Description d’une expérience de dépôt 

Protocole de déposition

Les machines utilisées sont des machines d’évaporation Balzers, BAK 760, instrumentées par des capteurs pour caractériser le dépôt (vitesse de dépôt, pression de gaz résiduel, etc.) et mesurer les propriétés des films in situ (contraintes intrinsèques), pendant leur croissance. L’intérieur de la machine est présenté sur la figure 5.1. On peut identifier 3 ensembles fonctionnels : — Le système de dépôt, composé du carousel (porte substrat hémisphérique) et de l’ensemble des éléments de vaporisation. Ces éléments comprennent un creuset à effet Joule, un creuset pour la vaporisation par canon à électrons (la tension aux bornes du canon est de 6 keV) et des caches pivotant qui sont utilisés pour faire écran aux particules vaporisés quand les sources sont en fonction. — Le système de pompage, qui comprend une pompe à vide et un piège froid (tuyaux parcourus par un liquide froid). — Un ensemble de capteurs, permettant de caractériser à la fois les conditions de l’expérience (pression totale et température dans l’enceinte, vitesse du dépôt,…) et aussi les propriétés du film déposé (contraintes intrinsèques, masse déposée, épaisseur du dépôt). Le protocole de dépôt se déroule selon la séquence suivante : 1. Les substrats sont positionnés sur le carousel et les matériaux sources dans le creuset où ils seront vaporisés. 2. La pompe à vide est mis en route jusqu’à ce que la pression dans l’enceinte ait atteint la valeur cible. Elle reste active pendant le dépôt. 3. Selon les cas, un nettoyage des substrats peut être réalisé en les bombardant par exemple avec un faisceau ionique d’Ar+ . 4. Le système d’évaporation (effet Joule ou canon à électrons) est mis en route, avec le cache audessus de la source. En même temps le piège froid est activé. Dans le cas du canon à électrons, le faisceau a un diamètre de l’ordre de 1 mm, il balaye la source sur une aire ≃ 5 cm2 en dessinant un 8 à une vitesse inférieure à 1 s par cycle (soit ≃ 50 mm· s−1 ). Sans ce balayage, les propriétés des films ne sont pas reproductibles, sans qu’on sache bien pourquoi. 5. Le cache est enlevé et le dépôt commence. Une sonde à quartz positionnée sur l’axe du carousel enregistre la masse déposée par unité de surface. Cette mesure est utilisée pour asservir utilisée pour les expériences présentées dans ce chapitre. La distance entre la source et le substrat est de l’ordre de 70 cm. 1 : Emplacement du carousel (calotte hémisphérique sur laquelle les substrats sont disposés). 2 : Orifice d’entrée de la pompe à vide. 3 : Piège froid (ensemble de tuyaux parcourus par un liquide à basse température (. −100 ◦C). 4 : Cache pivotable. 5 : Creuset pour les sources vaporisées par canon à électrons. 6 : Creuset à effet Joule. la puissance de fonctionnement du système de vaporisation de façon à maintenir la vitesse de dépôt constante. 6. Une fois que le dépôt est terminé, le système d’évaporation est éteint et le cache est repositionné au-dessus de la source. 7. Le piège froid est progressivement remis à température ambiante pour limiter la condensation de l’eau lors de la remise à l’air. 8. L’enceinte est ouverte. La mesure de masse m, et donc de flux de masse déposée φm, est reliée à la vitesse de croissance v selon : v = φ ρ (5.1) où ρ est la densité du film, qui ne peut être déterminée qu’après la mise à l’air, et donc ex situ. En pratique, l’expérimentateur fixe une consigne de flux de masse. S’il vise une vitesse de croissance donnée et ne connaît pas la densité des films qu’il va déposer, il doit procéder par essais et erreurs pour déterminer quel flux correspond à la vitesse visée. Une autre difficulté existe : la sonde à quartz d’asservissement n’est pas placée exactement au même endroit que les substrats, si bien que le flux de masse qu’elle enregistre peut être très légèrement différent du flux de masse sur le film. En pratique, une autre sonde est placée à côté des substrats et est utilisée pour mesurer la vitesse de croissance. Pour illustrer le protocole de dépôt, on représente sur la figure 5.2 l’évolution en fonction du temps  FIGURE 5.2. Évolution des paramètres de process lors d’un dépôt de silice par canon à électrons. Le flux de masse (φ) est mesuré à l’aide de la sonde à quartz placée sur l’axe du carousel. d’un ensemble de paramètres process mesurés pendant un dépôt de silice par vaporisation par canon à électrons. Le temps reporté sur l’axe des abscisses correspond à la durée qui s’est écoulée à partir de la fin de l’étape 2 (voir description des étapes du dépôt ci-dessus). Sur la figure du haut, on reporte le flux de masse cible (à un facteur multiplicatif près) et l’intensité du faisceau d’électrons bombardant la source. Sur la figure du bas, on reporte la pression de gaz résiduel et la température dans l’enceinte. Les numéros en rouge sur les deux figures correspondent aux étapes du protocole décrit précédemment. La pression dans l’enceinte à la fin de l’étape 2 (mise sous vide), appelée pression de base, est ici constante et égale à ≃ 3· 10−7 mbar. Ensuite, le canon à ions d’Ar+ est mis en route (étape 3) et la pression augmente très vite jusqu’à 10−4 mbar. Cette étape s’accompagne d’une baisse de la température, due à la mise en marche du piège froid. L’arrêt – 94 – Chapitre 5 – Nouvelles expériences et conséquences physiques du canon à ions est marqué par la chute de la pression, qui rejoint presque le niveau de base. Le canon à électrons est alors activé : on peut le voir en regardant l’intensité du faisceau émis Ie− , qui passe de 0 à environ 40 mA. L’activation du canon provoque une augmentation de la pression, due à l’éjection dans l’enceinte des produits de la vaporisation de la silice. Une fois que l’intensité a atteint 40 mA, le cache est pivoté et le dépôt commence (étape 5). Dans le temps où le flux de masse passe de zéro à la valeur cible, la boucle d’asservissement fait augmenter rapidement la puissance de la source, ce qui résulte en un pic d’intensité. Ce pic est accompagné d’un pic de la pression, qui diminue ensuite pour atteindre rapidement une valeur stable : Pdépôt = 7· 10−6 mbar. Lorsque le canon est arrêté (étape 6), la pression chute d’abord très rapidement puis continue de diminuer vers son niveau de base. Avant l’ouverture, le piège froid est remis progressivement à température ambiante (étape 7). Cela provoque l’augmentation lente (limitée par l’inertie thermique de la machine) de la température dans l’enceinte.

