Caractérisation des propriétés mécaniques intrinsèques Caractérisation des propriétés mécaniques intrinsèques

de couches minces de carbone amorphe: évolution in situ de couches minces de carbone amorphe: évolution in situ

en température des contraintes et effets de l’implantation en température des contraintes et effets de l’implantation

d’azote sur la dureté et le moduled’azote sur la dureté et le module

S. Charvet, LPMC Université de Picardie, Amiens

M. Lejeune, IES, Joint Research Centre TP 263,Via Fermi 21020 Ispra, Italie

P. Goudeau, D. Faurie et Eric Le Bourhis, LMP – UMR 6630 CNRS / Univ. Poitiers

P. Gergaud, TECSEN, Université de Aix-Marseille

Réunion Thématique du Gdr Couches minces de carbone amorphe et nanostructuré, 18-19 Mars 2004, St Etienne et Lyon.

Etude du recuit de trois matériaux modèles

Sp3 - rich Sp2 - rich Sp2 - rich hydrogéné

PROCEDE FCVA PLD Sputtering IDECR

Possibilité de réaliser des alliages (azote)

non ? oui (clusters) oui oui

2 épaisseurs (nm) 20 – 100

STOECHIOMETRIE NRA RBS ERDA NEXAFS* XPS * PIXIE

STRUCTURE Hydrogen effusion FTIR RAMAN visible RAMAN UV HRTEM*

PROPRIETES ELECTRONIQUES ELLIPSO vis* ELLIPSO UV PDS UPS*

TRANSPORT-DEFAUTS ESR Cond.. vs T, F CAPA C(, T)

PROPRIETES MECANIQUES STRESS* Indentation Wear

EXTRA-STRUCTURE (50 mg powders) * RMN (13 C) Diffraction RX

Palaiseau, le 15 10 02

Cher(e)s collègues,

Suite à nos discussions lors de la

réunion plénière du GDR à Poitiers, nous

avons convenu de faire circuler un

nombre limité de couches minces de

carbone préparées par deux techniques

de dépôt complémentaires et recuites à

quelques températures standard.

Pour préciser les possibilités de chaque

équipe par rapport à un cahier des

charges qui est maintenant plus précis,

nous vous demandons de remplir le

questionnaire suivant, de le retourner à

Brigitte Bouchet

( bouchet@drecam.cea.fr ) et Christian

Godet (godet@poly.polytechnique.fr ) et

de nous indiquer le nom de la personne

qui va suivre ce programme d’échanges

dans votre groupe.

* In situ annealing steps : 250 – 400 – 550 – 700 – 1000 °C

Echange d’échantillons et comparaison des résultatsEchange d’échantillons et comparaison des résultats

Initiative de Stéphane Charvet du LPMC d’AmiensInitiative de Stéphane Charvet du LPMC d’Amiens

Dépôt de couches minces de carbone amorphe sur wafer de silicium (100)

Pulvérisation cathodique sous plasma d’Argon: a:C riche en Sp2

(1Pa, 150W : dureté optimisée)

Films de 100 nm sur substrats de 200 microns pour les contraintes in situ en

température (méthode de la flèche): 2 séries (C121/122) de 3 échantillons chacune.

Films de 320 nm sur substrats de 500 microns pour l’implantation d’azote 15 et la

nanoindentation (C 120)

(2 juillet 2002)

Evolution des contraintes en températureEvolution des contraintes en température

Les contraintes dans ces couches sont en compression: Série 1 (C122, substrats 3,

2 et 6): -0.4 à -0.65 GPa et série 2 (C121, substrats 11, 9 et 4): -1.3 à -1.4 GPa.

Origine (intrinsèque) de ces contraintes liée à l’énergie des particules déposés

(controverses) (Articles de Y. Pauleau et al. DRM 1997, S. Zhang et al. AM 2003)

Ces contraintes peuvent influencer les propriétés optiques (seuil d’absorption

optique, S. Kumar et al. DRM 2003), les propriétés mécaniques comme la dureté, le

comportement tribologique, la stabilité mécanique (cloquage sous compression).

