simulation dynamique de processus de transport et depot d`atomes

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République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Université des Sciences et de Technologie d’Oran
Mohamed BOUDIAF
FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE
DEPARTEMENT D’ELECTROTECHNIQUE
MEMOIRE ENVUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE
MAGISTER
SPECIALITE: D’ELECTROTECHNIQUE
OPTION : INGENIERIE DES PLASMAS ET DECHARGES
Présenté par :
Mr DRIZE ABBAS
Sujet du mémoire
Soutenue le : 15 / 04/ 2012 devant le jury compose de :
Mr S.FLAZI Prof U.S.T.Oran Président
Mr A.SETTAOUTI Prof U.S.T.Oran Rapporteur
Mr M.MESSAD M.C.A U.S.T.Oran Examinateur
Mr A.W.BELARBI M.C.A U.S.T.Oran Examinateur
SIMULATION DYNAMIQUE DE
PROCESSUS DE TRANSPORT ET DEPOT
D'ATOMES DANS UN PLASMA

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Remerciements
C’est avec sincérité que j’exprime ma reconnaissance à mon encadreur
Mr. A. Settaouti
A tous ceux qui m’ont aidé a réaliser ce travail Mr. Rahali Mohammed amine,
Mr.Bouhafs bachir et Mr.warred youcef
Je remercie également Mr S.Flazi. ,W.Belarbi , M.Messad, pour avoir accepté de
juger ce travail
Je remercie vivement toutes personnes ayant contribué de près ou de loin à la
réalisation de ce mémoire
Je ne saurai terminer mes remerciements sans évoquer ma famille qui
m’a soutenu tout au long de mes études

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SIMULATION DYNAMIQUE DE PROCESSUS DE TRANSPORT ET
DEPOT D'ATOMES DANS UN PLASMA
Résumé
Ce travail est consacré à l’étude de transport d’atomes de cuivre dans un plasma, Par
application de la méthode de monte Carlo afin de simuler le transport.
Dans le chapitre I, nous avons donné les généralités des couches minces, nous
exposons les méthodes physiques et chimiques de dépôts en soulignant les avantages et les
difficultés rencontrés dans leurs mise en ouvre, nous montrons que les méthodes physiques et
en particulier la pulvérisation cathodique est la méthode la plus populaire en milieu industriel,
grâce à sa simplicité, nous donnerons son historique et ses différentes dispositifs. Puis nous
finirons par un tableau récapitulatif qui montre les avantages et les inconvénients de chaque
méthode.
Dans le chapitre II, nous avons fait un rappel sur la notion du plasma, le libre parcours
moyen, la longueur de debye, nous discutons les concepts de base des interactions atomes
solides, sur lesquelles la théorie de la pulvérisation est établie. Nous donnerons les
conséquences de l’impact de l’ion sur la surface de la cible, la définition de la collision,
sections efficace énergie transférée. Puis nous donnerons les équations qui permettent le
calcul du coefficient de pulvérisation en utilisant les différentes modèles tel que, model de
Sigmund, Yamamura, Wilhelm etc.….enfin nous donnons les formules de l'énergie de
Threshod et l'énergie de liaison.
Dans le chapitre III nous avons étudié le processus de pulvérisation des atomes de
cuivres par simulation numérique, le détail expérimental pour le système cible en face et
diode plane ainsi nous avons donné les définitions des deux types de sources.
L'énergie initiale et la distribution angulaire sont décrit par Sigmund –Thomson distribution,
la distribution des atomes pulvérisés en phase gazeux est décrite analytiquement par valles
abarca et all et numériquement par Yamazaki et all. Pour chaque atome sa trajectoire a été
simulée en calculant le libre parcourt, l’angle de déviation et perte d’énergie moyen entre le
premier point d’éjection et premier point de collision puis entre deux collisions successives.
Jusqu’a l’atome de cuivre se dépose sur le substrat ou frappe l’une des parois de l’enceinte ou
atteint son énergie de thermalisation.
Dans le dernier chapitre nous avons présenté les résultats qui proviennent de la
simulation par méthode de Monte Carlo de transport des atomes de cuivres pulvérisés dans
un gaz argon en système diode et système FTS : cibles en face. Nous avons joué sur la
pression et les distances cible substrat, cible -cible puis nous exposons l’influence de ces
paramètres sur le taux de dépôt la distribution énergétique et angulaire et le profil de
distribution spatiale.
Un bon accord entre les résultats obtenus dans ce travail et les résultats théoriques,
expérimentaux exprimées par divers auteurs.
Nous terminons par une conclusion sur le phénomène de transport des atomes
pulvérisés dans un plasma pour les deux systèmes.

