Elaboration et traitement thermique des échantillons

Chapitre 2 Techniques Expérimentales

Chapitre 2

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des terres rares et d’un creuset thermique. Les vitesses et épaisseurs des dépôts sont contrôlées à l’aide de balances à quartz pouvant être placées au-dessus des sources. Pour chaque dépôt, il est nécessaire d’ouvrir l’évaporateur afin d’y insérer les substrats. Après la fermeture, il faut étuver l’enceinte toute la nuit, et le vide optimal n’est obtenu qu’à la mise en froid du cryogénérateur le lendemain, avant le dépôt.

Figure 2-1 (a) Photographie de l’enceinte d’évaporation (b) schéma de l’intérieur de l’enceinte dans le cas de l’élaboration de films minces de SiO1,5

Cependant cette enceinte possède plusieurs limitations :

- L’absence de sas d’introduction oblige à ouvrir l’enceinte d’évaporation à chaque changement d’échantillon, et il n’est possible d’élaborer qu’un échantillon tous les deux jours.

- Le dispositif ne comprend qu’une source d’effusion, et donc, il n’est pas possible de faire de co-dopage.

Pour ces raisons, l’équipe a acquis une nouvelle enceinte d’évaporation sous ultravide.

Cette thèse est la première utilisant des échantillons élaborés dans ce nouveau bâti puisque les films minces de SiO et de SiO2 y ont été déposés.

2.1.1.2 Enceinte d’évaporation sous ultravide

Ce nouvel évaporateur est conçu pour effectuer des couches minces par épitaxie par jet moléculaire (MBE). Dans le nouveau bâti, les couches minces sont élaborées dans des conditions d’ultravide avec une pression limite de 10^-10 Torr. Il est composé de deux parties distinctes et couplées via une électrovanne :

- un sas d’introduction permettant de stocker jusqu’à quatre échantillons fixés sur des blocs de molybdène servant de support pour nos substrats. Une fois le vide secondaire atteint dans cette partie, un manipulateur permet de transférer les échantillons dans la chambre d’évaporation.

SiO SiO₂

Ce³⁺

Creuset Thermique

Cellule d’ef

Canon à électrons Echantillons

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- Une enceinte d’évaporation, pompée en permanence par un cryogénérateur. Celle-ci contient trois canons d’évaporation (deux canons monocreusets et un canon multicreuset), trois cellules d’effusion permettant de faire du co-dopage, ainsi qu’un canon à ions.

Figure 2-2 (a) Photographie de la nouvelle enceinte d’évaporation (b) Schéma de l’intérieur de l’enceinte d’évaporation

2.1.2 Présentation de la méthode d’élaboration des films minces

Les films minces de SiO1,5 ont été élaborés dans l’enceinte sous vide. Ils sont obtenus par co-évaporation à vitesse équivalente de SiO et de SiO2. Dans ce cas, le SiO est évaporé depuis un creuset thermique et SiO2 est évaporé à l’aide d’un canon à électrons.

Dans l’enceinte sous ultravide, le SiO ou le SiO2, selon l’échantillon élaboré, est évaporé à l’aide d’un canon à électrons.

En ce qui concerne l’évaporation des dopants, la procédure est identique dans les deux bâtis de dépôt. La température de la cellule d’effusion est progressivement augmentée jusqu’à une température proche de la température requise pour l’évaporation de la terre rare. Celle-ci est de 1400°C pour le cérium et de 300°C pour l’ytterbium. Une balance à quartz est placée au niveau des substrats afin de mesurer le flux de dopant reçu. Une fois la vitesse d’évaporation souhaitée atteinte, la température de la cellule d’effusion n’est plus modifiée, et un étalonnage de 10 minutes est effectué. Il permet de déterminer plus précisément la vitesse d’évaporation et également de s’assurer que la vitesse d’évaporation reste constante. Une fois l’étalonnage effectué, la balance à quartz est retirée afin de procéder au dépôt des films minces. Il n’y a donc aucun contrôle de la vitesse d’évaporation des dopants pendant le dépôt, d’où l’importance de la vérification de la stabilité de la vitesse d’évaporation lors de l’étalonnage initial. Une fois le dépôt terminé, un second étalonnage de 10 minutes permet de déterminer la vitesse d’évaporation des dopants en

Canons à électrons

Sas d’introduction Chambre principale

SiO ou SiO₂

Ce³⁺

Cellule d Canon à électrons

Yb³⁺

Echantillons (a)

(b)

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fin de dépôt, afin de s’assurer de la stabilité du taux de dopage pendant l’élaboration. Enfin, la température des cellules d’effusion est diminuée progressivement jusqu’à la température ambiante.

2.1.3 Traitement thermique des échantillons

Une fois les échantillons élaborés, il est nécessaire de les soumettre à un traitement thermique afin de guérir les défauts ponctuels créés lors de l’évaporation à température ambiante et de provoquer la démixtion à haute température dans les oxydes de silicium riches en silicium.

En effet, il est bien connu que la réduction du nombre de défauts conduit à une amélioration des propriétés optiques des films minces. A cette fin, nous disposons de deux fours. Un four tubulaire sous ultra vide, et un four à recuit rapide RTA (Rapid Thermal Annealing) sous atmosphère contrôlée.

2.1.3.1 Four tubulaire sous vide

Figure 2-3 Photographie du four tubulaire sous ultravide

Le four tubulaire permet de recuire les échantillons sous vide jusqu’à 950°C par rayonnement thermique, à une pression minimale l’ordre de 10^-9 Torr, assuré par une pompe ionique. Les échantillons sont insérés dans un sas, dans lequel un vide secondaire d’environ 10^-5 Torr est obtenu à l’aide d’une pompe turbomoléculaire. Les échantillons sont ensuite introduits dans le tube en quartz à l’aide d’une canne magnétique, et sont recuits par rayonnement thermique à l’aide d’un four tubulaire. La température est contrôlée à l’aide d’un thermocouple situé dans le four tubulaire à proximité de l’échantillon. La température augmente selon une rampe de 10°C/minute, jusqu’à atteindre la température souhaitée. Ensuite, le four est retiré, afin de redescendre rapidement à température ambiante. Pour les recuits à une température supérieure à 950°C, il n’est plus possible d’utiliser le four tubulaire, en raison des contraintes trop importantes imposées au tube en silice.

Four tubulaire Tube en quartz Sas d’introduction

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2.1.3.2 Four RTA (Rapid Thermal Annealing)

Afin d’atteindre des températures de recuit supérieures à 950°C, nous utilisons un four à recuit rapide (Rapid Thermal Annealing ou RTA) sous une atmosphère contrôlée. Les différents paramètres sont gérés par un programme informatique. Typiquement, chaque montée en température est précédée de plusieurs cycles de vide primaire suivi d’une remontée en pression sous atmosphère inerte. Dans un second temps, l’augmentation de température est effectuée avec une rampe d’environ 800°C par minute. Enfin, les recuits, d’une durée de 5 min (pour les