ETUDES ET TECHNIQUES D’ELABORATION DES COUCHES MINCES

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Les différents types de cristaux

Lorsque plusieurs atomes sont en présence, ils exercent les uns sur les autres, et simultanément, des forces d’attraction et des forces de répulsion. Les premières se manifestent pratiquement jusqu’à une distance d’environ trois diamètres atomiques. Les secondes ne se manifestent qu’aux très faibles distances et expliquent les difficultés que l’on rencontre pour comprimer la matière dans son état condensé, liquide ou solide.
Ainsi, la constitution d’une molécule peut se présenter suivant plusieurs cas selon l’intensité de la force qui agit sur elle :
– Les forces de liaison sont épuisées par la cohésiond’un nombre très limité d’atomes (cas de l’atome d’oxygène qui va se groupeen deux pour former un atome biatomique à la température ambiante…)
– Les forces de liaisons ne sont pas totalement épuisées au sein de la molécule mais assurent également la cohésion de ces dernières avec une plus ou moins grande intensité (cas de nombreuses substances organiques).
– Les liaisons atomiques peuvent s’étendre à un nombre quelconque d’atomes qui constitue ainsi une gigantesque molécule (cas des métaux).
De plus, la nature de ces forces de liaison conduit à classer ces dernières en trois catégories :
– Les liaisons homopolaires qui se manifestent entre atomes semblables qui, lorsqu’ils sont suffisamment rapprochés, mettent leurs électrons périphériques en commun. Ainsi se forme une barrière de potentiel qui contient les ions positifs constitués par les restes des atomes emprisonnés.
– Les liaisons métalliques qui constituent la généralisation du cas précédent;il s’agit donc d’une liaison homopolaire sauf que les atomes d’une masse quelconque de matière mettent leurs électrons périphériques en commun.ces dernières évoluent librement entre les ions positif pour lesquels ils constituent un véritable liant.
– Les liaisons hétéropolaires ou ioniques ou de valencequi elles, résultent de la tendance au remplissage de la couche extérieure ; ainsi se lient des éléments de valences différentes.
Autrement dit, les forces de liaison sont donc essentiellement de nature électrodynamique et électrostatique. [1]
On peut envisager quatre catégories de cristaux fondées sur la nature de l’interaction qui assure la cohésion du système, donc sur la nature chimique des motifs du système, indépendamment de l’agencement géométrique de ceux-ci. [7]

Cristaux ioniques

La liaison ionique résulte de l’attraction électrostatique entre ionsde charges opposées et de répulsion à courte distance. C’est neu liaison non orientée. Lorsqu’on a une très forte polarisation dans une liaison de covalence, cela tend alors vers un état se rapprochant de la liaison ionique. Dans ces structures, il n’est pas possible d’isoler une molécule individualisée, mais la répartition des nsio est telle que l’ensemble du cristal est électriquement neutre. Le motif est alors un ensemble d’ions également électriquement neutre.[3][7]

Cristaux covalents

Un cristal covalent est un cristal dans lequel la cohésion du système est assurée par des liaisons de covalence directionnelles entre les atomes. Cette liaison résulte de la mise en commun de paires d’électrons entre deux atomes. Elle est très forte et rigide et est de plus dirigée, car les orbites des électrons e superposent autant que possible. Dans le cas de ces cristaux covalents, les nœuds du rése au cristallin sont occupés par des atomes identiques ou des atomes différents (ou groupements d’atomes). On peut distinguer deux types de cristaux covalents suivant la nature de l’édifice :
– structure tridimensionnelle que l’on peut considérer comme une macromolécule se développant dans les trois directions de l’espac.
– structure en feuillet dans lesquelles on peut grouper les atomes en plans. [3][8]

