondre aux besoins des industriels. On peut citer la méthode JVD (par jets de vapeur), l'ablation laser, le dépôt de couches par projections thermiques, et le canon à détonation. Mais aussi des méthodes propres au dépôt de films organiques, mixtes, à la fois physiques et chimiques parmi lesquelles nous pouvons citer le dépôt par aspersion, le dépôt par centrifugation ou polymérisation. Nous allons aborder très rapidement le principe de quelques techniques [1].
Y La méthode JVD.
Les éléments les plus importants sont la source à jet de vapeur et le mécanisme de déplacement du substrat. Ces deux éléments sont montés dans une chambre à vide. Le jet de vapeur peut transporter toutes les vapeurs, atomiques, moléculaires, ou clusters, vers un substrat où elles se déposeront en se condensant pour former une couche mince. Pour déposer des couches d'épaisseur uniforme sur des surfaces plus grandes, il faut donner un mouvement au substrat, à la source ou aux deux.
Y L'ablation laser (ou DLP : dépôt laser pulsé).
On irradie la surface du matériau à vaporiser par un faisceau laser. Le matériau s'évapore puis vient se condenser sur le substrat. La longueur d'onde du laser à utiliser est déterminée par les caractéristiques d'absorption du matériau à évaporer. On utilise, en général, des faisceaux lasers pulsés pour obtenir la densité de puissance nécessaire. Les caractéristiques des impulsions (durée de la pulsation laser, fréquence de répétition, intensité) sont déterminées en fonction des applications spécifiques.
Y Dépôt par centrifugation.
Ce mode d'enduction est très commun et permet de déposer un polymère en solution au centre du substrat en rotation. La force centrifuge permet de répandre
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
uniformément le liquide du centre vers la périphérie du substrat. L'épaisseur, la planéité et régularité de la couche déposée dépendent de la vitesse et temps de rotation.
1.3 Quelques applications des couches minces
Les couches minces se retrouvent dans des domaines très variés grâce à la mise en œuvre des différentes technologies de fabrication. Les applications des couches minces peuvent être divisées en plusieurs domaines principaux : éléments d'interconnexion, composants passifs et actifs, composants optiques, magnétiques, chimiques et biologiques, le domaine des capteurs, la protection des surfaces, et éléments décoratifs. Selon le type d'application les procédés de fabrication sont plus ou moins complexes mais ils relèvent tous des procédés décrits précédemment.
1.3.1 Les couches minces dans les composants et dispositifs électroniques
1.3.1.1 L'interconnexion
Les technologies des couches minces ont joué un rôle important dans le développement des composants électroniques et notamment celui des semi-conducteurs afin d'assurer les interconnexions entre les éléments d'une même puce. Leur rôle est la distribution des signaux électriques et la connexion des différents composants actifs. Trois matériaux sont couramment utilisés. Le premier, l'aluminium, est facile à déposer par évaporation thermique. Bon conducteur (de 35 mn.m-1 à 55 mn.m-1 en fonction de l'épaisseur déposée), il présente une excellente adhérence aux substrats et demeure le plus utilisé dans les techniques de semi-conducteur. Le deuxième, l'or a l'avantage d'avoir une meilleure conductibilité et aucun risque d'oxydation. Il est également très facile à déposer par évaporation ou pulvérisation. Le troisième, le cuivre, présente les mêmes facilités de dépôt que l'or. Sa conduction est très bonne (25 mn.m-1) ce qui se révèle très important dans les
dispositifs fonctionnant à des fréquences élevées du fait des pertes d'énergie.
24-Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
1.3.1.2 Les composants et dispositifs électroniques
On retrouve principalement la technologie des couches minces dans le domaine de l'électronique, microélectronique et nanotechnologie. Il est assez difficile de déterminer un domaine particulier pour l'utilisation des couches minces en électronique. Certains domaines d'application peuvent néanmoins être distingués : le domaine des circuits analogiques, codeurs, le domaine des applications hyperfréquences et optoélectroniques. Cela couvre un panel assez large d'applications qui va du simple composant électronique à des dispositifs plus complexes.
);;> Composants passifs.
Figure 10: Réseau couches minces [6].
);;> Composants actifs.
Les éléments passifs réalisés en couches minces sont habituellement les résistances et condensateurs. Les couches minces permettent de concevoir des résistances et condensateurs de grande précision et de haute stabilité dans le temps et en température. La figure 10 montre un réseau couches minces de 19 résistances identiques montées sur un substrat en verre avec un point commun.
