Etude du dépôt par arc dans le vide de couches minces de carbone sous pression réduite d'hydrogène

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Texte intégral

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ETUDE

DU DEPOT

PAR ARC DANS

LE

VIDE

DE COUCHES MINCES

DE CARBONE

SOUS

PRESSION REDUITE

D'HYDROGENE

Mario Douyon de Azevedo

Department of Chemical Engineering

McGiIl University, Montréal

March 1990

A Thesis submitted to the

Faculty of Graduate Studies and Research

in partial fulfillment of the requirements

for the degree of Master in Engineering

(2)

,

'-....

l

ABSTRACf

A new ion plating deposition technique, known as vacuum arc deposition, was tested

for the first time using a graphite cathode in low-pressure hydrogen and led to the

formation of diamondlike, graphitic and amorphous carbon thin films.

The angular distribution of the ionic

flux

was measured in vacuum as weIl as un der

hydrogen pressures.

The flux J

was found ta follow an exponential function of the solid

angle

n

subtended by a cane normal to the cathode surface:

Another angular distribution of the ionic flux which can be associated with the effusion

of agas from an enclosure by an orifice is

J

=

Jo

cos

(0)

where

8

is the angle from the cathode suface normal. This distribution was tested but

agrees less with experimental measurements.

The ionic

flux

is attenuated with distance

R

to the cathode and gas density n according

ta

1

=

10 e

-n q R

whcre

0

is the cross-section of the carbon ions-hydrogen molecules interaction. The

obtained values of the cross-section for a wide range of pressures are in the order of

10

11

cm-

z•

The analysis of the time delays taken

by

the ions ta reach electrostatic probes

pmved that the attenuation of the ionic

flux

by the background gas was not due ta the

photoionization of the hydrogen

by

radiation emitted from the cathode spots.

(3)

RESUME

Une nouvelle méthode de dépôt ionique, appelée le dép6t par arc dans le v ide, a été utilisée pour la première fois à partir d'une cathode en graphite sous pression réduite d'hydrogène. Des essais permirent la formation de couches minces de carbone adamantin, de graphite et de carbone amorphe.

Des mesures de la distribution angulaire du flux ionique ont montré que le flux J suit, autant dans le vide qu'à différentes pressions d'hydrogène, une fonction exponentielle de l'angle solide 0 sous- tendu par un cÔne centré sur la normale à la surface cathodique :

J - Jo exp (-

cr /

I?).

Une autre distribution angulaire du flux ionique, qui peut être associée à

l'effusion d'un gaz hors d'une enceinte par un orifice, est cosinuoldaie

,

J - Jo cos (8)

Oll 9 est l'angle mesuré à partir de la normale à la surface cathodique. Cette distribution correspond moins bien aux mesures expérimentales que la. di.str ibution exponentielle.

Le flux ionique est atténué avec la distance R à la cathode et la densIté du gaz n selon

J _ Jo e 'n fT R

0' est la section efficace de l'interaction ions de carbone-molécules

d'hydrogène. La valeur obtenue de cette section efficace se maintIent dans l'ordre de 10,17 cm,2 pour les pressions étudiées. L'analyse des délais d'arrivée des ions à des sondes électrostatiques a montré que l'atténuation du flux ionique par le gaz environnant n'est pas dûe à une photoionisation de l'hydrogène par le rayonnement issu des points cathodiques.

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REMERCffiMENTS

Je rends d'abord grâce à la Sainte Mère de Dieu d'êCre si souvent venue, avec son Fils, me tenir compagnie dans la solitude du laboratoire et du bureau.

Je serai toujours reconnaissant au Dr. Jean-Luc Meunier qui m'a guidé, assisté et inspiré touC au long de ce travail. Il a été un superviseur de

chèse exemplaire et un ami auchentique.

Je remercie de cout coeur les membres de ma famille pour le soutien qu'ils n'ont cessé de me procurer.

Je remercie aussi mes collègues à l'Institut: de Recherche d 'Hydro-Québec , Jean Meunier, Michel Drouet, Murray BroneC, Sheila Johnstone, Jean-Noël Séguin et Leslie Régnier, de qui ... :' ai beaucoup appris au niveau technique et: humaIn.

Merci aux amis étudiants qui m'ont encouragé lors de la rédaction de la thèse Anne Campagna, Jean-Yves Davies, Frédérique LouCrel et plusieurs autres. J'exprime de façon spéciale ma grati t:ude envers Mlle Anick Goulet: pour avoir généreusement lu et corrigé ces pages.

Enfin, je souligne la contribuCion financière déterminante du Laboracoire des Technologies électrochimiques et des Electrotechnologies d'Hydro-Québec. Cette recherche a été réalisée dans sa division des Plasmas induscriels à

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l

..

..

TABLE DES MATIERES

page

1. INTRDDUCTIDN

1.1 Les fondement:s de la déposit:ion par arc dans le vide 2

1.1.1 Les points ca thodiques 3

1.1 .2 Les vapeurs émises des point:s cathodiques 4

1.1.3 Le DAV avec un gaz environnant réactif 9

1.2 Les avantages du DAV 10

1.3 Les mat:ériaux déposés par DAVet ses applications 12

1.4 Les couches minces de carbone 14

1.4.1 Les couches de carbone adamantin, graphite et dianJant 14 1.4.2 Les procédés de dép6t pour les couches minces de carbone 16 1.4.3 Les propriétés et applications des films de carbone

1.4.4 La caractérisation des couches de carbone 1 .5 Le DAV df3 couches minces de carbone

1.6 Les distributions de flux ionique pour le DAV

2. CONDITIONS EXPERIMENTALES

2.1 Le montage expérimental 2.1.1 La chambre à v ide

2.1.2 Les électrodes 2.1.3 Le substrat

2.1.4 Les sondes électrost:atiques 2.1.5 L'amorçage de l'arc

2.1.6 L'alimentation de l'arc

2.1. 7 La mesure des courants

2.2 La procédure expérimentale

2.2.1 Les expériences de dép6t

2.2.2 Les mesures de courant ionique

20 23 24 26 29 29 30 33 33 34 35 37 38 38 40

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(

(

3. RESULTATS ET INTERPREtATION

3.1 La distribution angulaire du flux ionique 42

3.1.1 Les distributions pour les deux types d'anodes 45 3.1.2 La distribution angulaire avec pression d'hydrogène 58

3.1.3 Les courants ioniques totaux 66

3.2 La distribution axiale du flux ionique avec pression d'hydrogène 73

3.3 La possibilité d'une photoionisation du gaz 85

3.4 L'expansion du plasma en fonction de la pression 87 3.5 Les expériences de dépôt par arc dans le vide

3.5.1 Les paramètres de dépôt

3.5.2 Les analyses des dépôts par spectroscopie Raman 3.5.3 Les mesures d'épaisseur et

l'analyse au microscope électronique 3.5.4 Interpré Cation de la quaI, té des dépôts

4. CONCWSION

REFERENCES

Liste des figures Liste des tableaux

et Auger 92 92 97 103 108

110

114 121 125 ;

"

J

J

(7)

-l

..

,

1.

IN1RODUcnON

En technologie, il est souvent désirable de combiner dans une même pièce les propriétés de surface d'un matériau avec les propriétés structurelles d'un autre. En effet, le poids, la force et une part importante du coût d'une piice sont souvent déterminés par le matériau formant le corps de la pIèce. Et comme on peut vouloir des propriétés de surface, telle lb resIstance à la corrosion et à l'usure, que ce matériau ne peut offrir ou qu'il seraIt trop cher d'apporter au corps entier de la pièce, on revêt celle-ci d'une pellicule aux propriétés de surface désirées. La pewture et le dép6t électrochImique sont des méthodes de revêtement familIères. Mais la haute technologie utilise aussi, entre autres, le dép6t chimIque en phase vapeu~, l'évaporation par bombardement d'é1ectrons2, le dépôt par pulvérIsation cathodique3, le dépôt par implantation ionique4 et la projection au plasmaS.

