Soutenance mémoire
La fabrication de couches minces est un secteur d’activité en pleine expansion et différentes techniques d’élaboration sont utilisées suivant les enjeux et les propriétés recherchées. On peut distinguer deux grandes catégories de techniques de dépôts [1] : les méthodes physiques telle l’évaporation sous vide ou la pulvérisation cathodique et les méthodes chimiques comme la CVD (dépôt chimique en phase vapeur) ou l’électrodéposition (croissance en phase liquide). Ces dernières, pour leur spécificité et leur relative simplicité de mise en œuvre sont surtout développées dans le secteur industriel. D’un point de vue plus fondamental, les techniques d’évaporation sous vide telle l’Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) [2] sont particulièrement adaptées pour l’étude de la croissance, la description des mécanismes physiques mis en jeu. D’une part elles permettent un contrôle de la croissance des couches minces à l’échelle de la monocouche atomique et, d’autre part, il est possible d’utiliser des techniques fines d’analyses in situ couplées aux appareillages de croissance.
Elaboration en Epitaxie par Jet Moléculaire
Description du bâti
Le bâti d’Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM), de marque Riber, est composé de plusieurs chambres à ultravide interconnectées : la chambre d’introduction des échantillons, la chambre de dépôt et deux chambres d’analyses. Les échantillons sont fixés mécaniquement sur des supports en molybdène, dénommés « molyblocs» et le transfert de ces molyblocs entre les chambres s’effectue à l’aide de cannes magnétiques. L’introduction des échantillons dans le bâti se fait par l’intermédiaire d’un “sas d’introduction rapide”. Pendant cette opération l’ultra vide est préservé dans le corps principal du bâti. Lors des dépôts, le maintien de l’ultra vide dans la chambre d’évaporation est assuré par une pompe ionique et un sublimateur de titane ; la pression de base est alors 10⁻¹¹ torr (10⁻⁷ Pa). La chambre d’introduction est équipée d’un four utilisé pour dégazer les substrats avant dépôt.
La chambre de dépôt
La chambre de dépôt est équipée de deux évaporateurs à bombardement électronique comportant différentes charges dont Cu, Ni, Fe, Pd, Pt et Au. L’utilisation de deux évaporateurs permet notamment de réaliser des codépôts ou des multicouches nécessitant l’utilisation de deux charges. Pour homogénéiser la surface des charges et obtenir un flux de matière constant, il est possible d’effectuer un balayage du faisceau d’électrons sur les charges pendant le dépôt, grâce à un système de déflexion magnétique. En condition de dépôt, l’échantillon est placé sur un manipulateur situé au centre de la chambre. Les charges sont situées à une distance de 300 mm de l’échantillon ; l’angle d’incidence des flux atomiques sur la surface de l’échantillon est de 20°. Dans ces conditions, le flux de matière sur la surface de l’échantillon est homogène.
Les flux de matière sont mesurés et réglés par deux balances à quartz. En calibrant les flux avant chaque nouveau dépôt, la précision obtenue sur la composition de l’alliage déposé peut atteindre quelques pourcents. La méthode de calibrage des flux consiste à déposer les éléments purs, c’est à dire par exemple du fer ou du cuivre, et à mesurer la période des oscillations RHEED, qui donne la vitesse de dépôt en nombre de couches atomiques déposées par seconde. Le manipulateur est équipé d’un four qui permet d’effectuer des dépôts en température, jusqu’à 700°C. Le chauffage se fait par rayonnement grâce à un filament chauffé par effet Joule et placé sous la surface du molybloc sur lequel est fixé le substrat. Le four a été au préalable calibré à l’aide d’un thermocouple collé sur la surface libre du molybloc. La précision sur la température est estimée à ± 20 °C. Un cache motorisé peut être avancé devant l’échantillon en cours de dépôt pour permettre notamment l’élaboration d’échantillons à gradient d’épaisseur ou « échantillons coins ». La chambre de dépôt est également équipée d’un spectromètre d’électrons RIBER CAM permettant de caractériser les dépôts par spectrométrie Auger (AES).
