Développement de matériaux déposés par PECVD pour les

Chap. II Techniques de caractérisation
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Chapitre 2 : Dépôt par plasma, dispositif
expérimental et caractérisation des matériaux.

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Introduction :
Ce chapitre est consacré aux techniques de caractérisation et à la description des prés-
requis nécessaires à la mise au point de matériaux déposés par plasma et à la réalisation
d’éléments d’optique intégrée.
Pour réaliser des composants optiques au dessus de circuits électroniques, la première
étape à maîtriser est le dépôt de couches minces possédant de bonnes propriétés optiques
(transparence, indice de réfraction). Pour cela, nous décrirons dans une première partie le
principe du dépôt PECVD et les techniques de caractérisation physiques et optiques mises en
oeuvre pour mettre au point les matériaux.
Une fois un couple de matériaux de qualité optique obtenu, la seconde étape consiste à
mettre au point des composants élémentaires d’optique intégrée (guides d’ondes, virages,
diviseurs de faisceaux). Dans cet esprit, nous présenterons dans une deuxième partie le
principe du guidage de la lumière et les méthodes utilisées pour concevoir et caractériser des
composants.
1. Développement de matériaux à propriétés optiques en
couches minces
Les pré-requis concernant le dépôt et la caractérisation de couches optiques sont ici
exposés. Les principaux mécanismes du dépôt par plasma sont d’abords présentés, suivis de la
description du dispositif expérimental. Ensuite, les méthodes de caractérisation les plus
utilisées dans cette étude seront décrites :
-L’Infra Rouge à Transformée de Fourier (IRTF) permet de caractériser les liaisons
chimiques présentes dans les matériaux.
-L’ellipsometrie spectroscopique permet de déterminer l’indice optique des couches en
fonction de la longueur d’onde.
-La mesure de pertes optiques par lignes noires de type METRICONtm a été utilisée
pour mesurer les pertes optiques des couches.
1.1. Dépôt par plasma
Dans notre travail, différents matériaux déposés par plasma ont été développés :le
carbone amorphe, l’oxyde de silicium (SiO2), le nitrure de silicium (SiNx) et le silicium
amorphe. Nous détaillons ici les mécanismes du dépôt par plasma, et plus particulièrement par
plasma froid (faiblement ionisé). La majeure partie du travail de recherche ayant été

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effectuée sur le carbone amorphe, nous décrirons particulièrement les mécanismes de plasma
liés au dépôt de matériaux organiques. Cependant, les mécanismes de dépôt de matériaux
inorganiques, du type nitrure de silicium ou silicium amorphe, obéissent aux mêmes
principes.
1.1.1. Définition d’un plasma
Les plasmas sont des gaz partiellement ionisés composés d’électrons, de particules
ioniques chargées positivement ou négativement, d’atomes neutres et de molécules.
L’ensemble est électriquement neutre. Les plasmas sont considérés comme un état matériel
plus actif que les états solide, liquide ou gaz, et sont souvent assimilés au quatrième état de la
matière . On distingue les plasmas chauds, où les gaz sont majoritairement ionisés, des
plasmas froids, possédant un faible taux d’ionisation, de l’ordre de 10-4. Un plasma peut être
généré en soumettant un gaz à un champ électrique alternatif. Les électrons libres sont alors
accélérés et acquièrent de l’énergie. Au cours de leurs déplacements, ils entrent en collision
(élastique ou inélastique) avec des molécules ou des atomes. Les chocs inélastiques
provoquent l’ionisation des molécules de gaz. Le gaz passe alors d’un état d’isolant électrique
à un état de conducteur par production d’espèces libres chargées. L’apparition d’espèces
ionisées et excitées initie un grand nombre de phénomènes réactionnels complexes
(ionisation, dissociation, émission, recombinaison, neutralisation, désexcitation,
attachement…), permettant l’observation d’un phénomène de décharge luminescente
[Yasuda75].
Température électronique et ionique
Un plasma est un milieu de type gazeux hors équilibre thermodynamique. Les énergies
des électrons, ions et molécules excitées étant différentes, il n’existe pas de température
thermodynamique pour le plasma comme on peut la définir pour un gaz neutre. La valeur des
énergies des espèces présentes dans le plasma suit cependant une loi de distribution statistique
de type Maxwell-Blotzmann [Lieberman94] et l’on peut ainsi définir la température
statistique des différents éléments en utilisant l’équation 2-1.
TkmvE bc 2
3
2
12== Équation 2-1
Où Ec est l’énergie cinétique, m la masse de la particule, v la vitesse quadratique moyenne, T
la température en Kelvin et kb la constante de Boltzmann (1,38.10-23 J.K-1).

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On définit trois températures : Te pour les électrons, Ti pour les ions et Tn pour les espèces
neutres. Les masses des ions et des molécules étant proches, leurs températures sont voisines
et de l’ordre de la température ambiante. Par contre, la température électronique est beaucoup
plus élevée (Te # 20 000 K et Ti # Tn < 500 K).
Degré d’ionisation et de dissociation
Dans un plasma réactif, on définit la densité électronique comme le nombre
d’électrons par cm-3, la densité des électrons et des ions est de l’ordre de 108- 1012 cm-3. La
concentration en radicaux libres est beaucoup plus importante (103 à 105 fois plus élevée). Les
collisions les plus probables se font donc entre électrons et espèces neutres et non entre
espèces chargées. Seuls les électrons de la queue de distribution de la fonction maxwellienne
ont une énergie suffisante (10 eV) pour contribuer aux processus d’ionisation et de
dissociation dans le plasma.
Potentiel plasma et gaine du plasma
Lorsqu’un élément vient perturber le plasma (substrat, paroi…), il reçoit au cours du
régime transitoire une quantité plus importante d’électrons que d’ions car les électrons ont une
mobilité plus élevée. Cet élément se charge donc négativement par rapport au plasma. Un état
stationnaire est atteint lorsque la charge négative, attirant les ions positifs et repoussant les
électrons, permet d’équilibrer les flux d’ions et d’électrons. L’élément venant perturber le
plasma se place ainsi à un potentiel flottant Vf. La zone neutre du plasma acquiert un certain
potentiel électrostatique appelé potentiel plasma Vp, légèrement supérieur à Vf. Une barrière
de potentiel se forme, et seuls les électrons les plus énergétiques peuvent la franchir. Cette
barrière de potentiel a deux conséquences :
- Les électrons étant repoussés par la charge de l’élément, la densité électronique
proche de celui-ci est très faible et il y a donc très peu de luminescence. L’élément est
entouré d’un espace sombre appelé la gaine .
- La différence de potentiel Vf-Vp accélère les ions positifs qui vont se déposer sur les
éléments au potentiel Vf.
La gaine électrostatique joue un rôle d’écran entre le plasma et l’élément flottant, et supporte
la différence de potentel Vf-Vp. La neutralité électrostatique n’est effective qu’au delà d’une
distance minimale appelée longueur de Debye λDe définie par la relation
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=2
0
.
..
en
Tk
e
eb
De
ε
λ
Équation 2-2: Longueur de Debye