Or, l'une des toutes dernières techniques de revêtement, et peut-être la plus prometteuse, est le dép6t par arc dans le \'ide. La presente étude traIte de l'application de cette nouvelle méthode à la formation de couches mwces de carbone sous pression réduite d'hydrogène. Elle débute sur une Introductlon sont présentés les éléments fondamentaux du dépôt par arc dans le vide et

1 ch,emlcal vapor deposllion 2 eleclron beam evaporallon 3spu tlenng

• Ion plaltng and Implantation S plasma spraymg

(8)

f

une étude du matériau à déposer, soit les films de carbone, un produit qui semble avoir un avenir remarquable. Suit une description du montage et de la procédure expérimentale employée ainsi qu'une présentation des pnncipaux résultats obtenus et leur interprétation.

1.1 LES FONDEMENTS DU DEPOT PAR ARC DANS LE VIDE (DAV)

Le dép6t par arc dans le vide, en abrégé DAV, est une méthode de revêtement qui appartient à la famille des dép6ts ioniques à haute énergie (Johnson, 1989). On revêtait auparavant les outils de coupe en carbure avec des couches minces de nitrure de titane par dép6t chimi que en phase vapeur. Malheureusement cette technique nécessitait une température du substrat trop élevée (lOOO°C) pour plusieurs aciers de coupe. Le DAV est de la recherche d'une méthode de dép6t qui permettrait, à température plus basse, la formation de couches de grande densité avec une bonne adhérence au st.!lstrat.

Le principe du DAV repose sur l'émission de vapeurs provenant de l'une des électrodes entre lesquelles brûle un arc électrique dans des conditions sous-atmosphériques. L'arc cause une érosion si importante à l'électrode négative, appelée cathode, que sa surface est évaporée par endroi ts. Les vapeurs du matériau cathodique forment un plasma (gaz partiellement ionisé) comprenant beaucoup d'ions très énergétiques qui vont constituer le dép6t sur le substrat.

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1 .1.1 Les poin~s cat:hod.f.ques

L'érosion des électrodes ent:re lesquelles brûle un arc électrique est liée

à l'évaporation du maCériau des éleccrodes à des endroIts localIsés de leur surface. En effet, à pression réduit:e, l'arr ne touche à la cathode que par certains poincs d'attache de petite dimension, les points cathodiques}, la densicé de courant est: crè;; élevée. Les très grandes température et pression qui en résultent: provoquent des explosions microst.opiques aux points chauds, évaporant le matériau cathodJ,que et laissant des cratères d'érosion à la surface de l'électrode. Une augmentation de la preSSIon du gaz environnant entraîne une réduction ci.:: l'érosion (l1eunler et Drouet, 1987). Le courant par point cathodique et la taille des poincs diminuent également avec la pression (Porto et al., 1982), ces phénomènes étant possiblement liés à une contamination d€ la surface.

Différentes méthodes de mesure font varIer le diamètre des points cathodiques de 10,8 à 10'4 m (Johnson, 1989). Il est généralement admis qu'ils ont une t:aille de l'ordre du micromècre. Les valeurs mesurées de la denSIté du courant qui circule dans les points cathodiques s'étendent de 106 è 10/2 A/a? (Lyubimov et Rakhovskii, 1978). Les points ont une durée de vie de l'ordre de 10,6 s. Ils s'éteignent et s'allument à un autre endroi t: rie la cathode en donnant l.'apparence de se déplacer sur la surface à des vitesses d'environ 100 mis. Ce déplacement, qui semble aléatoire, peut cependant suivre un itinéraire particulier si un champ magnétique est appliqué à la cathode,

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Le courant élecerique porté par chaque point: cathodique demeure relativemene constane pour un matériau caehodique donné (Djakov et Holmes, 1971) et le nombre de poines augmente proportionellemene à la valeur du courant d'arc eotal (Daalder, 1974).

L'électrode positive, l'anode, agit principalement comme collecteur passif dans la décharge et ne présente généralement pas d'érosion important:e.

Cependant des points anodiques se formene parfois sous des conditions particulières de géométrie des électrodes (Drouet et al., 1987) ou de courant élevé (Hitchel, 1970; Agarwal et Holmes, 1978).

1.1.2 Les vapeurs émises des points caehodiques

Un arc électrique ne peut être maintenu dans un vrai vide car il n'y aurait pas de particules pouvant porter les charges électriques permett:ant la transmission du courant. Dans le DAV. les porteurs de charge sont issus des électrodes sous forme d'ions et d'électrons. Ainsi le vide se réfère au milieu int:er-électrode avant que l'arc ne soi

e

amorcé. Les explosions qui ont lieu dans les points cathodiques éjectent avec force des ions positifs, des éle<.;trons, des at:omes neutres et des micro-gouttelettes. La figure 1.1 illustre ce phénomène. Les particules éjectées forment un nuage de vapeur dont la plu!' grande partie de la masse vient des ions et des micro-gouttelet:ees. Les atomes neutres ne représeneent que 1% de la masse totale

de la vapeur et proviendraient de l'évaporaeion de micro-goueteleeces très chaudes (Tuma et al. 1 1978).

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f

ANODE

~.

atomes neutres

Figure 1.1 L'émission de vapeurs des points ca~hodiques.

Les ions positLtl

Presque 1001 des particules sont ionisées à proximi~é immédiate du point cathodique. Le degré d'ionisation s'étend de 10 à 1001 dans l'ensemble du

plasma pour différents matériaux cathodiques. Dans le cas du carbone, le

matériau utilisé dans la présente étude, le degré d' ionisation fut mesuré à

701 par Davis et Hiller (1969). Ces derniers observ~rent avec Lunev et al. (1977) que différents ions possèdent une distribution énergétique similaire, que l'énergie moyenne des ions (l0-100 eV) dépasse celle de la tension de

l'arc et que l'énergie maximale de la distribution baisse avec un degré

d'ionisation ou un courant d'arc plus élevé. Les cathodes de métal à point

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(

matériaux réfractaires libèrent des ions chargés jusqu'à +6 . Davis et Miller observèrent une charge moyenne du carbone de Z - 1. Le courant ionique correspondait à 10~ du courant d'arc, alors que pour d'autres matériaux il peut descendre jusqu'à 7%. Comme le montre la figure 1.2, le carbone est l'un des matériaux cathodiques dont les ions éjectés ont la plus faible énergie mesurée avec un analyseur électrostatique: de 25 à 40 eV.

I~~--Y---r--r-'---~----~

o

0., 10 JO 100 200 400 JIDO AIt CVME'" IAIIP[lInl

Figure 1.2 : Position de la crête de la distribution d'énergie d'ions simplement chargés. Les énergies sont données par unité de charge électronique. (Davies et Miller, 1969)

Deux théories ont été proposées afin d'expliquer l'importance de l'énergie des ions émis des points cathodiques. La théorie du saut de potentiel! suppose que les ions sont créés dans une région de potentiel plus élevé près de 1.a cathode et n'effectuent que peu de collisions hors de cette région (Davis et

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"

1

7

l1iller, 1969; Lunev et aL, 1977). La théorie dynamique du gaz2 dit que les ions sont accélérés à la fois par un flux électronique plus rapide et la conversion de l'énergie thermique du plasma qui se refroidit en énergie cinétique (l1oizhes et Nemchinskii, 1980). Miller (1981) a développé un modèle qui inclut une contribution des deux théories et Harris (1978) a ajouté au modèle une zone d'ionisation qui permet de prédire avec préclslon l'énergie, la charge et le potentiel du flux d'ions émis de la cathode.

