D.U.
~
N° D'ORDRE
529
i
,
THESE
PRESENTEE
A L'UNIVERSITE BLAISE PASCAL
(Clermont-Ferrand
II)
U.F.R. DE RECHERCHE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITE BLAISE PASCAL
(Spécialité: PHYSICO-CHIMIE DES MATÉRIAUX)
rCO~~'EIL AFR1CA~N-;~ ~~lG \\CHI: ~
par
FOU~ l'ENSEiGNE.ViENT SUPEl1iEUR ,1
C. A. M. 1::. S. --- OUAGI-\\DOUGOU
BILA SE G DA Il f\\(r:vé.c ',2. -1- NOV· ·1997-· .....
Enregi:.tre cous Il' #·0·2· 2··8.8. t
_._, .
."" ..,A.
_ _ , __ .......-..__• _ _•• ~
CARACTERISATION DIMENSIONNELLE
ET PHYSICOCHIMIQUE DE COUCHES MINCES
ET DE MULTICOUCHES DIELECTRIQUES.
~:j
Soutenue publiquement le
13 Avril 1993 devant la Commission d'examen
Monsieur :
P. ANDANSON
Président et Rapporteur
Mme :
O. BOHNKE
Rapporteur
MM:
G.
BAUD
Exami nateurs
J.P. BESSE
M. JACQUET

---

"Tout arrive à celui ou celle qui sait attendre. Malheur à ses détracteurs."
1lla Ç1érard SEGDA
"La science n'a pas de patrie."
Louis PASTEUR

---

A ma mère,
A mon père,
pour leur patience et leur soutien.
A mon épouse Fatimata
dont l'amour, la patience et les conseils
m'ont procuré une immense joie de vivre
tout au long de ce travail.
A ma fille Sonia, Pegdwendé
dont la naissance a été une lueur d'espoir
et un stimulant pour la finition de ce travail.
Je dédie ce travail à mes parents, à mon frère Lébendé Geoffroy à ma grande soeur, à
toute ma famille ainsi qu'à tous mes amis, qu'ils trouvent ici l'expression de ma
profonde affection.

---

A la mémoire de mon ami Henri, Eric, Georges YOUNGA, prémenturément
arraché à la vie avant même qu'il ait soutenu sa thèse en géophysique interne.

---

REMERCIEMENTS
Ce travail a été réalisé au sein de l'Equipe Couches Minces du Laboratoire de Physico-
Chimie des Matériaux (U.R.A. 444) de l'Université Blaise PASCAL de Clennont-Ferrand n.
Messieurs J. P. Besse, M. Jacquet et G. Baud, qui animent cette équipe ont dirigé
l'ensemble de cette étude et m'ont constamment soutenu au cours de mes recherches. Qu'ils
veuillent bien trouver ici le témoignage de ma profonde reconnaissance.
Je suis très sensible à l'honneur que me fait Monsieur le Professeur P. ANDANSON,
Directeur de l'I.U.T. de l'Université d'Auvergne en acceptant non seulement de présider ce
jury, mais également d'être un rapporteur scientifique de ce travail; je tiens à lui exprimer ma
respectueuse gratitude.
Mes plus vifs et sincères remerciements vont à Madame O. BOHNKE, Chargée de
Recherche CNRS en électrochimie à Besançon, qui a accepté de juger ce travail et d'en être un
rapporteur scientifique.
M. G. BLONDIAUX, Chargé de Recherche au CERI d'Orléans, m'a fait bénéficier de
son aide précieuse dans le domaine de l'analyse RBS. C'est du plus profond de mon coeur que
je lui adresse mes plus sincères et maigres remerciements.
Je tiens à remercier E. FRER Y, Madame A. M. MAFILLE et V. RAVEL du Pôle
Technologique de Clermont-Ferrand pour leur assistance technique et leur disponibilité.
Mes remerciements les plus sincères vont également à Messieurs L. ROUDIL, G.
MOULIN et R. PELLET ainsi qu'à Madame C. MASCLAUX pour l'aide qu'ils m'ont apportée
dans la partie technique de ce travail.
Enfin, que H. BANVILLET, A. SERVET et M. K. TRAORE ainsi que tous les
collègues du Laboratoire trouvent ici l'expression de ma sincère et profonde amitié.

---

---

INTRODUCTION
1
CHAPITRE 1 : ELABORATION DES DEPOTS
5
1-1 DISPOSITIF DE DEPOT
7
1-1.1 Méthode de dépôt
7
1-1.2 Pulvérisation Cathodique
7
1-1.2.1 Description de la technique
7
1-1.2.2 Mécanisme physique de la pulvérisation
8
1-1.2.3 Caractéristiques du phénomène de pulvérisation
9
1-1.2.4 Différentes techniques de pulvérisation
10
1-1.3 Pulvérisation en radiofréquence
10
1-1.4 Pulvérisation magnétron
12
1-1.5 Pulvérisation réactive
12
1-1.6 Appareillage
12
1-1.6.1 Appareil de pulvérisation ALCATEL modèle DION 300
12
1-1.6.2 Appareil de pulvérisation ALCATEL modèle SCM 450
13
1-2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
15
1-2.1 Matériaux cibles
15
1-2.1.1 Cibles utilisées en pulvérisation carthodique simple
15
1-2.1.2 Cibles utilisées en pulvérisation cathodique magnetron
16
1-2.2 Choix et préparation des substrats
16
1-2.3 Conditions générales de pulvérisation
17
1-2.4 Vitesse de dépôt
18
CHAPITRE II : CARACTERISA TION DE~c~l1e~~
19
. \\
11-1 INTRODUCTION
",...->,.~
21
"
~ "18
11-2 CARACTERISATION EN EPAISS
(. P IJ.J O"'il,,'1
21
-:
• nt
.
-
l
'.
11-2.1 Interférométrie
~.
CUm ni ;~
. ?
21
~
'/01)
II-2.1.1 Principe de l'interféromètre de Mi "'e on
21
11-2.1.2 Application de l'interféromètre à l'étu~~~~~
22
II-2.1.3 Mesure de l'épaisseur d'un dépôt
23

---

II-2.2 Spectrométrie de fluorescence X
24
11-2.2.1 Aspect qualitatif de la fluorescence X
24
II-2.2.2 Aspect quantitatif de la fluorescence X
26
II-2.2.3 Application aux couches minces
27
II-2.2.4 Appareillage
28
II-2.3 Résultats expérimentaux
28
II-2.3.1 Méthodes d'absorption
28
II-2.3.2 Méthodes d'émission
36
II-2.3.3 Comparaison des méthodes de mesure
40
II-3 CARACTERISATION EN COMPOSITION
41
11-3.1 Techniques utilisées
41
II-3.1.1 Complément de la théorie de fluorescence X
41
II-3.1.2 Spectrométrie R.B.S
43
11-3.2 Résultats expérimentaux
51
II-3.2.l Etude des dépôts d'alumine par R.B.S
51
II-3.2.2 Etude des dépôts de Ge02 par R.B.S
57
11-3.2.3 Etude d'une couche mince de Ge-Pb-O par R.B.S
59
II-3.2.4 Etude des multicouches diélectriques par R.B.S
61
11-3.2.5 Etude de la composition par fluorescence X
64
11-4 CARACTERISATION STRUCTURALE DES DEPOTS
65
11-4.1 Caractérisation par diffraction X
65
11-4.2 Etude par EXAFS
65
11-4.3 Microscopie électronique à balayage
66
11-5 CARACTERISATION PHYSIQUE
66
11-5.1 Masse volumique
66
11-5.2 Indice de réfraction
68
11-6 CONCLUSION
68
CHAPITRE III : PROPRIETES DIELECTRIQUES DES
MONOCOUCHES
71
111-1 INTRODUCTION
73
111-2 CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX EN COUCHE
MINCE ..
73
111-2.1 Permittivité et pertes diélectriques
7 3

---

111-2.2 Etude en fonction de la fréquence
76
111-2.3 Influence de la température
78
ill-2.3.l Coefficient thennique de capacité
78
1II-2.3.2 Tangente de l'angle de perte
79
111-2.4 Tension de claquage
80
111-3 APPAREILLAGE DE MESURE
82
111-3.1 Pont de mesure
82
111-3.2 Dispositif de l'étude du claquage
84
111-3.3 Cellules de mesure
84
1II-3.3.l Cellule de chauffage
85
1II-3.3.2 Cellule de refroidissement
85
111-4 REALISATION DES CONDENSATEURS
87
111-4.1 Choix des matériaux d'électrodes
87
111-4.2 Configuration des condensateurs
88
111-4.3 Problèmes de mesure
90
111-4.3.1 Mesure de la tangente de perte
90
111-4.3.2 Mesure de la tension de claquage
9 1
111-5 RESULTATS EXPERIMENTAUX
92
111-5.1 Condensateurs à base d'alumine
92
III-5.1.1 Etude en fonction de la composition du dépôt d'alumine sur les
propriétés diélectriques
9 3
III-5.1.2 Influence des traitements thenniques
95
111-5.1.3 Relation entre Yc et tan 0
100
III-S. 1.4 Variation de la capacité et de la tangente de pertes tan 0
en fonction de la fréquence et de la température
100
III-S. 1.5 Champ de claquage
103
111-5.1.6 Influence de l'épaisseur
105
III-5.1.7 Caractéristiques principales des condensateurs
à base d'alumine
108
111-5.2 Condensateurs à base de Ge02
109
111-5.2.1 Etude en fonction de la composition
109
111-5.2.2 Influence des traitements thenniques
110
III-5.2.3 Etude en fonction de la fréquence et de la température
111
III-S.2.4 Champ de claquage
114
III-5.2.5 Caractéristiques principales d'un condensateur à base de Ge02
114

---

111-5.3 Condensateurs à base de Ge-Pb-O
115
III-5.3.1 Etude en fonction de la composition
115
III-5.3.2 Influence de la température
116
111-5.4 Comparaison des résultats des différents diélectriques
117
111-6 CONCLUSION
120
CHAPITRE IV ETUDE DES PROPRIETES DIELECTRIQUES
DES MULTICOUCHES
121
IV-l INTRODUCTION
123
IV-2 THEORIE
123
IV-2.1 Modèles des condensateurs à multicouches diélectriques
123
IV-2.2 Détermination de la tangente de l'angle de perte pour les
multicouches
125
IV-2.2.1 Cas général
125
IV-2.2.2 Bicouches
125
IV-2.2.3 Tricouches
126
IV -2.3 Détermination du coefficient thermique de capacité
pour les multicouches
126
IV-2.3.1 Cas général
126
IV-2.3.2 Bicouches
126
IV-2.3.3 Tricouches
127
IV-2.4 Détermination de la différence de potentiel
appliquée à chaque couche
127
IV-2.4.1 Cas général
127
IV-2.4.2 Bicouches
128
IV-2.4.3 Tricouches
128
IV-3 RESULTATS EXPERIMENTAUX
129
IV-3.1 Traitements thermiques
129
IV-3.1.1 Présentation de l'étude
129
IV-3.1.2 Couches à base de dioxyde de germanium et d'alumine
130
IV.3.1.3 Couches à base de dioxyde de germanium et d'oxyde
mixte de germanium et de plomb
133
IV-3.1.4 Couches à base d'alumine, de dioxyde de germanium
et d'oxyde mixte de germanium et de plomb
134
IV-3.1.5 Conclusion de l'étude. des traitements thermiques
135

---

IV-3.2 Etude en fonction de la fréquence et de la température
136
IV-4 COMPARAISON DES RESULTATS
139
IV-4.1 Comparaison entre les monocouches et les multicouches
139
IV-4.1.1 Etude en fonction de l'épaisseur
139
IV-4.1.2 Etude en fonction de la température
141
IV-4.2 Influence de nombre de couches sur les propriétés
diélectriques
142
IV-4.3 Comparaison des caractéristiques mesurées et calculées
143
IV-4.3.1 Comparaison de C/S, tanÔ et Yc
143
IV-4.3.2 Champ de claquage des multicouches
145
IV-S APPLICATIONS DE NOTRE ETUDE
147
IV-5.1 Isolement de circuits
147
IV -5.2 Condensateurs
148
IV-5.2.1 Caractéristiques des condensateurs du commerce
148
IV-5.2.2 Caractéristiques et intérêts de nos condensateurs
149
IV-6 CONCLUSION
151
CONCLUSION GENERALE
153
BIBLIOG RAPHIE
157

---

---

3
Depuis plusieurs décennies, l'élaboration de matériaux sous fonne de couches minces a
connu un essor considérable. Certains matériaux ont fait l'objet de nombreux travaux du fait de
la grande diversité de leurs applications potentielles dans des domaines industriels tels que:
- la rnicroélectronique : couches diélectriques ou conductrices, piles tout solide, capteurs
(ISFET), couches piézoélectriques ou ferroélectriques [1 - 6],
- l'optique: couches antireflet, filtres, déflecteurs, guides d'ondes [7-11],
- la mécanique: revêtements anticorrosion, antifriction, antiusure [l0,II].
Les études entreprises au laboratoire portent essentiellement sur l'obtention et la
caractérisation de matériaux possédant des propriétés électriques intéressantes (diélectriques,
conducteurs ioniques) [12 - 23] ou faisant fonction de revêtements [24 - 30].
L'objectif de notre travail est l'élaboration de couches minces diélectriques par
pulvérisation cathodique en radiofréquence. Cette technique présente de nombreux avantages;
elle pennet de déposer des matériaux isolants ou conducteurs sur tous les types de substrats,
d'élaborer des empilements de matériaux différents sans retour à l'atmosphère. Elle confère aux
couches déposées une meilleure adhérence que dans le procédé d'évaporation.
Nous avons choisi comme matériaux diélectriques l'alumine, le dioxyde de gennanium
et les oxydes mixtes Ge-Pb-O.
Les oxydes Al203 et Ge02 présentent des bandes interdites plus larges que celles de
Ta20S' qui est le diélectrique le plus utilisé pour la réalisation de condensateurs en couches
minces. Ceci laisse entrevoir pour ces oxydes des propriétés diélectriques intéressantes[31-46].
En vue d'améliorer la capacité surfacique de nos condensateurs nous avons élaboré des oxydes
doubles Ge-Pb-O qui ont déjà été étudiés au laboratoire [17]. En effet, la polarisabilité
importante du plomb confère à ces matériaux une constante diélectrique élevée [51,52].
L'optimisation des conditions de dépôts semblait une étape indispensable pour obtenir
les meilleures caractéristiques diélectriques. Cette étude a été rendue possible grâce à
l'utilisation de techniques de caractérisation performantes: spectrométries de fluorescence X et
de rétrodiffusion de Rutherford (R.B.S.).
Par ailleurs, des travaux portant sur des condensateurs fonnés de deux couches
diélectriques, Ta20S - SiOx [55, 56] et Mn02_x,Ta20S 156], montrent que le champ de claquage
est amélioré par rapport à celui de chaque isolant pris séparément. Ces résultats nous ont
conduit à élaborer des condensateurs constitués de l'empilement de couches de diélectriques
différents.

---

4
Pour l'élaboration de nos condensateurs nous avons dû porter une attention particulière
aux problèmes de l'adhérence des électrodes sur l'isolant et des couches de diélectriques entre
elles.
Dans l'exposé de notre travail nous désignerons respectivement par "monocouches" et
"multicouches" les diélectriques constitués d'un matériau unique et ceux constitués par un
empilement de plusieurs couches de matériaux différents.
Dans le premier chapitre, nous décrirons le dispositif de dépôt et définirons les
conditions d'élaboration des couches minces d'alumine, de dioxyde de gennanium et de
l'oxyde mixte de gennanium et de plomb.
Nous présenterons dans le deuxième chapitre les caractérisations dimensionnelles et en
composition des dépôts. Les résultats expérimentaux seront chaque fois présentés après une
brève description de la technique utilisée.
Le troisième chapitre sera consacré à l'optimisation des propriétés diélectriques des
différents matériaux étudiés. Ici encore, avant de donner les résultats, nous rappellerons
brièvement la théorie des diélectriques.
Enfin, dans le quatrième chapitre nous indiquerons les performances des condensateurs
multicouches en les comparant à celles des condensateurs à un seul diélectrique.

---

5
CHAPITRE 1

---

7
1.1 DISPOSITIF DE DEPOT
1.1. 1 METHODES DE DEPOTS
Diverses techniques de dépôt peuvent être employées pour obtenir un matériau sous
fonne de couche mince [60]. Parmi elles on peut distinguer deux groupes principaux:
- les méthodes physiques comme la pulvérisation cathodique et l'évaporation qui sont
employées pour un grand nombre de matériaux (métaux, semi-conducteurs, isolants),
- les méthodes physico-chimiques, spécifiques du matériau à déposer, qui
comprennent le dépôt électrolytique, l'épitaxie en phase liquide, l'adsorption, le dépôt
chimique en phase vapeur (CVD) ...
Dans notre travail, nous avons utilisé comme méthode de dépôt la pulvérisation
cathodique. Avant de développer la technique spécifique de pulvérisation utilisée, nous ferons
d'abord une brève description générale de la technique, nous expliquerons ensuite le
mécanisme physique de la pulvérisation et définirons les caractéristiques du phénomène de
pulvérisation.
1.1.2 PULVERISATION CATHODIQUE
1.1.2.1 Description de la technique
La pulvérisation cathodique est un procédé de dépôt sous vide fonctionnant à froid,
en plasma luminescent, dans un gaz maintenu à pression réduite (10-1 à 10-2 Pa) [60-64]. Il
permet de déposer tous les types de matériaux, simples ou composés, réfractaires ou non,
alliés ou non, conducteurs ou diélectriques, qui acceptent une mise sous vide et un léger
échauffement (70°C environ).
L'installation de pulvérisation comprend:
- une enceinte de dépôt équipée pour la pulvérisation,
- un groupe de pompage permettant d'atteindre une pression inférieure à 10-3 Pa,
- une armoire d'alimentation électrique, haute tension (1 à 5 kV) continue ou haute
fréquence suivant le procédé.
Le matériau à déposer, appelé matériau cible, est introduit dans l'enceinte à vide,
sous fonne d'une plaque de quelques millimètres d'épaisseur et de surface au moins égale à
celle de la pièce à recouvrir.

---

8
Cette cible est fixée sur une électrode refroidie (la cathode) qu'on porte à une tension
négative de 3 à 5 kV. Une deuxième électrode (l'anode) est disposée parallèlement à la cible,
à une distance de quelques centimètres. Dans de nombreux cas l'anode sert de porte-substrat;
elle est généralement maintenue à la masse pour faciliter son utilisation. Si la pression
résiduelle dans l'enceinte est comprise entre 1 Pa et 102 Pa, le champ électrique créé entre les
deux électrodes provoque l'ionisation du gaz résiduel (généralement de l'argon). Cette
ionisation apparaît sous forme d'un nuage luminescent, localisé entre les deux électrodes. Au
même moment, un courant électrique s'établit entre les deux électrodes: le gaz résiduel est
devenu conducteur, il contient alors:
- des électrons qui sont attirés par l'anode,
- des ions positifs qui sont attirés par la cible (la cathode).
Si on place une pièce devant la cible, on observe que cette pièce se recouvre
progressivement d'une couche du même matériau que celui de la cible. Ce dépôt est dû à la
condensation d'atomes provenant de la cible, à la suite de leur expulsion sous l'effet de
l'impact des ions positifs contenus dans le gaz luminescent.
1.1.2.2 Mécanisme physique de la pulvérisation
L'éjection d'atomes est un effet purement mécanique due au choc des ions sur le
matériau que l'on veut déposer. 11 se produit une espèce de sablage à l'échelle atomique. Une
énergie mécanique est communiquée aux atomes du matériau par cession de la quantité de
mouvement de l'ion incident.
Le premier atome rencontré par l'ion incident va communiquer sa quantité de
mouvement aux atomes environnant et ainsi de proche en proche jusqu'à l'éjection des atomes
de surface (figure 1).
Trois caractéristiques imponantes sont dues à ce mécanisme:
- l'échauffement de la cible qui doit être compensé par un refroidissement efficace;
- le caractère mécanique du processus d'éjection qui fait qu'un matériau cible composé
(alliage, oxyde, ... ), se pulvérise aussi bien qu'un corps simple;
- l'énergie des particules pulvérisées est considérablement plus élevée qu'en
évaporation. L'énergie moyenne qui est comprise entre 1 et 10 eV, confère aux
couches pulvérisées une meilleure adhérence au substrat que les couches évaporées.
Le bombardement ionique provoque aussi divers autres phénomènes (figure 1) :
- l'implantation d'ions dans le matériau cible,
- la création de défauts dans le matériau bombardé,
- l'émission de particules gazeuses (Ar) possédant des énergies importantes après
rebondissement sur la surface.