Cristaux métalliques

Dans cette structure, la cohésion est assurée par esd liaisons covalentes délocalisées ce qui signifie que le système est constitué d’un assemblage périodique d’atomes donc il n’y a pas de molécules individualisées, mais la nature de la liaison est très différente de ce qui est observée dans les systèmes covalents. L’état métallique est caractérisé par tout un ensemble de propriétés physiques et est parmi les plus compacts. Il présente une aptitude particulière à la conduction de la chaleur et de l’électricité, un éclat particulier, une densité élevée et quelquesropriétés mécaniques remarquables :
– dureté: résistance à la pénétration et à l’usure,
– ténacité: résistance à la rupture sous l’action d’une force de traction,
– malléabilité: aptitude à se laisser déformer, par exemple par laminage,
– ductilité: aptitude à se laisser étirer en fils.
Une autre façon de décrire le système est de considérer qu’aux nœuds du réseau sont disposés des ions positifs. Les électrons de alencev sont délocalisés sur l’ensemble des motifs et forment ce qui est baptisé usuellement un gaz d’électrons. La liaison métallique résulte ainsi de l’interaction coulombienne électrostatique entre les électrons libres et les charges positives des cations métalliques. En conséquence, tant la nature de l’interaction que les caractéristiques géométriquesdu système sont responsables des propriétés particulières des métaux. [3][7]

Cristaux moléculaires

Les cristaux moléculaires sont des assemblages de molécules qui gardent leur individualité au sein du cristal, à la différence des cristaux métalliques, ioniques et covalents. C’est une association de molécules neutres. La liaison moléculaire vient des interactions électrostatiques faibles, du type Van der Waals, assurant la cohésion de l’édifice, dont la densité est alors plutôt faible.Ces interactions sont modélisées par l’interaction entre les électrons d’une molécule etles noyaux d’une autre. [2][7][8]
Exemple : H2O (glace), CO2, I2 (solide).

Généralités sur la croissance cristalline

Terminologies et généralités

Une monocouche, MC, est définie par la densité d’atomes nécessaires laà constitution d’un plan atomique complet d’un monocristal massif. Cette unité dépend donc du type de matériau et de l’orientation du plan à constituer. L’intérêt de cette unité est qu’elle indique la quantité de matière indépendamment de la dimension de la surface à constituer.[3]
Le taux de couverture, θ, exprime la quantité de matière déposée par unité de surface de l’échantillon.[3]
L’épitaxie, du grec épi, « sur », et taxis, « arrangement » est le phénomène d’orientation mutuelle de cristaux de substances différentes, dû à des analogies étroites d’arrangement atomique dans leur face commune. [5] ce qui signifie que lorsqu’on fait croître une couche de matériau sur un substrat, la structure de la couche est orientée par le substrat. Autrement dit on appelle croissance épitaxiale ou épitaxie, le processus de formation d’une couche cristalline sur un substrat monocristallin avec identité et prolongement des deux réseaux cristallins c’est-à-dire le processus de formation d’une couche cristalline orientée.
On distingue deux procédés d’épitaxie l’homoépitaxie: et l’hétéroépitaxie. L’homoépitaxie consiste en la croissance de couches monocristallines à partir d’un substrat, dont elle ne diffère que par la teneur en impuretés ; de ce fait, elle est généralement utilisée pour obtenir un film cristallin plus pur que ne l’est le substrat. L’hétéroépitaxie,elle, réside dans la croissance de couches monocristallines sur des monocristaux de nature différente.
La croissance épitaxiale exige de réaliser des conditions assurant la condensation de la substance à déposer sur la surface du substrat. [9]