Les micro-gouttelettes

Les conditions de hautes température et pression existant dans les points cathodiques produisent aussi des micro-gouttelettes du matériau cathodique. Elles varient en taille de moins d'un micromètre à quelques micromètres de diamètre. Plus un matériau possède un peint d'ébullition réduit, plus il émet de micro-gouttelettes et moins il émet d'ions.

Les micro-gouttelettes représentent un problème important dans le dép6t par arc dans le vide parce quelles forment de grosses particules qui Si incorporent dans le film déposé. La création de micro-gouttelettes est

évidemment dépendante de l'érosion par l'arc de la surface de la cathode. Plus un courant élevé circule dans l'arc ou plus longtemps celui-ci demeure dans la même région de la surface, plus il fond du matériau cathodique et

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..

1 ,

risque de produire des micro-gouttelettes. On peut donc réduire le nombre et la concentration de micro-goutrelettes émises en diminuant le courant d'arc ou en augmentant la vitesse de déplacement des points cathodiques. Or celle-ci peut être contr6lée par l'addition d'un champ magnétique sous la surface de la cathode ou par la contamination de la surface par un gaz (Szente et

al., 1989). On a aussi observé qu'une plus grande pression d'un gaz

environnant réactif dans la chambre à déposition réduit aussi la formation des micro-gouttelettes (Jobnston, 1989). Enfin, la disposition physique des pièces dans le système de déposition est aussi importante puisque les micro-gouttelettes sont principalement émises à des angles faibles du plan de la

cathode, surtout de 10 à 300

(Daalder, 1976 et 1981; Disatnik et al., 1987).

Les atomes neutres sont aussi éjectés essentiellement près du plan cathodique (Daalder et Wielders, 1975; Tuma et al., 1978), mais représentent un bien plus faible pourcentage du taux d'érosion cathodique. Une autre façon d'éviter l'accès des micro-gouttelettes au dép6t est d'utiliser un système de transport curviligne du plasma (Aksenov et al., 1978a et b) qui est décrit

à la section 1.5.

Le taux d'érosion

Le taux d'érosion est normalisé en divisant la masse de la cathode vaporisée par la charge électnque qui a été transmise par l'arc électrique. Différents matériaux cathodiques donnent des taux d'érosion différents puisque certains matériaux sont plus difficiles à évaporer. On emploie donc comme mesure comparative de l'érosion un taux plut6t que l'érosion totale puisqu'il suffit

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l

9

d'utiliser Unf~ durée d'arc ou un courant d'arc (charge par unité de temps) plus élevé pour que l'érosion totale en soit proportionellement augmentée. Pour le carbone, le taux d'éros ion dans le v ide es t de 17 JJg/C

(Kimblin, 1973).

1.1 .3 Le DAV avec un gaz environnant réactif

Le DAV peut se faire non seulement dans le vide mais aussi en présence d'un gaz environnant à basse pression. On peut même établir des arcs à pression atmosphérique. Hais l'érosion diminuant à mesure que la pression augmente (Meunier et Drouet, 1987), à pression trop élevée bien peu de matériau cathodique parvient au substrat pour former le dép6t. L'intérêt cependant d'ajouter un gaz à des pressions relativement réduites vient de ce que l'on peut ainsi obtenir un dépôt constitué d'un composé chimique formé des éléments de la cathode et du gaz. Des revêtements de nitrure de titane, par exemple, sont couramment formés par DAV à partir d'une cathode en titane et d'azote à basse pression.

Le phénomène physique qui permet la formation de ces dép6ts composés n'est pas encore bien compris. Les molécules du gaz environnant entrent en collision avec les particules issues de la cathode et peuvent prendre part au plasma, mais peu de molécules sont ionisées jusqu'à l' arn. vée au substrat (Bergman, 1988). C'est tout près ou contre celui -ci que semble avoir lieu la réaction chimique entre les ions cathodiques et les atomes du gaz environnant (Randhawa et Johnson, 1987a; Jacquot et al., 1987).

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{

1 .2 LES AV ANTACES DU DAV

Le DAV se distingue avantageusement de la plupart: des autres méthodes de dép6t par l'important: degré d'ionisation de la vapeur émise et: l'énergie élevée des ions de cette vapeur. Le DAV provoque aussi l'émission d'ions multiplement chargés, très important:e pour certaines applications.

En comparaison, les méthodes par dép6t physique en phase vapeuz1, comme le dép6t par évaporation thermique2 et: le dép6t: par pulvérisation cathodique3,

n'émettent que des atomes neutres et ne disposent donc que d'énergies de déposition basses (au plus 10 eV). Les méthodes de dép6t ionique permettent déjà la formation de films à partir de particules plus énergétiques. Cependant, là encore, le degré d'ionisation reste bas (de 0,1 à 1%).

Dans le DAV, par contre, 30 à 100% des particules vaporisées sont des ions. Ces ions sont éjectés avec force et peuvent: être accélérés par un substrat polarisé pour acquér~r des énergies encore plus grandes (10 à 100 eV). Ces deux avantages du DAV confèrent à ses dépôts plusieurs propriétés supérieures comme une meilleure adhésion sur le substrat et une microstructure plus dense. /1.,Ûs le DAV permet également d'att:eindre des taux de déposition

~onsldérab1es (dépendant de la distance cathode-subst:rat) : jusqu'à quelques centaines de JJmJh comparé à moin!' de 10 JJmJh pour les méthodes de dép6t chimique ou physique en phase vapeur.

(

... 1 physlcal vapour deposllion

~ thennal evaporatlon deposillon

(17)

r

.'

"

11

En fait, l'énergie du flux de plasma frappant le substrat peut être assez importante dans le DAV pour provoquer une implantation des atomes du matérIau déposé dans le substrat, entraînant la création de liens métallurgiques forts. Dans le cas l'anode sert aussi de substrat et est proche de la cathode, le flux d'ions peut même parfois faire fondre la surface du substrat pour former des alliages de surface avec les constituants du plasma (Boxman

et al., 1986). Le DAV offre donc une adhérence du film déposé aUSSI bonne que celle des techniques d'implantation ionique, mais avec l'avantage supplémentaire d'un t,lUX de déposition plus élevé.

D'autre part, le substrat n'a pas besoin d'être chauffé à des températures très élevées puisque l'énergie (thermique) requise pour former un bon dép6t provient directement du flux ionique. Ainsi, alors que pour obtenir une réaction complète du composé déposé les dépôts chimiques en phase vapeur demandent souvent des températures de déposition supérieures à 1 OOO·C et les autres procédés par faisceau d'ions plus de 400·, le DAV peut étre effectué à basse température (150 à 200°C). Cette technique a donc l'avantage

supplémentaire d'être applicable à des matériaux qUI ne supportent pas les hautes températures utilisées dans les méthodes de dépôt conventionnelles. Néanmoins, la température reste un paramètre à contrôler lors du dép6t puisque des films métalliques qui, déposés à basse température, sont amorphes deviennent plus cristallins à température plus élevée (Boxman, 1989).

Enfin, un dernier avantagf! rés ide dans le fai t que le DAV permet de déposer

avec uniformité et adhérE'nce une grande variété de matériaux. Et comme il s'agit d'un procédé à prl'i!ssion réduite, il est pOSSIble d'utiliser, conune

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1

r

,

substrat ou dép6t, des matériaux sensibles à l'oxydation ou à d'autres types

de contamination.

1 .3 IES HATERIAIlZ DEPOSES PAR DAV ET SES APPLICATIONS

La composition du matériau de la cathode peut être exactement reproduite sur le dép6t lorsqu'on opère sous grand vide ou avec un gaz environnant non-réactif. Or, la cathode peut être un métal, un alliage métallique ou un semi-conducteur, ce qui ouvre déjà un grand éventail de matériaux à déposer. Mais encore, la composition du dép6t peut aussi être variée en changeant la nature et la pression du gaz environnant avec lequel réagiront les vapeurs cathodiques.