Il est possible de réaliser des transistors en couche minces qui sont assez proches des MOSFET. On les retrouve par exemple dans le cas des panneaux LCD pour lesquels un transistor de commutation est associé à chaque pixel du panneau. D'autres applications possibles demeurent dans les panneaux solaires ou les diodes hétérojonction réalisés à partir d'un dépôt de film mince.
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
);;> Exemple d'application de couches minces dans un dispositif électronique.
Abgo-marn:
aœusti1.1ue Le filtre à ondes acoustiques de surface est un exemple
typique de l'usage des couches minces dans une fonction électronique radiofréquence. Ces filtres permettent suivant le dessin des peignes interdigités de réaliser une fonction de transfert appliquée au signal RF (ligne à retard, filtre,
Figure 11 : Principe du transducteur à
ondes de surface. résonateur, ... ).
1.3.2 Couches minces pour les capteurs
L'exploitation des technologies couches minces pour la réalisation des capteurs thermiques, mécaniques, physiques et chimiques est très importante. En effet l'une des propriétés des couches minces est leur grande
sensibilité à des sollicitations extérieures. Cela en fait donc des composants privilégiés pour une large variété de capteurs.
Par exemple les capteurs thermiques en couche mince servent à mesurer des températures et des densités de flux thermique, c'est-à-dire des transferts de chaleur à travers des parois de veines de combustion ou des aubes.
Quant aux capteurs mécaniques, ils permettent par exemple de mesurer les déformations à partir des variations de leur résistance électrique et d'en déduire les contraintes mécaniques. On retrouve donc des capteurs de pression à jauge de contrainte en couche mince. On voit aussi apparaître de plus en plus des applications biochimiques pour une surveillance
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i a: xTableau 2 : Aperçu des applications des couches minces
dans le domaine électronique.
médicale de certaines maladies comme l'épilepsie à l'aide de systèmes d'électrode en couches minces déposées sur un support flexible. Le tableau 2 [6] présente un résumé des applications des couches minces aussi bien en électronique que dans le domaine des capteurs.
26-Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
1.3.3 Couches minces pour l'optique
Les applications sont les revêtements anti-réflexion et réflecteurs, les filtres de toute sorte, les polarisateurs, etc.
Dans le premier cas on va trouver les applications de type miroir plan ou non (par ex : miroirs astronomiques) et surtout les réflecteurs complexes telles les optiques de phare de voiture qui sont effectivement des dispositifs métallisés sous vide et comportant une couche d'aluminium.
En ce qui concerne les couches antireflets, les revêtements optiques sont basés sur le phénomène d'interférence. Des couches minces de matériaux diélectriques sont déposées avec des épaisseurs très faibles, et assemblées de façon à provoquer des interférences d'ondes lumineuses de différentes longueurs d'onde. L'interférence de ces ondes qui se réfléchissent dans la structure va entraîner la réflexion ou la transmission de certaines longueurs d'ondes.
1.3.4 Couches de protection
Les couches minces peuvent aussi être employées pour protéger ou renforcer la surface d'un matériau. Notamment dans le cas des couches anticorrosion, on trouve l'application des pare chocs ou encore des pièces nickelées destinées à des dispositifs à hautes performances techniques (satellite par exemple).
En effet l'amélioration de la robustesse ou de l'imperméabilité consiste à appliquer sur un circuit à puces par exemple, une protection par déposition d'une couche mince qui amène le circuit à un niveau d'herméticité requis pour une application généralement militaire ou spatiale.
On va aussi trouver des applications de dépôt en surface pour assurer non seulement une protection contre la corrosion mais aussi un renforcement de la dureté de la surface, c'est par exemple le cas de certains forets recouverts d'une couche de titane qui leur confère une bien plus grande dureté avec un coût de fabrication bien moindre que s'ils étaient usinés intégralement en titane.
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
II Généralités sur les défauts rencontrés dans les couches minces
11.1 Les différents défauts
Les défauts rencontrés au niveau des couches minces sont nombreux et variables. De plus, ceux-ci sont quasi inévitables. Ces défauts physiques peuvent se présenter sous de nombreuses formes. Parmi les plus fréquents, on peut citer : les craquèlements, les décollements partiels sous formes de «copeaux», les manques d'adhérence, les délaminations, les lacunes, les gouttelettes, les inclusions, les rugosités de surface, les porosités, les manques de dureté, la réactivité à l'humidité, la sensibilité à la température et les taches inexpliquées sur la surface. Des problèmes optiques associés ou indépendants tels que des erreurs d'épaisseurs ou d'indices, ou des instabilités, peuvent également survenir.