Ce dernier phénomène limite l’utilisation de ces couches: les recuits ou

l’implantation peuvent permettre de réduire dans certains cas les contraintes.

Méthode de la flèche ~~~~

globales à partir du rayon de courbure du substrat

Avant dépôt Après dépôt 100 nm Mo

Stoney (1909) = E H

hs1 6

2

(1/Rf - 1/Ri) Module biaxial du substrat

Reproductibilité stabilité de l’échantillon

Porte objet spécialement conçu pour les mesures de flèches

3 points de contact Force d’appui < 1µN

flèche stylus < 80 Å

Déplacement du porte objet

Film + substrat Si 200 µm

Pointe stylus (10 nm)

Caractérisation

ex –situ des

contraintes

moyennes dans

la couche:

aucune

hypothèse sur

l’élasticité de

celle-ci

La formule de Stoney

hs

h

6

2

0s

Sf

hYhF

10 N/m is 100 MPa in 100 nm or 1 GPa in 10 nm

F=10 N/m, hs=200 m R=120m

Méthode de la lame vibranteMéthode de la lame vibranteDispositif de la Lame Vibrante

~~~~ Etude de films minces adhérents à un substrat de Si

650 µm

Film

17 mm

Si

< 100 µm

Mesures sous vide secondaire et en température (T < 800K)

Q-1 : Anélasticité (Evolutions structurales - E activation)

f0 du bilame (Variation du module d’Young du film)

Rég. dynamique

Contraintes globales in situ (T < 800 K)

Rég. statique

Film +

Substrat

Méthode Capacitive

Détermination des modules et constantes élastiques dans des films minces sur substrats

~~~~ Spectroscopie Mécanique (Lame Vibrante)

f0 du bilame

E / E film

2

3

E

E

e

es

M

s

ff / fbilame

(T)

300 350 400 450 500

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

P

(G

Pa)

T (K)

Si pas évolution structurale : Phénomène réversible () = E/ (1-)f T E*

Diffusion Brillouin (Ph. Djémia LPMTM Paris XIII) C11 et C44

Acoustique Picoseconde (B. Perrin Paris VI) C33

Modèle Kröner-Eschelby Cij E

1

2

Éprouvettes trop fragiles et contraintes initiales élevées Col. Tecsen

P C

Ampli

Mirror

Laser

Position sensitive detector

Lens

Sample

Position control

Focal plane

Réflexion d’un faisceau laser

P. Flinn, D. Gardner, IEEE Trans. Elec. Dev. ED-34 (1987) 689.

22fd

dX

Mesure de courbure par réflexion d’un faisceau laser

• Rapide (0.5 à 1s / mesure)

• Précis (0.1 N/m)

• Mesure optique donc adaptable a de nombreux environnements expérimentaux (CVD, implantation, fourfour, etc.) Pas nécessairement UHV

• Couplage DRX

- Vide secondaire : 10-6 Torr-Chauffage par contact. Mesure de la température par thermocouple placé à l’arrière du substrat (étalonnage sur Si). Température maximale 800 °C.- Vitesse de montée : 9 °C/minute. Régulation du four.

Série 1

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

0 100 200 300 400 500 600 700 800

T (°c)

Str

ess

(MP

a)

dlc2 dlc3 dlc6

a-C:H (PECVD) B. Racine, M. Benlahsen et al. JNCS 2000 et 2001

Espèces CO, … Hydrogène

Série 2

-2000

-1800

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

0 100 200 300 400 500 600 700 800

T (°c)

Str

ess

(MP

a)

dlc4 dlc11 dlc9

Cloques !

L.G. Jacobsohn et al. DRM 2000 (ex situ): faible relaxation de la contrainte résiduelle au dela de 500°C due à une augmentation de la taille des domaines sp2

V. Kulikovsky et al. DRM 2003 (ex situ): films épais de 1,5 microns et différentes duretés. Il y a une relaxation de 40% de la contrainte pour le film le plus dur jusqu’à 820°C. Apparition de cloques après dépôts dues à une perte d’adhésion et la présence de contraintes de compression de l’ordre de 0,7 GPa.

Contamination de l’interface Si/carbone par l’hydrogène (et l’oxygène) ?