Croissance du film

Tous les processus de dépôt de couches minces se composent de trois étapes:

1. production de l'espèce filmogène

2. transport de ces espèces de la source au substrat

3. condensation et couture sur le substrat

En PVD, la première étape est l'évaporation ou la pulvérisation cathodique, la deuxième étape implique un transport en visibilité directe si la pression du processus est très basse et la probabilité de collisions ou de transport si la pression est élevée. Le type de transport influe sur la croissance réelle du film dans la troisième étape.

Quand un atome arrive à la surface du substrat et est adsorbé, il va diffuser sur la surface jusqu'à ce qu'il soit désorbé ou collé à un site favorable énergétique. Cette diffusion de surface dépend de l'énergie de l'atome à son arrivée à la surface et si le substrat est alimenté par une énergie supplémentaire, par exemple par chauffage ou bombardement ionique. L'énergie de l'atome dépend de la pression dans la chambre de dépôt, une haute pression diminue l'énergie due aux pertes d'énergie dans les collisions. Le bombardement ionique de la surface est possible dans des procédés à base de plasma et peut être contrôlé par une tension de polarisation négative du substrat par rapport au plasma.

Si l'atome adhère à un autre atome de film à la surface, une paire à faible mobilité est créée, ce qui augmente la probabilité qu'un autre atome y adhère. À un nombre critique d'atomes, ou à une taille de noyau critique, un noyau est formé. Ces noyaux se développeront en îles cristallines qui se coaliseront en se rencontrant et formeront finalement un film continu. En fonction des paramètres du processus, la croissance du film se poursuivra de différentes manières, donnant différentes microstructures. Le film peut se développer couche par couche ou dans des îlots 3D ou dans une combinaison de ces deux modes de croissance.

En PVD, la croissance du film est souvent cylindrique, c'est-à-dire que les cristallites se développent en colonnes avec des joints de grains plus ou moins développés entre eux. Les joints de grains peuvent contenir des vides et détériorer la plupart des propriétés du film, mais un film réellement colonnaire et dense peut avoir par exemple d'excellentes propriétés tribologiques. Une microstructure dense complète dans le film est souvent très souhaitable. Comme la microstructure dense est favorisée par le bombardement ionique du film en croissance, de tels films peuvent souvent être déposés par des procédés PVD dans des plasmas à haute densité.

Plusieurs modèles de croissance de film pour l'influence de la condition de dépôt sur la microstructure du film ont été développés. Les modèles de zone de structure empirique couramment utilisés sont ceux dans lesquels différents modes de croissance (zones) sont identifiés dans un diagramme pour différents rapports température / température de fusion (T / T m). Un examen approfondi de ces modèles a été publié par John A. Thornton en 1977 et voici un bref résumé de ce modèle. Movchan et Demchishin ont fait la classification suivante: La zone 1 apparaît lorsque T / T m <0,3 et="" est="" caractérisée="" par="" une="" rugosité="" de="" surface="" élevée="" et="" des="" joints="" de="" grains=""> La zone 2 apparaît lorsque 0,3 <0,5 et="" est="" caractérisée="" par="" une="" surface="" lisse="" et="" mate="" et="" des="" grains="" colonnaires="" avec="" des="" limites="" distinctes="" et=""> La zone 3 apparaît quand 0,5 <1 et="" est="" caractérisée="" par="" une="" surface="" brillante="" et="" des="" grains=""> La structure et les propriétés de cette zone sont proches du matériau en vrac. Thornton a proposé un modèle étendu où l'influence de la pression du gaz de traitement est ajoutée dans un second axe dans le diagramme. Dans ce diagramme, une quatrième zone (zone T, transition) peut être identifiée entre la zone 1 et la zone 2. La structure de la zone T est dense et fibreuse sans joints de grains annulés.