Ces nombreux défauts proviennent principalement des processus d'élaboration des couches minces et également des contraintes mécaniques au sein de la couche et du substrat. Ces processus mettent en jeu des mécanismes d'équilibre délicats entre la vitesse de dépôts, 1' énergie des adatomes, la température du substrat, la pression et la composition du gaz résiduel de l'enceinte. Il faut donc tenir compte de tous ces paramètres lorsque l'on essaie de déterminer l'origine des défauts, et la manière d'y remédier.
11.2 Adhérence et contraintes
11.2.1 Adhérence
L'adhésion est la caractéristique essentielle du système constitué de la couche superficielle et du substrat. En effet, une couche peut disposer des meilleures propriétés, si elle n'adhère pas au substrat elle est sans valeur.
Il se crée en général, lors des procédés de déposition sous vide, une petite couche intermédiaire entre la couche superficielle et le substrat. En CVD, cela se produit grâce à la diffusion des atomes de la couche superficielle dans le substrat ; diffusion activée thermiquement. En PVD, c'est plutôt une couche de pseudo-diffusion qui se forme grâce aux particules énergétiques accélérées qui pulvérisent aussi les atomes du substrat. Ceux-ci, suite
28-Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
aux collisions avec d'autres particules accélérées, sont déposés à nouveau partiellement. C'est ce phénomène qui explique la formation d'une zone mixte d'atomes de substrat et de la couche superficielle. A l'interface substrat/couche mince, il y a, au niveau des premières couches atomiques, production d'un élément composite: alliage dans le cas du dépôt d'un métal sur un autre métal, ou oxyde dans le cas du dépôt d'un métal sur un substrat verre ou céramique.
L'adhésion de la couche superficielle dépend généralement de la compatibilité entre le substrat et la couche, de la dureté du substrat et des contraintes résiduelles existant dans la couche. Les paramètres mécaniques les plus importants qui prennent naissance à l'interface substrat/couche mince sont sans nul doute l'adhérence du film au substrat et les contraintes qui en résultent.
11.2.2 Origines des contraintes
Pour comprendre l'origine des contraintes, il faut en premier lieu supposer que l'épaisseur du film est négligeable par rapport à celle du substrat et que les dimensions transverses du film et du substrat sont très grandes par rapport à l'épaisseur totale. Le film peut subir une variation de volume, par exemple à cause d'une variation de température. L'équilibre mécanique du système crée une contrainte mécanique dans le film et dans le substrat et impose une courbure à ce système [7, 16].
Initialement, le film et le substrat sont supposés mécaniquement libres. Chaque couche peut être considérée comme une entité distincte (figure 12.a). Par exemple, sous l'action de la température, les dimensions du film et du substrat subissent une variation de volume et évoluent proportionnellement à leur propre coefficient de dilatation thermique (figure 12.b ). Pour rattacher le film au substrat, une force de traction doit être appliquée au film, à ses deux extrémités, afin qu'il atteigne la même longueur que le substrat (figure 12.c ). La suppression des forces de traction, en supposant une adhérence parfaite entre le film et le substrat, entraîne une déformation dans le film. En effet, le film a tendance à revenir à sa position initiale mais il est bloqué par le substrat rigide, le système se courbe (figure 12.d).
Chapitre 1 : Les films minces : notions générales, ... film (a) substrat (b) (c) (d)
Figure 12 : Origine des contraintes mécaniques.
Sur le schéma, le film subit une contrainte en tension tandis que le substrat, par réaction, subit une contrainte en compression. La contrainte est biaxiale dans le film.
En 1' absence de toute sollicitation mécanique externe, la contrainte d'un film, ou sa déformation, possède trois composantes principales [ 16-18] :
- la contrainte intrinsèque, - la contrainte thermique, -la contrainte d'épitaxie.
La dernière composante intervient dans le cas de films monocristallins déposés en épitaxie sur un substrat monocristallin. Elle est issue du désaccord paramétrique entre les deux milieux. Les contraintes intrinsèques quant à elles sont moins bien connues et dépendent probablement de la présence d'imperfections dans la couche mince donc des conditions de dépôt.