Quelle est la composition du gaz dans l’enceinte ?

Sur la figure 5.2, on voit que lorsque des sources de gaz (canon à ions, à électrons) sont mises en route, la pression augmente, puis que, après extinction de ces sources, elle chute rapidement vers la valeur de base Pbase = 3· 10−7 mbar. Pour comprendre cette évolution, rappelons (voir chapitre 1) que lorsque la pompe fonctionne le nombre d’atomes N dans une enceinte suit une équation du type : dN dt = −λ(t)N(t) +N˙ 0(t) (5.2) où λ > 0, λ n’est pas constant pendant la mise sous vide parce qu’il dépend de la pression et de la composition du gaz résiduel. N˙ 0 est le taux de particules introduites dans l’enceinte à cause des fuites (on l’appelera ici le taux de fuites) : joints, vis, pompe, dégazage des parois de l’enceinte. Le dégazage (désorption de particules adsorbées sur les surfaces de l’enceinte) est particulièrement important (voir chapitre 1). Le taux de dégazage d’une espèce dépend de sa pression partielle et de la durée du pompage (ce qui explique que N˙ 0 dépende du temps). Il devient de plus en plus faible à mesure que la pression diminue. En dessous d’un certain seuil de pression, N˙ 0 devient constant sur le temps de l’expérience. On comprend donc que la pression de base sur la figure 5.2, obtenue après plus de 12 heures de pompage, reste constante au cours du temps : le niveau de pression a alors atteint le seuil auquel le nombre de particules pompées par unité de temps est égal au taux de fuites, ce taux n’évoluant plus sur le temps de l’expérience. Ensuite, la vaporisation de la source revient à ajouter une fuite de taux constant, dont la valeur définit la pression Pdépôt. Pour finir, quand la source n’est plus vaporisée, le taux de fuite revient à son niveau de base, comme le montre la chute de pression vers Pbase. Sur la base de ces observations, on va considérer que les espèces présentes pendant le dépôt sont celles à l’issue du pompage, auxquelles s’ajoutent celles provenant de la vaporisation de la source. On suppose aussi que le gaz est un mélange de gaz parfaits, si bien que Pdépôt = Pbase +Psource. On ne connaît pas la composition du gaz résiduel. Comme on l’a vu au chapitre 1, le gaz contient probablement majoritairement de l’eau, du dioxygène, du dihydrogène et des hydrocarbures. On considèrera que c’est un gaz parfait de particules de masse molaire Mbase = 20 g·mol−1 . Pour les particules issues – 95 – Chapitre 5 – Nouvelles expériences et conséquences physiques de la source, on ne connaît ni la forme chimique sous laquelle elles sont vaporisées ni la forme sous laquelle elles sont présentes dans l’enceinte (décomposition, adsorption de certaines espèces sur le piège froid ou sur les parois de l’enceinte,…). Dans la suite, on supposera que les espèces issues de la source (de SiO2 ici ou de SiO dans la section suivante) qui contribuent à la pression totale sont les mêmes que celles qui forment le gaz à l’équilibre avec la phase condensée de la source. Ainsi pour la silice, on supposera que deux tiers sont des SiO et un tiers des O2 ; pour le monoxyde de silicium, on considérera que toutes sont des SiO. Pour finir, lorsque du gaz est ajouté dans l’enceinte, il est introduit selon un débit asservi sur la mesure de pression totale. On considèrera alors que Pdépôt = Pbase +Psource +Pajouté.