---

9
rebondissement d'ions
expulsion d'atomes gazeux
Gaz
Expulsion
1
d'atomes
1
Solide
Echauffement
absorption d'ions gazeux
Figure 1 : Mécanisme de pulvérisation.
1.1.2.3 Caractéristiques du phénomène de pulvérisation
Seuil de pulvérisation
Le seuil de pulvérisation est l'énergie minimale que doit avoir l'ion incident pour
extraire des atomes du matériau cible [61 J. Cette énergie dépend à la fois de la nature de l'ion
incident et de celle de la cible. Elle se situe en général entre 10 et 30 eV [62,85].
Rendement de pulvérisation
C'est le nombre d'atomes expulsés par ion incident :
S = Nombre d'atomes expulsés
Nombre d'ions incidents
S dépend:
-de l'énergie des ions ou encore de la tension de polarisation appliquée à la cible
(plus cette énergie est grande, plus grand sera le nombre d'atomes extraits),
- de la nature du gaz (plus le gaz est lourd, plus efficace sera son action),
- de la nature du solide bombardé et de son orientation cristalline.

---

10
Particules pulvérisées
Les particules expulsées sous l'impact des ions sont en très grande majorité des
particules électriquement neutres. Ce sont le plus souvent des atomes, très rarement des
molécules. Lorsque le bombardement ionique est normal au plan de la cible, l'éjection se fait
préférentiellement dans cette direction.
1.1.2.4 Différentes techniques de pulvérisation
Il existe plusieurs techniques de dépôts par pulvérisation cathodique. Elles ont été
décrites par lI. BESSOT [62], on peut les classer en quatre catégories:
- le procédé diode en tension continue ou diode DC,
- la pulvérisation en radiofréquence ou procéqé diode RF,
•
- la pulvérisation magné~t0n,(1 i flP 13-; OUil;';fI "l~\\
,
Ce:-; i 'e
~; ;.
1
- le procédé triode.
\\ "
[ ,
·,,"L. '':'~",l
\\ '''.'
\\ " ' ,
Pour la réalisation de no~"~.ùt~ ~~~:"nous avons utilisé la pulvérisation en
radiofréquence classique et la pulvérisation ëifradiofréquence magnétron. Nous allons décrire
plus précisément ces deux techniques dans les paragraphes suivants.
1.1.3 PULVERISATION EN RADIOFREQUENCE
Le dépôt d'isolants n'est pas possible avec les systèmes du type diode DC parce qu'ils
ne peuvent pas écouler les charges électriques apportées sur la cible par les ions argon. Le
plasma contenant autant d'ions que d'électrons, la polarisation alternative de la cible fait que
pendant l'alternance négative, la cathode attire les ions Ar+ qui la pulvérisent, en la chargeant
positivement (figure 2). Pendant l'alternance positive, elle attire les électrons qui la
déchargent.
A basse fréquence (v ::; 50 kHz), la mobilité des ions est suffisante pour qu'ils aient le
temps d'atteindre la cathode et le dispositif se comporte comme un système diode DC pendant
chaque demi-période. Mais, comme chaque électrode est alternativement cathode et anode,
toutes deux sont pulvérisées.
A haute fréquence, les électrons du plasma oscillent dans le champ avec une énergie
suffisante pour ioniser les atomes, réduisant ainsi la dépendance de la décharge vis à vis de
l'émission secondaire d'électrons par la cible. Il s'ensuit:
- un abaissement de la tension d'amorçage de la décharge pour une pression donnée (la
tension d'amorçage en RF est de l'ordre de 100 V au lieu de 2000 V en DC),
- un abaissement de la pression de travail pqur une tension donnée( 10-1 Pa <P< 10-2 Pa).

---

Il
La fréquence imposée est de 13,56 MHz. Pour une telle fréquence, les ions du
plasma, du fait de leur masse élevée, deviennent suffisamment immobiles pour qu'on puisse
négliger le bombardement ionique des électrodes. Si la cible est isolante il développe sur cette
électrode un potentiel négatif pulsé dont la valeur moyenne est appelée le potentiel
d'autopolarisation. En raison de l'existence de ce potentiel négatif la cible est bombardée par
les ions positifs du plasma. Comme la pulvérisation de matériaux conducteurs ne pourrait pas
être faite avec un tel dispositif, on couple le générateur RF à la cible au moyen d'une capacité
qui rend ainsi son fonctionnement indépendant de la nature de la cible.
L'espace inter-électrodes comprend principalement deux zones (figure 2) : la gaine
cathodique ou espace obscur (zone de Crookes) et la zone du plasma proprement dite [62,64].
C'est dans la zone sombre de Crookes que s'effectue principalement l'attraction des ions: c'est
en quelque sorte la zone d'influence de la cathode. Au delà de cette zone, les ions et les
électrons ne subissent pratiquement pas l'influence de la cathode.
gaine cathodique
v
1
II
Figure 2 : Pulvérisation de matériaux isolants.

---

12
1.1.4 PULVERISATION MAGNETRON
La cathode magnétron est un perfectionnement de la cathode utilisée en pulvérisation
diode classique. Ce perfectionnement consiste en la superposition d'un champ magnétique
intense au champ électrique créé par la cathode, ces deux champs étant perpendiculaires.
Pour une diode DC ou RF simple, la décharge est entretenue par les électrons
secondaires éjectés de la cathode sous l'effet du bombardement ionique. Dans ce cas les
électrons qui ne rencontrent pas de molécules de gaz, s'éloignent perpendiculairement à la
cathode et sont captés par l'anode.
Dans le système magnétron, les électrons ont une trajectoire qui s'enroule autour des
lignes de champ magnétique ce qui allonge leur trajectoire et augmente la densité
électronique au voisinage de la cathode. Ainsi l'efficacité d'ionisation des électrons
secondaires est augmentée au voisinage de la cible ce qui favorise le bombardement ionique
de la cathode. Il s'ensuit deux conséquences:
- l'augmentation de la vitesse de dépôt,
- l'abaissement de la pression de travail jusqu'à 0,1 Pa pour une tension continue.
1.1.5 PULVERISATION REACTIVE
En introduisant dans l'enceinte un gaz réactif pendant la pulvérisation, on peut
maintenir la composition superficielle de la cible, et favoriser les recombinaisons au cours du
transfert de manière à réaliser une couche de même composition que la cible. Avec un gaz
réactif, on peut déposer un matériau différent de la cible, par exemple un oxyde, en
pulvérisant le métal dans une atmosphère d'oxygène 162-651.
1.1.6 APPAREILLAGE
Pour réaliser nos dépôts nous avons utilisé deux appareils de pulvérisation
cathodique en radiofréquence dont un possède des cibles à effet magnétron.
1.1.6.1 Appareil de pulvérisation ALCATEL modèle DION 300
Cet appareil possède une enceinte de pulvérisation cylindrique en verre équipée de
deux cathodes RF planes refroidies de diamètre 50 mm et d'un porte-substrat réglable
permettant d'ajuster la distance cible-substrat.

---

13
Un cache situé entre le porte-substrat et la cathode sélectionnée pennet de faire une
prépulvérisation de la cible avant de commencer le dépôt.
Le groupe de pompage comprend une pompe primaire à palettes et une pompe
secondaire à diffusion d'huile. On obtient ainsi un vide de l'ordre de 10-4 Pa en quelques
heures. Un piège à azote liquide peut être utilisé pour améliorer la vitesse de pompage et le
vide limite. A l'aide d'une réduction de diamètre de la canalisation de pompage et d'une
alimentation de gaz à travers une vanne de réglage fin, on peut établir une pression résiduelle
convenable pour la pulvérisation.
Un générateur électrique de fréquence 13,56 MHz et de puissance 2510 W pennet
d'alimenter l'une ou l'autre cathode. L'impédance de l'ensemble cathode-cible-plasma est très
variable: elle dépend de la nature de la cible, de la composition et de la pression du plasma.
Pour que le générateur délivre toute la puissance voulue au niveau du plasma, on doit
accorder l'impédance de l'ensemble des éléments constituant le circuit électrique: c'est le rôle
de l'adaptateur d'impédance. Pour une puissance RF donnée l'accord est réalisé lorsque la
puissance réfléchie est nulle.
Système tournant et chauffant
Pour les besoins d'u ne étude antérieure r17J il a été réalisé au laboratoire, un système
destiné à faire tourner (1 tour/mn) le porte-échantillon sur lui-même. Ce système est équipé
d'une résistance chauffante blindée permettant de chauffer le substrat jusqu'à 450°C. Au
moyen d'un thermocouple blindé (thermocoax) on peut déterminer la température du substrat
avec une précision de l'ordre de 5°C.
Ce système tournant présente plusieurs avantages:
- il permet l'homogénéisation des couches minces obtenues par copulvérisation de
plusieurs éléments,
- il permet d'obtenir une épaisseur de dépôt beaucoup plus unifonne que dans le cas
d'un porte-échantillon fixe,
- il permet enfin une étude de l'influence de la température du substrat sur les
propriétés physiques des différents matériaux en couches minces.
1.1.6.2 Appareil de pulvérisation ALCATEL modèle SeM 450
Cet appareil de dimensions plus grandes que le précédent s'en distingue surtout par la
présence de cathodes à effet magnétron et par de meilleures performances. Sur le schéma de

---

14
la figure 3, on peut distinguer ses trois grandes parties: l'enceinte, le générateur et le groupe
de pompage.
Ca
Cil
Ci2
l .
I~-..L-_---,PDH
RF
CC
13.56 MHz
~
AI : adaptateur d'impédance
PAL: piège à azote liquide
PU: pompe inter-joint
Ca : cache
Ch : système chauffant
Ci l, Ci 2 : cibles
Th : Thermocouple
N, S : pôles des aimants
PS Ch : porte-substrat chauffant
PP : pompe primaire
PS Re : porte-substrat refroidi
PDH : pompe à diffusion d'huile
lP : jauge primaire
RF ; générateur radiofréquence
lS : jauge secondaire
CC ; générateur à courant continu
Figure 3 : Appareil de pulvérisation cathodique ALCATEL SCM 450

---

15
L'enceinte
Elle est constituée par un tube cylindrique d'un diamètre de 450 mm en acier
inoxydable muni de hublots, de vitres étanches et d'un système de refroidissement. Elle
possède essentiellement:
- une platine inférieure portant trois cibles magnétrons (diamètre 100 mm) et une
cible RF (diamètre 50 mm) refroidies,
- un porte-substrat comprenant trois postes de travail refroidis et un poste chauffant
(température maximale 600°C). Le positionnement automatique des postes ou leur rotation
continue sont possibles. Ce porte-substrat est aussi muni d'un dispositif de translation
pennettant d'ajuster la distance entre la cible et le substrat.
Le générateur radiofréquence
Il peut délivrer une puissance maximale de 600 W (7,64 W/cm2) à la fréquence
13,56 MHz. Un commutateur permet d'inverser le rôle de la cible et du porte-substrat de
manière à réaliser un décapage ionique des substrats.
Le groupe de pompage
Il comprend en sus des éléments décrits précédemment, une pompe primaire qui
assure le pompage inter-joint du passage étanche du porte-substrat. Ce groupe pennet
d'obtenir un vide initial plus poussé (10-5 Pa) que l'autre appareil.
Enfin, il faut signaler que la station de dépôt SCM 450 est munie d'un automate
programmable.
1.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
1.2.1 MA TERIAUX CIBLES
1.2.1.1 Cibles utilisées en pulvérisation cathodique simple
Les cathodes sans effet magnétron, de petit diamètre (50 mm), ont été utilisées pour
des matériaux coûteux (métaux précieux) ou pour des matériaux avec lesquels il est très
difficile de fabriquer des cibles de grande dimension.

---

16
Tous les matériaux utilisés pour les cibles ont une pureté égale ou supérieure à 99,99 %.
La cible en dioxyde de germanium vitreux est réalisée à partir de dioxyde de
germanium cristallisé en poudre (Ge02 hexagonal) [17]. Pour ceci, la poudre est d'abord
fondue à 1250 oC dans une coupelle en platine. Le verre obtenu est ensuite recuit à 800 oC
pour éliminer ses tensions internes.
Pour obtenir l'oxyde mixte de germanium et de plomb, nous opérons par
copulvérisation de germanium et de plomb dans un plasma réactif argon-oxygène. Nous
utilisons une cible massive en germanium sur laquelle nous disposons 6 secteurs en plomb
pur d'épaisseur 1 mm. Chaque secteur a pour aire 1/16ème de l'aire totale de la cible.
Les couches minces de platine et d'or sont pulvérisées à partir de cibles métalliques.
1.2.1.2 Cibles utilisées en pulvérisation cathodique magnétron
L'effet magnétron a pour principal intérêt d'accroître la vitesse de dépôt mais en
contrepartie les cibles doivent être refroidies énergétiquement pour dissiper l'énergie apportée
par le plasma. Dans ce but, elles sont fixées sur la cathode en cuivre au moyen d'une colle
chargée à l'argent.
1.2.2 CHOIX ET PREPATION DES SUBSTRATS
L'étude de nos couches minces nécessite des substrats présentant le moins de défauts
possibles. Ils doivent avoir un poli de qualité optique, c'est-à-dire une rugosité maximale de
0,01 /lm. Suivant la nature de caractérisation des échantillons, différents types de substrats
ont été utilisés:
- des lames de verre pour microscope, pour l'étude des propriétés diélectriques et la
détermination de la composition et de l'épaisseur des dépôts,
- des plaques d'acier inoxydable et d'aluminium polies pour l'étude des propriétés
diélectriques,
- des plaques de carbone vitreux pour l'étude de la composition par RBS.
Tous les substrats sont nettoyés dans une cuve à ultrasons. Ils sont ensuite rincés à
l'eau distillée puis à l'acétone ou à l'alcool et enfin séchés.
Pour éviter toute pollution, les substrats non utilisés immédiatement sont conservés
dans une enceinte étanche.

---

17
1.2.3 CONDITIONS GENERALES DE PULVERISATION
Avant d'effectuer un dépôt nous établissons dans l'enceinte un vide préalable
d'environ 10-4 Pa. Pour nettoyer la surface de la cible, nous commençons par la pulvériser sur
le cache. Les conditions habituelles de pulvérisation des différents matériaux sont reponées
dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions générales de pulvérisation et vitesses de dépôts.
Pression
Puissance
Distance
Vitesse
Plasma
Cible-Substrat
de dépôt
Cible
02 (%)
(Pa)
(W/cm2)
(mm)
(Ilm h- l )
Ge02
2à5
0,5 à 1
6,37
75
0,20 à 0,33
Ge+Pb(6/16)
10
1
1,78
30
0,66
AI20 3
Oà5
0,1 à 1
l,59 à 6,37
75
O,llàl,9
AI
0
0,1
0,64 et 1,91
60
1,5 et 6
Pt
0
1
2,55
60
1,3
Au
0
1
2,55
60
1,7
La pulvérisation réactive demande un contrôle rigoureux de la pression panielle en
gaz réactif, l'oxygène dans notre cas. Les proportions d'argon et d'oxygène dans le mélange
sont obtenues à 1 % près, à l'aide de régulateurs de débit massique DATAMETRICS-
DRESSER.
Au moyen d'un thermocouple blindé (Thermocoax) en contact avec la face avant du
substrat, nous avons constaté que la température atteinte à la fin de la pulvérisation était,
suivant les conditions opératoires entre 40 oC et 70 oC environ. En conséquence, nous
laissons refroidir l'échantillon sous l'atmosphère de pulvérisation avant d'ouvrir l'enceinte.
Remarque:
D'une manière générale il y a toujours élévation progressive de température pendant
la pulvérisation. Cette augmentation de température dépend évidemment des conditions
opératoires (puissance RF, durée de dépôt, température initiale du substrat...). Dans la suite de
ce travail, nous indiquerons toujours pour la température du substrat la valeur

---

18
au début du dépôt. En particulier pour un dépôt réalisé à 20°C, la température du substrat peut
atteindre
70°C.
1.2.4 VITESSE DE DEPOTS
Nous donnons dans le tableau 1 les vitesses de dépôt dans nos conditions opératoires.
La figure 4 représente un exemple de l'influence de la pression totale et de la
composition du plasma sur la vitesse de dépôt d'alumine.
2,0
1,8
-..
.....
] 1,6
::i.
' - '
> 1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
p(Pa)
Figure 4 : Vitesse de dépôt en fonction de la pression totale pour différentes
compositions du plasma : (1) Ar .. (2) Ar+02 (2 %) .. (3) Ar+02 (4,5 %).
La vitesse de dépôt est directement liée à la puissance RF utilisée. Par exemple, pour
l'alumine, la vitesse passe de 0, Il à 0,79 ,..un/h lorsque la puissance RF passe de 125 W à
500 W, les autres paramètres de dépôt étant maintenus constants (pression totale 1 Pa ;
plasma: Ar + 02 (2 %)).
On constate aussi que la vitesse de dépôt diminue quand le taux d'oxygène dans le
plasma augmente. Cette vitesse passe par un maximum lorsque la pression de travail varie de
0,1 Pa à 1 Pa.
Dans ce premier chapitre, nous avons présenté les techniques de pulvérisation en
radiofréquence utilisées au cours de notre travail. Les conditions opératoires qui ont été
précisées ont pennis d'obtenir des dépôts reproductibles de bonne qualité.

---

1 9
CHAPITRE II

---

20

---

2 1
II.1 INTRODUCTION
Les couches minces doivent être bien caractérisées en composition et en épaisseur, avant
d'entreprendre leur étude diélectrique. Dans ce but, nous avons fait appel à plusieurs techniques
qui sont complémentaires en raison de l'étendue de leur domaine d'utilisation et de leur facilité
de mise en oeuvre. En particulier, la fluorescence X a été utilisée pour faire des mesures
d'épaisseur de bicouches diélectriques, et une étude de certaines compositions spécifiques. Elle
est complémentaire de la caractérisation dimensionnelle par interférométrie et de l'analyse par
R.B.S.
La caractérisation développée dans ce chapitre se rapporte aussi à l'aspect structural des
dépôts et à la détermination de grandeurs physiques macroscopiques comme la masse
volumique et l'indice de réfraction.
II.2 CARACTERISATION EN EPAISSEUR
L'épaisseur des dépôts a été mesurée par interférométrie optique et par spectrométrie de
fluorescence X.
11.2.1 INTERFEROMETRIE
II.2.1.1 Principe de l'interféromètre de Michelson
L'interféromètre de Michelson est essentiellement constitué par un système de séparation
de faisceaux et par deux miroirs (figure 5) [18,84-86]'
La séparatrice (S) est une lame de verre rendue semi-réfléchissante par la métallisation
d'une face. Elle sépare le faisceau incident en deux faisceaux perpendiculaires. Pour compenser
la dissymétrie des chemins optiques qu'introduit la séparatrice, on dispose parallèlement à (S)
une lame de verre identique à (S) mais non métallisée.
Les deux miroirs Ml et M2 sont perpendiculaires respectivement aux faisceaux (l)
et (2), mais restent légèrement inclinables par rapport à leur support. Le miroir M2 dont le
support est fixe sert de miroir de référence. Le miroir Ml peut être translaté parallèlement à lui-
même.

