Simulation de la procédure d’élaboration du dépôt physique en phase vapeur

Procédés d’élaboration des couches minces

Dans ce travail de thèse, l’étude est portée sur la réalisation de dépôts d’aluminium, de chrome et de titane dans des conditions d’élaboration identiques que ce soit avec les matériaux purs ou leurs oxydes. Le système de pulvérisation cathodique magnétron KENOSISTEC modèle KS40V-113K12 du LaBoMaP a été utilisé. 

Système de pulvérisation magnétron

Le système de pulvérisation cathodique magnétron est représenté sur la figure II-1. Il a été conçu, réalisé et mis en service dans le but d’effectuer des recherches de dépôt sous vide utilisant la technique de dépôt physique en phase vapeur. Il est composé de deux grandes parties : une partie de commande et d’alimentation et une partie opérative. 

La partie opérative

La partie opérative est constituée d’une enceinte de dépôts et de ses accessoires (pompes, jauges de pression, vannes, lignes de gaz, etc.). Elle est représentée schématiquement par la figure II-2. Figure II-2. Schéma du système de fonctionnement de la machine KENOSISTEC-KS40V-113K12. L’enceinte de dépôts est semi-cylindrique avec un diamètre d’environ 730 mm et une hauteur de l’ordre de 790 mm pour un volume d’environ 340 litres. Le vide est assuré par un système de pompage connecté à la chambre de dépôt. Il est composé de deux pompes : une pompe primaire mécanique Scroll (SCROLLVAC, Oerlikon Leybold Vacuum-SC60D) et une pompe turbo-moléculaire (TURBUVAC MAG integra). La vitesse de pompage de la pompe primaire est de 20 l/s. La pression est contrôlée par une jauge Pirani. Une fois le vide primaire atteint, la pompe turbo-moléculaire, vitesse de pompage de 1700 l/s, prend le relais pour atteindre le vide souhaité contrôlé par une jauge Pirani et une jauge Full range. Ces deux pompes assurent un vide résiduel qui peut atteindre 10-8 mbar. L’ensemble du système est contrôlé par un automate. La chambre de dépôt est équipée de quatre cathodes magnétron rectangulaires planes, situées aux 4 côtés de l’enceinte à 25°, 135°, 225° et 335°. Elles peuvent être polarisées selon les cas en RF, DC et/ou DC pulsé. La taille de la cible qui est autorisée dans la configuration standard du système est de 16″ x 5″, avec une épaisseur allant jusqu’à 7.5 mm. La distance entre la cible et les barres porte-substrats rotatives est de 120 mm. Le porte-substrat est un carrousel planétaire à double rotation, l’une autour d’un axe vertical central et l’autre autour de l’axe vertical de chaque satellite. Le carrousel est connecté à une alimentation électrique ADC4 afin de permettre un nettoyage par plasma des substrats, et de polariser les substrats pendant le dépôt. Un système de chauffage des substrats composé de deux résistances électriques (R1 et R2) contrôlées par des thermocouples (T1 et T2) placés sur les parois de la chambre permet de réaliser des dépôts jusqu’à 400 °C. Si le chauffage n’a pas été utilisé dans ce travail, les thermocouples ont notamment permis de mesurer l’évolution de la température des parois de l’enceinte et du porte-substrats en cours de dépôt. 

La partie de commande et d’alimentation

Le système de commande et d’alimentation est équipé de deux parties : 1- Le système d’alimentation est muni d’un générateur ADC1 (DC-6000 W) connecté à la cathode d’Al, de deux générateurs ADC2 et ADC3 (DC-5000 W) connectés aux cathodes de Cr et Ti. Toutes les parties de la machine (alimentation, gaz, eau de refroidissement, shutter, vannes, rotation de carrousel, etc.) sont pilotées par le système de commande. 2- Le système de commande est composé d’un logiciel de contrôle piloté par ordinateur. Tous les paramètres du processus (variation de la pression déterminée par chaque jauge de pression (mbar), puissances appliquées (W), tensions appliquées (V), courant électrique (A), temps de processus (s), débit des gaz (sccm), températures (°C), vitesse de rotation du carrousel (tour/min), etc.) sont enregistrés automatiquement toutes les 8 secondes.