Modes de croissance cristalline

Le processus de cristallisation, c’est-à-dire le processus de création d’un cristal, comporte deux étapes. La première est la germination, terme désignant l’apparition d’une phase cristalline solide, le germe, à partir d’une phase liquide ou gazeuse. La seconde étape est la phase de croissance cristalline, processus par lequel les cristaux vont croître après germination. Cette croissance peut être naturelle ou artificielle.
Il existe plusieurs procédés industriels de croissance des cristaux dont l’épitaxie qui regroupe l’ensemble des techniques dans lesquelles on fait croître un film cristallin sur un substrat préalablement formé. Ce qui nous permet de commenter les différents modes de croissance cristalline existants. [10]
La croissance est par définition un processus hors d’équilibre. En effet, à l’équilibre thermodynamique, les processus microscopiques s’annulent. L’état final de la croissance est influencé par la cinétique. En fonction des conditions de dépôt, certains processus microscopiques sont cinétiquement limitésou inversement un équilibre thermodynamique local est atteint. On parle alors d’une croissance localement à l’équilibre thermodynamique de surface. Dans ce cas, on peut traiter les résultats de la croissance à partir des considérations thermodynamiques.[3]
Selon les cristaux que l’on essaie de faire pousser, on peut observer :
– Le mode de croissance 2D ou Frank-van der Merwe
– Le mode de croissance 3D ou Volmer-Weber
– Le mode de croissance 2D/3D ou Stranski-Krastanov
Ces modes de croissance sont schématisées sur la figure Fig 1.4.2.1.
Si nous raisonnons en fonction du terme de taux de couverture en monocouche
, les différents modes de croissance seront illustrés selon la figure Fig 1.4.2.2 . [3]

Mode de croissance 2D ou Frank-van der Merwe

Dans ce mode de croissance, les adatomes vont s’étaler de façon à recouvrir l’intégralité du substrat ou de la couche monoatomique précédente. Ce qui signifie que l’adsorbat mouille le substrat. Le remplissage d’une deuxième ne commence que lorsque la couche juste en dessous de celle-ci soit entièrement complétée. La croissance est donc bidimensionelle d’où le suffixe 2D. Il se rencontre généralement dans le cas où l’adsorbat et le substrat sont de même nature chimique: homoépitaxie. [3][10] (voir Fig1.4.2.1. (a)).
Ce mode de croissance donne lieu à l’observation des oscillations de Rheed

Mode de croissance 3D ou Volmer-Weber

Pour ce cas, les adatomes vont se regrouper et former des agrégats ou îlots. Donc les cristaux isolés nucléés (adatomes) s’empiètent et fusionnent sur le substrat pour former un film continu.[12] Ainsi, l’adsorbat ne mouille pas le substrat et les atomes se développent directement sur la surface etcroissent pour former des îlots 3D. Ce mode de croissance peut être exploité pour réaliser des nanostructures. En effet, presque tous les matériaux polycristallins et les films épitaxiaux subissent ce processus de croissance. Ce mode de croissance nous ramène à une structure tridimensionnelle d’où le suffixe 3D. [3][10] (voir Fig 1.4.2.1. (b))

Mode de croissance 2D/3D ou Stranski-Krastanov

Ce mode de croissance est le cas intermédiaire entre le mode 2D et le mode 3D. Il se présente comme suit : après dépôts de quelques monocouches d’un matériau fortement contraint sur un substrat, présentant unfort désaccord de maille, on observe la formation d’îlots. La surface libre ainsi créée permet de relaxer les contraintes élastiques accumulées. Si l’on poursuit le dépôt on observe une coalescence des îlots et, de nouveau, une surface lisse. [11] Le film commence par pousser selon le mode couche par couche de Frank-van der Merwe, mais à partir d’une certaine épaisseur, la croissance devient du type Volmer-Weber et ainsi des îlots se forment. On passe donc d’une mode de croissance bidimensionnelle à une mode de croiss ance tridimensionnelle d’où la notation 2D/3D. L’épaisseur critique à laquelle se produit le basculement d’un type de croissance à un autre dépend des propriétés physico-chimiques du film et du substrat. Il est donc à noter que le désaccord de maille entre les deux va jouer un rôle important tout comme l’écart entre les tensions de surface.[10] (voir Fig 1.4.2.1. (c))