---

22
~~
~
MIROIRM2
(2)
COMPENSATRICE (C)
SEPARATRICE (S)
SL
(1)
MIROIRM 1
o
Figure 5 : Schéma de principe de l'interféromètre de Michelson.
Si l'image M'l du miroir donnée par la séparatrice n'est pas parallèle à M2, on a un coin
d'air. On observe alors des franges rectilignes, parallèles à l'arête du coin et équidistantes: ce
sont des franges d'égale épaisseur.
Dans le cas où M'l est rigoureusement parallèle à M2. on peut observer les anneaux à
l'infini de la lame d'air ainsi formée: ce sont des franges d'égale inclinaison.
II.2.1.2 Application de l'interférométrie à l'étude des couches minces
L'interféromètre de Michelson a été modifié au laboratoire [17, 18, 85, 86] pour
l'adapter à notre étude. Le miroir Ml est remplacé par l'échantillon à étudier recouvert
éventuellement d'une fine couche métallique si les dépôts sont transparents. On réalise des
coins entre les différentes parties de l'échantillon et le miroir de référence. Avec une source
lumineuse de longueur d'onde À, on obtient des franges rectilignes parallèles aux arêtes des
coins. En comptant les franges qui passent en un point P commun à deux coins, on obtient
l'écart 8 entre les différences de marche optique.
8 = (k+f) À
(11.1)
Le nombre de franges est représenté sous la forme d'un nombre entier k et d'un nombre
fractionnaire f (0 ~ f < 1).

---

23
En pratique, on identifie d'abord la frange centrale de chaque coin en lumière blanche,
ensuite on détermine k et f en lumière monochromatique. Avec des échantillons de bonne
planéité on peut en général apprécier les décalages de l'ordre du dixième de frange, donc mettre
en évidence des différences de marche de l'ordre de 0,05 Ilm.
Il.2.1.3 Mesure de l'épaisseur d'un dépôt
La figure 6 représente le schéma d'un échantillon constitué par un dépôt transparent
d'épaisseur e, sur une partie duquel a été déposée une couche mince métallique (en général du
platine) d'épaisseur em.
,II
,
mat
,
\\'j
/ / / /
1
substrat
substrat
Ml :PtI + mat + Pt2
M2 : PtI + Pt2
M] : PtI
M4: PtI + mat
Figure 6 : Echantillon pour la mesure d'épaisseur et d'indice de réfraction en interférométrie.
On améliore le pouvoir réflecteur du substrat en le recouvrant d'une couche métallique
(Platine PtI). On dépose ensuite le matériau puis une seconde couche de platine (PtZ) sous
forme de demi-cercles ayant leurs diamètres perpendiculaires.
Au moyen de l'interféromètre de Michelson, on mesure les différences de marche:
01 = 2e entre les miroirs Ml et M2
02 = 2em entre les miroirs M2 et M3

---

24
L'épaisseur du dépôt et celle du platine sont respectivement déduites de ces expressions:
et
L'erreur sur l'épaisseur du matériau est donnée par :
~e =~(k + f) + ~Â. == M
e
k+ f
Â.
k+f
car ~ =0 et ~Â. est négligeable.
Â.
II.2.2 SPECTROMETRIE DE FLUORESCENCE X
La fluorescence X est l'une des conséquences du phénomène d'absorption des photons
X par la matière. C'est une méthode d'analyse non destructive qui permet de caractériser des
couches minces en épaisseur et en composition.
Il.2.2.1 Aspect qualitatif de la fluorescence X
L'interaction rayonnement - matière 173, 851 peut donner lieu à plusieurs phénomènes
présentés par le schéma de la figure 7 :
Diffusion cohérente ( E)
Diffusion incohérente
R X (E)
E'=E+Œ
.A-------......,~Fluorescence X
Electrons non caractéristiques
Electrons Auger
Chaleur
Figure 7 : Principaux phénomènes résultant de l'interaction des rayons X avec la matière.
Lorsqu'un rayonnement X issu d'un tube à rayons X tombe sur un matériau, il peut
provoquer l'émission par celui-ci de son spectre X appelé fluorescence X qui est caractéristique
des atomes présents dans le matériau. Les spectres d'émission couramment utilisés en

---

25
fluorescence X sont les spectres de la série K pour la plupart des éléments, et ceux de la série L
pour les éléments lourds [65-77].
Un élément i est caractérisé vis-à-vis de l'absorption des rayons X, par une courbe
représentant les variations de son coefficient d'absorption massique Jli en fonction de l'énergie
des photons incidents. Sur cette courbe (figure 8) on constate à l'énergie EKi une discontinuité
de Jli. Cette discontinuité représente le seuil d'absorption K, correspondant à l'énergie EKi
d'ionisation de la couche électronique K de l'atome i.
émissions
rendement maximum
d'excitation
absorption
L+M+ ...
o
E (keV)
Figure 8 : Positions relatives des radiations iK a, iKf3 el du seuil d'absorption K d'un
élément i.
Le plus souvent, on ne s'intéresse qu'à la raie Ka qui est plus intense que la raie K~.
Le mécanisme présidant à la fluorescence X est régi par une règle fondamentale: seules
les radiations d'énergie supérieure à celle de la discontinuité K ont le pouvoir d'exciter la
fluorescence correspondante. Elles seront d'autant plus efficaces que leur énergie sera très
voisine et immédiatement supérieure à celle de la discontinuité. La situation est semblable dans
le cas de la série L.

---

26
Le faisceau excitateur, émis par un tube à rayons X est constitué par un spectre continu
auquel se superpose le plus souvent un spectre de raies.
II.2.2.2 Aspect quantitatif de la fluorescence X
<lx
x
'VI
Io(E)
Figure 9 : Emission du rayonnement de fluorescence.
Considérons un échantillon plan et homogène S d'épaisseur h renfermant l'élément
fluorescent i à la concentration Ci. et irradié par un faisceau parallèle polychromatique
d'intensité IO(E) sous une incidence 'V 1( figure 9).
L'intensité du rayonnement de fluorescence émis par l'élément i dans la couche
d'épaisseur dx située à la profondeur x qui émerge de l'échantillon sous l'angle 'V2 et tombe sur
le collimateur est donnée par :
~
px ]
pdx Sk- l
[ P x ]
dI(E)=Io(E)dE.ex -Jls(E).-.- ·Jli(E)Ci·-.-·-- Cùk Pa.Q.exp -Jls(~) - . - .
SIn'VI
SIn'VI
Sk
SIn'V2
(II.2)
La signification des différents termes est la suivante:
IO(E)dE est l'intensité du faisceau incident d'énergie comprise entre E et E+dE ;
J
ex -Jls(E)~] est le facteur d'atténuation du faisceau primaire dû au phénomène
1
sm'Vl
d'absorption dans l'échantillon;
Jli(E)Ci ~dx est un terme d'absorption par l'élément i contenu dans le volume Sdx ;
SIn'VI

---

27
.fuLl OlK.Pa est le facteur de conversion atomique pour l'émission de la raie Ka ou facteur
SK
d'excitation qui sera désigné par la suite par Fi;
Q =ID est le facteur géométrique ou facteur de collimation;
41t
J
ex -lls(Ei)~] est l'atténuation du rayonnement de fluorescence par absorption de
1.
sm"'l
l'échantillon S.
Les symboles utilisés sont:
"'1 et "'2, respectivement angle d'incidence des radiations primaires et angle d'émergence des
raies de fluorescences;
p, masse volumique de l'échantillon;
E, énergie du rayonnement incident ;
Ei, énergie de la raie Ka de l'élément i ;
lli(E), coefficient d'absorption massique de l'élément i pour l'énergie E ;
Ils(E), coefficient d'absorption massique de l'échantillon S pour l'énergie E ;
Ils(Ei), coefficient d'absorption massique de l'échantillon S pour la radiation d'énergie Ei ;
1
Sk-
, probabilité d'excitation du niveau K correspondant à la fraction d'énergie absorbée par
Sk
l'élément i pour l'émission K. SK est le saut d'absorption correspondant;
Pa., probabilité d'émission de la raie Ka ;
OlK, rendement de fluorescence pour la raie Ka .
L'intégration de (II.2) entre x = 0 et x = h donne:
I(Ei) = IO(E)dE.Q.Fi
ci·lli(E)
{1- ex _phf Il.s(E) + Il:(Ei)]}
(11.3)
.
( Ils(E)
Ils(Ei) 1
p
Ilsm"'1 sm"'2
sm "'1.
+ - . - -
SIn "'1
sIn "'2
11.2.2.3 Application aux couches minces
D
1
d
h
·
1
. ,
h (lls(Ei)
Ils(E»)
.
,
ans e cas
es couc es mmces, a quantIte z = p
.
+ .
est toujours tres
sm"'2
sm",1
petite. Si z < 0,1 on peut assimiler l'exponentielle contenue dans l'expression ll.3 aux deux
premiers termes de son développement limité d'où:
QFj
I(Ei) =-.-.phcj.lli(E)Io(E)dE.
sm"'l
L'intégration par rapport à l'énergie donne:
QFi
JEKi
I(Ei) =-.-.phci· Eo Ilj(E)Io(E)dE
sm"'l
où Eo est l'énergie limite de la distribution spectrale primaire.

---

28
Le produit Cjhp n'est autre que la masse mj de l'élément i par unité de surface.
iEKi
L'intégrale
J.1j(E)Io(E)dE dépend uniquement de la distribution spectrale incidente
Eo
c'est à dire des conditions opératoires et non de la nature de l'échantillon. Nous pouvons donc
faire entrer ce terme dans les constantes et écrire simplement [69, 70] :
I(Ej) = Kmj = KCjhp .
(lIA)
II.2.2.4 Appareillage
La composition et l'épaisseur des films minces ont été déterminées à l'aide d'un
spectromètre à dispersion en énergie EG&G-ORTEC, modèle "TEFA-Monitor" (Tube Excited
Fluorescence Analyzer-Monitor). Cet appareil est équipé d'un tube à rayons X bi-anode
tungstène-rhodium, d'une puissance de 10 W (200 J.1A sous 50 kV) et d'un détecteur Si(Li)
dont la résolution est de 164 eV pour la raie MnKa [71, 72,85,86]. Le constructeur propose
plusieurs filtres dont un en rhodium pour filtrer le faisceau excitateur.
La géométrie de la chambre d'analyse impose un même angle d'incidence et de détection
d'une valeur de 50° et permet d'explorer sur l'échantillon une surface elliptique dont les
dimensions sont de 15 mm pour le grand axe et de Il mm pour le petit axe. Ces dimensions
sont parfaitement bien adaptées à celles de nos dépôts qui sont soit circulaires (diamètre 20 mm)
soit rectangulaires (20 mm x 15 mm).
II.2.3 RE SULTATS EXPERIMENTAUX
Dans cette partie, nous développons essentiellement les méthodes de détermination des
épaisseurs de dépôts en fluorescence X et nous comparons les résultats avec ceux obtenus par
interférométrie. En fluorescence X, on peut déterminer les épaisseurs par deux méthodes
différentes: la méthode d'absorption et la méthode d'émission.
II.2.3.1 Méthode d'absorption
Absorption par une couche unique (monocouche)
La méthode consiste à exciter un ou plusieurs des éléments du substrat. Soit s l'élément
majeur du substrat. Il s'agit de mesurer l'intensité los émise directement par cet élément non

---

29
recouvert par le dépôt et celle Is émise par ce même élément après traversée du dépôt
d'épaisseur h et de masse volumique p. En tenant compte du facteur d'atténuation, on a la
relation:
Is = Iosexp(-ph~*)
(11.5)
où ~* est le coefficient d'absorption massique du dépôt dont l'expression est:
•=~mat(Eo) + ~mat(Es)
~
(11.6)
sin '1'1
sin '1'2
~mat(Eo) est le coefficient d'absorption massique du matériau pour l'énergie équivalente
EO (énergie de la radiation monochromatique qui produirait les mêmes effets d'excitation que le
spectre polychromatique émis par le tube à rayons X) [66-70]. Eo varie suivant le matériau
constitutif de l'anticathode et les conditions opératoires. La détennination expérimentale de Eo
est très délicate. Sa valeur peut être calculée à partir d'un échantillon mince d'épaisseur connue.
~mat(Es) est le coefficient d'absorption massique du matériau pour l'énergie de la
radiation Ka. de l'élément s.
La signification des angles '1'1 et '1'2 ayant été donnée par la figure 9, nous rappelons
qu'ils sont identiques et valent 50° pour le spectromètre que nous avons utilisé.
Notre étude porte sur des couches uniques ou des bicouches d'aluminium, d'oxyde
d'aluminium A1203, de germanium et d'oxyde de germanium Ge02 déposées sur des lames de
microscope. Les dépôts des couches étudiées en fluorescence X ont la disposition présentée
dans la figure 10. L'échantillon possède trois zones de dimensions minimales 20 mm x 15 mm.
Avec les zones 1 et II, on obtient l'épaisseur de chacune des couches. La zone III permet
de caractériser la double couche.
--:~~~~~~~!~I~~~~--
Couche 1
Couche 2
Figure 10 : Schéma d'une bicouche pour l'étude en fluorescence X.
Pour nos mesures, nous avons utilisé la raie Ka. du silicium l'un des éléments majeurs
du substrat dont l'énergie ESi vaut 1,74 keV. Pour les éléments légers tels que l'aluminium et le
silicium, on prend l'énergie équivalente EO = 2,70 keV. Cette valeur correspond sensiblement à
l'énergie de la raie La. du rhodium.

---

30
La relation (II.5) donne:
h =_1-ln IOSi
(11.6)
PIl*
ISi
L'incertitude commise sur la mesure de l'épaisseur se détermine au moyen de la relation
suivante:
(11.7)
Le tableau 2 consigne pour nos matéria}1~ les coefficients d'absorption massique et la
masse volumique déterminée au moyen
. ' (~~re; ia:/~ métriques.
.~'
~.
\\~
t;
.",
;;
1I1BP1J40ung8
1
;
.,.,
Centre
cl
Tableau 2 : Coefficients d'ab\\~~~ma~BlqfltJ" sse volumique des dépôts.
~.r"" -;§Y
1161\\
.
Il (Eo = 2,70keV)
Il (ESi =T,74 keV)
Il* (cm2 / g)
P (g / cm3)
Ge
1332
4410,400
7496,606
4,76±0,08
GeÜ2
1015,376
3379,608
5737,245
3,71±0,08
Al
1065,4
3254,500
5639,556
2,59±0,08
Al2Û3
704,384
2214,530
3810,593
3, 13±0,08
A partir de la valeur du coefficient ~ figurant dans la relation 11.6, on peut calculer
PIl
l'épaisseur de chaque dépôt. Quelques exemples du calcul de l'épaisseur d'une monocouche par
la méthode d'absorption des raies du silicium sont donnés dans le tableau 3.

---

3 1
Tableau 3 : Exemples de calcul d'épaisseur des monocouches par la méthode d'absorption.
IOSi
ISi
Echantillon
Matériau
1/P/l*(/lm)
ln (I0Si/ISi)
ha (JlIl1)
(coups/s)
(coups/s)
1
Ge
0,280
4426
475
2,232
0,63±0,06
2
Ge02
0,470
5634
1606
1,255
0,59±0,05
3
Al
0,685
5634
3853
0,380
0,26±0,04
4
A120:3
0,841
4426
1881
0,856
0,72±0,05
La figure Il illustre le phénomène d'absorption de la raie Ka du silicium par les
différents matériaux en fonction de leur épaisseur. Ce résultat est confinné par certains
chercheurs [74-78].
o
1,2 -r----------------------........,
El
1/I0(Si)Ge
-
- 1,0 ...
-
+
llIo(Si) Al
~
0
I/IO(Si)Al fJ 3
0,8 - ~++ .f~
Â.
I/IO(Si)Ge0 2
°6 E14 +
,
-
III
0
.. + 0
0,4 -
III
+0
I!I ..
0
.
I!I
T
0
0,2 _
EtJ: ..
+ 0
llGI
....
+ 0
a:J
...
o
0,0 ;-----r--_....IiJ ""~I"""'--
1III----,---_"""T'"'
...,..
--1
= - .
o
'1
12
3
h (/lm)
Figure Il : Intensité relative de la raie Ka du silicium en fonction de l'épaisseur du matériau
traversé.
Le tableau 4 pennet de comparer les valeurs des épaisseurs obtenues en fluorescence X
par la méthcxie d'absorption avec celles mesurées par interférométrie.
Les résultats donnés se rapportent aux zones à couche unique d'échantillons à deux
couches.

---

32
Tableau 4 : Résultats comparés de l'épaisseur (ha) mesurée en fluorescence X par la méthode
d'absorption avec celle (h) mesurée à l'aide de l'interféromètre de Michelson.
°
n écho couche
hi (Ilm)
ha (Ilm)
n°éch.
couche
hi (Ilm)
ha (Ilm)
Al
0,22±0,02
0,25±0,08
Ge
0,76±0,03
0,73±0,06
5
16
Ge
0,55±0,02
0,50±0,08
A12Û3
0,70±0,03
0,67±0,06
Ge
0,92±0,03
0,88±0,08
Ge
1,13±0,03
1,10±0,08
6
17
Al
0,05±0,01
0,07±0,03
A12Û3
0,30±,02
0,26±0,06
Ge
1,42±0,03
1,38±0,08
Al
0,30±0,02
0,26±0,05
7
18
Al
0,96±0,03
0,92±0,08
GeÜ2
0,65±0,03
0,59±0,06
Ge
0,98±0,03
1,01±0,08
8
19
GeÜ2
0,30±0,02
0,32±0,05
Al
0,34±0,02
0,34±0,08
Al
0,15±0,02
0,16±0,04
Ge
0,29±0,02
0,25±0,08
9
20
GeÜ2
0,15±0,02
0,14±0,04
Al
0,15±0,02
0,18±0,05
Al
0,07±0,02
0,08±0,03
Ge
0,16±0,02
0,16±0,04
10
21
Ge02
0,90±0,03
0,93±0,08
Al
0,30±0,02
0,31±0,06
Al
0,45±0,03
0,48±0,06
Ge
0,64±0,03
0,63±0,08
Ge02
0,50±0,02
0,53±0,05
Il
22
Al
0, 13±0,01
0,17±0,05
A12Û1
0,20±0,02
0,17±0,04
Ge
0,85±0,03
0,82±0,08
12
GeÜ2
1,32±0,04
1,30±0,08
23
Al
0,75±0,03
0,73±0,07
A120:3
0,75±0,03
0,77±0,06
Ge
0,25±0,02
0,22±0,04
13
24
A1203
0,43±0,02
0,46±0,05
Al
0,39±0,02
0,44±0,05
GeÜ2
0,78±0,03
0,82±0,07
14
A120:3
0,23±0,02
0,22±0,04
25
A120:3
2,60±0,05
2,43±0,1O
Ge
0,25±0,02
0,26±0,04
Ge
0,31±0,02
0,30±0,05
Ge
0,50±0,02
0,45±0,05
15
A120:3
0,57±0,02
0,55±0,06
Absorption
par une double couche
Examinons maintenant le phénomène d'absorption du silicium par les deux couches de
matériaux différents présentés dans la figure 12 (représentant la zone III de la figure 10). La
première couche déposée d'épaisseur hl a pour masse volumique Pl et la couche superficielle
d'épaisseur h2 a pour masse volumique P2.

---

33
, ,
~
~
/
~
/
;
;
;
, , , ; , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,",
"
, "
, , "
, , "
, , "
, , "
, , "
, ,"
, "
, , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , ,
Substrat
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , , , , ,
, , , , , , , , , , , , , , ,
Couche 1
h
Couche 2
Figure 12 : Dépôt de deux couches irradié par un faisceau de rayons X.
Le tableau 5 donne l'intensité IoSi de la raie Ka. du silicium mesurée avec un substrat
non recouvert et celle de la même raie Si Ka. mesurée après traversée de la couche 1 (IlSi) et
après traversée des couches 1 et 2 hSi.
Tableau 5 : Intensité de la raie Ka du siliciwn pour le substrat nu (IOSÛ ou recouvert par une
couche (I1Sj) ou par deux couches (I2Sj) de matériaux différents.
Dépôt
Echantillon
IOSi
IlSi
12Si
*couche 1 - couche 2
(coups/s)
(coups/s)
(coups/s)
5
Al
Ge
5582
3877
637
12
Ge
Al
4380
680
125
25
Al203
Ge
5594
465,5
145
18
Al
Ge0 2
5634
3853
1117
* les épaisseurs des couches 1 et 2 sont données dans le tableau 4.

