Influence du transport des atomes sur la croissance de la couche métallique

Dans ce chapitre, nous exposerons les résultats de l’étude d’un système particulier en utilisant une configuration spéciale du porte-substrat. L’objectif est d’étudier l’influence du transport des atomes dans la phase gazeuse sur la croissance de la couche métallique inclinée en réduisant le nombre de variables du système de pulvérisation cathodique. Les conditions de travail restent identiques pour chaque dépôt (Al, Cr et Ti). Un seul dépôt sera réalisé pour sept angles d’inclinaison du substrat. Les conditions d’élaboration seront étudiées pour alimenter les logiciels de simulation (SRIM, SIMTRA et Simul3D). La configuration du transport (énergie des atomes, source d’émission, positions des substrats par rapport à la source équivalente, etc.) sera étudiée. Le flux d’incidence sera caractérisé et analysé. Les résultats expérimentaux (analyse structurale, angles d’inclinaison des colonnes, épaisseur, etc.) des dépôts métalliques déposés sur des substrats inclinés seront analysés et comparés aux résultats obtenus par la simulation (SRIM, SIMTRA et Simul3D). Nous présenterons également les résultats d’essais complémentaires obtenus, soit avec la simulation (rugosité et densité de la couche), soit expérimentalement (contraintes résiduelles) pour approfondir et comprendre l’influence des paramètres du transport sur la croissance de la couche. Enfin, une conclusion partielle terminera ce chapitre.

Elaboration des couches d’Al, de Cr et de Ti par pulvérisation cathodique DC

La simulation du système de pulvérisation cathodique (éjection des atomes, transport des atomes de la cible jusqu’au substrat puis croissance de la couche) permet de contrôler et de faire le lien entre les conditions opératoires et certaines propriétés de la couche notamment son épaisseur, l’angle d’inclinaison de ses colonnes, sa densité, sa rugosité, ses contraintes résiduelles, etc. La simulation des trois étapes du procédé de pulvérisation cathodique a été faite en utilisant comme logiciels : SRIM, SIMTRA et Simul3D. Les dépôts ont une microstructure colonnaire orientée (du type « GLAD » : GLancing Angle Deposition) facilitant la comparaison expérimentale-numérique et garantissant des variations de propriétés de la couche. Pour cela, nous avons utilisé la configuration n°2 du porte-substrats (figure V-1) pour cette étude. La taille du porte-substrats (240 x 100) mm² permet de travailler uniquement sur la plage centrale de surface de la cible et d’éviter les zones d’érosion « coin croix » de la cible rectangulaire. Les substrats ont été positionnés au milieu du porte-substrat comme le montre la figure V-1.Le porte-substrat « configuration n°2 » comporte sept orientations de la surface du substrat. Chaque porte-substrat se compose d’une surface inclinée par rapport à la cible d’un angle de α = 0, 85, 15, 75, 30, 60 et 45° du haut vers le bas de la plaque respectivement. On note que l’angle α représente l’angle conventionnel (théorique) entre la normale de la cible et la normale de la surface du substrat. L’ordre de l’angle d’inclinaison des supports de substrat « α » a été choisi pour réduire l’influence de l’effet d’auto-ombrage des porte-substrats entre eux sur la croissance de la couche avec une alternance de l’orientation. La largeur et la longueur des supports du substrat sont 20 et 100 mm respectivement. La distance de séparation entre deux supports a été fixée à 10 mm. Les substrats ont été placés par rapport au centre de la plaque porte-substrat aux positions suivantes : (-90), (-60), (-30), (0), (+30), (+60) et (+90) mm.

Les conditions d’élaboration des dépôts métalliques (Al (cfc, masse molaire = 26.98 g/mol, Tf = 933 K), Cr (cc, masse molaire = 52 g/mol, Tf = 2130 K) et Ti (hexagonal, masse molaire = 47.88 g/mol, Tf = 1933 K)) sont celles décrites dans le chapitre IV, notamment une pression résiduelle dans la chambre d’environ 3. 10-6 mbar et une puissance de travail fixée à 1500 W en DC. En revanche, le temps d’élaboration a été fixé à 17, 19 et 36 minutes pour le dépôt d’Al, de Cr et de Ti respectivement. Ces valeurs ont été déterminées expérimentalement afin d’avoir une épaisseur de dépôt de l’ordre de 1 µm pour un angle d’inclinaison de 85° du substrat par rapport à la cible rectangulaire. Ces valeurs ont été notamment choisies dans le but d’avoir des mesures de contraintes moins influencées par les variations d’épaisseur [192] et pour visualiser facilement les colonnes.