Les chambres d’analyse
Deux chambres distinctes connectées au bâti de croissance permettent de disposer de techniques de caractérisation structurales et chimiques des surfaces :
– La première est équipée d’un spectromètre d’électrons RIBER MAC2 permettant d’analyser les électrons Auger et les photoélectrons par les techniques AES et XPS.
– La seconde est équipée d’un microscope à champ proche pouvant fonctionner en mode tunnel (STM : Scanning Tunnel Microscopy) ou force atomique (AFM : Atomic Force Microscopy) qui nous renseigne sur la morphologie de la surface à l’échelle sub-nanométrique.
Description de la technique RHEED
La chambre de dépôt est équipée d’un système de caractérisation RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction). Un faisceau d’électrons de haute énergie (dans notre cas 40 KV) est focalisé sur la surface de l’échantillon et réfléchi sur un écran fluorescent . L’incidence du faisceau est rasante avec un angle typiquement de 1° à 5°. Le signal mesuré provient donc essentiellement de la surface de l’échantillon, plus précisément des premières couches atomiques. Si la surface de l’échantillon est cristalline, nous observons sur l’écran fluorescent un diagramme de diffraction. L’étude de ce diagramme suivant plusieurs azimuts permet de déterminer la relation d’épitaxie de la couche mince sur son substrat. De plus la forme de ce diagramme, qui est constitué soit de taches, soit de lignes donne une indication sur la rugosité de la surface .
Dans le cas d’une surface monocristalline idéalement lisse, le réseau réciproque est constitué de tiges très fines et leur intersection avec la sphère d’Ewald conduit à un diagramme formé de taches de diffraction placées sur un arc de cercle . Cependant, dans la réalité, les tiges de diffraction du réseau réciproque sont élargies. Ceci résulte principalement de la qualité cristalline imparfaite de l’échantillon. En conséquence, expérimentalement, le diagramme de diffraction d’une surface lisse est constitué le plus souvent de tiges . Si la surface est très rugueuse, c’est à dire constituée d’îlots, on obtient un diagramme de diffraction en transmission d’objets tridimensionnels, c’est à dire des taches de diffraction .
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : CROISSANCE DE COUCHES MINCES EN EPITAXIE PAR JETS MOLECULAIRES (EJM)
I.1 Introduction
I.2 Elaboration en Epitaxie par Jet Moléculaire
I.2.1 Description du bâti
I.2.2 La chambre de dépôt
I.2.3 Les chambres d’analyse
I.2.4 Description de la technique RHEED
I.3 Les mécanismes de croissance
I.3.1 L’épitaxie
I.3.2 Les modèles de croissance
I.3.3 Les mécanismes de relaxation
CHAPITRE II : CROISSANCE DE CU SUR SI(001) HYDROGENE
II.1 Introduction
II.2 Le système Cu-Si : généralité et état de l’art
II.2.1 Le système Cu-Si
II.2.1.1 Phases et structures
II.2.1.2 Diffusion du cuivre
II.2.1.3 Réaction d’interface dans le système Cu/Si
II.2.2 La croissance de Cu sur Si : revue bibliographique
II.2.2.1 Croissance sur Si(111)
II.2.2.2 Croissance sur Si(110)
II.2.2.3 Croissance sur Si(001)
II.2.2.4 Effet de l’hydrogénation de la surface Si(001)
II.3 Elaboration des échantillons par Epitaxie par Jet Moléculaire
II.3.1 Préparation des substrats Si(001)
II.3.1.1 Les différents modes de préparation