Le nitrure de titane (TiN) est le matériau dont le DAV est le plus documenté (Bergman, 1988; Boxman et Goldsmith, 1987; Etemani, 1987). Il a été beaucoup étudié parce qu'il est déposé facilement d'une cathode en titane dans une ambiance d'azote à pression réduite et qu'il permet un très bon revêtement des outils de coupe pour en augmenter la résistance à l'usure. Une épaisseur de seulement 3 IJm de TiN prolonge de plus de dix fois la durée de vie d'une vrille standard en acier à haute vitesse et permet à la machine d'opérer à plus grande vitesse, ce qui augmente la productivité (Randhawa et Johnson, 1987b; Brandolf, 1983). La microdureté maximum obtenue pour un film de TiN est de 3 600 kgf/mnf à une pression résiduelle de 10-4 Tor! (Boxman, 1989).

1 L\ loi' métnque de mesure de pressIOn est le pascal (Pa). Cependant, l'uOlté pratique en mesure du Vide reste encore le tOIT,

avec la correspondance .

(19)

-,

"

13

Des films d'autres nitrures (ZrN, HoN, HfN), des carbures (TiC, Ho;?C), des oxydes (Zr02, Ti02) et des composés tertiaires (TiZrN, TiA1N, TiCN) ont été déposés avec succès comme couches protectrices et décoratlves. Le T iAlN semble offrir une résistance à l'usure encore supérieure à celle du TiN (Johnson, 1989). Les nitrures tertiaires sont d'un grand intérêt conune revêtement décoratifs car on peut leur donner une varlété de teintes plus ou moins dorées.

Peu de résultats ont été publiés sur le DAV de couches de métal pur ou d'alliages. Des dép6t:s réussis de t:antale, de vanadium, de niobium et de chrome ont été rapportés par Johnson (1989). Avec des arcs pulsés à courant très élevé (1 kA), des couches minces protectrices d'aluminium, de molybdène (Boxman, 1986), de nickel et d'acier inoxydable (Bababeygy et al., 1988) ont été déposées sur un disque servant: à la fois de substrat et d'anode. On a aussi fait des revêtements d'alliages de FeNi, TiAl, TiZr, NiCrAIY et CoCrAlY

(Johnson, 1989).

Le carbone est l'un des matériaux à avoir aussi été déposé par DAV. Les études qui s 'y rapportent sont présentées après la section d'introduction aux

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(

1 .4 LES COUCHES HINCES DE CARBONE

Un effort de recherche intense a été appliqué, surtout à partir des années

1980, à la synthèse à basse pression du diamant en tant que carbone à l'état métastable. On réussit aujourd'hui à former des couches minces de diamant

microcrista11in avec des plasmas d'hydrocarbures à basse densité et températures élevées à des taux de quelques dizaines de micromètres par

heure. Or, cette recherche a permis la découverte d'une nouvelle classe de

matériaux, le carbone adamantin.

1.4.1 Les couches de carbone adamantin, graphite et diamant

L'expression "carbone adamantin" vient du mot grec adamos, signifiant "incassable", et sert à qualifier des couches de carbone dont certaines propriétés sont voisines de celles du diamant, qu'on appelle aussi couches de type diamant1 (Meunier et al., 1989). On s'était d'abord intéressé aux

propriétés mécaniques du nouveau matériau (dureté et absence de frottement:s),

mais ses propriétés électriques et thermiques (excellent conducteur de

chaleur et isolant électrique) sont encore plus estimées aujourd'hui. Le

carbone adamantin se situe entre les p6les des configurations possibles du

carbone que sont le graphite, le diamant et les polymères.

(21)

,

t \ "

15

.'

Le graphite est la forme cristalline thermodynamiquement stable du carbone

dans des conditions ordinaires de pression et température. Cependant le diamant de nos bagues ne se transforme pas spontanément en graphite car le

diamant possède un minimum relatif d'énergie libre très "encaissé". La structure cristalline du diamant correspond à l'hybridatIon tétraédrique SpI

du carbone alors que celle du graphite est trigonale (Sp2). Les couches les plus dures de carbone adamantin ont surtout des liaisons tétraédrIques, alors

que l'hybridation Sp2 est minoritaire et que les liaisons sp n'apparaissent que par endroits. Certaines couches ne présentent pas de caractère cristallin : il n'y a pas d'ordre à grande distance, les atomes ont des positions aléatoires. Cependant ces couches de carbone amorphe se dIstingent

des polymères en ce qu'il n'y a pas un enchevêtrement de molécules, mais un

enchaînement continu d'atomes. Les liaisons interatomiques étaI't beaucoup

plus nombreuses, les couches de carbone adamantin amorphe ont des propriétés

mécaniques bien meilleures que celles des matériaux polymères. Très souvent

la couche de carbone adamantin n'est pas homogène et on trouve des domaines

cristallins dans une phase amorphe. Les couches minces de type diamant contiennent presque toujours quelques résidus d'hydrogène ou d'autres

impuretés, dépendant de la méthode de dép6t. L 'hydrogène est utIlisé

puisqu'il a tendance à stabiliser la structure du film et à faVOrIser l'hybridation Sp3.

Angus (Angus et al., 1986; Angus et Hayman, 1988) classifie les films de

carbone selon leur densité atomique et leur concentratIon en hydrogène. Les couches de type diamant sont celles qui ont une denSIté atomIque plus élevée

(entre 0,2 g-atome/cn? et 0,3 g-atome/crnr, la densité du diamant). Plusieurs

(22)

propriétés des films sont déterminées par leur concentracion en hydrogène qui varie en général de 10 à 40%.

l .4.2 Les procédés de dép6t pour les couches minces de carbone

Deux méthodes principales sont utilisées pour déposer des couches de carbone adamantin. Dans les deux cas, on reproduit localemenc et brièvemenc les condiCions thermodynamiques de création du diamant avec des ions ou aComes de carbone qui ont à l'impact de 50 à 500 eV d'énergie, soit bien au-delà des énergies thermiques. Dans la première méchode, la décomposition d'hydrocarbures, on crée dans une enceinte des conditions telles que les atomes de carbone s'organisent lors du dépôt selon une sCructure adamancine. Dans la seconde méchode, par faisceaux d'ions, on bombarde une cible pour que, sous l'effet de l'impact, les atomes de carbone acceignenC cette même structure. Les vitesses de dépôt varient entre 10.2 et une centaine de micromètres à l'heure. Lf's épaisseurs de couche sont faibles (typiquement que!ques dizaines de nanomètres), les tensions internes élevées empêchant de croître des films plus épais.

Le dépôt par décomposition d'hydrocarbure

Les premiers essais de dépôc (Aisenberg eC Chabot, 1971) par décomposiCion d'hydrocarbure, le plus souvent du méthane, dans une enceinte à basse pression «1 Torr) eC température élevée (lOOO°C) permirent la codéposicion

(23)

.,

JI.

17

de diamant et de graphite. Derjaguin et Fedoseev (1975) découvrirent que 1 'hydrogène atomique agit comme solvant du graphi te les liaisons sp et Sp2 d'un atome de carbone sont remplacées par un atome d'hydrogène. L'hydrogène atomique stabilise donc la configuration Sp3. En introduisant des concentrations d'hydrogène atomique plus grandes que les concent.':ations à

l'équilibre reliées à la dissociation thermique des hydrocarbures, on réu<;si t

à former des couches de diamant (Spitsyn et al., 1981). Divers dispositifs ont depuis été utilisés pour dissocier la molécule H2 afin de produire cet hydrogène atomique: filament de tunstène chauffé à 2000°C, plasma hyperfréquence à 2,45 GHz, plasma exité par radiofréquence (13,56 MHz), etc.