Paramètres de croissance cristalline

Plusieurs paramètres conditionnent le mode de croissance d’un adsorbat A sur un substrat S à savoir les énergies de surface et d’interface, les paramètres des mailles.
Soient γA l’énergie de surface de l’adsorbat A,γS celle du substrat S, et γint l’énergie de formation d’une interface entre A et .S La variation de l’énergie de formation d’une couche de A sur S est donnée par: γ A/S = γA – γS + γint
Le signe de γ A/S détermine le mode croissance de l’adsorbat A sur el substrat S.
– Si γ A/S < 0, la formation d’une couche continue de A sur S est favorable
et on a une croissance couche par couche du type Frank-van der Merve.
– Si γ A/S > 0, on a une croissance tridimensionnelle du type Volmer- Weber n’existe pas de réseau de coïncidence entre l’adsorbat et le substrat (les cercles du bas représentent les atomes du substrat), (b) et (c) commensurable où, soit le réseau de l’adsorbat coïncide avec celui du substrat, soit seule une fraction d’atomes de l’adsorbat est localisée sur les sites de haute symétrie du substrat.
Les paramètres de maille jouent aussi un rôle important dans le mode de croissance cristalline. Soient a le paramètre de maille de l’adsorbat A et b celui du substrat S. Suivant les valeurs du désaccord paramétrique entre A et S, on aura, outre les trois modes de croissance cités ci-dessus, des croissances commensurables ou incommensurables.
– Si a = b ou b = (p/q).a, où p et q sont des entiers, on a une croissance commensurable (Fig.1.4.3.1(b,c))
– Si a ¹ b et si l’interaction entre le substrat et l’adsorbat et faible, on a une croissance incommensurable. Si par contre cette interaction est très forte, l’adsorbat est contraint d’ajuster son paramètre demaille avec le substrat et on a une croissance commensurable. Ce dernier cas peut conduire au mode de croissance Stranski-Krastanov (mode intermédiaire entre les modes de croissance 2D et 3D). En effet, auprès de la surface du substrat, l’adsorbat croît d’abord couche par couche due aux contraintes engendrées par la forte interaction entre les deux matériaux. Mais à une certaine distance de cette surface, l’influence du substrat est négligeable et l’adsorbat adopte une structure cristalline d’équilibre qui peut être différente de celle du substrat. Cette transformation peut entraîner une croissance tridimensionnelle.
D’une manière générale, la présence de contraintesàl’interface adsorbat-substrat tend à empêcher une croissance couche par couche. [3]

Mécanisme de croissance cristalline

Plusieurs mécanismes, au niveau atomique, interviennent lors de la croissance de couches d’adatomes sur un substrat. Les principaux mécanismes, qui sont à la base de la croissance cristallin, sont illustrés sur la figure1.4.4.1.
(1) Des atomes arrivent d’une phase vapeur sur la surface du substrat.
(2) Ces atomes peuvent diffuser sur la surface en fonction de leurs énergies.
(3) Les adatomes qui diffusent forment, en fonction de leur densité et des énergies de liaisons, des agrégats 2D ou 3D.
(4) Lors de leur diffusion, ces adatomes peuvent aussi s’incorporer dans les marches atomiques et les défauts de surface.
(5) Les atomes peuvent aussi se détacher de ces agrégats où ils étaient incorporés.
(6) Le phénomène de réévaporation peut aussi intervenirmais c’est négligeable pour les métaux.
(7) Une interdiffusion de surface peut également avoirlieu.
Chacun de ces processus est conditionné par plusieurs paramètres notamment la température du substrat et l’énergie des adatomes[3].

Instabilité de Grinfeld

L’instabilité de Grinfeld est une notion essentielle surtout lorsqu’il s’agit d’un dépôt de couches minces par phénomène hétéroépitaxiale.n Eeffet, quand il existe un désaccord de maille entre le film et le substrat il en résulte une énergie élastique à l’intérieur du film et cela à cause d’une adaptation du réseau cristallin effectuée par le film en fonction de celui du substrat, ce qui créeun déplacement élastique dans le film . (voir figure 1.5.1)
Cependant, pour relaxer l’énergie élastique accumulée pendant la croissance cristalline, deux mécanismes peuvent se produire :
– L’apparition de dislocation qui signifie que les atomes qui composent le film ne sont plus solidaire au réseau, ainsi ils ne subissent plus la déformation due au désaccord de maille.
– La formation d’îlots due à une réorganisation des atomes du film afin d’obtenir une configuration plus avantageuse du point de vue énergétique.
L’instabilité de Grinfeld est la transformation morphologique qui se produit lorsque la couche d’adatomes a atteint une hauteur critique hc et rend favorable à une formation d’îlots. Elle a pour but de démontrer qu’une perturbation d’un film plan permettait d’amoindrir son énergie élastique. [10]