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SOMMAIRE
CHAPITRE I
LA PULVERISATION CATHODIQUE
Sommaire………………………………………………………………………... 4
Introduction……………………………………………………………………… 7
I.1.Généralité sur les couches minces………………………………………….... 10
I.2 Méthodes générales de dépôt de couches mince…………………………….. 10
I.2.1.Dépôt en phase vapeur chimique (C V D)…………………………………. 12
I.2.2. Dépôt ne phase vapeur physique (P V D)…………………………………. 14
I.2.2.1. Processus thermique…………………………………………………….. 14
I.2.2.1.1. Bombardement d'électron…………………………………………… .. 14
I.2.2.1.2. Echauffement par effet joule………………………………………..... 14
I.2.2.1.3. Arc électrique………………………………………………………… 14
I.2.2.1.4. Faisceaux d'ions (I.B.A.D)……………………………………………. 14
I.2.2.1.5 .Ablation laser…………………………………………………………. 15
I.2.2.2 .la pulvérisation cathodique …………………………………………….. 16
I.3. Technique (PVD) de dépôt par pulvérisation cathodique sous vide ……….. 17
I.3.1.Historique………………………………………………………………….. 17
I.3.2. Principe de la pulvérisation cathodique…………………………………… 17
I.4 . Méthode de pulvérisation cathodique………………………………………. 18
I.4.1.Procédé diode……………………………………………………………… 18
I.4.2.Procédé haute fréquence…………………………………………………... 20
I.4.3.Procédé triode……………………………………………………………... 20
I.4.4.Procédé magnétron………………………………………………………... 22
I.5.Géométrie des électrodes……………………………………………………. 23
I.6.Les différentes de mesure des couches minces……………………………… 23
I.7. Comparaison de modes de déposition P.V.D………………………………. 24
CHAPITRE II
THORIE DE LA PULVERISATION CATHODIQUE
II.1. Plasma froid………………………………………………………………… 27
II.1.1 Longueur de debye………………………………………………………
II1.2.Libre parcours moyen………………………………………………………
28
28
II.2. Interaction entre l’ion d’argon et la surface de la cible………………… 29
II.2.1. Collision élastique……………………………………………………… 30
II.22. Collision inélastique ……………………………………………………
II.23. Sections efficaces, sections efficaces d’arrêt nucléaire et sections
efficaces
d’arrêt électronique…………………………………………………………
II.3. Les régimes de pulvérisation……………………………………………….
II.3.1. Energie transférée…………………………………………………………
II.3.2.L’énergie de l’ion incident est inferieur à l’énergie seuil du solide ……..
31
32
34
35
35
II.3.3.L’énergie de l’ion est presque égale à l’énergie seuil du solide ………… 35
II.3.4.L’énergie de l’ion est supérieur à l’énergie seuil du solide …………….. 38

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II.4.Formule du rendement de pulvérisation…………………………………... 39
II.4.1.Formule du rendement donné par Sigmund…………………………….. 39
II.4.2.Formule semi-empirique basé sur la théorie de Sigmund………………. 40
II.4.2.1. Formule de Bohdansky……………………………………………….. 40
II.4.2.2..Formule de Yammamura ……………………………………………... 41
II.4.2.3.Formule de Wilhem Yammamura……………………………………..... 43
II.5.Variation du coefficient de pulvérisation………………………………..... 43
II.5. 1. Coefficient de pulvérisation en fonction de l’énergie de la particule
Incidente……………………………………………………………….... 43
II.5. 2. coefficient de pulvérisation en fonction des Masses des particules
Incidente………………………………………………………………… 44
II.5. 3. coefficient de pulvérisation en fonction de l’angle d’incidence………… 43
II.5. 4. coefficient de pulvérisation en fonction du numéro atomique………….. 46
II.5. 5. Effet des propriétés matérielles de la cible sur la pulvérisation………… 46
II.5. 6. coefficient de pulvérisation en fonction de la température de la cible….. 47
CHAPITRE III
SIMULATION NUMERIQUE DES ATOMES PULVERISES DANS UN
SYSTEME A DIODE PLANE ET CIBLE EN FACE
III.1.Méthode de monte Carlo…………………………………………………… 50
III.1.1.Principe de la méthode pour la simulation des collisions……………...... 50
III.1.2.Génération des nombres aléatoires…………………………………….. .. 51
III.2.Détail expérimental 51
III.3.Source ponctuelle et source étendue…………………………………….....
III.3.1.Source ponctuelle ………………………………………………………...
III.3.2.Source étendue…………………………………………………………...
III.4.Hypothèse simplifiant………………………………………………………
53
53
54
55
III.5.Atome éjectée de la cible…………………………………………………... 55
III.6.Transport en phase gaz…………………………………………………….. 56
III.7.Organigramme……………………………………………………………… 61
CHAPITRE IV
RESULTATS ET DISCUSSIONS
IV.1.Système diode…………….... ……………………………………………... 63
IV.1.1.Taux de dépôt …………………………………………………………..... 63
IV.1.2Distribution angulaire…………….............................................................. 65
IV.1.3.Distribution énergétique ………………………………………………… 69
IV.1.4.Distribution spatiale …………………………………………………….. 73
IV.1.5.Distribution en épaisseur ………………………………………………… 78
IV.2 .Système cible en face FTS………………………………………………… 83
IV.2 .1.Distance inter-cible constante …………………………………………... 83
IV.2.1.1.Taux de dépôt …………………………………………………………. 84
IV.2.1.2Distribution angulaire……………........................................................... 86
IV.2.1.3.Distribution énergétique ………………………………………………. 89
IV.2.1.4.Distribution spatiale …………………………………………………… 92
IV.2 .2. . Effet de la diminution de la distance inter-cible ……………………... 95
IV.2.2.1.Taux de dépôt …………………………………………………………. 96
IV.2.2.2Distribution angulaire……………........................................................... 98
IV.2.2.3.Distribution énergétique ………………………………………………. 101
IV.2.2.4.Distribution spatiale …………………………………………………… 104