Films minces polycristallins

Microstructure

Les films polycristallins peuvent présenter des microstructures (morphologie et texture) très diverses. Ces deux aspects sont directement liés à la technique d’élaboration, au substrat et à l’historique des traitements thermiques que le film a subi. Films minces polycristallins 2 Chapitre 1. Films minces polycristallins Substrat Les substrats en silicum sont les plus courants compte tenu de leur omnipresence en micro-électronique. Il s’agit de mono-cristal de Si trés purs et présentant très peu de défauts. Ils peuvent être orientés [111], [110] ou [100]. D’autres semiconducteurs sont également courants : Germanium, GaAs… Ces substrats ont une bonne tenue en température et se dilatent peu en comparaison des métaux. Des oxides tel que le sapphire (Al2O3), le MgO … peuvent être également utilisés. Ils sont moins parfait et se dilatent plus en température. La différence de comportement thermique entre le film et son substrat a un rôle prépondérant sur le comportement thermomécanique de l’échantillon (cf §. 1.4). Des substrats dits « mou »(typiquement en polyimide (Kapton)) peuvent également être utilisés. On parle de substrats mous à cause de leur faible module de Young comparé à celui du silicium (dit substrat dur) mais ils peuvent rester théoriquement 1 élastiques jusqu’à 3% de déformation. Cette particularité est trés intéressante pour réaliser des tests de traction et étudier les phénomènes de plasticité des films. Elaboration La manière d’élaborer le film a également une grande importance. Les films sont généralement obtenus par différentes étapes de dépôt sous vide. Les techniques les plus utilisées sont les suivantes : le dépôt CVD (Chemical Vapor Deposition), le dépôt MBE (Molecular Beam Epitaxy), le dépôt par pulvérisation cathodique (Sputtering) … Les variantes sont très nombreuses selon le type de matériaux et les objectifs souhaités. La température de dépôt et la nature du substrat influencent fortement la mobilité atomique en surface des atomes déposés. Cette mobilité atomique joue un rôle essentiel sur la cristallisation, la germination, la croissance de grains … Souvent les films subissent après dépôt des étapes de recuit. Au final, la microstructure est le fruit complexe de tous ces paramétres. C’est pourquoi, il est nécessaire de les caractériser en détail éventuellement en vue d’optiminiser les processus d’élaboration.

Tailles de grains

La microscopie éléctronique à balayage (MEB) est une technique de choix pour étudier les microsctructures. Un faisceau électronique frappe la surface de l’échantillon en incidence normale. Deux modes sont utiles dans le cas d’une étude de structure polycristalline. La détection des électrons secondaires est sensible au contraste topographique de la surface. Les joints de grains peuvent être repérés de cette manière. La détection des électrons rétrodiffusés permet par contraste de canalisation d’être sensible aux orientations des grains. Les deux types d’images peuvent être comparées avantageusement. Par traitement d’images (cf §. 4.1.1) un squelette peut être construit à partir de ces images. On en déduit alors la forme des grains : leurs surfaces Sg et leurs diamètres équivalents Dg = 2qSg π peuvent être déterminés. Une étude statistique 1Dans la pratique, il peut être observé des effets de relaxation (hystérisis sur courbes charge/décharge) quelque soit le domaine de déformation avec des films de Kapton 1.1. Microstructure 3 peut être effectuée en répétant l’opération sur plusieurs zones de l’échantillon. La distribution de taille des grains suit souvent une loi de type log-normale : f(x,µ, σ) = e −(ln x−µ) 2/(2σ 2 ) xσ√ 2π où µ et σ représente la moyenne et l’écart type du logarithme de la variable x représentative du diamétre équivalent des cristallites. 0 2 4 6 8 10 Diametre grain(nm) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Densite de probabilite Mu=0.5 Sigma= 1 Fig. 1.1 – Densité de probabilité pour une loi Log-Normale Les paramétres µ et σ sont alors reliés à la moyenne de Deq suivant la relation e µ+σ 2/2 et la variance suivant (e σ 2 − 1)e 2µ+σ 2 .  Cependant parfois certains phémonènes comme la croissance anormale de grains peuvent faire apparaître une distribution statistique multi-modale. Les grains appartenant à une orientation minoritaire peuvent être beaucoup plus grands que les grains appartenant à l’orientation majoritaire. Enfin, suivant les conditions de croissance (température en particulier), une structure colonnaire pour laquelle les grains ont l’épaisseur du film peut être observée. 1.1.2 Texture des polycristaux Caractériser la texture d’un échantillon revient à caractériser l’orientation cristalline des grains. Il est impossible d’obtenir l’information pour chacun des millions de grains à l’échelle de l’échantillon. Il est possible en revanche d’obtenir soit des informations moyennes soit des informations locales. Notations utilisées Les notations classiques de cristallographie seront utilisées. Soit un cristal décrit par sa maille (~a,~b,~c) : – [uvw] représente un vecteur direction cristalline construite sur u~a + v ~b + w~c – huvwi représente la famille de direction équivalente à la direction [uvw] – (hkl) fait référence au plan coupant les axes (~a,~b,~c) en (1/h, 1/k, 1/l) – {hkl} fait référence à la famille de plan équivalente au plan (hkl) Les notations connexes choisies seront les suivantes 3 : – une réflexion de Bragg sera simplement écrite hkl 2Réciproquement on a les relations : µ = ln(E(X)) − 1 2 ln „ 1 + Var(X) (E(X))2 « σ 2 = ln „ Var(X) (E(X))2 + 1« 3notation assez variable dans la littérature 4 Chapitre 1. Films minces polycristallins – l’orientation d’une famille de grains sera donné par les plans (hkl) parallèles à la surface Projection stéréographique et angles d’Euler La projection stéréographique est très efficace pour repèrer l’orientation d’un cristal par rapport à un système d’axes. Elle permet de représenter la direction d’un vecteur de l’espace dans un graphe plan. Comme illustré dans la figure 1.2, il s’agit de projeter le point d’intersection entre le vecteur direction et la sphère des pôles sur le plan équatorial en utilisant le pôle appartenant à l’hémisphère opposée. Ainsi, une direction est repérée par une inclinaison et un azimuth (ψ, φ). φ ψ φ Fig. 1.2 – Principe de la projection stéréographique A titre d’exemple, un film présentant une texture de fibre h111i est schématisé sur la figure 1.3. Les grains (111) sont majoritaires dans le film. Néanmoins comme le montre la coupe transversale, les directions h111i ne sont pas parfaitement perpendiculaires à la surface et elles montrent une certaine dispersion. Cette dispersion angulaire est communément appelée mosaïcité. En revanche dans le plan du film, les directions cristallines sont aléatoirement réparties. Les directions h1¯10i perpendiculaire aux directions h111i pointent dans toutes les directions du plan (Fig 1.3b). Un grain (100) et une macle (511) ont été rajoutés. Il est possible de représenter cet échantillon à l’aide d’une projection stéréographique d’axe h111i. On parle également de figure de pôle {111} si on représente uniquement les plans de type {111} dans cette projection. Dans le cas du système cubique les normales aux plans {111} sont colinéaires aux directions h111i et chaque grain possède 8 directions de type h111i. Les directions [1¯11],[11¯1] et [¯111] ont une inclaison de 70.53◦ par rapport à la direction [111] et sont séparées en azimuth de 120◦ . Donc pour un grain de type 111, on aura une contibution dans le centre (ψ ≃ 0) de la figure et trois contributions dans un cône à 70.54◦ d’inclinaison. Pour une texture de fibre, le cône est continu puisque les grains sont orientés de manière aléatoire dans le plan du film.