Classement des différentes techniques de dépôts

Comme il a été écrit en introduction, la techniquede dépôt des couches minces est répartie en deux domaines. Il existe : les processus physiques (PVD: Physical Vapor Deposition) et les processus chimiques (CVD: Chemical Vapor Deposition). Chaque processus est ensuite subdivisé de telles sortes que pour les méthodes physiques, qui se font par évaporation surtout ; on retrouve les techniques de dépôts classiques de la microélectronique comme la Pulvérisation Cathodique, l’Epitaxie par Jets Moléculaires (MBE: Molecular Beam Epitaxy), le Dépôt par Laser Pulsé (PLD: Pulsed Laser Deposition) et l’évaporation par faisceau d’électrons. Le second processus, lui, se scinde en deux selon qu’on ait des dépôts en solution ou des dépôts en phase vapeur. On peut citer la technique du sol-gel, le Dépôt en Phase Vapeur d’Organo-Métalliques (MOCVD: Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) et le PECVD. Ces différentes techniques ainsi que leur classification propre à c hacun sont représentées par le schéma synoptique de la figure 2.1.1. Cependant, il est à noter que les techniques qui seront développés dans les paragraphes qui suivent sont les techniques les plus utilisées dans l’industriel. [3][13][14]

La Pulvérisation Cathodique

Principe de fonctionnement

Les techniques de pulvérisation sont généralementtiliséesu pour déposer toutes sortes de matériaux : métaux, matériaux réfractaires, diélectriques, céramiques. Il suffit que ceux-ci puissent supporter un léger échauffement d’une centaine de degrés et d’être mis sous vide.
Son principe est de bombarder la surface du matériau à déposer par les ions d’un gaz neutre (très souvent c’est l’argon). Lors du choc sur la surface, ceux-ci communiquent leur énergie cinétique. L’éjection departicules a alors lieu et ces dernières viennent se déposer sur le substrat. L’ionisation des atomes de gaz neutre est obtenue par chocs avec les électrons libres, toujours présents dans un gaz, accélérés par une différence de potentiel entre la cathode, où est installé la cible du matériau à déposer et le substrat qui est la masse.
Il en résulte un plasma froid visible par l’émission de photons dus à la désexcitation des ions du gaz neutre lorsqu’ils récupèrent un électron. [14]
Une fois les atomes ionisés positivement, ils sontaccélérés vers la cathode.
Le schéma du principe de fonctionnement de la technique par pulvérisation cathodique est donné par la figure 2.1.1.1.1.
(c) Bombardement de l’ion argon sur la cible, choc des électrons sur des atomes d’argon, neutralisation des électrons.
(d) Emission d’un atome de la cible vers les substrats, neutralisation de l’ion Ar+. et de leur déposition sur le substrat [3]
(4) Un gaz chimiquement neutre (Argon) est injecté. Une différence de potentiel de quelques kV entre l’anode et la cathode va produire une décharge électrique. Les électrons de la décharge,fortement accélérés entrent en collision avec les atomes d’argon (Fig2.1.1.1.3. (a)).
(5) Les atomes d’argon sont ionisés positivement avec production d’un autre électron appelé électron primaire (Fig 2.1.1.3. b).
(6) Sous l’effet du champ électrique les ions Ar vont vers la cathode sur laquelle est place la cible (Fig 2.1.1.1.3. c).
(7) Arrivés sur la cible, les ions vont arracher les atomes en les percutant. Les atomes arrachés vont se propager pour se déposer sur le substrat placé en face de la cible (Fig 2.1.1.1.3. d). Des électrons dits secondaires sont arrachés avec les atomes et vont ensuite ioniser les atomes d’argon et le cycle recommence. [3]

