ETUDE DE FILMS MINCES DE SiOx

Ce chapitre est destiné à exposer les principaux résultats de la caractérisation des films minces d’oxyde de silicium élaborés en pulvérisation cathodique magnétron en conditions réactives. Comme dans le chapitre précédent, plusieurs procédés de pulvérisation cathodique réactive seront utilisés pour étudier leurs impacts sur les caractéristiques des films de SiOx. Le but final sera de trouver les conditions de dépôt pour élaborer des couches minces de SiOx ayant les meilleures caractéristiques pour créer des multicouches antireflets, soit trouver un indice de réfraction le plus faible possible. La première partie a pour objectif de rappeler certains travaux marquants des couches minces de SiOx permettant de mieux appréhender les différentes caractéristiques et propriétés obtenues de ces films. Dans la deuxième partie, les différentes couches minces de SiOx seront élaborées en procédé conventionnel (CP) par pulvérisation cathodique réactive. L’étude fera état des différentes caractéristiques et propriétés de ces couches suivant leurs conditions d’élaboration. Dans la troisième partie, les couches de SiOx seront élaborées par pulvérisation cathodique réactive en procédé gaz pulsé (RGPP). Leurs caractéristiques et propriétés optiques seront étudiées. D’après les résultats obtenus sur les films minces de SiNy, cette méthode ne sera probablement pas idéale pour diminuée l’indice de réfraction des films de SiOx. En revanche, la pulvérisation cathodique réactive sous incidence oblique, notée GLAD, sera étudiée dans l’objectif de réduire l’indice de réfraction des couches minces de SiOx. La quatrième partie sera consacrée à l’étude de ces couches suivant deux techniques GLAD. La dernière partie fera l’objet d’une étude structurale théorique du SiO2 pour mieux appréhender les propriétés des couches minces de SiOx à l’échelle nanométrique. Différentes simulations numériques seront effectuées pour mieux comprendre les résultats expérimentaux obtenus.

Etude bibliographique des films minces de SiO2

L’oxyde de silicium à l’état naturel est appelé communément silice. Sa composition chimique est le dioxyde de silicium (SiO2). Il est connu depuis l’antiquité et existe sous différentes formes cristallines ou amorphes ou à l’état combiné dans les silicates. La silice fait partie d’une des familles les plus complexes et abondantes de matériaux, existant dans de nombreux minéraux à l’état naturel mais également couramment synthétisé dans l’industrie. reliés entre eux par l’intermédiaire des sommets « oxygènes ». Le SiO2 possède plusieurs formes cristallines en plus de ses formes amorphes représentées dans la figure 3.2. Les paramètres de maille des structures les plus basiques du SiO2 sont répertoriés dans le tableau 3.1. Les propriétés du SiO2 sont complémentaires de celles du Si3N4. La silice possédant une densité plus faible que le nitrure de silicium, elle engendre des contraintes mécaniques plus faibles mais elle constitue une mauvaise barrière de diffusion des ions et dopants [1]. En revanche, la résistivité (de l’ordre de 1015 à 1016 Ω.cm) et la constante diélectrique élevée (environ 8) de la silice lui confèrent de meilleures propriétés isolantes [76,93]. Comme le Si3N4, le SiO2 est transparent dans les longueurs d’onde du visible mais il possède un faible indice de réfraction de l’ordre de 1,46 pour une longueur d’onde de 633 nm [69,76,94]. Ce matériau apparait donc tout naturellement comme un bon candidat, associé au SiNy, pour réaliser des multicouches antireflets à performances optiques élevées.

Deux séries ont été réalisées en pulvérisation cathodique magnétron par procédé conventionnel pour étudier le comportement des propriétés des films minces de SiOx suivant leurs conditions de dépôt. Le but étant de trouver les paramètres pour lesquelles le film de SiOx aura l’indice de réfraction le plus faible possible tout en restant transparent dans les longueurs d’onde du visible. Comme dans le chapitre précédent, l’indice de réfraction est déterminé par la méthode de Swanepoel [40,41]. Le temps de dépôt des échantillons a donc été calculé pour que leurs épaisseurs soient de l’ordre de 700 nm. Les différents dépôts ont été réalisés sur silicium pour déterminer les caractéristiques fondamentales (composition et morphologie) des couches minces obtenues et sur saphir pour les caractéristiques fonctionnelles (propriétés optiques). Le choix s’est porté sur le saphir car il est transparent dans le visible et son indice de réfraction est de 1,76 à 633 nm. La silice ayant un indice de réfraction d’environ 1,46 à 633nm, le saphir est le substrat idéal pour calculer l’indice de réfraction grâce à la méthode de Swanepoel.