Logiciels de simulation SRIM, SIMTRA et Simul3D

Ce chapitre s’attache à décrire la méthodologie numérique utilisée dans cette étude. Le logiciel SRIM et son mode de fonctionnement seront présentés plus en détail que dans le chapitre 1. Le paramétrage du programme ainsi que l’analyse des données seront explicités. Les résultats de pulvérisation des trois matériaux, uniques pour la suite de l’étude seront discutés. Ensuite, le logiciel SIMTRA sera détaillé. Nous commencerons par le mode de fonctionnement puis nous étudierons les paramètres d’entrée et de sortie. La détection de particules par une surface dans SIMTRA sera discutée. Ce chapitre se terminera par une description du logiciel Simul3D et les paramètres d’entrée utilisés pour la suite de cette étude seront présentés. Ainsi qu’il a été montré dans le chapitre 1, les outils de simulation numérique permettent d’avoir accès à des informations que des mesures ou un modèle simple n’expliquent pas. Le travail de simulation du procédé de pulvérisation cathodique s’est donc appuyé sur les trois grandes étapes : La simulation du procédé de dépôt complet est un travail en cascade avec les trois logiciels : SRIM, SIMTRA et Simul3D. Les sorties du logiciel SRIM sont une partie des entrées du logiciel SIMTRA et les sorties de ce dernier sont une partie des entrées du logiciel Simul3D. Le traitement des résultats de la simulation SIMTRA est indispensable pour comprendre l’influence de la direction préférentielle et de l’énergie des particules pulvérisées sur la croissance des couches minces. Les résultats de la simulation Simul3D seront comparés aux résultats expérimentaux (microstructure, angle d’inclinaison des colonnes, etc.). Dans ce qui suit, nous présentons les trois logiciels SRIM, SIMTRA et Simul3D.

SRIM [18] [74] [75], Stopping and Range of Ions in Matter, est une collection de logiciels informatiques qui simulent l’interaction des ions incidents avec la matière. Toutes les collisions ion/atome sont traitées par la mécanique quantique. L’arrêt et la distribution des ions dans le solide peuvent être calculés, en principe, dans la gamme d’énergie 10 eV – 2 GeV/uma. Les programmes ont été développés par James F. Ziegler et Jochen P. Biersack dans les années 80. Depuis son introduction en 1985, des améliorations et des corrections importantes sont faites tous les six ans sur la base de nouvelles données expérimentales. Actuellement, plus de 700 citations scientifiques sont faites en relation avec SRIM chaque année. Le programme permet un calcul rapide de l’implantation et de la pulvérisation. Les informations accessibles sont le profil d’implantation de l’ion incident, le rendement de pulvérisation des différentes espèces chimiques et l’échange d’énergie par choc nucléaire et par diffusion inélastique. Les utilisateurs peuvent définir les paramètres initiaux de la cible (matériau, composition, densité) et des ions primaires (nature, énergie et angle d’incidence). Le choix du nombre de particules incidentes permet de définir la qualité statistique de la simulation. Comme pour toute simulation, l’augmentation de cette dernière a pour conséquence l’augmentation du temps de calcul.

Les collisions sont toutes traitées comme des systèmes à deux corps (approximation dite BCA : Binary Collision Approximation); c’est-à-dire que les différents chocs ne sont pas corrélés entre eux. Après un choc, les atomes peuvent subir d’autres collisions. Ce modèle suppose implicitement qu’aucune énergie n’est donnée aux électrons, et plus généralement il ignore toutes les diffusions inélastiques. Le calcul SRIM repose sur plusieurs hypothèses simplificatrices. Tout d’abord, le matériau est considéré comme amorphe, même si la distance moyenne entre les atomes correspond à la distance interatomique du matériau cristallin. SRIM est donc incapable de prendre en compte un quelconque effet de canalisation, ce qui réduit de deux ordres de grandeur la probabilité d’avoir des chocs atomiques. De plus, les atomes sont considérés comme immobiles (le matériau est à 0 K) ce qui met de côté les phénomènes de recombinaison entre, par exemple, un atome déplacé et une lacune. Le taux calculé doit donc être vu comme une borne supérieure de l’endommagement possible causé par le faisceau d’analyse. Cependant les études basées sur des calculs SRIM ont montré de bonnes corrélations entre les rendements de pulvérisation calculés et ceux mesurés ainsi que la distribution angulaire des atomes pulvérisés. Généralement, il est performant quand il s’agit d’étudier l’influence relative d’une quantité expérimentale sur le système. Dans le cas de notre étude, nous avons utilisé le logiciel TRIM (TRansport des Ions dans la Matière), c’est le programme le plus complet inclus dans la version SRIM-2008. TRIM accepte des cibles complexes en matériaux composites avec jusqu’à huit couches toutes de différents matériaux. Il va calculer à la fois la distribution 3D finale des ions ainsi que tous les phénomènes cinétiques associés à la perte d’énergie de l’ion : endommagement de la cible, la pulvérisation, l’ionisation et la production de phonons.