Les différents types de pulvérisation cathodique

En pulvérisation cathodique nous distinguons la pulvérisation simple et la pulvérisation réactive. La pulvérisation simple se fait en présence d’une tmosphèrea de décharge chimiquement neutre, c’est-à-dire que l’on produit un vide de 10-6 torr. On injecte ensuite le gaz d’argon pur pour créer le plasma.
Dans le cas de la pulvérisation cathodique réactivel’atmosphère du plasma est réactive, c’est-à-dire que l’on introduit un certain pourcentage de gaz actifs dans l’argon en guise de catalyseurs, par exemple de l’oxygène O ou de l’azote N . [14]
Dans chacun de ces cas, la cible peut être constituée d’un élément simple ou bien d’un élément composé. Il existe différents types systèmesde de pulvérisation cathodique suivant le mode de création du plasma ou la naturede la cible (conductrice ou isolante) : diode à courant continu, triode à courant continu, ou haute fréquence. [20]

Pulvérisation cathodique diode à courant continu

C’est un système utilisé seulement lorsqu’il s’agitde déposer des matériaux conducteurs. La tension utilisée est très importante (soit entre3kV et 5kV) bien que la vitesse de dépôt est faible.[14] Ce dispositif est composé d’une enceinte à vide où règne une pression résiduelle inférieure à 10-3 torr, dans laquelle ont été disposées deux électrodes planes, cathode et anode, distantes de quelques centimètres. La cathode froide, sur laquelle le matériau à pulvériser est fixé, est reliée au pôle négatif d’un générateur de tension de quelques kilovolts. L’anode, sur laquelle se trouve le substrat, est reliée à la masse. [15] Le schéma de principe de la pulvérisation cathodique est donné par la figure 2.1.1.2.1.1

Pulvérisation cathodique triode à courant continu

Ce système présente une très grande souplesse d’utilisation du fait que la cible, indépendante du plasma, est bombardée à des énergies faibles, ce qui n’est pas le cas dans le système diode. Elle nécessite une tension d’accélération de l’ordre d’une centaine de volts et présente ses limites lorsqu’il s’agit ed déposer des matériaux isolants. Ce système fonctionne en produisant une décharge au moyen d’électrons émis à partir d’une cathode chaude ; ces derniers accélérés dans un champ électrique crée par une anode provoquera l’ionisation d’une faible fraction des particules du gaz se trouvant entre ces deux électrodes.
Le filament, l’anode et la bobine vont constituer un dispositif générateur de plasma indépendant de la cible et du substrat.[15]
Le schéma de principe d’un système de pulvérisationcathodique triode est représenté par la figure 2.1.1.2.2.1.

Pulvérisation cathodique à haute fréquence

Le dispositif à haute fréquence présente la même ructurest que la pulvérisation diode à courant continu, mais on remplace le champ électrique continu par un champ électrique alternatif à haute fréquence normaliséeà 13,56 MHz. Ainsi, lors de l’alternance positive, les ions Ar+ viennent pulvériser la cible ; lors de l’alternanc négative, les électrons se précipiteront sur la cible et ainsi sera rétabli l’équilibre. [14] Utilisé pour pulvériser n’importe quel matériau, qu’il soit conducteur ou isolant, une des applications les plus fréquentes de cette méthode ste la réalisation de films multicouches isolant-conducteur avec des machines équipées de plusieurs cibles haute fréquence. [15]