---

34
Pour une épaisseur de matériau donnée, l'absorption de la raie Ka du silicium par le
germanium est nettement plus grande que celle due à l'aluminium et à l'alumine. Cette
différence est due (cf tableau 2) à l'écart entre les masses volumiques et les coefficients
d'absorption massique des différents matériaux.
Les intensités ont pour expression:
IlSi = IOSi.ex~-PlhllliJ
(11.8)
•
•
Jll et Jlz étant respectivement les coefficients d'absorption massique des matériaux de
chaque couche (cf relation II.6). Quand une des couches est d'épaisseur connue on peut alors
déterminer l'épaisseur de l'autre couche.
Dans le cas très général d'une multicouche comportant n couches minces de matériaux
différents, la relation (11.8) prend la forme:
(11.9)
où k est le numéro de la couche considérée et InSi est l'intensité de l'élément Si du substrat
après traversée de toutes les couches.
Influence de la nature et de la disposition des couches sur l'absorption
de la radiation émise par un élément
Supposons que dans les figures 10 et 12, la couche 1 soit occupée par l'aluminium ou
l'alumine et la couche 2 par le germanium ou le dioxyde de germanium. Si nous mesurons
l'intensité de la radiation AIKa dans la zone 1 (lOA]) et dans la zone III (lA)), c'est-à-dire après
traversée de la couche 2, on constate que lAI est très faible. Par contre, si l'ordre de dépôt des
couches est inversé l'intensité IGe de la radiation GeKa (zone III) est à peine inférieure à
l'intensité loGe de la zone 1.
Ces résultats s'expliquent facilement à partir de la figure 13 et du tableau 6 : les
coefficients d'absorption massique du germanium et de son oxyde sont très importants par
rapport à ceux de l'aluminium et de son oxyde pour les raies considérées.
En conséquence il est possible, en lieu et place du silicium, d'utiliser l'aluminium ou
son oxyde déposé comme première couche sur un substrat quelconque, pour calculer par la
méthode d'absorption, l'épaisseur d'une deuxième couche constituée de germanium ou son
oxyde.

---

35
10000
AI Ka
,-....
C"l
§ 1000
-,~
~
:i.
Ge Ka
100
10 +-....L.-----r---........- - r - - - : . . - - - - r - - - - - - t
o E
20
KA1
E (keV)
Figure 13 : Spectres d'absorption de Ge et Al comparés aux spectres d'émission GeKa et
AIKa
Tableau 6 : Coefficients d'absorption massique des matériaux déposés pour les radiations Ka
de chacun des éléments détectables et pour les raies RhKa et RhLa.
~
(énergie)
AlKa
GeKa
RhKa
RhLa
coefficients
(l,49 kev) (9,87 kev) (20,14 kev (2,70 kev)
d'absorption
!lGe
6717,7
37,16
40,42
1332
(cm 2 /g)
!lGe<h
5159,86
27,47
28,32
1015,38
(cm 2 /g)
!lAI
399,12
26,74
2,97
1065,40
(cm 2 /g)
!lAI 2 0 3
976,08
16,75
21,81
704,39
(cm 2/g)
Nous donnons à titre d'exemple dans le tableau 7 les valeurs de l'intensité de la raie Ka
du germanium émise à travers une couche d'aluminium. Nous remarquons que ces valeurs ne
sont pratiquement pas affectées même pour une épaisseur d'aluminium de 0,3 !lm.

---

36
Par ailleurs dans le tableau 6 on constate que le phénomène d'auto-absorption est
beaucoup plus important pour les éléments légers (Al) que pour les éléments lourds (Ge).
Tableau 7: Intensité de la raie Ka du germanium après traversée d'un dépôt d'aluminium
d'épaisseur h.
Intensité du germanium non
Intensité du germanium
Epaisseur de l'aluminium
recouvert
recouvert par l'aluminium
recouvrant le germanium
(coups / s)
(coups / s)
h (Ilm)
4608
4603
0,05
4802
4754
0,12
4130
4247
0,13
2042
1941
0,15
4565
4438
0,25
1025
981
0,30
II.2.3.2 Méthodes d'émission
Principe du calcul de l'épaisseur
L'intensité mesurée est celle émise directement par l'élément majeur du dépôt après
excitation.
Pour un échantillon d'épaisseur h, l'intensité de fluorescence de l'élément majeur i après
intégration complète est donnée par :
(II. 10)
Pour calculer l'épaisseur h d'un échantillon par la méthode d'émission, nous devons
disposer d'un étalon de même composition que celui à analyser ,cet échantillon de référence
pouvant être constitué soit par une couche mince d'épaisseur connue soit par une couche
d'épaisseur infinie.

---

37
A vec un étalon d'épaisseur e
D'après (II. 10) l'intensité le émise par l'étalon est:
1-exp(-pell*)
le = QFjlo(Eo)-
(E)
(E ) ,
Il
0 +Il
j
Ih _ 1-exp(-Phll*)
d'où:
(11.11)
le - 1-exp(-pell*)
Une couche est considérée comme mince si z < 0,1 ce qui conduit pour notre étude à
une épaisseur maximale :
h
_
0,OS07
(I1.12)
max - p(Il(Eo)+Il(Ei»
Dans le cadre de l'approximation des couches minces le développement de l'expression
(11.11) conduit simplement à:
h = Ih e
(11.13)
le-
or le nombre total N de coups détectés est lié à l'intensité 1par la relation N = I.t ce qui donne:
h = lh e = Nh e
le -
Ne-
En tenant compte du temps de comptage t [71], l'incertitude commise sur la
détermination de h est obtenue à l'aide de l'expression:
~h = l.- _(Vlh +VÇl~e
h
Yt
lh
le r e
6000
--..
'"
- 5000
'"0..
:l
0
u
' - '
4000
'0
--Vic::0 3000
-c::- 2000
1000
° 0,0
0,2
0,4
0,6
o,S
1,2
Figure 14 : Intensité mesurée par la méthode d'émission pour des couches minces de Ge. Al
et A120] ,. hj est l'épaisseur de la couche mesurée par interférométrie.

---

38
A vec un échantillon infiniment épais
L'expression (11.10) devient:
1 =
qFjIo(Eo)
(II. 14)
Jl(Eo)+Jl(Ej)
00
Ce qui pennet d'obtenir l'expression de l'épaisseur h sous la forme:
C
In--
(II.15)
C-Ih
h :--:----=--:--
~
(Jl(Eo~+Jl(Ei))
P
sm",
Ici, il est important de connaître la valeur exacte de l'énergie équivalente EO qui
produirait les mêmes effets d'excitation que le spectre polychromatique émis par le tube à
rayons X (cf. II.!.3.1).
Résultats obtenus avec des couches minces de germanium pur et d'oxyde Ge02
Nous avons utilisé comme étalon un dépôt de germanium dont l'épaisseur mesurée par
in-terférométrie vaut 0,43 Jlm et l'intensité de fluorescence de la raie Ka. du germanium
Ie=2795 coups / s.
Tableau 8 : Mesure de l'épaisseur d'une couche de germanium: he valeur obtenue en
fluorescence X par la méthode d'émission avec un étalon d'épaisseur
e =O,43J.1m et d'intensité le =2795 coups/s; hi valeur obtenue par interférométrie.
Ih
he
hi
Ih
he
hi
(coups/s)
(~m)
(~m)
(coups/s)
(Jlm)
(Jlm)
1025
0,16
0,16
4825
0,74
0,79
1370
0,23
0,25
4700
0,72
0,87
2042
0,31
0,29
4608
0,71
0,92
2902
0,45
0,47
4569
0,70
0,98
3189
0,49
0,50
4754
0,73
1,03
4130
0,64
0,64
4767
0,73
1, Il
4221
0,65
0,66
5114
0,79
1,13
4754
0,74
0,76

---

39
Nous présentons dans le tableau 8 une étude comparée des épaisseurs obtenues en
fluorescence X par la méthode d'émission en utilisant la relation II.12 et de celles détenninées
en interférométrie.
Nous constatons que pour les échantillons d'épaisseur supérieure ou égale à 0,80 J.1m,
l'épaisseur calculée d'après l'approximation des couches minces n'est plus identique à celle
mesurée en interférométrie.
Nous sommes donc au delà de l'épaisseur limite des couches minces de gennanium, ce
qui se caractérise sur la figure 14 par un écart à la linéarité pour la courbe représentant l'intensité
de fluorescence en fonction de l'épaisseur. Ce résultat est confinné par de nombreux chercheurs
principalement par Cross et al [74] et J.R.Maldonado et al [75] qui ont travaillé sur des
couches d'or et de cuivre. Signalons également les travaux de Willis [77] et de Shiraiwa [78].
A partir de la valeur expérimentale hmax :::: 0,80 J.1m il est possible de déduire l'énergie
Eo correspondant à la radiation équivalente au spectre d'excitation. Pour ceci il suffit d'exprimer
~e(F.o) à partir de l'expression II.12
(11.16)
(E)
0,0807 -
(E)
J.1Ge
0
h
~c Ge
maxPGe
et d'utiliser les valeurs numériques contenues dans le tableau 6 :
J.1Ge(Eo) = 175,21 cm2 / g.
Au moyen de la table des valeurs des coefficients d'absorption massique du gennanium,
il est possible de déduire la valeur de Eo soit: Eo = Il,5 keV.
A partir de cette valeur nous avons pu déterminer l'épaisseur limite et le coefficient
d'absorption massique pour une couche mince de GeÜ2 :
hmax = 1,44 J.1m.
Résultats obtenus pour les couches minces d'aluminium et d'alumine
Nous avons opéré de la même manière que précédemment mais en utilisant un étalon
d'aluminium constitué par une couche mince d'épaisseur 0,12 J.1m dont l'intensité de
fluorescence de la raie Ka était 516 coups / s. Le tableau 9 et la figure 14 montrent que
l'épaisseur maximale d'aluminium pour laquelle on peut appliquer l'approximation des couches
minces est environ 0,21 J.1m.

---

40
Tableau 9 : Epaisseurs de couches minces d'aluminium mesurées par la méthode d'émission
(étalon: e =0,12 J.1l11, le =516 coups / s).
Ih
248
516
747
1350
1660
2440
(coups/s)
he (!lm)
0,06±0,02
0, 12±0,02
0,17±0,03
0,30±0,04
0,31±0,04
0,5710,05
hi (!lm)
0,05±0,01
0,12±0,01
0, 16±0,02
0,25±0,02
0,34±0,02
0,6410,02
Une démarche analogue à celle adoptée pour le germanium nous conduit à:
!lAI(Eo) = 1084,61 cm2 / g
et Eo = 2,70 KeY.
On constate que cett . -_~'-. '}'e
ensiblement identique à celle de la raie La. du
\\. \\'
~)~....
rhodium.
~
.::
~
Du résultat précé
fi, on~t<liéabife il , pour l'alumine, l'épaisseur limite est:
;:
(I\\~
d~
è
.- ~
Ce"\\nemf~iOJl, ~ !lm.
....,
Occu1'OE:n
>
~
~~
....
II.2.3.3. Compara
des de mesure
Nous présentons ci-après les résultats comparés des épaisseurs mesurées en
interférométrie et en fluorescence X par la méthode d'absorption et d'émission.
On constate que:
- dans les limites des couches minces, la méthode d'émission donne des valeurs
comparables à celles mesurées par interférométrie ; les valeurs données par la méthode
d'absorption se révèlent légèrement inférieures à celles obtenues par la méthode d'émission;
- au delà des limites des couches minces, seules, la méthode interférométrique et la
méthode d'absorption sont applicables à la détermination des épaisseurs. Nous pouvons
constater dans le tableau 10 que la méthode d'émission donne des résultats (he) qui s'écartent
de ceux obtenus par les autres méthodes.
Par ailleurs, la méthode d'émission présente l'inconvénient de nécessiter l'emploi d'un
étalon aux caractéristiques connues.
Pour la valeur de z = 0,1 (cf. II-1.2.3), l'erreur systématique commise sur l'épaisseur
dans une mesure par émission est de l'ordre de 5%. Cette erreur devient inférieure à 0,5% si z
est inférieur à 0,01. Pour des couches de très faibles épaisseurs, la méthode d'émission devient
plus performante que la méthode interférométrique.

---

41
Tableau 10: Comparaison des valeurs de l'épaisseur obtenues enjluorescence X par la
méthode d'absorption, ha, et la méthode d'émission, he, avec celles mesurées en
interférométrie, hi.
Echantillon
Matériau
hi (~m)
ha (~m)
he(~)
Ge
0,92±0,03
0,88±O,08
0,71±O,06
6
Al
0,05±0,01
0,07±O,03
0,06±O,02
Ge
0,98±0,03
1,01±O,08
0,70±O,06
8
Al
0,34±0,02
0,31±O,03
0,26±O,05
Ge
0,85±0,03
0,82±O,OS
0,72±O,06
12
Al
0,75±0,03
0,73±0,07
0,46±O,12
Ge
0,25±0,02
0,22±0,04
0,23±O,02
13
Al203
. 0,39±0,02
0,44±0,05
0,30±O,07
23
Ge02
1,32±0,04
1,30±0,08
1,33±O,04
Al2Û3
0,75±0,03
0,72±0,06
0,60±O,10
24
GeÛ2
0,78±0,03
0,76±0,07
0,79±O,02
Al2Û1
0,43±0,02
0,40±O,05
0,35±O,07
Ge
0,67±0,02
27
.0,64±0,05
0,66±O,02
Al20 3
0,70±0,03
0,72±O,07
0,59±O,12
Ge
0,79±0,020
28
0,75±0,08
0,77±O,04
Al
0,25±0,02
0,23±0,05
0,24±O,06
29
Ge0 2
1,68±0,04
1,63±0,08
1,52±0,12
Al2Û3
0,70±0,03
O,68±O,06
0,60±O,08
30
Al2Û3
2,12±0,05
2,1O±0,13
1,67±O,32
Ge
0,31±0,02
0,29±O,06
0,30±O,02
II.3 CARACTERISATION EN COMPOSITION
II.3.1 TECHNIQUES UTILISEES
II.3.1.1 Spectrométrie de fluorescence X
Pour avoir la concentration d'un matériau, on utilise la méthode d'émission avec un
étalon mince dont la masse est connue ainsi que la concentration des différents éléments le

---

42
composant. L'échantillon dont on désire connaître la composition doit également avoir une
masse connue. Dans ces conditions, la relation TVA nous permet d'écrire [66-72, 85] :
(11.17)
avec: me, masse de l'étalon;
mA, masse de l'échantillon A dont on doit déterminer la composition;
Ij (et), intensité de la raie Ka. (par exemple) d'un élément majeur et mesurable i de l'étalon;
Ij(A), intensité de l'élément i dans l'échantillon A ;
Cj(et), fraction massique de l'élément i de l'étalon;
Cj(A), fraction massique de l'élément i dans A que l'on cherche à déterminer.
Cas de l'oxyde de germanium
Pour un échantillon de Ge02 stoechiométrique (étalon), on a :
CJe<et) =MD~Mo
==>
CGe = 0,694.
La valeur de la fraction massique de Ge dans l'échantillon (A) de composition GeOx :
est calculée au moyen de la relation 11.17 ce qui permet de déterminer
4,54
454
(11.18)
x = CJc(A) - ,
Cas de l'alumine
De la même manière avec un étalon d'alumine stoechiométrique AI203 (CAI(et)=0,529),
on peut déduire la composition d'un échantillon A de formule Al20x :
x = 3,375 - 3,375
(11.19)
CA1(A)
Les erreurs commises sur la concentration Cj(A) et sur la valeur de x sont
respectivement :
t1x =
t1Cj(A)
et
x
Cj(A)( I-Cj(A) l

---

43
II.3.1.2 Spectrométrie RBS
Principe de la rétrodiffusion élastique
La spectrométrie de rétrodiffusion de RUTHERFORD (RBS: Rutherford Backscattering
Spectrometry) repose sur le phénomène de diffusion élastique que subissent des particules
chargées lorsqu'elles pénètrent dans le champ coulombien des noyaux atomiques [79-83].
Lorsqu'un faisceau de particules monoénergétiques vient frapper perpendiculairement
une cible très mince, on peut observer à l'aide d'un détecteur :
- que presque toutes les particules incidentes réapparaissent de l'autre côté de la cible
avec des énergies très légèrement réduites et des directions légèrement modifiées,
- qu'un certain nombre de particules incidentes sont rétrodiffusées par les noyaux
atomiques composant la cible.
Le signal émis par le détecteur, correspondant aux particules rétrodiffusées, peut être amplifié et
analysé par une chaine de mesure permettant l'obtention d'un spectre caractéristique de la cible.
Facteur de diffusion élastique K
Lorsqu'une particule de masse m, de vitesse Va et d'énergie cinétique EO subit un choc
élastique avec une autre particule immobile de masse M, il Y a conservation de l'énergie
cinétique et de la quantité de mouvement du système.
Nous définissons dans la figure 15 toutes les grandeurs caractérisant la collision
élastique entre ces deux particules.
, , ,
Atome
cible
Projectile
M,Z
m,z
o
Figure 15 Représentation schématique de la collision d'un projectile de masse m, de numéro
atomique z et de vitesse Va avec un atome cible immobile de masse M , de numéro atomique Z.

---

44
Après la collision, le projectile et l'atome de la cible possèdent respectivement les
vitesses V 1 et V2 et les énergies El et E2. Les angles d'observation e et cp sont pris
positivement; tous les paramètres sont considérés dans le référentiel du laboratoire.
On définit le facteur de diffusion élastique ou facteur cinématique de l'atome cible K par
la relation:
El =KEO
(11.20)
d'où K =[YM2-m2sin2e +mcose]2
m+M
K est obtenu à partir des équations de conservation d'énergie cinétique et de quantité de
mouvement. Nous constatons qu'il ne dépend que des masses M et m et de l'angle e de
rétrodiffusion. Lorsque l'énergie incidente Eo est fixée ainsi que l'angle de détection e,
l'énergie des ions rétrodiffusés dépend uniquement de la nature des atomes présents à la surface
de l'échantillon. La mesure de cette énergie des particules rétrodiffusées pennet d'identifier les
atomes composant la cible et leur répartition en profondeur. Cette identification n'est possible
qu'à condition que la différence d'énergie .1E 1 de particules rétrodiffusées par des atomes de
masse voisine soit suffisamment grande pour pouvoir les distinguer.
Cette caractéristique ~I, appelée sélectivité ou résolution en masse est donnée par
l'expression suivante:
dEI = 2kEo dk
(11.21)
M
M
avec k =VK
La sélectivité est proportionnelle à l'énergie du faisceau incident. Pour améliorer la
résolution, il suffit d'augmenter l'énergie du faisceau incident Eo.
La sélectivité décroît lorsque l'angle d'observation e s'éloigne de 1800 •
Dans la pratique, l'observation à 1800 étant impossible, le détecteur est placé à un angle
d'observation compris entre 1500 et 1700 sans qu'il y ait de perte significative de la sélectivité.
Section efficace de diffusion (J
La probabilité pour qu'une particule soit rétrodiffusée à un angle e et observée sous un
angle solide dO est exprimée par la section efficace différentielle (da) qui est définie par:
dQ e
nombre de panicules rétrodiffusées dans un angle solide dQ
nombre de particules incidentes par unité de surface

---

45
Si l'énergie EO est comprise entre 1 keV et quelques MeV, l'interaction est considérée
comme purement coulombienne. Autrement dit, la distance minimale entre le projectile et la
cible est grande par rapport aux dimensions des noyaux mais petite par comparaison au rayon
de BOHR (ro = 0,53 Â).
La section efficace différentielle est donnée par la fonnule :
illL d
zZe2
]2 [cos e+ll~~sin ej]2
(II.22)
(dU). l8nEoEosin'O'
~li~in Of
où e est la charge de l'électron.
Nous pouvons faire les observations suivantes:
- le nombre de particules rétrodiffusées, pour une cible donnée, est proportionnel à z2;
un faisceau incident d'ions lourds améliorera la sensibilité.
- dO' est proportionnelle à Z2 ; plus les éléments de la cible seront lourds, meilleure sera
dQ
la sensibilité.
- .dŒ. est inversement proportionnelle à E02; le rendement de rétrodiffusion décroît
dQ
rapidement quand l'énergie du projectile augmente. Par conséquent, il sera judicieux d'utiliser
des faisceaux de faible énergie pour améliorer la sensibilité.
Lorsque m « M nous retrouvons l'expression proposée par RUTHERFORD [80] :
Perte d'énergie: notion de pouvoir d'arrêt
Les ions non rétrodiffusés pénètrent dans le matériau à analyser et perdent de l'énergie
tout au long de leur parcours. La perte d'énergie ôE pour une profondeur ôx dépend de la
nature et de la vitesse du projectile mais aussi de la composition et du nombre d'atomes par
unité de volume de la cible (figure 16).