Matsumoto et al. (1982) étudièrent en détail le dép6t chimique en phase gazeuse avec filament de tunstène et confirmèrent qu'il faut un grand ~xcès

d'hydrogène (CH4/H2::::: 1%) pour former des films de diamant qui en contiennent le moins possible. Des procédés parents comme le dépôt chimlque en phase vapeur assisté par bombardement électronique ont permis d'augmenter les taux de crois~ance des films de dianwnt à 5 ~m/h (Sawabe et Inuzuka, 1986). Des taux allant jusqu'à 10 ~m/h sont obtenus par le dépôt chimique en phase vapeur avec filament de tungstène lorsque l'on remplace le méthane par d'autres composés organiques qui engendrent le radical méthyl CH], corrune l'acétone ou l'éthanol (Hirose et Terasawa, 1986). Les températures de dépôt de diamant restent très élevées, typiquement 950°C pour le dépôt chimique en phase vaPE!ur, qui est la méthode la plus employée. On obtlent du graphite au delà de 1200°C et du carbone amorphe à moins d'environ 500u

e.

(24)

(

c

(

Le dép6t par faisceau d'ions

Les méthodes de dép6t par faisceau d'ions recréent: localement les conditions de température et de pression favorables à la réorganisation du carbone en

une structure de type diamant (~ 2000'C et 108 atm). Des ions d'énergie 100 eV peuvent donner, lors de l'impact: avec le substrat, des pics de 3800 K et

1,2 X 105 atm pendant environ 7 X 10.11 s (Tsai et Bogy, 1987). Comme la

période de vibration du réseau est oeaucoup plus courte (2,6 X 10.14 s), un

noyau de diamant peut prendre naissance pendant l'agi tation thermique et

l'onde de choc de l'impact.

Les faisceaux d'ions utilisent souvent une source l'on ionise les molécules organiques et les accélère pour s'écraser contre le substrat. D811S

certains cas une grille provoque l'accélération, dans d'autres on polarise

le substrat. Si celui-ci est conducteur on peut utiliser une polarisation

continue, mais s'il est isolant, il faut lui appliquer une tension

alternative haute fréquence pour çue les ions atteignent la surface du

substrat avec l'énergie voulue. Les propriétés macroscopiques du dépôt

dépendent de la tension d'accélération, l' 'Snergie optimale des ions s'étendant de 100 à 250 eV. L'énergie d'impact est décisive pour la formation

de couches de carbone adamantin ou de diamant. A moins d'environ 10 eV, on n'obtient que des films hybridés spz (Angus et al., 1986). A trop grandes

énergies (plus de 500 eV), les films deviennent aussi graphitiques. Il semblerait que, lors de la croissance d'une couche de carbone adamantin, il

(25)

--19

moins résistantes que les structures tétraédriques. Dans la plupart des méthodes de dép6t de couches de carbone par faisceau d'ions, l'énergie ionique se situe autour de 100 eV, avec une densité de courant d'environ 3 A/mr. Les taux de dép6t sont inférieurs à ceux des méthodes par décomposition d'hydrocarbures : 10.4 I-'mls contre plus de 2xlO·3 I-'mls (Angus et al., 1986).

Le dép6t par pulvérisation cathodique (Fujimori et al., 1982) est un exemple

de dép6t par bombardement ionique qui a permis la formation de films de carbone adamantin. D'autres méthodes utilisent un double faisceau d'ions d'argon (l'un arrache des atomes de carbone d'une cible, l'autre rompt les liaisons de type graphite sur le substr/:it) ou un magnétron, qui produit des

flux de matière ionisée plus importants que les canons à ions.

Le substrat des dép6ts de carbone adamantin

Si, lors du dép6t, il Y a création d'un interface de carbure entre le substrat et le film qui croit, celui-ci prend plus facilement une structure

adamantine et adhère davantage à la surface (Lifshitz et al., 1988). Un

matériau qui forme un carbure (e.g. Si, Fe, Ti) est donc à préférer comme substrat. Toutefois, seulement quelques matériaux comme les sulfides et les halides ont présenté une difficulté d'adhérence importante pour les dép6ts

de carbone adamantin (Angus et al., 1986). Un nettoyage de la surface du substrat avant le dép6t favorise l'adhérence du dép6t sur son support. On

(26)

20

contaminants organiques, eC le décapage, qui élimine les contaminants d'ongine minérale (oxydes surtout). Le dégraissage peut se faire par immersion dans un bain à ultrasons. Le décapage peut être chimique, mécanique (sablage, polissage) ou par plasma réactif (décharge luminescente par hauce fréquence). L' effluvage1 est un autre procédé à effet de dégraissage dans lequel est établie une décharge luminescente avec une électrode polarisée de 2 000 à 5 000 V dans l'enceinte à basse pression. Le nettoyage par attaq'le ionique a davantage un effec de décapage puisque le bombardement des ions d'un gaz inerte exité en décharge luminescenCe par la polarisation négative du subsCrat enlève quelques couches de matière de la surface du substrat. Si aucun bombardement ionique ou effluvage n'est pratiqué, il est é'U moins

recommandé de dégazer la surface du substrat par chauffage.

1.4.3 Les propriétés et applications des films de carbone

Les couches minces de carbone adamantin sont déjà utilisées dans plusleurs industries, surtout pour ses propriétés mécaniques (dureté eC faible coefficient de frottement). On en dépose avec bonne adhérence sur des métaux

comme l'acier, des cristaux de germanium ou de silicium, des matériaux amorphes tels que le verre et des matières plastiques. Les couches de carbone adamantin sont soumis à des tensions internes de compression très élevées

(1010 NIa?) et doivent donc être gardés minces (moins de 1 ~m). PourCant, des épalsseurs très faibles sont suffisantes dans la plupart des app1icatlOns.

(27)

21

Une couche de seulement 25 nanomètres de carbone adamantin assure la protect:ion des disques durs de l'équipement informatique cont:re tout: accident avec les têtes de lecture et d'écrit:ure. La durée de Vle et la performance mécanique des forets, des cout:eaux ou des roulement:s à bille peuvent être aussi grandement: améliorées avec un mince revêtement de type dlamant. Une pellicule de carbone adamantin suffit: à protéger des lent:illes optiques. verres ophtalmologiques, verres de montres, fenêtres et autres surfaces polies. Les couches de t:ype diamant, à cause de leur transparence dans les bandes de 3 à 5 J'm et de 8 à 12 IJm et leur indice de réfraction ajustable ent:re 1,8 et 2,2, sont aussi utilisées pour tralter les systèmes optiques militaires travaillant dans l'infrarouge et: destinés à la détect:ion des

objets émetteurs de chaleur. Un revêtement adamantin est encore employé pour protéger des composant:s optiques en germanium et sillcium exposés aux ambiances sévères, tout ell assurant en même t:emps une fonction anti -reflet:. Le carbone adamant:in peut être finalement utilisé en électronlque comme couche diélectrique ou de passivation car sa résistivité (109 à 1015 Ocm) et:

s8 tension de claquage sont élevées et: il dissipe bien la chaleur.

Rares sont cependant les applications des couches de diamant qui ont: attelnt le stade de commercialisation : Sony a commercialisé un premier haut: - parleur

haut de gamme dont la membrane est recouverte d'un f!lm de diamant et

Crystallume Vlent de sortir une fenétre rayon X ex trèmement mince et

résistante en diamant. Les techniques de dép6t: pour la glande majorité des applications des couches de diamant ne sont pas encore au point et sont encore à optlmiser. Pendant longtemps, on ne déposait du diamant que sur du diamant ou du silicium, ce qui limitait beaucoup les applications

(28)

22

industrielles. Hais on a pu récemment en faire croître aussi sur des métaux comme le Ti, Hf, Nb, Ta, Ho, ri (Joffreau et al., 1988) et le Ni (Rudder et al., 1988).