Avantages et inconvénients

Le principal obstacle à l’utilisation de la technique de pulvérisation cathodique est qu’il est difficile de maîtriser la composition finale de la couche (probabilité de dépôt d’impuretés en quantité non négligeable) ; cela tesdû au fait que l’énergie des ions d’argon incidents est supérieure à l’énergie de liason des atomes cibles donc les particules expulsées sont sous forme atomique et les taux de pulvérisation varient d’un composé à un autre. En résumé, l’équilibre entreslecompositions du matériau primaire et de la couche finale n’est pas ressenti. Enfin c’est un système coûteux qui prend du temps car chaque nouvel essai nécessite de refaireune nouvelle cible.[14]
Néanmoins, malgré ces difficultés de mise au point,cette technique reste la plus proche de la micro-électronique de plus qu’elle estsimple à mettre en œuvre, maniable car elle peut être exploitée pour n’importe quels épôtsd de matériaux de tous types (métaux, alliages, composés réfractaires, diélectriques, …), les dépôts résultants de cette technique présente une forte adhérence donc le rendement en qualité n’est guère négligé ; en terme de recouvrement, elle présente une bonne aptitude, de plus que le film obtenu ne présente qu’un faible taux de porosité.[16]

Epitaxie par Jets Moléculaires (MBE: Molecular BeamEpitaxy)