---

46
Cible
Figure 16 : Notations nécessaires au calcul du pouvoir d'arrêt.
A une profondeur x, les ions incidents ont une énergie E'O inférieure à l'énergie EO des
ions incidents rétrodiffusant sur la surface. La perte d'énergie (EO-E'O) est fonction des
pouvoirs d'arrêt des éléments de la cible.
A la profondeur x, les ions incidents qui vont rétrodiffuser sous l'angle e auront une
énergie KE'O et vont être détectés avec une énergie E' étant donné qu'ils perdront à nouveau de
l'énergie sur le trajet retour. La mesure de l'énergie E' sur le spectre d'énergie N(E) permet de
déterminer l'épaisseur x où a eu lieu l'interaction.
Le pouvoir d'arrêt (:-) est défini comme le produit de la section efficace d'arrêt E par la
masse volumique p du matériau:
(~)= p.E.
Pour un composé AmB n, la section efficace d'arrêt EAmBn est donnée par la loi de
BRAGG [83]:
EA et EB étant les sections efficaces d'arrêt des éléments A et B.
Si la masse volumique du composé AmB n est PAmBn, le pouvoir d'arrêt du matériau
sera :
(~) AmBn = pAmBn·EAmBn

---

47
La connaissance des pouvoirs d'arrêt des différents éléments, permet d'établir une
relation énergie-profondeur pour chaque élément entre la profondeur x dans le matériau et la
différence d'énergie Llli =(KEO-E') :
E~= Eo -r (dE-~x.
Jo dx
Après intégration, l'énergie KE'o est égale à :
Sur le trajet de retour ~I' la particule perd encore de l'énergie et à la sortie son
/Cos e
énergie est:
Il résulte des relations précédentes que l'écart d'énergie L\\E entre un ion rétrodiffusé en
surface (KEa) et rétrodiffusé à la profondeur x(E') vaut:
Le facteur de perte d'énergie est déterminé à partir des pouvoirs d'arrêt qui sont connus,
déterminés expérimentalement ou calculés par la méthode décrite par CHU et ZIEGLER [82].
Dispersion en énergie
La perte d'énergie L\\E pour une particule traversant un échantillon homogène
d'épaisseur L\\x peut fluctuer autour d'une valeur moyenne L\\E. Cette variation statistique de

---

48
perte d'énergie (8Lill) est appelée dispersion en énergie (straggling) ; elle limite la précision sur
la perte d'énergie donc sur la résolution en énergie.
Plus l'échantillon est épais, plus la fluctuation statistique est grande car la résolution en
énergie (ou en masse) dépend de l'épaisseur de matière traversée par la particule.
Ce phénomène peut être négligé pour des cibles minces mais est considérable pour des
cibles épaisses.
Appareillage
Les principaux composants du système expérimental utilisé pour les analyses RBS sont
présentés dans la figure 17.
Source d'ions
__
Accélérateur
Van de Grnaff
Sorties
Ecran
Echantillon
Table
traçante
Imprimante
Détecteur ct
Pompe à
Préampli /ïcatcur
vide
Système
informatique
Analyseur
aimant
Multicanaux
Focalisation
Collimateur
du faisceau
1
1
1
Chambre de rétrodiffusion
Générateur d'un faisceau
d'ions monoénergétiques
Figure 17 : Système expérimental utilisé pour les analyses RBS.

---

49
Ce sont:
- une source associée à un accélérateur de panicules: l'accélérateur utilisé, du type Van
de Graaff, est constitué d'une chambre à ionisation où les ions sont produits et d'une colonne
où les ions sont focalisés et accélérés ;
- un système de calibration en énergie et un collimateur: un électroaimant sépare les ions
de différentes énergies de manière à ce que les ions dont l'énergie a été sélectionnée sortent
orthogonalement. Ces ions sont ensuite col1imatés et dirigés sur la cible à analyser;
- un porte-échantillon ;
- un détecteur: les ions rétrodiffusés à 1600 sont comptés à l'aide d'un détecteur de
particules ;
- un système de traitement de données: les énergies de ces ions détectés sont analysées
et emmagasinées à l'aide d'un système d'analyse multicanaux.
Le résultat de l'expérience est stocké dans un fichier, puis traité par simulation à l'aide
d'un programme informatique RUMP.
Conditions opératoires : spectres théoriques
Le faisceau incident utilisé est constitué d'ions 4He+. Nous avons fixé l'énergie des ions
4He+ à 2 MeV. Lorsque l'énergie de ces ions dépasse cette valeur, la collision avec des atomes
légers tel que l'oxygène ne peut plus être considérée comme étant élastique et par conséquent le
calcul de RUTHERFORD pour déterminer la section efficace différentielle ne peut plus être
appliqué: l'interprétation des spectres devient plus difficile.
En limitant l'énergie incidente à 2 MeV, la sélectivité K et la largeur des pics:' nous
permettent de séparer les différents pics pour des épaisseurs de dépôt d'environ 0,3 )lm.
Pour une bonne résolution des pics, le temps d'acquisition a été fixé à 900s. Pour
chaque série de mesure, il est nécessaire d'établir une relation entre le numéro du canal de
l'analyseur et l'énergie correspondante. Pour cette raison, nous réalisons les spectres de trois
éléments purs: le carbone vitreux, l'or déposé sur silicium et le silicium.
Comme le faisceau d'ions incidents 4He+ peut avoir une section variable, nous avons
choisi la valeur 1 mm2, ce qui permet de détecter d'éventuels gradients sur la surface.
Dans la figure 18 nous présentons le spectre expérimental (4He+, 2 MeV) d'un dépôt
d'alumine (800.1015 mol / cm2) sur un substrat de carbone pur et la simulation correspondante
obtenue à l'aide du programme informatique RUMP. Nous avons aussi noté dans cette figure
les concepts introduits dans la panie théorique.

---

Energy (MeV)
0.4
0.6
0.8
1.0
1 .2
1.4
10 i
i
1
i
1
i
i l ,
1
i
i
K
K
K
c
Ka
A1
Ar
...... couche AI 0
:
.
2
3
/
::. --Simulation of O-Ar-AI O-AI-C
8 W .
-0
ID
.-
l::h~
>-
6
-0
~~:\\,
..,,0,
ID
"
' t
Ut
N
o
o
fit
4
E
Substrat E
L
carbone
o
: '
Z
vitreux
\\\\
2
"_ ........ ','
..
• ·I~
,'---'-
•
t ·
.,': ..~ .
* .
O 1
•
• \\.0".' .. " '. ,.
..'/
;'.,.
-1
\\
' 1
i
i ' "
, , ,
,
.
'z
,
..
'
,
'
c ' ' t ....•
100
200
300
400
Channel
Figure 18 : Spectre expérimental et théorique de rétrodiffusion d'une couche mince d'alumine.

---

5 1
II.3.2 RESULTATS EXPERIMENTAUX
L'analyse en composition par RBS a été menée dans le but d'optimiser les conditions de
pulvérisation de nos matériaux diélectriques. Nous développons plus particulièrement l'étude
des dépôts d'alumine avant de donner les résultats se rapportant à des monocouches GeÛ2 et
Ge-Pb-O et à des multicouches de ces divers diélectriques. Les résultats de l'analyse RBS
seront en suite comparés à ceux obtenus par fluorescence X.
II.3.2.1 Etude des dépôts d'alumine par RBS
L'analyse RBS a porté sur des dépôts d'alumine d'épaisseur voisine de 0,17 Ilm pour
.
lesquels le substrat en carbone'vitreux était placé à 75 mm de la cible. Les essais réalisés à
différents endroits de chaque couche ont montré qu'il n'y avait ni gradient de concentration
dans le plan de la couche ni gradient de concentration suivant l'épaisseur. Pour des conditions
de pulvérisation bien définies, on obtient un dépôt de composition parfaitement reproductible.
Influence de la composition et de la pression du gaz plasmagène
Les dépôts d'alumine ont été réalisés avec une puissance RF de 500W (6,37W/cm2) sur
des substrats refroidis. Deux spectres RBS particuliers sont présentés dans les figures 18 et 19.
Energy (MeV)
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
10 ..-----,---~---r----~--__r_--__r_____,
....... couche AI 0
P= 1 Pa
2
8 ~:- Simulation 5f O-Ar-AIjO-Ar-AI-C
. .'
6
., ."
.::
;:
: .:
o
4
E
L-
a
z
2
•••• 0.1
.
' . " ,
Ar
100
200
300
400
Channel
Figure 19 : Spectre (4He+, 2 MeV) d'un dépôt d'alumine (plasma Ar, pression IPa,
puissance RF : 500W) : simulation de AI203.04Aro,02.

---

52
Tableau Il : Composition d'échantillons d'alumine obtenus à la pression totale de 1PaLes
couches analysées sont numérotées dans l'ordre d'interaction avec lejaisceau (4He+' 2 MeV).
"épaisseur"
Plasma
couche analysée
Composition
xl01Smolécules/cm2
1
398
Argon
Ah0 3,2ArO,03
2
100000
COO,O?
1
450
Ar (95%)-02 (5%)
A1203,8SArO,04
2
100000
CGo,os
Tableau 12 : Composition des dépôts d'alumine obtenus avec différents plasmas
(puissance RF: 500 W; distance cible-substrat: 75 mm).
Composition
Pression
Composition
O/Al
Ar(%)
du plasma
(Pa)
du dépôt
0,1
AI202,9t>ArO,29
1,48±0,03
5,5
Ar
0,5
AI202,98Aro,04
1,49±0,03
0,8
1
AI203,02Aro,04
1,51±0,03
0,7
0,1
AI202,99ArO,28
1,49±0,03
5,5
Ar (98%)-02 (2%)
0,5
AI203,loAro,OS
1,55±0,03
0,97
1
AI203,30Aro,04
1,65±0,03
0,75
0,1
AI203,04ArO,26
1,52±0,03
4,9
Ar (95%)-02 (5%)
0,5
AI203,44ArO,07
1,72±0,03
1,3
1
AI203,7ArO,oS
1,85±O,03
0,87
Les exemples de résultats du tableau Il montrent que, dans la simulation des spectres,
on distingue la composition du dépôt (couche 1) de celle du substrat (couche 2).

---

53
Nous avons étudié la composition des dépôts d'alumine réalisés avec un gaz plasmagène
dont la pression était comprise entre O,IPa et IPa et qui était constitué soit d'argon pur soit d'un
mélange argon-oxygène contenant au maximum 5% d'oxygène. Le tableau 12 regroupe les
résultats les plus intéressants.
La figure 20 montre que 0 / Al, le nombre d'atomes d'oxygène rapporté au nombre
d'atomes d'aluminium, augmente avec la concentration d'oxygène dans le plasma lorsque la
pression totale est maintenue constante. Cette augmentation est d'autant plus importante que la
pression est plus grande.
1,9
«
Ô
1,8
1,7
1,6
P= 0,1 Pa
1,5
'.:.: E:::~--_-Z----_..:..-=.:.::....:..=.---~··:-:·
:<.,.:
'.'~'
.
:-
....
1,4
0
2
3
4
6
Figure 20: Variation de la concentration en oxygène dans une couche en/onction du
pourcentage d'oxygène dans le gaz plasmagène pour différentes pressions de travail p.
On constate que la concentration en oxygène dans le dépôt est voisine de celle de
l'alumine stoechiométrique (0/ Al= 1,5) pour la plus faible pression de travail (0,1 Pa) tant que
la concentration en oxygène dans le plasma n'est que de quelques pour-cent.
Pour la pression de 1 Pa, le dépôt présente un important excès d'oxygène (0/ Al =1,85)
lorsque le plasma contient 5% d'oxygène f33, 35, 43, 44].

---

54
6
<
~
5
composition du plasma:
4
Â
Ar(95%)-02(5%)
3
x
Ar(98 %)-02(2%)
• Ar
2
O-l---"""T'"--~--~~-----""'-""---_--""T"""----1
10 -1
2,5 10
510
1
p (Pa)
Figure 21 : Variation de lafraction molaire d'argon incorporé dans un dépôt d'alumine
enfonction de la pression de travail p.
La fraction molaire de l'argon dans une couche ne varie pratiquement pas avec la
composition du plasma. Par contre, comme le montre la figure 21, elle augmente beaucoup
lorsque la pression de travail diminue; elle atteint 5% à 0,1 Pa. Ce résultat est confinné par
d'autres chercheurs tels que Nowicki [351 et Bathia et al [331.
La variation de la composition du dépôt avec la pression du gaz plasmagène peut
facilement être expliquée à partir du libre parcours moyen des atomes.
A 0,1 Pa, le libre parcours moyen des atomes expulsés de la cible et des atomes d'argon
qui rebondissent sur la cible est grand. Une importante quantité d'atomes d'argon vient
s'implanter dans le dépôt en cours d'élaboration.
A 1 Pa, les atomes d'argon sont freinés dans leur déplacement en direction du substrat
par les chocs successifs qu'ils subissent avec les particules du plasma: la quantité d'argon
incorporée est environ six fois moindre.
L'alumine déposée à la plus faible pression dans un plasma d'argon pur présente un
léger déficit en oxygène. La stoechiométrie est rétablie en introduisant une faible quantité
d'oxygène dans le gaz de pulvérisation.
Il est très important de noter que, suivant les conditions opératoires, il s'incorpore dans
le dépôt soit beaucoup d'argon soit un excès d'oxygène [33, 35,43,44]. Un dépôt d'alumine
stoechiométrique contenant une très faible quantité d'argon est obtenu en pulvérisant dans un
plasma d'argon pur à la pression de 1Pa.

---

55
Influence de la puissance RF
L'influence de la puissance RF sur le rapport 0 / Al et la teneur en argon du dépôt est
illustrée respectivement par les figures 22 et 23 présentant les résultats obtenus avec un plasma
Ar (98%)-02 (2%).
1,9
~ 1,8
0
1,7
1,6
f-
t
p= 0,1 Pa
1,5
1
1,4
100
200
300
400
500
600
P(w)
Figure 22 : Variation du rapport O/Al en fonction de la puissance RF pour un plasma
Ar (98%)-02( 2%) à deu.x pressions de travail différentes.
6
< 5
~
(),\\ ra
4
.----j-
ï-
3
2
______1p=1Pa
1
0
100
200
300
400
500
600
P(w)
Figure 23 : Variation de la fraction molaire de l'argon incorporé dans un dépôt d'alumine en
fonction de la puissance RF à deux pressions de travail avec un plasma Ar (98%)-02 (2%).

---

56
On constate que le rapport 0 / Al diminue quand la puissance augmente. A la pression
de travail de 0,1 Pa la valeur 1,5 du rapport 0 / Al est obtenue pour la puissance maximale
50üW. A 1 Pa tous les dépôts présentent un excès d'oxygène.
Lorsque la puissance augmente, la concentration d'argon dans le dépôt diminue
légèrement pour une pulvérisation faite à la pression 1 Pa, alors qu'elle augmente à la pression
de 0,1 Pa. A cette pression la diminution de l'excès d'oxygène est compensée par une
augmentation du taux d'argon. Cette augmentation du taux d'argon avec la puissance RF vient
confirmer notre hypothèse de l'influence de la pression sur le mécanisme d'incorporation. A
0,1 Pa en raison de leur libre parcours moyen important les atomes d'argon qui arrivent à la
surface du dépôt après rebondissement sur la cible ont une vitesse qui dépend directement du
champ électrique accélérateur au voisinage de la cible, donc s'implantent d'autant plus
facilement que la puissance RF est grande.
Influence de la température du substrat
L'objectif de cette étude était de faire diminuer le taux d'argon incorporé dans le dépôt.
Pour ceci nous avons élaboré à la pression pour laquelle le taux d'argon est le plus
important (0,1 Pa), des échantillons sur un substrat chauffé à des températures pouvant
atteindre 400 oc. La figure 24 présente les résultats obtenus.
6
.< 5
~
4
3
2
1
°°
100
200
300
400
500
8s(OC)
Figure 24 : Fraction molaire de l'argon dans l'alumine déposée à différentes températures du
substrat (pLasma Ar (98%)-02 (2%), pression 0,1 Pa, puissance RF 500 W).

---

57
On constate que la fraction molaire de l'argon diminue nettement au dessus de 200 oC ;
elle n'est plus que 0,4% à 400 oC alors qu'elle était supérieure à 5% à la température
ambiante[56] .
Nous pensons que ce résultat est dû à la mobilité des atomes déposés qui augmente avec
la température. La surface de la couche étant en pennanence bombardée par les atomes qui
viennent s'y condenser, l'argon implanté peut d'autant plus facilement être expulsé sous fonne
de gaz que sa mobilité est élevée.
Ce résultat est fort intéressant; cependant, les couches d'alumine déposées à des
températures supérieures à 250 oC adhèrent mal au substrat. Par ailleurs, nous avons fait une
analyse thennogravimétrique jusqu'à 900 oC des échantillons contenant beaucoup d'argon;
nous n'avons constaté aucune perte de masse.
L'analyse R.B.S. confirme ce résultat: la concentration en argon dans une couche
d'alumine n'est pas modifiée par un chauffage postérieur à l'élaboration.
II.3.2.2 Etude des dépôts de Ge02 par R.B.S.
L'étude R.B.S. a été conduite sur des échantillons d'épaisseur voisine de 0,15 Ilm
obtenus par pulvérisation RF simple d'une cible en oxyde de germanium vitreux de diamètre de
50 mm située à 75 mm du substrat refroidi.
Influence de la composition et de la pression du gaz plasmagène
Les dépôts ont essentiellement été élaborés avec une puissance RF de 125 W
(6,37W/cm2) à la pression 1 Pa pour les mêmes compositions de gaz plasmagène que celles
présentées pour l'alumine.
En raison de l'impossibilité à travailler avec une pression inférieure à 0,5 Pa en
pulvérisation RF simple, notre étude en fonction de la pression a été réduite à la comparaison
des deux pressions 0,5 et 1 Pa. Dans ce champ d'investigation restreint nous n'avons trouvé
aucune variation nette de la composition du dépôt avec la pression.
Le tableau 13 regroupe quelques résultats caractéristiques de l'étude de la composition
du dépôt d'oxyde de gennanium en fonction de la composition du plasma. Un spectre R.B.S.
particulier est montré dans la figure 25.

---

58
Tableau 13 : Composition des dépôts d'oxyde de germanium obtenus pour différentes
compositions du plasma
Pression
Plasma
Composition
(Pa)
Ar
1
Ge01,98ArO.03
0,5
GeOZ.03ArO.O1
Ar (98%)-Ü2 (2%)
1
GeOz.O lSArO.01
Ar (95%)-Ü2 (5%)
1
GeOz.lOArO.O1
Energy (MeV)
0.5
1.0
1.5
35
...... couche Ge a
30
2
-
Simulation of Ge-a-Ar/O-C
.~
"'0
-Cl) 25
>-
"'0 20
Cl)
N
0
15
E
L-
0
10
z
f ,.'..
5
Ar
G
0
100
200
300
400
500
Channel
Figure 25 : Spectre R.B.S .d'une couche mince de Ge02.
C'est en introduisant environ 2% d'oxygène dans le plasma d'argon que l'on obtient de
l'oxyde de stœchiométrie GeOz. Les dépôts élaborés sous argon pur présentent un léger déficit
en oxygène.