Parmi les proprié~és remarquables du diamant, on compte sa dureté (c'est le matériau ~errestre qui possède la plus grande densité a~omique et le plus dur

à cause de la force et la symétrie des liaisons intera~omiques), sa transparence dans une très large gamme de longueurs d'onde, ses propriétés d'isolant et de semi-conducteur à grand gap (son seuil d'absorption optique

es~ de 5,7 eV, con~re seulement 1,2 eV pour le silicium) et sa conductivité thermique (c'est le meilleur conducteur de chaleur connu).

On sait que ces couches offriraient des performances mécaniques encore supérieures à celles du carbone adamantin. Mais ce sont surtout ses applications en électronique qui sont les plus prometteuses. Le diamant est le matériau qui a la conductivité thermique la plus élevée (cinq fois celle

du cuivre) et une ~rès grande rés istivi ~é (plus de 1015 Ocm). Utilisé comme support pour les circuits intégrés, i l agirait comme excellent puits thermique e~ perme~~rait une bien plus grande miniaturisation. D'autre part, le diaman~ peut être dopé e~ pourrait servir dans les composants éleccroniques actifs comme les transist:ors. Et puisqu'il a la plus large bande lnterdite de tous les semi -conduc~eurs, i l est beaucoup plus scable face aux variations de température et aux radiat:ions auxquelles sont exposés les équipements oeuvrant dans l'espace.

(29)

.'

2.1

1.4.4 La caractérisation de couches de carbone

Le carbone adamantin et le diamant devraient facilement se distinguer du graphite par leur dureté accrue. Cependant, surtout pour les films très minces, la dureté et plusieurs autres propriétés utiles comme la conductivlté thermique et électrique sont très difficiles à mesurer. Aussi, le diamant, qui devrait être transparent, et encore plus le carbone adamantin, peuvent fort bien avoir, en couche de faible épaisseur, la même teinte grise-noire que le graphite. Parmi les méthodes d'analyse plus facilement utilisées pour caractériser les couches minces de carbone, on trouve la spectroscopie infrarouge et électronique (Auger, par rayons Xl et la spect:rométr ie de masse2) pour caractériser la composition; la diffraction aux rayons X et par élect:rons pour la structure des films; la spectroscopie Raman, Auger et: par perte d'énergie3 pour le type de liaisons interatomiques. La microscopie élect:ronique (à balayage et par t:ransmission) permet aUSSI de détecter les défaut:s dans les films et de voir la morphologie du dépôt. Dans la présente étude, des analyses par spectroscopie Raman et Auger ont été réallsées. La spect:roscopie Raman mesure le décalage en fréquence de photons incidents venant: d'une source laser après collision iné1ast:ique avec les molécules de l'échantillon analysé. Dans la spectroscopie électronique Auger, des élect:rons incidents frappent des électrons à faible énergie des atomes de l'échantillon, causant ainsi l'éjection d'électrons (Auger) d'énergie plus

1 X-ray photoelectron spectroscopy

2 secondaI)' Ion mass speclrOmelJy 3 electron energy loss speClroscopy

(30)

élevée qui caractérisent l'échantillon. Des speccres typiques de couches de carbone amorphe, graphitique et de diamanc sont présencés en comparaison de ceux des dépôcs obcenus dans la seccion 3.5.

1 .5 LE DAV DE COUCHES MINCES DE CARBONE

Des chercheurs soviéciques ont été les premiers, et apparemment les seuls,

à déposer avec succès des couches minces de carbone par DAV dans le grand vide (10-6 Torr). Le procédé était amélioré en concr{)lanc le déplacement des points cathodiques sur la cathode en graphite (Sablev et al., 1974a eC b; Sab1ev, 1979) et en évitant la contaminacion du dépôt par les micro-gouttelettes. Celles-ci étaient séparées des ions de carbone en les dirigeant

à travers une anode en anneau et un séparateur magnétique-optique formé d'un

coude avec un champ magnétique courbé (Aksenov et al., 1978a et b). Une polarisation st:atique du substrat a ét:é essayée ec la tension optimale écait de -500 V (Strel 'nitskii et al., 1978). A plus hauc potentiel, la dureté des films diminue progressivement et, plus bas, les films deviennent poreux, non-uniformes et de faible densité. Une augment:ation de l'énergie des ions par le potentiel d'attraction entraîne une détérioration du film. En fait, une polarisation statique ne laisse à la surface du film isolant de carbone qu'un potentiel plus de cent fois inférieur à celui du substrat polarisé. Une polarisation radiofréquence du subscrat donne des ions d'énergie presque égale au potenciel rf et des films de bien meilleure qualité.

(31)

Un système ul t:érieur de DAV, utilisant: des arcs pulsés de 400 IJs et: 3 kA. ne nécessitait plus de séparation des micro-gouttelettes et des neutres du

plasma (Haslov et al., 1985). Avec un taux de condensation inst:antanné de l IJmjs et un t:aux moyen de 15 IJmjh, des dép6ts de carbone de type diamant furent: formés sur des substrats de métal poli, de silicium, de céramIque ou de verre à une t:empérature de 50 à l50·C.

Une première ét:ude de l'énergie cinétique des ions de carb"ne (Strel'nitskii et al., 1978) a avancé que de 40 à 80 eV sont nécessaires pour former des dép6ts de type diamant: avec leur système de DAV. Une étude subséquente (Bakai et Strel 'nitskii, 1981) a mont:ré qu'à moins de 25 eV une phase graphltique prédomine dans les dép6ts, de 25 à 40 eV une phase de carbone adamantin et la phase C8 du carbone après jusqu'à 70 eV.

Une analyse par diffraction aux rayons X a montré que les films produits sont

amorphes. avec des régions à structure graphitiques (Stre1'nitski et al., 1978). Certains dépôts avaient une micro-dureté supérieure à celle du diamant naturel, soit de 18 000 kgfjrnrrt contre 13 000 pour un indenteur Vickers de 200 g (Aksenov et al., 1980).

(32)

l .6 LES DISTRIBurIONS DE FWZ IONIQUE POUR lE DAV

La distribution spaciale du flux ionique est importante en DAV afin de connaltre la quantité d'ions qui atteignent le substrat dans une géométrie donnée. A très basse pression, la distribution ionique est aussi influencée par la polarisation du substrat. Ce facteur n'est cependant pas considéré ici parce que la polarisation ne sera pas employée pour déformer la distribution spaciale des ions et que ceux-ci ne ressentent plus son effet à la plupart des pressions d'hydrogène utilisées. La distribution du flux ionique a déjà été étudiée selon l'angle à la surface cathodique et la distance à la cathode. Plusieurs chercheurs ont aussi calculé un courant ionique total en rapport au couran t d'arc.

ICimblln (1971) a caractérisé la distribution du flux ionique selon l'angle à la normale de la surface cathodique comme isotropique. Daalder et Wielders (1975) ont observé une distribution angulaire en cosinus avec la valeur maximale sur l'axe de l'arc dans certaines expériences et isotropique dans d'autres. Heberlein et Porto (1983) trouvèrent une distribution cosinusoïdale jusqu'à 75° de la normall9 au plan cathodique. Comme il mesurait toujours un

flux ioni que au niveau du plan cathodique, Jüttner (1987) prit pour cette direction une valeur de flux constante alors qu'elle suivrait une

distribution cosinusoidale pour les angles plus petits. Il a aussi observé une décroissance du flux ionique inversement proportionnelle au carré de la distance à la caehode, et ce, pour tous les angles. Cohen et al. (1989) obtinrent, à travers une anode en anneau et pour des angles jusqu'à 45°

(33)

.. ~-, 27

Davies et l1iller (1969) observèrent un courant ionique en dessous du plan cathodique et caractérisèrent plut6t le flux ionique par une fonction exponentielle de l'angle à partir de la normale à la surface cathodique de 700 à 1200

Kutzner et Zalucki (1977) et Kutzner et l1iller (1989) décrirent

la distribut:ion angulaire du flux ionique aussi par une fonccion exponentielle mais de l'angle solide sous-tendu par un c6ne dont l'axe est la normale à la surface de la cathode.