11.2.3 Contraintes thermiques
Ces contraintes apparaissent lors de la formation de la couche, par exemple lors du dépôt par évaporation sous vide, ou lors du fonctionnement du circuit dans des environnements thermiques cycliques. Elles peuvent se former au niveau de l'interface couche/substrat ou dans le film. L'existence de ces contraintes est due à la différence des coefficients de dilatation et de température entre le substrat et la couche. Les contraintes thermiques peuvent être déduites de l'expression suivante [5]:
!1a
=
E1 (a5 - af )!1TJ (1-vr)
/1crf: contrainte biaxiale générée dans la couche mince, Ef : le module de Y aung de la couche mince,
af: le coefficient d'expansion thermique de la couche,
30-Chapitre 1 : Les films minces : notions générales, ...
as : le coefficient d'expansion thermique du substrat,
~ T : 1 'écart de température,
uf: le coefficient de Poisson de la couche mince.
Figure 13 : contraintes thermiques dans les couches minces.
Elle peut également se déduire du rayon de courbure de l'ensemble couche/substrat (voir figure 13) et être déduite par l'observation de la déformation de l'échantillon. La contrainte répond alors à l'équation:
Es : le module de Young du substrat, hs : 1' épaisseur du substrat,
hf : 1' épaisseur de la couche mince, R : rayon de courbure mesuré,
uf: le coefficient de Poisson du substrat.
Il apparaît clairement, à travers les équations décrivant les contraintes thermiques, la nécessité de connaître différents paramètres de la couche tels que l'épaisseur ou les modules élastiques afin de déterminer ces contraintes. Ces dernières sont souvent de l'ordre du GPa.
11.2.4 Les défauts liés aux contraintes
Les contraintes thermomécaniques imposées aux films minces formant les interconnexions peuvent engendrer des défauts dans les circuits. Ces défauts ont été observés aussi bien dans les couches diélectriques que dans les lignes de métal conduisant le courant dans les dispositifs. Les principaux défauts qui en résultent sont [8, 19-21] :
Chapitre I : Les films minces : notions générales, ...
- des fissurations, qui apparaissent dans l'épaisseur des films fragiles, aux endroits où la structure est en forte tension,
-des délaminations ou décollements à l'interface entre deux couches,
- des trous ou « voids », qui apparaissent exclusivement dans les lignes et les vias métalliques où la mobilité des atomes est importante et qui sont dus principalement aux mouvements de matière créés pour relaxer la contrainte provoquée par les montées et descentes en température,
- des excroissances ou « hillocks », qui apparaissent à la surface du métal, plutôt orientés verticalement, et qui sont le résultat d'une déformation plastique compressive,
-des mécanismes d'électromigration, qui apparaissent lors du passage d'un courant électrique dans le métal, phénomènes amplifiés par la présence de contraintes.
Tous ces défauts peuvent générer des défaillances sur les produits et remettre en cause le fonctionnement de tout le circuit intégré. C'est pourquoi, il est indispensable d'identifier l'origine des contraintes mécaniques et de mesurer les déformations que subissent les couches mm ces.
11.3 Solutions pour éviter les défauts
Un des avantages qu'ont les couches minces déposées par pulvérisation sur celles déposées par évaporation est leur plus grande densité. Cette plus grande densité, qui s'approche souvent de la valeur de la densité du matériau massif, résulte des énergies plus élevées des particules qui se déposent sur le substrat pour former la couche. Ces couches sont plus dures, plus stables, et souvent d'un relief plus adouci. Les couches moins denses sont perméables à la vapeur d'eau et à d'autres gaz qui peuvent nuire à leurs propriétés mécaniques, électroniques et optiques. Un aspect négatif d'une densité plus grande est 1' augmentation des contraintes intrinsèques. La couche mince idéale devrait avoir à la fois une microstructure dense et de faibles contraintes internes. Ceci peut être rendu possible par une meilleure compréhension entre les paramètres de dépôts et la microstructure des couches minces.
En effet certains paramètres, tels que la température du substrat, doivent faire l'objet d'une attention particulière. Dans le cas de la température, il y a nécessité de rechercher le meilleur compromis entre une température de substrat basse, qui limite la réévaporation du gaz déposé, et une température du substrat élevée, qui réduit le taux d'impuretés déposées
32-Chapitre 1 : Les films minces : notions générales, ...
issues du gaz résiduel ou constitué pour l'essentiel de molécules d'eau et de molécules d'huile de pompage.