---

59
Par ailleurs, on constate que l'argon incorporé dans les dépôts de Ge02 est en quantité
plus faible que dans les dépôts d'alumine. En conséquence, nous n'avons pas jugé nécessaire
de chauffer le substrat pour diminuer une telle contamination.
Influence de la puissance RF
Pour des puissances de pulvérisation comprises entre 50 et 125 W, nous n'avons pas
noté de variation significative de la composition des dépôts d'oxyde de gennanium.
II.3.2.3 Etude d'une couche mince de Ge-Pb-O par R.B.S.
La figure 26 montre le spectre R.B.S. d'un dépôt mince d'oxyde mixte de gennanium et
de plomb élaboré dans les conditions données au chapitre I. La composition de cette couche est
GePbl,OS03,OSArO,os. Le germaniull1 et le plomb sont donc respectivement au degré
d'oxydation +4 et +2. Comme dans les cas précédents le dépôt est légèrement contaminé par
l'argon.
Energy (MeV)
0.5
1.0
1.5
2.0
120 r----r------.------r------"'T'""1
...... couche Ge Pb
0
00
S·
.
1,..,40
3.4D.
/
1
-
Imulatlon of v-Ge-I-'b-Ar O-C
80
"D
(])
N
.- 60
o
E
1....
40
o
Z
20
200
400
600
Channel
Figure 26 : Spectre RB.S. d'une couche mince Ge-Ph-O (épaisseur 0,23 J..i.m) élaboré dans
les conditions suivantes: cihle en germanium de diamètre 50 mm sur laquelle
sont déposés 6 secteurs en plomh d'aire 1/ 16ème ,. distance cible substrat: 25 mm ;
pression tocale : 1 Pa ,. plasma Ar (90%)-02 (10%) ,. puissance RF : 35 W.

---

60
Energy (MeV)
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
50
-T5 = 20 C (0..)
-T5 = 450 C (b)
40
-T5 = 300 C (e)
"1J
-Q)
>- 30
"1J
Q)
N
.-
(b)
-0 20
E
l....
0
Z
10
C
0
P
0
200
400
600
800
Channel
Figure 27
Spectre R.B.S. de couches minces Ge-Pb-O obtenues avec différentes
températures de substrat.
Nous ne développons pas ici l'optimisation des conditions de pulvérisation des couches
minces Ge-Pb-Q qui ont fait l'objet d'une étude complète au laboratoire[17]. La cible choisie
conduit au matériau qui a les meilleures performances dans le domaine des diélectriques.
Les principaux éléments à prendre en compte pour notre étude sont les suivantes:
- il n'y a pas de variation de la composition du dépôt lorsque la pression du gaz
plasmagène passe de 0,5 à 1 Pa;
-lorsque la puissance RF dépasse 50 W la température de la cible atteint la température
de fusion du plomb;
- les couches déposées sur un substrat dont la température est supérieure à 300 oC
présentent un déficit en oxygène et un gradient de la concentration en plomb. Les spectres
R.B.S. présentés dans la figure 27 permettent d'illustrer le comportement en température des
dépôts d'oxyde mixte de germanium et de plomb.

---

6 1
II.3.2.4 Etude des multicouches diélectriques par RBS
Nous avons fait une analyse R.B.S. systématique des multicouches utilisées comme
diélectriques afin de vérifier non seulement leur composition mais de contrôler les diffusions
éventuelles pouvant se produire aux interfaces. Les échantillons analysés ont une épaisseur
totale comprise entre 0,10 et 0,20 Jlm ; plusieurs spectres R.B.S. sont présentés à titre
d'exemple dans les figures 28 et 29. Le tableau 14 regroupe quelques résultats de l'analyse en
composition.
Tableau 14 : Composition des dépôts de multicouches obtenues avec des plasmas
argon-oxygène.
Echan
Matériaux
Conditions de
Analyse R.B.S.
-tillon
dépôts
N°de
Epaisseur
cou-
xlO IS
p
02
P
che
molécules/cm2
Composition
(Pa)
(%)
(W)
AIl 0 3
0,5
5
500
1
250
AI20 3 6ArO02
Ml
Ge02
0,5
2
125
2
140
Ge02 Q7ArO02
3
100000
C IOO02
Ge02
0,5
2
125
1
130
Ge02 OSArO 03
M2
Ge-Pb-O
1
10
35
2
85
GeO, 3Pb I 3ArO03
3
100000
CIOOO}
AI20 3
0,5
5
500
1
140
AI2O'4'iArOO6
M3
Ge02
0,5
2
125
2
ISO
Ge02 OgArO 08
AI203
0,5
5
500
3
140
AI203 4SArO06
4
100000
CIOOOlArOOI
Ge02
0,5
2
125
1
110
Ge02 OgArO 03
~
AI20 3
0,5
5
500
2
60
Al2O'4Aro02
Ge02
0,5
2
125
3
100
Ge02 OgAr002
4
100000
C IOO09
Ge02
0,5
2
125
1
120
Ge02 Q7ArO04
Ms
Ge-Pb-O
1
10
35
2
75
GePbI 350 1 3SArO02
Ge02
0,5
2
125
3
120
Ge02m~Aro 04
4
100000
CIOom

---

62
Ehe'gy (MeV)
0.5
1.0
1.5
, 2O r--;-------;--------t----~-
.
...... couche Ge-Pb-O/GeO
100
-
Simulation of Ge-O-A?-Pb/Ge-O-Ar/O-C
"'0
-Q) 80
>-
"'0
Q)
60
(a)
N
{)
E
L-
40
e
z
20
Ol---"'.....:..._~~--r---- :..---L-:+---..:J.----=.l-.l
100
200
500
600
0.5
...... couche AI 0 /GeO
30
.
.
S
2
3
2.
/
/
1
-
Imulatton of AI-a-Ar O-Ar-Ge AI~O-C
"'0
Q)
25
>-
"'0 20
Q)
N
(h)
{) 15
E
L-
e 10
z
5
O~::::.:b:::I~~::--_-~...,j;"".-~o..-.-iJ..........i..:~----1
100
200
300
400
500
600
Channel
Figure 28 : Spectres R.B.S. de dépôts bicouches. Exemples : fig. a (Ge-Pb-O/GeOÛ.
fig. b (A1203/Ge02)

---

63
Energy (MeV)
0.5
1.0
1.5
30 I---t------r-------y-----.....,
Simulation of Ge-O-Arj AI-O-ArjGe-;-O-Arjc-O
,
..... couche Ge02jAI203jGe02
25
"lJ
Q)
>- 20
"lJ
~
(a)
15
.-oE10
o
z
5
OI----=----...,.....:::==::::::;:=!......s..-~o....-.-iL----:.l_r_--~
100
200
300
400
500
600
Channel
Energy (MeV)
0.5
1.0
1.5
35 r----r----------r------r-----------,
-
Simulation of AI-O-Ar/Ge-O-Ar/AI-O-Ar/C-O
30
..... couche AI203/Ge02/AI203
"lJ
Q)
25
>-
"lJ 20
(b)
Q)
N
.-o 15
E
L-
o 10
Z
5
Ge
OI----:...;.---r-=-~=o;a;;::L.....lr,:L-.:.lI..,L~~--;J.:.-~.,........
_ ___1
100
200
300
400
500
600
Channel
Figure 29 : Spectres R.B.S. de dépôts tricouches. Exemples: fig. a (GeÜ2!Al20 3lGeOz).
fig. b (AI203lGeÜ2!Al203)

---

64
L'analyse R.B.S. d'un échantillon constitué de dépôts successifs de matériaux
différents permet de distinguer nettement les pics caractéristiques des éléments de chaque
matériau (cf figures 28 et 29) et d'en déduire la composition de chacune des couches déposées.
Les résultats obtenus sont en très bon accord avec ceux trouvés pour les échantillons à
couche unique élaborés dans les mêmes conditions opératoires.
Nous ne constatons aucun gradient de concentration (cf figures 28 et 29), ce qui nous
laisse supposer qu'il n'y a aucune diffusion entre les couches.
Par ailleurs, on détecte parfois la présence de traces de l'élément aluminium à la surface
du substrat; nous pensons qu'elles sont dues à des résidus de l'alumine de polissage du
carbone vitreux.
II.3.2.5 Etude de la composition par fluorescence X
L'analyse par fluorescence X a surtout été utilisée au début de notre étude alors que
nous ne disposions pas de l'analyse R.B.S. Par la suite, elle nous a permis d'obtenir des
résultats plus rapidement que par R.B.S. étant donné que l'appareillage était situé à proximité
de notre laboratoire. Le tableau 15 permet de comparer les compositions trouvées par les deux
méthodes d'analyse pour Al20 3 et Ge02'
Tableau 15 : Comparaison des résultats de composition obtenus par RB.S.
et par fluorescence X.
Matériaux
conditions de pulvérisation
composition par
composition par
p(Pa)
°2(%)
P(W)
R.B.S.
fl uorescence X
1
0
500
AI202,97±O,03
AI20 2,92±O,07
1
2
500
AI20 3,40±0,03
A1203,10±0,06
A1203
1
5
500
AI203,50±O,07
A1203,85±O,03
0,1
2
500
A1203,15±O.06
AI203,OI±O,03
1
0
125
GeO l ,97±O,O3
GeOI,9S±O,07
1
2
125
Ge02,02±O,03
Ge02,01±O,06
Ge02
1
5
125
Ge02,08±O,03
Ge02,05±O,OS
0,5
2
125
Ge02.03±O.03
Ge02,IO±O,06

---

65
La fluorescence X est moins précise et ne permet pas de doser autant d'éléments que la
rétrodiffusion de Rutherford. Cependant, les résultats trouvés par fluorescence X sont en bon
accord avec ceux obtenus par R.B.S.
II.4 CARACTERISATION STRUCTURALE DES
DEPOTS
II.4.1 CARACTERISATION PAR DIFFRACTION X
La caractérisation par diffraction X des dépôts obtenus par pulvérisation a été effectuée à
l'aide d'un diffractomètre SIEMENS, modèle D501, équipé d'un tube à anticathode de cuivre
Nous avons réalisé, à température ambiante des diffractogrammes de quelques
échantillons de couches minces et des différents substrats utilisés. L'analyse des dépôts Ge02
et GePbx02+x ayant été déjà réalisée au laboratoire [17], nous avons surtout porté notre
attention sur les couches d'alumine et de matériaux d'électrodes. Les diffractogrammes des
dépôts d'oxydes Ge02 et Ge-Pb-O élaborés à des températures inférieures à 350 oC ou chauffés
dans ce même domaine de température sont caractéristiques de matériaux amorphes. TI en est de
même pour l'alumine déposée sur tous les types de substrats (cristallisés ou non). Au contraire,
les couches minces métalliques sont cristallisées.
Cette étude par diffraction X nous a montré que nous pouvons utiliser les différents
matériaux isolants Ge02,Ge-Pb-O et Al203 dans un domaine de température allant au moins
jusqu'à 350 oC sans amorcer leur cristallisation.
II.4.2 ETUDE PAR E.X.A.F.S.
Nous n'avons pas pu étudier nos échantillons par E.X.A.F.S. (Extended X-rays
Absorption Fine Structure), néanmoins il nous paraît important de signaler les résultats obtenus
au laboratoire avec des dépôts de Ge02 et Ge-Pb-O [17]. Cette caractérisation structurale
donne des renseignements sur l'environnement d'un atome sonde. Il a été mis en évidence les
propriétés suivantes:
- les couches minces de Ge02 stoechiométrique sont constituées d'un empilement
tridimensionnel de tétraèdres "Ge04" dont la distance caractéristique Ge-O est 1,74 Â;
- le désordre structural est plus important dans une couche mince de Ge02 que dans
Ge02 vitreux ;
- les couches minces de GePbxÛ2+x seraient constituées par un empilement de tétraèdres
"Ge04" pontés soit par les sommets (oxygène) soit par des ions Pb2+.

---

---

67
l'épaisseur de la couche suivant un diamètre. La hauteur du bord du disque est mesurée en
plusieurs endroits.
L'aire du disque est calculée à partir des mesures de son diamètre faites au moyen d'un
viseur dont le déplacement est repéré à 0,05mm près. Ainsi, en utilisant le profil de la couche
déterminée comme il a été décrit précédemment, on obtient une très bonne précision sur la
valeur du volume du dépôt.
Le tableau 16 regroupe les résultats de mesure de la masse volumique de nos dépôts et
permet de les comparer aux valeurs de la littérature.
Tableau 16: Masse volumique de nos dépôts comparée aux résultats connus.
p (g/cm3)
p (g/cm3)
p (g/cm3)
p (g/cm3)
Matériaux
dépôt
dépôt
cristal
verre
(présent travail )
(autres travaux)
Al
2,59±O,08
2,70
Ge
4,76±O,08
5,35
3,24 [38] ;
Al203
3,13±O,08
2,5 [33] ;
3,97
3 à 3,6 [37]
3,67±0,01
Ge02
3,71±O,08
4,12
[24,18,38,99]
GePb1,4°3,4
7,60±O,08
7,33 [53]
La seule comparaison que nous pouvons faire avec d'autres dépôts concerne l'alumine:
nos dépôts ont une compacité très proche de celle donnée par RAJOPADHYE [38].
D'une manière générale, les matériaux déposés ont une masse volumique inférieure à
celle des matériaux cristallisés; ils sont donc moins compacts que dans un solide parfaitement
organisé. Comme on peut le constater pour Ge02, la masse volumique d'un matériau déposé
sous forme amorphe est très proche de celle de verre correspondant.

---

68
II.5.2 INDICE DE REFRACTION
Nous avons déteIminé l'indice de réfraction de nos matériaux transparents déposés en
couche mince suivant la forme de la figure 6 au moyen de l'interféromètre de Michelson.
L'indice de réfraction peut être calculé de deux manières différentes:
- soit en mesurant la différence de marche entre les miroirs Ml et M4 :
~-8-
d'où
n -~
-
.
81
- soit en mesurant la différence de marche entre les miroirs M3 et M4: :
8 =
4
2 (n-l)e,
d'ou'
1 84
n= + - ;
81
les différences de marche 81 et 82 sont celles définies au paragraphe II.2.1.3.
Ces deux mesures de l'indice sont complémentaires car elles permettent une vérification
de la valeur trouvée à différents endroits d'un même échantillon.
L'indice de réfraction de l'alumine que nous avons déposée vaut 1,59±O,OI ; il est
identique à celui trouvé par RAJOPADHYE et al [38] ainsi que KÜBLER [37]. Signalons que
Deshpandey et al [41] ont trouvé un indice de l'ordre de 1,62. Pour le dioxyde de germanium,
nos dépôts ont le même indice que le verre: 1,61±O,OI [18,100].
II.6 CONCLUSION
Au cours de ce chapitre, nous avons présenté les moyens de caractérisation qui nous ont
permis d'optimiser les paramètres de dépôt de l'alumine, du dioxyde de gennanium et de
l'oxyde mixte GePbx02+x'
Les techniques utilisées dans le domaine de la mesure des épaisseurs et l'analyse en
composition se sont révélées complémentaires.

---

69
La fluorescence X donne des résultats satisfaisants mais n'est pas la technique la mieux
adaptée à la détermination des épaisseurs et de la composition car son utilisation est
conditionnée par l'emploi d'un étalon aux caractéristiques bien connues. Son seul avantage
dans notre cas. est sa facilité d'emploi.
La spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford est une technique qui nécessite un
appareillage important et qui est moins facile d'accès. En contrepartie elle permet de doser
pratiquement tous les éléments et même de déterminer les traces des éléments contaminant la
couche. C'est aussi une méthode qui donne la possibilité de détecter d'éventuels gradients de
concentration dans la couche analysée.
L'interféromètre de Michelson est bien adapté à la mesure de l'épaisseur et de l'indice
des couches minces réalisées. TI n'a pas besoin d'étalon. par contre. sa résolution est limitée à
0.04 ~m.
Les renseignements très importants apportés par l'étude qui a été menée continueront
d'être exploités au cours des deux prochains chapitres consacrés à l'étude des performances des
condensateurs utilisant comme isolant une ou plusieurs couches de matériaux diélectriques.

---

---

71
CHAPITRE III

---

72

---

73
111.1 INTRODUCTION
Dans le cadre de notre travail, nous nous sommes intéressés à l'élaboration et à l'étude
de condensateurs à base d'un ou de plusieurs matériaux diélectriques. Nous avons sunout mis
l'accent sur l'optimisation des propriétés diélectriques des matériaux étudiés au laboratoire sous
forme de couches minces.
Dans une première partie, nous définirons les principales caractéristiques diélectriques
des matériaux, puis nous présenterons les méthodes expérimentales utilisées pour étudier leurs
propriétés.
Dans une deuxième partie, nous développerons successivement les résultats de notre
étude des condensateurs dont l'isolant est l'un des matériaux suivants: alumine, dioxyde de
germanium, et oxyde mixte de gennanium et de plomb.
111.2 CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX
EN COUCHES MINCES
Les condensateurs sous forme de couches minces sont généralement plans (figure 31).
Ils sont formés par deux surfaces conductrices en regard, les armatures ou électrodes, séparées
par un isolant appelé diélectrique. Un condensateur est essentiellement caractérisé par sa
capacité C, la tangente de son angle de perte tane (appelé perte diélectrique), son coefficient
thermique de capacité et sa tension de claquage.
Nous introduisons dans le paragraphe suivant les grandeurs permettant de déterminer
ses caractéristiques.
111.2.1 PERMITTIVITE ET PERTES DIELECTRIQUES
La figure 31 représente un condensateur à faces parallèles d'épaisseur e et dont les
armatures de longueur L et de largeur 1:. ont pour aire S = Lxi [90]
S: aire des électrodes
e: distance entre les
électrodes
Figure 31: Condensateur plan.

---

74
Les effets de bord étant supposés négligeables, la capacité Co d'un condensateur plan à
air est donnée par :
Co = S-.EO
(III. 1)
e
où eo est la pennittivité du vide.
Lorsque l'espace entre les armatures est rempli d'un diélectrique de permittivité relative
Er, la relation (111.1) devient [39, 87, 88r
soit
C = Er.Eo,~
(III. 2)
Lorsqu'on applique une tension sinusoïdale V de pulsation ro (ro=21tv) aux bornes
d'un condensateur, un courant alternatif i circule. En notation complexe, pour un diélectrique
parfait on a :
1= jwerCov
(III. 3)
En général, il existe une composante du courant en phase avec la tension appliquée;
cette composante correspond à un courant de fuite entre les armatures. Un tel courant est
entièrement dû au matériau diélectrique. On le caractérise par une composante supplémentaire de
la pennittivité relative en posant:
Er = E' - jE"
(III. 4)
Le courant dans le condensateur devient :
i = jro(E'-jE")CoV
(III. 5)
La valeur de E" dépend de la valeur de la composante du courant en phase avec la
tension ou composante caractérisant "les pertes". On peut remarquer que ce mode de définition
ne fait aucunement intervenir le mécanisme des pertes dans le diélectrique.
La qualité d'un condensateur est caractérisée par son angle de pene 0 qui est le
déphasage entre le courant i total et la composante en quadrature le.
Si iL est la composante en phase [39, 88] on a :
liLl
"
tano = = =.f.. =
1
(111.6)
lid
E'
RmwC

---

75
où Rm est la résistance de fuite du matériau considéré en parallèle avec la capacité C du
condensateur [56] (cf. figure 32).
-
1 - ._ _- - 1111---_ _----1
1 1
C
l/R m
(a)
(h)
Figure 32: circuit parallèle: (a) schéma; (b) diagramme d'adminance.
Une autre manière de définir la tangente de l'angle de perte est de considérer le
condensateur formé par un diélectrique parfait d'impédance lIjCro en série avec une résistance
Rs [88], ce qui introduit un déphasage cp entre le courant et la tension (figure 33). On définit
l'angle de pene comme le complément du déphasage cp entre le courant et la tension:
tanÔ = RsroC
(III.7)
R i
s
_i_
CO)
(b)
Figure 33: circuit série: (a) schéma; (h) diagramme d'impédance.
En résumé, un matériau diélectrique est caractérisé par:
- E', la parne réelle de sa permittivité relative complexe ou constante diélectrique,
- tanÔ, la tangente de son angle de penes ou facteur de dissipation.
Un diélectrique est d'autant meilleur que son facteur de dissipation tanÔest petit.