Dans les études énumérées plus haut, il est rare de trouver à la fois les point:s expérimentaux et les courbes des fonctions de distribution avancées; le plus souvent on ne présente que ces dernières et il n'y a pas de mesure quantitative de l'accord ent:re la distribution proposée et celle mesurée. Sur les rares résultats expérimentaux publiés 1 l'erreur sur les mesures est

souvent cons idérab1e et la distribution expériment:ale est en tai t bien loin de celle post:u1ée (voir par exemple la figure 1.3). Il est également à noter qu'aucun auteur ne donne de justificat:ion physique à la distribution angulaire observée. Aussi, aucune mesure de la dist:ribution angulaire du flux ionique issu des points cathodIques en présence d'un gaz environnant n'a été publiée. Or 1 'évolut:ion du flux dans ce cas détermine de façon prépondérante le type de dép6t formé. De telles mesures sont présentées dans la section 3 de la présent:e étude.

·"5"

Figure 1.3 Distribution angulaire du flux ionique normalisé. (Coll en et a1. , 1989).

(34)

Les mesures angulaires de flux permirent de calculer le courant ionique total et de le comparer au courant d'arc. Kimblin (1971) trouva un rapport du

premier au second de 8% pour une cathode en cuivre, Daalder et Wielders (1975) de 9 à 11%. Cohen et al. trouvèrent un rapport de 8,5% en considérant les émissions ioniques jusqu'à 45° seulement. En extrapolant la distribution jusqu'au plan cathodique, ils calculèrent que cette fraction augmente à 12,5% et conclurent que la production totale d'ions serait plus grande que cru précédenunent. L' intens ité totale du courant ionique émis par la cathode se fixe donc à une proportion relativement constante du courant d'arc, auX environs de 10%.

(35)

! ~

,

1 ~ i

,

r

f

l

2.

CONDmONS EXPERIMENTALES

2.1 LE MONTAGE EXPEP-.IHENTAL

Le système de dép6t par arc dans le vide consiste principa1~ment d'une chambre à vide, de deux é1ect:rodes rellées à une alimentation é1ectnque et

d'un substrat. Ces éléments sont reconnaissables sur le schéma général du

montage à la figure 2.1.

2.1.1 La chambre à vide

La figure 2.2 présent:e des photographies de la chambre à vide vue de l'avant

et de l'arrière. Sphérique, d'un diamètre de 25 cm, la chambre li vide possède

des fenêtres qui permettent de visualiser les décharges entre les électrodes. Aussi, diverses ouvertures donnent sur des instruments de mesure, le système

de pompage et l'alimentation des gaz. Une pompe mécanique permet d'obtenir un vide primaire de l'ordre du pascal (10.2 Torr). Un vide secondaIre plus poussé (10.6 Torr) est obtenu avec l'emploi d'une pompe li diffusion. Certains

dép6ts sont effectués avec une pression d'air résiduel d'environ 0,02 Torr, d'autres ont lieu après évacuation complète de l'air avant d'ajouter 1 'hydrogène à la pression désirée. Trois jauges sonC employées pour llre la pression du gaz dans la chambre: une Jauge .3 ionisation «10.3 Torr), une jauge mécanique Baracron (10-4 à 1 Torr) et une jauge li thermocouple (0.01 à

100 Torr). La pression est ajustée en contr61ant le débit d'entrée du gaz tout en maintenant un pompage constant.

(36)

i

{

alimentation

de l'arc

chauffage

-

(-) cathode anode (+)

- -} - -

~

laser

C02

pompe

Figure 2.1 Schéma général du montage de DAV.

2.1.2

Les élec~rodes

Sur les photographies de la :figure 2.3, on peut remarquer deux tiges de cuivre traversant la chambre et qui constituent les supports des électrodes. Ces tiges, disposées à 90· l'une de l'autre, portent à leurs extrémités les électrodes. La tige cylindrique de 5 mm de diamètre qui vient du bds sur les photographies est la cathode ou électrode négative. Elle est composée du graphite qui constitue la source du carbone pour les dépôts. L'anneau tout proche de la cathode sert d'anode. De 10 mm de diamètre interne et 13 mm externe, i l est aussi en graphite afin d'éviter la con~amination du dép6t par un autre matériau dans l'éventualité de points chauds anodiques. Un fil électrique dénudé de 0,65 mm de diamètre a aussi été u~ilisé comme anode dans les expériences de mesure de :flux ionique. C'est à ce fil que se réfère l'appelation de l'anode en pointe employée plus loin.

(37)

31

1

,

,",

'.'

Figure 2.2 La chambre à vide et son équipement: périphérique.

(38)

(

(

(39)

33

2.1.3 Le subst:rat

Les dép6t:s ont été formés sur des pastilles placées sur un support derrière l'anode en anneau (figure 2.3, photographie du haut). Ces pastilles, d'un diamètre de 12 nun, sont soit en silicium, en tungstène ou en nickel. Ces matériaux ont déjà permi la croissance d'une couche de diamant (cf. section 1.4.3). Lors du dép6t, la pastille est retenue contre le support à substrat muni d'un élément chauffant et d'un système de contr6le de la température avec lecture par thermocouple. La température du substrat peut ainsi atteindre 1000°C dans le vide poussé et environ 500°C à une presslon de 1 Torr d 'hydrogène. Le support: contre lequel est placé le substrat est relié

à une alimentation haute tension et bas courant qui permet de polarIser le substrat avec une tension statique jusqu'à

±

1500 V. La photographie du bas de la figure 2.3 montre ~e cage entourant le support mais électriquement isolée de celui-ci et reliée à la masse. Elle évite de couvrir de dép6t une grande partie du support mais laisse passer 1 e plasma par l ' ouverture vis -

à-vis la pastille-substrat.

2.1 .4 Les sondes élect:rostatiques

Des sondes électrostatiques furent utilisées pour mesurer le flux ionique. Chaque sonde es t formée d'une plaque de tantale carrée de 5 mm de c6té reliée

Figure

Figure  1.1  L'émission  de  vapeurs  des  points  ca~hodiques.

Figure 1.1

L'émission de vapeurs des points ca~hodiques. p.11
Figure  2.1  Schéma  général  du  montage  de  DAV.

Figure 2.1

Schéma général du montage de DAV. p.36
Figure  2.2  La  chambre  à  vide  et  son  équipement:  périphérique.

Figure 2.2

La chambre à vide et son équipement: périphérique. p.37
Figure  2.4  :  Oscillogramme montrant  pour six arcs  succéssifs  le  courant  d'arc  (haut;  20  A/div)  et  le  courant  recueilli  par  une  sonde  (bas;  0,1  A/div)  à  10  mm  de  la  cathode  sous  0,835  torr  H2  (échelle  de  temps:  20  ps/div)

Figure 2.4 :

Oscillogramme montrant pour six arcs succéssifs le courant d'arc (haut; 20 A/div) et le courant recueilli par une sonde (bas; 0,1 A/div) à 10 mm de la cathode sous 0,835 torr H2 (échelle de temps: 20 ps/div) p.41
Figure  2.5  Circuit  électrique  du  système  d'alimentation  de  l'arc.