II.3.1.2 Préparations des substrats pour cette étude
II.3.2 Contrôle par RHEED de la croissance du cuivre à température ambiante
II.3.2.1 Croissance de Cu sur Si(001)-(2×1)
II.3.2.2 Croissance de Cu sur Si(001)- (1×1)-H
II.3.2.3 Croissance de Cu sur Si(001)-(2×1)-H
II.3.2.4 Indexation des diagrammes RHEED observés sur Si(001)-(2×1)-H : mise en évidence de la formation d’un siliciure épitaxié
II.3.3 Conclusion
II.4 Caractérisation de l’interface Cu/Si(001)
II.4.1 Caractérisation de l’interface Cu/Si par Spectrométrie d’Electrons Auger
II.4.1.1 Spectrométrie Auger sur un échantillon coin Cu/Si(001)-H (hydrogéné)
II.4.1.2 Spectrométrie Auger sur un échantillon coin Cu/Si(001) non hydrogéné
II.4.1.3 Comparaison Si(001)-H et Si(001) non hydrogéné
II.4.2 Caractérisation de l’interface Cu/Si(001) par TEM
II.4.2.1 Préparations des lames minces
II.4.2.2 Vue plane sur 20 nm Cu / Si(001)
II.4.2.3 Vue transverse HRTEM sur 80 nm Cu / Si(001)
II.4.3 Caractérisation de l’interface Cu/Si(001) par diffraction de rayons X en incidence rasante
II.4.3.1 Principe de la diffraction X en incidence rasante
II.4.3.2 Protocole expérimental
II.4.3.3 Identification de la structure de l’interface
II.4.3.4 Evolution des spectres en fonction de l’épaisseur de cuivre
II.4.4 Discussion et Conclusion
II.5 Etude de la morphologie de croissance de Cu sur Si(001) hydrogéné
II.5.1 Caractérisation de la morphologie de surface par STM
II.5.2 Caractérisation de la morphologie de la couche Cu par TEM
II.5.3 Discussion et conclusion
II.6 Conclusion sur la croissance de Cu sur Si(001)
CHAPITRE III : CROISSANCE DE SYSTEMES METALLIQUES A ANISOTROPIE MAGNETIQUE PERPENDICULAIRE SUR SI(001) : CU/NI ET ALLIAGE ORDONNE FEPD
III.1 Introduction
III.2 Système Cu / Ni épitaxié sur Si(001) : interdiffusion et magnétisme
III.2.1 Introduction au système Cu/Ni et aux propriétés magnétiques
III.2.1.1 Caractéristiques du système Cu-Ni en volume
III.2.1.2 Multicouches Cu(001)/Ni/Cu, un système à Anisotropie Magnétique Perpendiculaire (AMP)
III.2.2 Ségrégation de surface et ségrégation dynamique
III.2.2.1 Ségrégation superficielle
III.2.2.2 Ségrégation dynamique
III.2.3 Elaboration d’échantillons pour les mesures Auger
III.2.4 Caractérisation par spectrométrie Auger de l’interface Cu/Ni
III.2.4.1 Gamme d’énergie 780-950 eV
III.2.4.2 Gamme d’énergie 20-100 eV
III.2.5 Modèle de ségrégation dynamique
III.2.5.1 Application du modèle de ségrégation au système Cu/Ni
III.2.5.2 Application du modèle de ségrégation au système Cu/1 MC Au/Ni
III.2.6 Interdiffusion et propriétés magnétiques
III.2.6.1 Mesures magnétiques : Réflectivité de Neutrons Polarisés (PNR)
III.2.6.2 Discussion
III.2.7 Conclusion
III.3 Alliage ordonné épitaxié sur Si(001) : Croissance et propriétés magnétiques
III.3.1 Structure et ordre chimique des alliages L10-FePd
III.3.2 Etat de l’art des couches minces de FePd (FePt)
III.3.3 Croissance par EJM de couches minces FePd sur Si(001)
III.3.3.1 Choix d’une couche tampon
III.3.3.2 Croissance de l’alliage ordonné L10-FePd
III.3.4 Propriétés structurales et Magnétiques
III.3.4.1 Microscopie électronique
III.3.4.2 Diffraction de rayons X
III.3.4.3 Propriétés magnétiques
III.3.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
