CHAPITRE 7 - ÉTUDE DE CAS
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En raison même de ses propriétés exceptionnelles liées à la structure cristallographique et à l’hybridation sp3 des liaisons carbone, ce matériau de rêve
qu’est le diamant est malheureusement très difficile à fabriquer : la pureté chimique est de loin rarement suffisante, les défauts cristallins sont beaucoup trop
nombreux, la mise en forme est toujours complexe. Au début des années quatrevingts, des procédés de synthèse à basse pression ont été découverts et la réalisation de couches minces de diamant par des procédés de CVD à basse pression
(quelques mbar) et à relativement basse température (900-950 “C) est devenue
possible. I1 reste cependant à comprendre les mécanismes de nucléation du diamant pour pouvoir maîtriser la mise en forme et notamment obtenir des couches
chimiquement propres, continues, ayant une morphologie contrôlée et adhérentes au substrat.
Toute application électronique suppose la réalisation de toutes ces conditions
qui dépendent non seulement des processus du dépôt CVD mais aussi de l’interaction entre les espèces activées du gaz et le substrat. L’association de techniques d’analyse de surface (photoémission XPS, spectroscopie d’électrons
Auger, microscopie à balayage, microscopie en transmission) permet d’avancer
dans l’amélioration des procédés et de répondre à de nombreuses questions en
analysant les mécanismes de nucléation-croissance.
Quel est le rôle du substrat qui pourra être différent selon les applications
recherchées ? Faut-il avoir une carburation ou une dissolution du carbone pour
obtenir une bonne couche diamantée ? Faut-il passer par des états structuraux
intermédiaires du carbone (état amorphe, DLC diamond like carbon ... ) ? Les
défauts du quatrième ordre de la surface, tels que les rayures, ont-ils une
influence sur la croissance ? Les défauts cristallographiques comme les joints de
grains, les émergences de dislocations, les marches sont-ils importants dans la
formation de la couche ? Les résidus de diamant issus des produits de polissage
servent-ils de sites de nucléation ? Toutes ces questions, typiques de l’ingénierie
des surfaces, supposent l’utilisation de nombreuses techniques de préparation
et de caractérisation pour être résolues.
Parmi les nombreux procédés CVD qui ont été testés, l’un consiste à activer
un mélange hydrogène-méthane au moyen de filaments de tungstène portés à
plus de 2 O00 O C . Plusieurs substrats ont été testés. Nous décrivons ici des
couches obtenues sur un métal qui ne forme pas de carbures et qui ne dissout
pas le carbone. Ceci permet donc de tester le rôle des résidus de polissage.
L a figure 7.21 montre l’évolution d u n e surface de cuivre polycristallin en
fonction de la teneur en méthane du gaz porteur, en gardant constants tous les
autres paramètres (température du substrat, pression et débit du mélange
gazeux, durée du dépôt)(12).
La microscopie électronique a balayage et les traitements d’images associés
permettent de voir que la taille des grains et la densité de nucléation croissent en
(12) Constant L., Nucléation et Croissance de couches de diamant élaborées par HFCVD,
Thèse, université Louis Pasteur, Strasbourg ( 1997).
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En raison même de ses propriétés exceptionnelles liées à la structure cristallographique et à l’hybridation sp3 des liaisons carbone, ce matériau de rêve
qu’est le diamant est malheureusement très difficile à fabriquer : la pureté chimique est de loin rarement suffisante, les défauts cristallins sont beaucoup trop
nombreux, la mise en forme est toujours complexe. Au début des années quatrevingts, des procédés de synthèse à basse pression ont été découverts et la réalisation de couches minces de diamant par des procédés de CVD à basse pression
(quelques mbar) et à relativement basse température (900-950 “C) est devenue
possible. I1 reste cependant à comprendre les mécanismes de nucléation du diamant pour pouvoir maîtriser la mise en forme et notamment obtenir des couches
chimiquement propres, continues, ayant une morphologie contrôlée et adhérentes au substrat.
Toute application électronique suppose la réalisation de toutes ces conditions
qui dépendent non seulement des processus du dépôt CVD mais aussi de l’interaction entre les espèces activées du gaz et le substrat. L’association de techniques d’analyse de surface (photoémission XPS, spectroscopie d’électrons
Auger, microscopie à balayage, microscopie en transmission) permet d’avancer
dans l’amélioration des procédés et de répondre à de nombreuses questions en
analysant les mécanismes de nucléation-croissance.
Quel est le rôle du substrat qui pourra être différent selon les applications
recherchées ? Faut-il avoir une carburation ou une dissolution du carbone pour
obtenir une bonne couche diamantée ? Faut-il passer par des états structuraux
intermédiaires du carbone (état amorphe, DLC diamond like carbon ... ) ? Les
défauts du quatrième ordre de la surface, tels que les rayures, ont-ils une
influence sur la croissance ? Les défauts cristallographiques comme les joints de
grains, les émergences de dislocations, les marches sont-ils importants dans la
formation de la couche ? Les résidus de diamant issus des produits de polissage
servent-ils de sites de nucléation ? Toutes ces questions, typiques de l’ingénierie
des surfaces, supposent l’utilisation de nombreuses techniques de préparation
et de caractérisation pour être résolues.
Parmi les nombreux procédés CVD qui ont été testés, l’un consiste à activer
un mélange hydrogène-méthane au moyen de filaments de tungstène portés à
plus de 2 O00 O C . Plusieurs substrats ont été testés. Nous décrivons ici des
couches obtenues sur un métal qui ne forme pas de carbures et qui ne dissout
pas le carbone. Ceci permet donc de tester le rôle des résidus de polissage.
L a figure 7.21 montre l’évolution d u n e surface de cuivre polycristallin en
fonction de la teneur en méthane du gaz porteur, en gardant constants tous les
autres paramètres (température du substrat, pression et débit du mélange
gazeux, durée du dépôt)(12).
La microscopie électronique a balayage et les traitements d’images associés
permettent de voir que la taille des grains et la densité de nucléation croissent en
(12) Constant L., Nucléation et Croissance de couches de diamant élaborées par HFCVD,
Thèse, université Louis Pasteur, Strasbourg ( 1997).