Figure 2.5

Circuit électrique du système d'alimentation de l'arc. p.42
Figure  2.6  :  Photographies  d'une  décharge  luminescente  (1  Torr  Ar;

Figure 2.6 :

Photographies d'une décharge luminescente (1 Torr Ar; p.45
Figure  3.2  :  Distribution  angulaire  du  courant  recueilli  par  une  sonde  électrostatique  pour  l'anode  en  pointe  (R  - 45  mm

Figure 3.2 :

Distribution angulaire du courant recueilli par une sonde électrostatique pour l'anode en pointe (R - 45 mm p.50
Figure 3.3  :  Distribution  angulaire  du  flux  ionique  pour  les  deux  types  d'anodes  (R  .

Figure 3.3 :

Distribution angulaire du flux ionique pour les deux types d'anodes (R . p.52
Figure  3.4  :  Distribution  angulaire  du  flux  ionique  sous  forme  radiale  pour  les  deux  types  d'anodes  (R  - 45  mm,  Ian:  - 80  A)

Figure 3.4 :

Distribution angulaire du flux ionique sous forme radiale pour les deux types d'anodes (R - 45 mm, Ian: - 80 A) p.53
Figure  3.5  :  Fonct:ions  de  distribution  angulaire  cosinusoldale  (1)  et  exponentielles  (2)  pour  une  valeur  de  crête  de  100

Figure 3.5 :

Fonct:ions de distribution angulaire cosinusoldale (1) et exponentielles (2) pour une valeur de crête de 100 p.55
Figure  3.6  :  L'effusion  des  molécules  d'un  gaz  hors  d'une  enceinte  isothermique  par  un  orifice

Figure 3.6 :

L'effusion des molécules d'un gaz hors d'une enceinte isothermique par un orifice p.57
Figure  3.7  :  Comparaison  du  flux  ionique  mesuré  avec  le  flux  prédit  par  une  fonction  de  distribution  angulaire  exponentielle  (anode  en  pointe,  10

Figure 3.7 :

Comparaison du flux ionique mesuré avec le flux prédit par une fonction de distribution angulaire exponentielle (anode en pointe, 10 p.60
Figure  3.8  :  Comparaison  du  flux  ionique  mesuré  avec  le  flux  prédit  par  une  foncCion  de  distribucion  angulaIre  exponencielle  (anode  en  anneau,  10

Figure 3.8 :

Comparaison du flux ionique mesuré avec le flux prédit par une foncCion de distribucion angulaIre exponencielle (anode en anneau, 10 p.61
Figure  3.9  :  Comparaison  du  flux  ionique  mesuré  avec  le  flux  prédit  par  une  fonction  de  distribution  angulaire  cosinusoidale  (10- 4  torr)

Figure 3.9 :

Comparaison du flux ionique mesuré avec le flux prédit par une fonction de distribution angulaire cosinusoidale (10- 4 torr) p.62
Figure  3.11  :  Dis tr ibution  angulaire  du  flux  ionique  à  25  mm  de  la  cathode  (anode  en  pointe  1  lare  - 80  A)

Figure 3.11 :

Dis tr ibution angulaire du flux ionique à 25 mm de la cathode (anode en pointe 1 lare - 80 A) p.67
Figure  3.12  :  Comparaison  du  flux  ionique  mesuré  avec  le  flux  prédit  par  une  fonction  de  distribution  angulaire  exponentielle  (R  - 15  mm)

Figure 3.12 :

Comparaison du flux ionique mesuré avec le flux prédit par une fonction de distribution angulaire exponentielle (R - 15 mm) p.68
Figure  3.14  :  Comparaison  du  flux  ionique  mesuré  aVt'C  le  flux  prédit  par  une  fonction  de  distr::&#34;uuon  angulaire  cosinusoldale  (10

Figure 3.14 :

Comparaison du flux ionique mesuré aVt'C le flux prédit par une fonction de distr::&#34;uuon angulaire cosinusoldale (10 p.70
Figure  3.15  :  Variation  du  rapport  du  courant  ionique  total  au  courant  d'arc  en  fonction  de  la  pression  d'hydrogène  (R  - 25  mm,  lare  - 80  A)

Figure 3.15 :

Variation du rapport du courant ionique total au courant d'arc en fonction de la pression d'hydrogène (R - 25 mm, lare - 80 A) p.76
Figure  3.16  Variation  du  flux  ionique  moyen  pour  différen~es  valeurs  de  8=

Figure 3.16

Variation du flux ionique moyen pour différen~es valeurs de 8= p.78
Figure  3.17  Variation  du  courant  recueilli  par  une  sonde  électrostatique  en  fonction  de  la  distance  à  la  cathode  (10- 4  torr,  lare  - 80  A)

Figure 3.17

Variation du courant recueilli par une sonde électrostatique en fonction de la distance à la cathode (10- 4 torr, lare - 80 A) p.80
Figure  3.19  Variation  du  courant  recueilli  par  une  sonde  électrostaUque  en  fonction  de  la  distance  à  la  cathode  (20  torr  Hl&gt;

Figure 3.19

Variation du courant recueilli par une sonde électrostaUque en fonction de la distance à la cathode (20 torr Hl&gt; p.82
Tableau  3.3  :  Pente  des  droiCes  de  la  figure  3.18  avec  le  coefficient  de  régression  linéaire  correspondan  1: •

Tableau 3.3 :

Pente des droiCes de la figure 3.18 avec le coefficient de régression linéaire correspondan 1: • p.83
Figure  3.20  :  Distribution  axiale  du  flux  ionique  selon  la  distance  à

Figure 3.20 :

Distribution axiale du flux ionique selon la distance à p.86
Figure  3.21  :  Distribution  axiale  du  flux  ionique  selon  la  densité  atomique  de  l'hydrogène  (R  - 1,5  et  2  cm,  lare&#34;  80  A)

Figure 3.21 :

Distribution axiale du flux ionique selon la densité atomique de l'hydrogène (R - 1,5 et 2 cm, lare&#34; 80 A) p.87
Figure  3.22  :  Distribution  axiale  du  flux  ionique  selon  la  densité  atomique  de  1 'hydrogène  (R  - 1,0  et:  2  cm,  Iare  - 80  A)

Figure 3.22 :

Distribution axiale du flux ionique selon la densité atomique de 1 'hydrogène (R - 1,0 et: 2 cm, Iare - 80 A) p.88
Figure 3.23  :  Oscillogrammes  du  couranC  d'arc  (crace  du  haut,  20  A/div)  et  du  courant  de  sonde  (trace  du  bas)  à  différentes  pressions  d'hydrogène

Figure 3.23 :

Oscillogrammes du couranC d'arc (crace du haut, 20 A/div) et du courant de sonde (trace du bas) à différentes pressions d'hydrogène p.92
Figure  3.29  :  Spectre  Raman  du  dépôt  E21  et  du  graphite  formant  la  cathode  et  l'anode

Figure 3.29 :

Spectre Raman du dépôt E21 et du graphite formant la cathode et l'anode p.104
Figure  3.30  :  Spectre  Raman  des  dép6ts  G22  et G12.

Figure 3.30 :

Spectre Raman des dép6ts G22 et G12. p.105
Figure  3.35  :  Photographies  au  microscope  électronique  du  dép6t  G31  (sur  substrat  de  tungstène  non  poli)

Figure 3.35 :

Photographies au microscope électronique du dép6t G31 (sur substrat de tungstène non poli) p.112
Figure  3.36  :  Photographies  au  microscope  électronique  du  dépdt  G32  (sur  substrat  de  tungstène  poli)

Figure 3.36 :

Photographies au microscope électronique du dépdt G32 (sur substrat de tungstène poli) p.113

Références

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