---

76
111.2.2 ETUDE EN FONCTION DE LA FREQUENCE
Certains mécanismes de pertes diélectriques d'un matériau sont liés aux phénomènes de
polarisation en champ alternatif. Lorsque la fréquence est suffisamment élevée, l'orientation de
certains dipôles ne peut plus suivre les variations du champ. Ceci donne naissance à un
phénomène de relaxation.
Debye a proposé des équations permettant de décrire le spectre de relaxation du
diélectrique [88]:
(111.8)
(111.9)
Eoo et Es sont respectivement les valeurs de la constante diélectrique à fréquence infinie et à
fréquence nulle (Es est la valeur statique). 't est le temps de relaxation à la température
considérée. L'expression (111.6) devient:
(ES - Eoo)wt
tano = --'---------'--
(111.10)
Es+E
2
oo oo2't
Aux hautes fréquences, on constate, sur la valeur approchée de la relation (III.1 0) que la
tangente de l'angle de perte due à l'orientation dipolaire est inversement proportionnelle à la
fréquence et tend vers zéro.
Pour le condensateur il apparaît, outre la relaxation dipolaire propre au diélectrique,
deux phénomènes typiques:
- Aux basses fréquences (v< 100 Hz) des charges peuvent s'accumuler près des
électrodes; c'est la polarisation interfaciale qui augmente considérablement la capacité et les
pertes diélectriques.
- Aux hautes fréquences (v>20 kHz) les inductances propres des condensateurs, bien
que faibles, et les résistances en série des électrodes se manifestent.

---

77
CID
Figure 34 : Circuit équivalent d'un condensateur en courant alternatif.
tan Ô 1
tan Ô
~--
"
(2)
"
- ---- ---
(1)
f(Hz)
Figure 35 : Variation des pertes diélectriques mesurées enfonction de lafréquence.
Comme le montre la figure 35, la tangente de l'angle de pene mesurée tanÔ' a pour
composantes:
- le facteur de dissipation propre du matériau tanÔ, cette tangente de perte est en général
pratiquement constante sur un large domaine de fréquences si le matériau ne présente
pas de phénomènes de relaxation dipolaire (courbe (1)),
- le facteur de pertes dû à la polarisation interfaciale (courbe (2)),
- le facteur de pertes dû à la résistance des électrodes Re (courbe (3)).
En définitive, le facteur de pertes mesuré [31, 39, 90, 94] à haute fréquence a pour
expression:
tan Ô' = tanÔ + RewC.
(111.11 )

---

78
111.2.3 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE
111.2.3.1 Coefficient thermique de capacité
Lorsqu'on fait varier la température d'un condensateur, ses propriétés peuvent changer
de façon importante.
En général, la capacité et les pertes diélectriques augmentent avec la température e. On
définit le coefficient thermique de capacité Yc par l'équation [32,56] :
(111.12)
Ce coefficient est lié au coefficient de permitivité yp et au coefficient de dilatation
linéique du diélectrique al par la relation:
Yc = Yp + al
(111.13)
où
y =ldf..:-
(III. 14)
p
E' de
Cette relation peut être explicitée en utilisant l'équation de Clausius - Mosotti qui relie la
permittivité E' à la polarisabilité am :
(III. 15)
L'expression (111.15) traduit le comportement intrinsèque du matériau.
Le comportement extrinsèque a été étudié par Gevers et Hersping [32, 56] qui proposent
la relation:
Yp = A tan8
(III. 16)
avec
A =(O,05±O,OI ).10-6 °C-l .
En conséquence, l'expression générale du coefficient thermique de capacité est:
le
.
3
-a]
v
=(e'-I)( E'+2) [_1_ (aam )
+ Atan 8
1
+a
( III. 17)
l,
E
am
ae p
Cette expression peut être écrite sous une forme plus simple dans certains cas.

---

79
Le comportement extrinsèque est caractérisé par des pertes élevées c'est-à-dire tanÔ > 0,1 % et
e'>2 ; ce qui donne, toutes approximations faites:
Yc = Atano - ale'
(TIL18)
Le comvortement intrinsèque se traduit par des pertes diélectriques faibles, c'est-à-dire
tanÔ<O, 1% ; ce qui conduit à négliger le tenne AtanÔ dans la relation (TIL 17). Les autres tennes
de la relation se simplifient suivant quatre domaines de valeurs de la pennittivité :
- e'=l; c'est le cas du vide où Yc = O.
- 1,5< e'<2,5; la permittivité étant très petite, la composante électronique de la permitivit
domine et on a:
Yc :: al
(IlL 19)
- 2,5< e'<1O; la polarisabilité électronique est comparable à la polarisabilité ionique, c'est
une région où Yc est mal définie.
-e'>10; la permittivité due à la déformation ionique est dominante; Hersping et al
[56, 96] ont proposé l'expression:
où K est une constante.
(111.20)
111.2.3.2 La tangente de l'angle de perte
Certains chercheurs ont établi, à partir de travaux expérimentaux, une expression de
tano pour traduire l'influence de la température et de la fréquence sur les pertes diélectriques.
Strutt [89], qui a mesuré tano des verres dans un domaine de température situé entre
30°C et 300°C a proposé la relation:
tano = A.exp( aT)
(111.21)
où A et a sont indépendants de la température absolue T et varient très peu avec la fréquence,
par contre ils dépendent fortement du type de verre étudié.
Straimer et Zinke [89] ont retrouvé une loi identique pour le même domaine de
température en travaillant sur des verres et des céramiques. En partant de l'approximation faite
aux grandes fréquences (cf § III.2.2), on peut écrire à une température donnée, tano sous la
fonne:
tano = B.exp(-Kin ro/WO)
(111.22)
où K et B sont des constantes et roo la pulsation propre du dipôle dans un double puits de
potentiel.

---

80
En combinant cette relation avec (111.21), on obtient une expression de tanô dépendant à
la fois de la fréquence et de la température [89] :
tanÔ = tanÔO.exp(-~Tlnwto)
(111.24)
où ~ et tanôo sont des constantes et 'to=l/mo.
111.2.4 TENSION DE CLAQUAGE
Le phénomène de claquage des diélectriques sous tension est d'une très grande
importance pratique. Ce phénomène est plus simple dans les couches minces que dans les
matériaux massifs car la géométrie et la structure des films permettent de limiter un certain
nombre de mécanismes. En conséquence, les couches minces diélectriques les plus isolantes
possèdent des champs de claquage [56, 88] plus élevés. Ces champs peuvent atteindre
10 MV/cm alors que pour les matériaux massifs, à l'exception du mica et de quelques
polymères, ils sont de l'ordre de 1 MV/cm à 20 oC dans les meilleurs cas.
Il faut tout d'abord signaler que pour obtenir de bons résultats, il est nécessaire de
prendre un certain nombre de précautions:
- l'atmosphère doit être soigneusement contrôlée;
- le matériau diélectrique doit être pur et homogène;
- il faut éviter l'apparition de champs localisés aux bords des électrodes;
- l'état de surface des armatures doit être le meilleur possible car leur rugosité et les
poussières peuvent réduire la tension de claquage;
- le matériau constituant l'armature doit être soigneusement choisi car il peut migrer [56]
de défaut en défaut à travers la couche mince, jusqu'à créer un court-circuit. L'argent
est bien connu pour provoquer de tels phénomènes. L'aluminium, bien que s'oxydant
très facilement, est souvent choisi en raison de sa bonne adhérence.
On peut rencontrer plusieurs mécanismes de claquage diélectrique, les plus largement
cités sont :
- le claquage intrinsèque qui est de nature électronique;
- le claquage thermique qui dépend de la conductivité du diélectrique.

---

81
Le claquage par effet Joule [56,88], qui est l'un des principaux mécanismes intervenant
dans une couche mince, est lié au fait que les électrons de conduction gagnent de l'énergie
quand un matériau est soumis à un champ électrique. Lorsque la température du diélectrique
augmente [88], les électrons qui ont acquis une énergie suffisante peuvent effectuer la transition
et gagner la bande de conduction. L'effet du champ appliqué, augmenté par celui de l'élévation
en température du matériau fait croître l'énergie des électrons d'où un claquage rapide.
Von Hippel et Maurer [88, 92] ont montré qu'il existe pour les diélectriques, une
température critique Sc pour laquelle le champ de claquage est maximal. Ils ont établi
expérimentalement que pour les diélectriques cristallins, Sc est supérieure à la température
ambiante alors qu'elle se situe aux basses températures pour les diélectriques amorphes.
La figure 36 compare, d'après Von Hippel et Maurer, la tension de claquage entre la
forme cristalline et la forme amorphe de la silice. On constate que les températures critiques sont
en dehors du domaine représenté, soit à plus basse température pour le matériau amorphe ou à
plus haute température pour le quartz.
En conséquence, lorsque la température augmente, la tension de claquage diminue pour
la silice amorphe alors qu'elle augmente pour le quartz. Au dessous de la température ambiante,
c'est la silice amorphe qui a la tension de claquage la plus élevée. Au dessus de la température
ambiante le résultat est inversé; la tension de claquage du quartz continue de croître au dessus
de 60 oC.
-88
3;
~7
w
6
5
4
3
2
-100 -80
-60 -40
-20
a 20 40
60
80
100
S (OC)
Figure 36: Comparaison du champ de claquage entre laforme cristalline (quartz) et la forme
amorphe (quartzfondu) de la silice d'après Von Hippel et Maurer [88}.

---

82
La figure 37 montre une évolution typique du courant en fonction de la tension
appliquée dans le cas d'une couche mince [56]·
I(mA)
c
A
V(volts)
Figure 37: Variation du courant à travers le condensateur en/onction de la tension
appliquée.
On distingue trois régions:
- la région A où le matériau a un componement ohmique, correspond à un champ
inférieur à 0,1 MVIcm ;
- la panie B, dite région non ohmique, où se produill'émission Schottky avec une
intensité souvent de la fonne logIaV1I2;
- enfin, la région C précédant le claquage.
Dans la pratique, on considère que la tension utile ou nominale d'utilisation des couches
minces est située entre la moitié et les trois quans de la tension de claquage.
IIL3 APPAREILLAGES DE MESURE
111.3.1 PONT DE MESURE
On emploie généralement des ponts à courant alternatif pour la mesure de la capacité et
des penes diélectriques d'un condensateur à des fréquences inférieures à 1 MHz.
Nous avons réalisé notre étude, au moyen d'un pont de mesure type 1615A construit
par General Radio Company. Ce pont est alimenté par un générateur à fréquence variable
fournissant une tension réglable de a à 20V. Le couplage entre les deux appareils est assuré par

---

83
un transformateur dont le secondaire constitue une partie de deux des bras du pont. L'équilibre
est réalisé à l'aide d'un détecteur de zéro accordé en fréquence.
Le schéma de principe est semblable [88] à celui du pont de Schering présenté dans la
figure 38 :
_ _-"'""'"iN)--
---,
~
Figure 38: Pont de Schering.
Le condensateur à étudier est caractérisé par sa capacité C et sa résistance série R. C2 et
C3 sont des condensateurs étalons calibrés et les résistances RI et R2 sont généralement égales.
Cl représente une capacité parasite.
Pour la gamme de fréquences ]00 Hz - 100 kHz, le pont nous permet de mesurer avec
une très bonne précision des capacités allant de 10- 13 à 10-6 F et des tangentes de pertes
comprises entre 10-6 et 1.
L'incertitude sur les mesures est de ± [ 10-5C+0,00003 pF] à 1 kHz pour les capacités,
et de ± [lO-4.tano + 1Q-5.(l+v kHz)] sur les pertes.
La capacité et la tangente de pertes de l'échantillon sont obtenues à partir des mesures
faites directement sur le pont. La constante diélectrique E' du matériau est calculée au moyen de
l'expression (2). L'erreur commise sur E' est essentiellement due à celles des mesures
d'épaisseur et de surface du condensateur.

---

84
111.3.2 DISPOSITIF DE L'ETUDE DU CLAQUAGE
La tension croissante nécessaire à l'amorçage du claquage est obtenue au moyen d'un
montage potentiométrique alimenté par un générateur de tension continue à points fixes
(figure 39).
E
+
E = générateur (VmaX=: 300V)
R = lOn
C = condensateur à tester
X, y : entrées de la table traçante
C
X
y
Figure 39 : Dispositif d'étude de la tension de claquage.
Les tensions, Vx aux bornes du condensateur et Vy aux bornes de la résistance R de
faible valeur, sont appliquées respectivement aux voies X et Y d'une table traçante.
La tension Vy permet de connaître l'intensité du courant 1 qui traverse le condensateur:
I=Vy/R. Ainsi lorsqu'on fait croître la tension Vx aux bornes du condensateur, on a la courbe
I=f(V x).
Le claquage du diélectrique se caractérise par une brusque variation de l'intensité du
courant.
111.3.3 CELLULES DE MESURE
Nous avons utilisé des cellules de mesure les mieux adaptées aux domaines de
températures étudiés.

---

85
111.3.3.1 Cellule de chauffage
La figure 40 représente la cellule que nous avons utilisée pour étudier des échantillons
entre la température ambiante et 200 oc.
-
-
-
-
-
-
-1
(6)
(5)
II====~=I
(1)
1
l::.{~:::::~:~~:::::~::::l isolant
1(3)
(7)1
' - - - - - - - - - - - - - '
1
(b)
(a)
Figure 40: Cellule de chauffage: (a) schéma d'ensemble (vue de dessus), (b) détail d'un
contact électrique (coupe verticale) .. Légende: (J) échantillon, (2) contact
électrique, (3) blindage de la cellule, (4) tube blindé, (5) boîte de raccordement,
(6) tube coaxial, (7) étuve.(R) ressort.
Cette cellule dont les parties isolantes sont en téflon possède cinq connexions électriques
permettant de bons contacts avec les armatures déposées sur le diélectrique. On peut ainsi par
commutation étudier à la fois quatre condensateurs d'un même échantillon. L'enveloppe de la
cellule reliée à la masse sert de blindage. L'ensemble est relié au pont de mesure par
l'intennédiaire d'un tube coaxial rigide. Toutes les mesures ont été faites sous atmosphère d'air
en disposant la cellule dans une étuve régulée.
111.3.3.2 Cellule de refroidissement
La figure 41 représente les parties essentielles de cet appareil construit en acier
inoxydable.

---

86
r
Thermocouple
i
Vide
Entrée d'eau
--'il.~ Sortie d'eau
Resso Io------t----l~---i.''''i
Isolant
..-+--- Tige de maintien
Fil de connection
Enveloppe --~~
électrique
Echantillon
1""lII':~---- Prolongement de l'enveloppe
Figure 41 : Schéma de la cellule de mesure à basse température.
L'échantillon est disposé sur une base circulaire soutenue par trois tiges. Il est maintenu
en place par cinq tiges conductrices rigides guidées qui, par l'action de ressorts, appliquent une
force constante et permettent d'établir des connexions électriques avec les électrodes déposées
sur l'échantillon. Grâce à ces connexions électriques, on peut étudier à la fois quatre
condensateurs en couche mince déposés sur le même substrat. L'électrode de base, commune à
ces quatre condensateurs, est reliée à la masse.

---

87
L'enveloppe, reliée à la masse, sert de blindage et permet de maintenir le vide ou une
atmosphère neutre à l'intérieur de la cellule. Nous avons utilisé une atmosphère d'hélium qui
facilite les échanges thermiques entre l'intérieur de la cellule et l'enveloppe, tout
particulièrement au niveau de l'échantillon. La partie supérieure de la cellule est maintenue à
température ambiante par une circulation d'eau.
La température est prise au moyen d'un thermocouple blindé "Thermocoax" en chromel-
constantan maintenu en contact avec l'échantillon. Le refroidissement est assuré par une
immersion progressive dans l'azote liquide, ce qui permet d'atteindre une température voisine
de -180 oc.
111.4 REALISATION DES CONDENSATEURS
D'ETlTDE
Nous avons utilisé différents métaux pour les armatures et nous avons réalisé sur un
même substrat des condensateurs selon plusieurs configurations.
111.4.1 CHOIX DES MATERIAUX D'ELECTRODE
Les électrodes doivent bien adhérer au substrat et au diélectrique. Elles doivent
évidemment avoir la plus faible résistance possible pour éviter l'augmentation des pertes
mesurées à haute fréquence. Les propriétés comparées des métaux choisis (aluminium, or,
platine) sont présentées dans le tableau 17.
Tableau 17: Propriétés comparées des matériaux d'électrode.
Matériaux
Pd
Pm
Avantages
Inconvénients
Utilisation
(Q.m)
(Q.m)
-grande facilité
-très bon conducteur
d'oxydation
condensateur de
Al
5.10-8
2,6.10-8
-très bonne adhérence
-doit être déposé
forte capacité
sur le verre et le dépôt
rapidement par
R.F. magnétron
adhérence
électrodes
Au
5.10-8
2,04.10-8
-bon conducteur
moyenne sur le
supérieures sans
-facilité d'emploi
verre et le dépôt
variation de
temoérature
conducteur
condensateur de
Pt
5.10-7
10,6.10-8
facilité d'emploi
électrique de
faible capacité
Qualité moyenne

---

88
On peut constater que la résistivité Pd des métaux déposés est toujours supérieure à celle
du métal massif pm. Dans le tableau 17, l'aluminium apparaît comme le meilleur matériau
d'électrode, mais sa mise en œuvre est beaucoup plus délicate que celle des métaux précieux.
111.4.2 CONFIGURATION DES CONDENSATEURS
Nous avons vu dans le paragraphe III.2.2 que les pertes diélectriques d'un condensateur
étaient affectées par la polarisation interfaciale et, par les résistances des électrodes et des fils de
contact. Nous avons également signalé que les effets de bord des électrodes diminuent le champ
de claquage. Pour pallier à ces difficultés, nous avons réalisé des condensateurs de différentes
configurations (figure 42) sur des substrats de natures diverses (isolant ou conducteur). Nous
avons également cherché à diminuer les risques de perturbation des mesures par des poussières
en réduisant la surface des armatures [41, 42].
Tous nos échantillons sont constitués par plusieurs condensateurs (entre quatre et dix),
ce qui nous pennet de vérifier l'homogénéité du dépôt et de faire une étude statistique des
propriétés diélectriques [103].
- Condensateur type A : Comme le substrat est isolant (verre), les électrodes déposées
dont l'épaisseur est voisine de 0,1 /lm introduisent une résistance série de 5 à 10 .o.. Les pertes
diélectriques mesurées deviennent importantes à haute fréquence. L'existence sur un même
échantillon de deux condensateurs d'aires différentes (16 et 60 mm2) nous pennet de vérifier les
effets de la diminution de la résistance série des électrodes et, de contrôler les risques de
contamination par des poussières [40].
- Condensateur type B : Ce type de condensateur est un dérivé de celui de type A, mais
il présente par rapport à ce dernier plusieurs avantages. L'aire de chaque armature est de l'ordre
de 8 mm2, ce qui pennet de diviser par deux leur résistance série et de réduire davantage les
risques d'échecs dus aux poussières. De plus, l'existence de plusieurs condensateurs facilite
nettement l'étude statistique [103,105].
Pour les condensateurs de type A et B, la faible épaisseur du diélectrique et la
disposition des électrodes ne pennettent pas d'augmenter l'épaisseur de l'électrode inférieure.
Dans les meilleurs cas, entre 10 et 15 kHz, les pertes diélectriques sont affectées par la
résistance des électrodes. Du fait de la faible rugosité de l'état de surface du substrat, ce sont les
condensateurs de type A et B qui, avec une petite surface des armatures, pennettent de réaliser
des condensateurs de capacité surfacique supérieure ou égale à 0,4 /lF/cm2.