La MBE est une technique de croissance de couches minces par réaction de flux atomiques ou moléculaires avec un substrat monocristallin porté à une température adéquate.
Porte substrat
Cache mécanique
Circulation d’eau de refroidissement
Creuset chauffé par effet joule, et contenant le matériau à déposer
Le principe de la technique consiste à évaporer le matériau à déposer en le portant à une température suffisante (Fig.2.1.2.1). Dès que la température de liquéfaction est dépassée, les atomes du matériau’échappents et se propagent en ligne droite jusqu’à ce qu’ils rencontrent un obstacle. Cet obstacle peut être fait soit d’une surface solide (substrat, paroi de l’enceinte) soit d’un atome ou une molécule dans l’enceinte. Dans le premier cas, il y aura séjour de l’atome sur la surface avec échange d’énergie et si la surface est sensiblement plus froide que l’atome il y a condensation définitive. Le choc avec une molécule résiduelle setraduit généralement par une déviation de l’atome d’évaporant, et il arrive quel’atome du matériau à déposer n’arrive pas sur le substrat. Il est donc indispensable que la pression dans l’enceinte soit suffisamment faible pour que la probabilité de rencontre d’un atome résiduel soit quasi nulle. Cette pression doit être est de l’ordre de 01-10 Torr car dans ce cas le libre parcours moyen d’un atome dans l’enceinte est statistiquement supérieur aux dimensions de celle-ci. Un tel vide impose de grosses contraintes (dégazage, transfert des échantillons) qui rend cette technique lourde et demandant un savoir-faire important.
Par contre, la MBE peut produire des couches minces de haute qualité avec des interfaces abruptes et un bon contrôle de l’épaisseur. En effet, un cache mécanique peut être interposer entre le substrat et le matériau àdéposer et on peut interrompre à tout moment le flux d’atomes évaporés. De plus, on dispose d’un grand nombre de moyens de caractérisation in situ qui permettent de contrôler avec une grande précision la qualité chimique, et structurale des dépôts. Cette technique, comme la pulvérisation cathodique, est couramment utilisée pour la synthèse de couches minces magnétiques.
La procédure de chauffage du matériau à évaporer eutp être réalisée de plusieurs façons qui seront choisies en général en fonction de critères de qualité du résultat attendu. On note fréquemment l’emploi d’un creuset chauffé par effet joule (Fig.2.1.2.1.), limité aux matériaux s’évaporant relativementà basse température, et en tout cas très en dessous du point de fusion du creuset.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : NOTION SUR LA CRISTALLOGRAPHIE PROPREMENT DITE
1. Introduction
1.1. Terminologies et définitions
1.2. Types de réseaux fondamentaux
1.3. Les différents types de cristaux
1.3.1. Cristaux ioniques
1.3.2. Cristaux covalents
1.3.3. Cristaux métalliques
1.3.4. Cristaux moléculaires
1.4. Généralités sur la croissance cristalline
1.4.1. Terminologies et généralités
1.4.2. Modes de croissance cristalline
1.4.2.1. Mode de croissance 2D ou Frank-van der Merwe
1.4.2.2. Mode de croissance 3D ou Volmer-Weber
1.4.2.3. Mode de croissance 2D/3D ou Stranski-Krastanov
1.4.3. Paramètres de croissance cristalline
1.4.4. Mécanisme de croissance cristalline
1.5. Instabilité de Grinfeld
Chapitre 2 : ETUDES ET TECHNIQUES D’ELABORATION DES COUCHES MINCES
2. Introduction
2.1. Classement des différentes techniques de dépôts
2.1.1. La Pulvérisation Cathodique
2.1.1.1 Principe de fonctionnement
2.1.1.2. Les différents types de pulvérisation cathodique
2.1.1.3. Avantages et inconvénients
2.1.2. Epitaxie par Jets Moléculaires (MBE: Molecular Beam Epitaxy)
2.1.3. Dépôt par Ablation Laser (PLD: Pulsed Laser Deposition)
2.1.3.1. Principe de fonctionnement
2.1.4. Evaporation par faisceau d’électrons (EBPVD)
2.1.4.1. Principe de fonctionnement
2.1.4.2. Avantages et inconvénients
2.1.5. Technique de déposition Sol-Gel
2.1.5.1. Généralités sur la technique de dépôt par Sol-Gel
2.1.5.2. Principe de la technique Sol-Gel
2.1.5.3. Avantages et inconvénients
2.1.6. Dépôt en Phase Vapeur d’Organo-Métalliques (MOCVD)
2.1.6.1. Principe de la MOCVD
2.1.6.2. Avantages et inconvénients
2.1.7. Le procédé par voie chimique assistée par plasma (PECVD)
2.1.7.1. Principe du PECVD
2.1.7.2. Avantages et inconvénients
2.2. Technique de caractérisation des couches minces.
2.2.1. Mesure de l’épaisseur des couches minces
2.2.2. Caractérisation structurale des films
Chapitre 3 : ETUDE DE L’ALLIAGE PtNi
3. Introduction
3.1. Le Platine (Pt)
3.1.1. Caractéristiques du Platine
3.1.2. Utilisations du Platine
3.2. Le Nickel (Ni)
3.2.1. Caractéristiques du nickel
3.2.2. Importance et utilisations du nickel
3.3. L’alliage bimétallique PtNi
3.3.1. Synthèse du PtNi
3.3.2. Caractéristiques de l’alliage PtNi
Chapitre 4 : METHODE DE LA SIMULATION NUMERIQUE
4. Introduction
4.1. Ensemble Statistique
4.1.1. Notion d’ensemble statistique
4.1.2. Ensemble microcanonique (NVE)
4.1.3. Ensemble canonique (NVT ou NVb)
4.1.4. Ensemble grand canonique (µVT ou µVb)
4.1.5. Ensemble isobare isotherme (NPT ou NPß)
4.2. La Dynamique Moléculaire
4.2.1. Equation de mouvement
4.2.2. Algorithme de Verlet
4.2.3. Algorithme Leapfrog
4.2.4. Dynamique moléculaire dans d’autres ensembles
4.2.4.1. Ensemble NVE
4.2.4.2. Ensemble NVT
4.3. Effet de bord et interaction à longue distance
4.4. Raisons du choix de la prise en compte de la dynamique moléculaire comme technique d’échantillonnage
4.5. Le Potentiel Interatomique EAM
4.5.1. Forme analytique du potentiel EAM
4.5.2. Allure du potentiel EAM
Chapitre 5 : ETUDE DU SYSTEME DE PT0.5Ni0.5 PAR LA DYNAMIQUE MOLECULAIRE
5. Introduction
5.1. Etude de la croissance
5.1.1. Influence de la fréquence
5.1.2. Influence de la température du substrat
5.2. Etude des structures cristallines
CONCLUSION GENERALE

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