Dans certains procédés de fabrication détaillés précédemment (pulvérisation cathodique), les influences de la tension de polarisation et de la température sur les caractéristiques finales des couches minces étaient extrêmement importantes. En utilisant avec discernement ces paramètres, on peut obtenir d'une manière bien contrôlée des couches denses de bonne qualité, y compris sur des substrats qui ne tolèrent pas de températures élevées (polymères par exemple). Les valeurs optimales pour la tension de polarisation et la température des substrats seront déterminées par les valeurs que l'on désire obtenir pour l'adhérence, la dureté, les propriétés électriques et optiques. Chaque nouveau type de dépôt devra faire l'objet d'un certain nombre d'expériences tendant à obtenir des couches stables, denses et imperméables et répondant aux caractéristiques exigées. Ces différentes propriétés peuvent être contrôlées par diverses méthodes de caractérisation qui font l'objet d'une étude succincte au paragraphe suivant.
III Contrôle des couches minces
Les propriétés mécaniques d'un matériau utilisé sous forme de couche mince diffèrent de celles du même matériau massif ou même utilisé sous forme de film épais. Il est donc essentiel de disposer de méthodes de caractérisation adaptées aux films minces.
Les propriétés mécaniques du film dépendent non seulement de sa nature physico-chimique mais aussi du procédé de dépôt, c'est pourquoi il est important de pouvoir étudier les films dans les conditions les plus proches possibles de leur utilisation réelle. Les propriétés mécaniques des films peuvent également être affectées par les autres étapes de fabrication comme les recuits, la gravure et les nettoyages humides, qui introduisent des substances chimiques, et par l'environnement extérieur.
Les techniques de caractérisations des couches minces sont nombreuses et variées. Nous pouvons les classer selon les propriétés à déterminer (électrique, optique, mécanique,
Chapitre 1 : Les films minces : notions générales, ...
111.1 Connaître la composition et l'aspect de la couche mince
L'aspect le plus important d'une caractérisation de couche mmce est sans doute 1' analyse de sa composition. Les méthodes analytiques, classiques avec les matériaux massifs, sont le plus souvent en défaut en raison du peu de matière dont on dispose d'une part, et du manque de précision du profil de composition dans 1 'épaisseur, ou du positionnement des impuretés, d'autre part.
On privilégie les méthodes non destructives d'analyse de surface, susceptibles de détecter une monocouche. La plupart de ces méthodes font appel à 1' excitation de cette surface par un projectile d'énergie précise et à l'analyse des émissions qui en résultent. Le spectre d'énergie émis permet en général d'identifier les atomes émetteurs, tandis que les intensités relatives conduisent au rapport de composition de la zone superficielle examinée.
Différentes méthodes existent dont :
ions émis
~ Auger Electron Spectroscopy (AES).
fais ce au iacid~.>nt
ions ou élt>ekoos réfléchis
photons ~mis
Figure 14: Principe de I'AES.
Le système permet tous les types d'analyse et possède en outre un canon à ions grâce auquel on peut procéder à une érosion couche par couche de la surface et ainsi permettre une connaissance de la structure en profondeur. Cette procédure de caractérisation est évidemment destructive.
~ Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS).
C'est la méthode la plus sensible pour l'analyse de la composition des couches minces. On focalise un faisceau d'ions inertes ou actifs sur la surface ce qui pulvérise progressivement celle-ci à l'état ionisé. Les ions émis sont récupérés par un spectromètre de masse de type quadripolaire ou magnétique.
34-Chapitre 1 : Les films minces : notions générales, ...
défluioo électrostatique
Figure 15: Secondary Ion Mass Spectrometry.
);;> Caractérisation par Microscopie à Force atomique (AFM).
Dans le cas du microscope à force atomique, une force d'interaction existe entre une pointe en nitrure de silicium ou Si02 (de l'ordre d'une dizaine de nm) et l'échantillon. Cette
force est d'abord attractive à longue distance pour devenir ensuite très fortement répulsive lors du contact entre la pointe et la surface. En déplaçant la pointe par rapport à la surface et en maintenant cette force d'interaction à une valeur fixée par l'utilisateur, une image topographique de la surface à l'échelle atomique peut être construite. La pointe est fixée à l'extrémité d'un bras de levier. Un tube en céramique piézoélectrique assure à la fois le balayage de la surface x-y et le contrôle de la position de la pointe par rapport à la surface de 1' échantillon.