---

89
- Condensateur type C : Pour réduire au maximum la résistance série, c'est le substrat
métallique (aluminium ou acier inoxydable) qui constitue l'électrode inférieure. Il est plus
difficile de rendre négligeable la résistance de l'électrode supérieure, même si le dépôt est épais.
La connexion électrique étant réalisée au milieu de l'électrode supérieure, la résistance
série totale pour les condensateurs de type C est inférieure à 2 Q. Cependant, il faut noter que
malgré toutes les précautions prises pour le polissage du substrat, il est difficile d'obtenir un
état de surface parfait. Lorsque le diélectrique a une épaisseur inférieure à 0,3 J.1m, la réalisation
de ces condensateurs a un taux d'échec élevé.
électrode 1
électrode 2
substrat: verre
électrode 1 : Pt, Al, Au
électrode 2 : Pt, Al, Au
matériau diélectrique
sUDstrat
électrode 1
électrode 2
1TYPE B 1
substrat: verre
électrode 1 : Pt, Al, Au
électrode 2 : Pt, Al, Au
matériau diélectrique
substrat =électrode 1
électrode 2
substrat: acier (inox), Al
électrode 2 : Al, Pt, Au
matériau diélectrique
Figure 42 : Types de condensateurs.

---

90
111.4.3 PROBLEMES DE MESURE
111.4.3.1 Mesure de la tangente de perte
Le tableau 18 montre l'influence de la surface des armatures sur le facteur de perte d'un
condensateur. La mesure est correcte à 1 kHz pour les condensateurs de type B ayant une
capacité inférieure à 700 pF. A cette même fréquence, les pertes deviennent importantes pour un
condensateur de capacité 5500 pF.
Tableau 18 : Influence de la surface des armatures sur tanS' mesurée à 1 kHz pour un
condensateur constitué par une couche d'alwnine d'épaisseur voisine de 0,5 J.1m
et par des électrodes en alwniniwn d'épaisseur 0,3 J.1m.
Type de condensateur
surface (mm2)
capacité (pF)
tano' (x 10-2)
61
5500
0,70
A
16
1440
0,40
10,5
950
0,33
B
7
650
0,32
La figure 43 montre l'influence de l'épaisseur d'une électrode, donc de la résistance
série qu'elle introduit. Il faut une électrode supérieure en aluminium d'épaisseur 0,8 ~m pour
un condensateur de type C de l'ordre de 3 nF, afin que sa tangente de perte ne soit pas affectée
par les mesures réalisées avec des fréquences inférieures ou égales à 20 kHz.
1,0
0,8
~
0,6
N1
0
'--'
0,4
ë.o
§
0,2
0,0
2
5
10
10 3
10 4
10
10
6
v (Hz)
Figure 43 : Variation de tanS' en fonction de la fréquence pour deux condensateurs à base
d'alumine de type C de même capacité 2900 pF. L'épaisseur de l'électrode supérieure en
aluminium vaut environ 0,8 J1m (a) et 0,25 J1m (b).

---

91
Par ailleurs, nous avons constaté que la variation des pertes de nos matériaux est
monotone dans l'intervalle de fréquence 0,5 - 100kHz: tan8' diminue légèrement lorsque la
fréquence augmente. En conséquence, lorsqu'il s'agira de comparer divers matériaux, nous
donnerons, par la suite, seulement la valeur de tan8' à 1 kHz.
Dans la figure 44, nous représentons la variation de la tangente de pertes mesurée ainsi
que celle de ReooC, en fonction de la fréquence, pour un condensateur de type A de capacité
2500 pF et de résistance d'électrodes 5 n. Les pertes diélectriques propres au matériau ont été
calculées à partir de l'expression (111.12). La valeur obtenue est voisine de celle mesurée avec
un condensateur de type C de même capacité. Un tel résultat montre qu'il est possible de
calculer la tangente de pertes propre au matériau sur une grande gamme de fréquences, même si
les mesures sont affectées par la résistance série des électrodes.
Par la suite, nous présenterons les résultats sans correction de résistance d'électrode, et
nous ne nous intéresserons qu'aux régions où cette correction est négligeable, c'est-à-dire où
tan8 et tan8' sont identiques.
0,3
[!]
type A, B
.. typeC
0,2
-C'l,
0
-'-'§ 0,1
....
tan 8'
tan 8 calculee
0,0
°
10
20
30
40
50
60
v (kHz)
Figure 44 : Influence de la résistance sur la mesure des perces diélectriques pour des
condensateurs d'une capacité d'environ 2500 pF.
111.4.3.2 Mesure de la tension de claquage
Avec les configurations de type A et B, lorsque l'électrode de base est très épaisse (plus
de la moitié de l'épaisseur du diélectrique), il y a sur ses bords des points de faiblesse de
l'isolant qui réduisent sa tension de claquage. La photographie de la figure 45 montre l'exemple
d'un tel claquage dans l'alumine.

---

92
Avec la configuration de type C, la rugosité de la surface du substrat [101] après
polissage, reste telle qu'il est pratiquement impossible de déposer des diélectriques d'une
épaisseur inférieure à 0,1 Jlm sans avoir de court-circuit. De plus, cette rugosité réduit
beaucoup la tension de claquage pour des condensateurs très minces.
Figure 45: Exemple de claquage au b()rd d'un condensateur.
111.5 RESULTATS EXPERIMENTAUX
Dans la suite de ce chapitre, nous présentons les résultats des mesures diélectriques
obtenus avec des condensateurs constitués par un seul isolant que nous appelerons
condensateurs monocouches.
Nous examinerons l'influence des conditions de dépôt. de l'épaisseur de l'isolant et des
traitements thermiques pour les condensateurs à base d'alumine, de dioxyde de germanium et
d'oxyde mixte de germanium et de plomb.
111.5.1 CONDENSATEURS A BASE D'ALUMINE
L'alumine est déposée par pulvérisation cathodique RF magnétron dans les conditions
développées au chapitre II. Comme la composition du dépôt dépend des conditions opératoires,

---

93
nous présentons d'abord l'influence de cette composition sur les propriétés diélectriques. Nous
examinerons ensuite l'influence des traitements thermiques et de l'épaisseur du diélectrique.
111.5.1.1 Etude en fonction de la composition du dépôt d'alumine sur ses
propriétés diélectriques
Le tableau 19 regroupe les caractéristiques diélectriques des dépôts d'alumine de même
épaisseur obtenus selon différentes conditions opératoires, c'est-à-dire en fonction de leur
stœchiométrie.
Tableau 19: Influence de la composition sur les propriétés diélectriques du dépôt d'alumine
d'épaisseur e - 0,12 J.1m obtenu sur substrat refroidi.
Conditions
Composition
de pulvérisation
de l'alumine déposée
E'
tano
E
P(W)
Ü2(%)
p (Pa)
(x 10-2)
(MV/cm)
500
0
0,1
Al2 02,96 Ara,29
7,6±0,2
O,54±0,03
1,50±O,15
500
a
0,5
Ah 02,98 Aro,as
7,4±0,2
0,46±0,03
1,SO±O,15
500
0
1
AI2 03,02 ArO.04
7,5±0,2
0,49±0,03
1,90±O,15
500
2
0,1
AI2 02,98 ArO,28
7,40±0,2
0,52±0,03
1,40±O,15
500
2
0,5
AI2 03.10 ArO.06
7,35±O,2
0,42±0,03
1,SO±O,15
500
2
1
Al2 03,30 ArO,04
7,45±0,2
0,42±0,03
1,95±O,15
500
5
0,1
AI2 03 04
,
Aro 26
7,35±0,2
0,39±0,03
1,90±O,15
.
500
5
0,5
AI2 03,40 Aro,os
7,5±0,2
0,32±0,03
2,95±O,15
500
5
1
Ah 03,70 Ara,os
7,4±0,2
0,36±0,03
2,lO±O,15
La figure 46 présente la variation des pertes diélectriques et du champ de claquage en
fonction du rapport O/AI qui doit être de 1,5 pour une alumine stœchiométrique. On constate
que l'on obtient la plus faible perte pour un rapport O/AI compris entre 1,6 et l,S.

---

94
0,6
0,5
(a)
,-...
N1
0
.....
'-"
c.o
0,4
§
0,3
0,2
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
O/AI
4
2
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
D/Al
Figure 46: Variation de tanD (a) et du champ de claquage E (b), pour l'alumine déposée
(épaisseur - 0,15 )1111.) en fonction de .'la composition.
Il est surprenant de constater que le facteur de penes augmente lorsqu'on s'approche de
la composition stœchiométrique A1203. Cependant, il faut noter que ce domaine correspond
aussi à un taux élevé d'argon dans le dépôt.
Le champ de claquage a un sens de variation opposé à celui des penes diélectriques.
Aux plus faibles pertes, correspond le champ de claquage le plus élevé, donc le meilleur
diélectrique.
L'augmentation du champ de claquage avec le rapport D/AI est confirmé par d'autres
résultats de la littérature notamment ceux de Bhatia et al 133]. L'étude R.B.S. réalisée par ces

---

95
chercheurs montre également que le rapport 0/AI augmente lorsque le taux d'argon implanté
dans la couche diminue.
Il est important de signaler qu'un vide initial très poussé est nécessaire pour obtenir des
dépôts de bonne qualité (cf.figure 47). En effet, si la pression initiale est supérieure ou égale à
2.10-3 Pa, on obtient des dépôts d'aspect blanchâtre qui contiennent des bulles (porosités)
[l03] et qui présentent des pertes diélectriques comprises entre 0,6.10-2 et 10-2. Au contraire
pour une pression initiale inférieure ou égale à 2.10-4 Pa, le dépôt est transparent et possède des
pertes diélectriques inférieures à 0,4.10-2.
p;;:: 10- 3 Pa
p < 10-3 Pa
Figure 47 : Photographies des couches minces d'alumine: influence du vide initial de
l'enceinte sur la qualité des dépôts.
En définitive, les meilleures caractéristiques diélectriques des dépôts d'alumine à
température ambiante sont obtenues pour les conditions de pulvérisation suivantes:
- un vide initial de pression de l'ordre de 10-4 Pa,
- une prépulvérisation progressive de la cible d'alumine pendant au moins 15 minutes,
- un gaz plasmagène contenant environ 95% d'argon - 5% d'oxygène,
- une pression totale comprise entre 0,5 et 1 Pa.
111.5.1.2 InOuence des traitements thermiques
Influence de la température du substrat
Les photographies des couches d'alumine déposées à 20, 300 et 400 oC (figure 48)
permettent d'apprécier l'homogénéité du dépôt et son adhérence sur l'électrode de base. On
constate qu'à 300 oC il apparaît une rugosité superficielle et qu'à 400 oC, la couche est fissurée.

---

96
En conséquence, nous avons limité à 250 oC la température maximale du substrat lors de la
pulvérisation.
(a)
(b)
(c)
Figure 48 Photographies au microscope optique des couches d'alumine sur électrode de base
pour des dépôts réalisés à différentes températures: (a) 20 ,. (b) 300 ,. (c) 400 oc.
Nous comparons, dans la figure 49, les variations en fonction de lp. fréquence de e' et de
tanù pour de l'alumine déposée sur un substrat chauffé à 250 oC avec celles obtenues lorsque le
substrat est maintenu à 20 oc.

---

97
8,6
(a)
8,5
e'
(2)
[;]
8,4
• ..
8,3
2
10
v (Hz)
0,38
0,36
(b)
(1 )
0,34
-N1 0,32
0
--c.o§ 0,30
0,28
0,26
2
10
]03
v (Hz)
Figure 49 : Variations de E' (a) et tanD (b) en fonction de lafréquence (mesurées à 20 OC)
pour de l'alumine déposée à 20 oC (1) et à 250 oC (2). Les condensateurs
d'étude ont une épaisseur voisine de 0.6 J.1m et une capacité proche de 2500 pF.
Lorsque la température du substrat passe de 20 oC à 250 oC, les pertes de l'alumine
déposée diminuent de 10% environ alors que la constante diélectrique ne diminue que de 1%.
Par ailleurs, si l'on compare les valeurs de E' du tableau 19, on constate qu'elles sont
différentes. Cet écart dépend de l'épaisseur des condensateurs utilisés. L'étude de ce
phénomène sera développée dans le paragraphe IIl.5.1.5.

---

98
Influence du recuit
Comme les pertes diélectriques diminuent quand la température du substrat augmente,
nous avons alors estimé qu'il était intéressant de faire subir des recuits aux échantillons
fabriqués à température ambiante. Au cours de ces cycles thenniques effectués dans l'air, la
température croît et décroît par pas de 20 oC toutes les heures. L'échantillon reste au moins 24
heures à la température maximale 200 oC.
Pour les deux premiers cycles thenniques, les variations de la constante diélectrique et
du facteur de perte de l'alumine déposée à 20°C sont représentées dans la figure 50.
Figure 50 : Influence des traitements thermiques sur un condensateur à base d'alumine
(e=l ,47 pm) déposé sur un substrat refroidi (les flèches indiquent le sens de
variation de la température temps de chauffage à 200 oC pour chaque cycle de
36h). Etude à 1 kHz: (a) constante diélectrique, (b) tangente de l'angle de pertes
diélectriques.

---

99
En tout premier lieu, on note que les pertes sont très importantes, donc difficilement
mesurables au delà de 150 oC lors du 1er cycle thermique.
D'une manière générale, les traitements thermiques diminuent la constante diélectrique et
les pertes diélectriques de l'échantillon obtenu à 20 oC. Cette diminution est très importante au
cours du premier recuit à 200 oC. Les valeurs de e' et tanB obtenues au cours d'un troisième
cycle thermique, sont peu différentes de celles déterminées pendant la descente en température
du deuxième cycle.
Le tableau 20 permet de comparer les propriétés diélectriques de l'alumine avant et après
traitement thermique.
Tableau 20 : Propriétés diélectriques avant et après traitement thermique pour un
condensateur à base d'alumine ( épaisseur = 0,3 pm ) déposée sur un
substrat refroidi. Les valeurs de E', tano et Yc sont donnés à 1kHz; Yc est
calculé entre +20 oC et +70 oc.
tanB
e'
Yc
E
00-2)
(10-6 °C-l)
(MY/cm)
Avant traitement
8,30±0,20
0,35±0,05
260±15
1,17±0,15
thermique
Après traitement
8,05±0,20
0,25±0,05
130±1O
1,77±0,15
thermique
On constate que les traitements thermiques diminuent les pertes d'environ 30% et le
coefficient thermique de capacité de 50 à 60%. Le champ de claquage voit sa valeur augmenter
d'environ 40%. Au contraire, les mêmes traitements thermiques n'ont pratiquement aucun effet
sur l'alumine déposée à 250 oc.
L'évolution des propriétés diélectriques du matériau déposé à 20 oC montre qu'il n'est
pas stable. Cet état instable peut être dû à des contraintes internes ou à des inhomogénéités du
matériau [102], l'élévation de température permet de réduire cet effet.
Après traitement thermique, on obtient pratiquement les mêmes propriétés diélectriques
pour les condensateurs fabriqués à 20 et 250 oc.
En définitive, compte tenu du temps d'élaboration d'un échantillon dont le substrat est
chauffé pendant la pulvérisation et vu son plus faible taux de réussite, il est préférable, pour
obtenir des condensateurs performants, de les préparer sur un substrat maintenu à la
température ambiante et ensuite de les recuire à 200 oc.

---

100
IlI.S.1.3 Relation entre Yc et tanb
La figure 51 représente, en particulier pour les couches d'alumine, la variation de Yc en
fonction de tanb pour des échantillons ayant subi des traitements thenniques de différentes
durées. On constate que quand les pertes diminuent, le coefficient thennique de capacité tend
vers une limite. Pour les pertes les plus élevées, la courbe a une tangente dont la pente est de
l'ordre de 0,08 alors que Gevers et Hersping [32, 56] proposent la valeur 0,05±O,0l pour tous
les matériaux. Le calcul du coefficient de dilatation linéique à l'aide de la relation 111.18 donne
ae =5.10-6 °C-l valeur très proche de celles trouvées dans la littérature pour ce matériau sous
forme cristalline.
400
Al zÜ3
• GePbl,4 03,4
300
I!I
GeOz
-
-;'
200
~
./"
'0
./"
./"
b
./"
./"
- 100
./"
./"
'-"
./"
./"
?-C,)
./"
./"
./"
./"
./"
-a
./"
...m~ ...... B El
8
m
° ./" ......
....,......- -
-
......
-100
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
tanb (10-2)
Figure 52 : Variation de Yc en fonction de lan8 pour des condensateurs à base d'alumine, de
dioxyde de germanium el de GePh] ,403,4.
111.5.1.4 Variation de la capacité et de tangente de pertes tanb en
fonction de la fréquence et de la température
Après avoir stabilisé nos échantillons, nous les avons étudiés en fonction de la
fréquence entre -200°C et +200°C. La figure 52 montre les variations de la constante
diélectrique et de la tangente de pertes d'un condensateur en fonction de la température à
différentes fréquences.

---

101
9,10
E' 8,90
[!J
v =0,2kHz
Â.
v = 1kHz
8,70
.} v = 50kHz
8,50
8,30
(a)
8,10
7,90
7,70
-200
-100
o
100
200
300
S('C)
1,2
1,0
Cl
V = O~kHz
.. v = 1kHz
,-..
0,8
N,
,::
v= 10kHz
0
.....
-- 0,6
e-o
g
0,4
;:;'.:
0,2
0,0
-200
-100
o
100
300
Figure 52: Etude enfonction de la température (à différentes fréquences) d'un condensateur
à base d'alumine stabilisée (e=O,5j.1m) : (a) variation de la constante diélectrique,
(b) variation des pertes diélectriques.
On constate qu'à toute température, la capacité diminue légèrement lorsque la fréquence
augmente. A une fréquence donnée, la capacité est une fonction croissante de la température.
Le coefficient thennique de capacité varie peu entre -200 oC et +200 oC: il est de l'ordre
200.10-6 °C-l.
Au dessus de -70 oC, les pertes diélectriques du condensateur ont le même sens de
variation que sa capacité: elles augmentent rapidement avec la température et diminuent lorsque

---

102
la fréquence augmente. Si on considère notre plus basse fréquence de mesure, 200 Hz, la
valeur de tanÔ à -70 oC est seulement de l'ordre de 50% de celle à la température ambiante.
Au dessous de -70°C, tanÔ varie peu avec la température pour une fréquence donnée,
mais augmente avec la fréquence.
Cette variation des pertes est conforme à celle observée par Argall et Jonscher [97] pour
des condensateurs à base de silice et d'alumine. En mesurant la conductivité de ces deux
matériaux entre -196 oC et +177 oC pour des fréquences comprises entre 1()() Hz et 1 MHz, ils
ont montré qu'elle variait suivant la loi: cr oc VAT-B, où A et B sont des constantes et T la
température absolue.
Il en résulte que sur l'intervalle de température 0 - 300 K, la tangente de pertes a une
expression analogue:
tan 0 oc VAT-B-l.
III.25
Argall et Jonscher ont attribué ce comportement du matériau à ses contraintes internes.
Nous pensons que les contraintes mécaniques à basse température sont essentiellement causées
par la différence entre le coefficient de dilatation du diélectrique et les coefficients de dilatation
des armatures et du substrat. Une telle augmentation des pertes avec les tensions mécaniques a
été trouvée pour Siü par Carpentier et Campbell [98].
La représentation en coordonnées logarithmiques faite dans la figure 53 montre que,
pour les couches minces d'alumine, on peut rendre compte de la variation de tanÔ en fonction
de v et de T à l'aide de l'expression II1.25. Une détermination des coefficients de cette loi entre
98 et 223 K donne: A = ( 4, 19±O,05) 10-4 et B=0,98±O,03.
2
10- - , - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,
Tl=223K
T3=173K
T2=98K
Figure 53: Variation de tangente de pertes de l'alumine en fonction de la fréquence à
différentes températures.

---

103
III.S.l.S Champ de claquage
L'étude a été effectuée sur des échantillons d'épaisseur comprise entre 0,0 121lm et Illm.
La figure 54 montre la caractéristique 1 =f(V) d'un échantillon.
100 " " " T " " " - - - - - - - - - - - - - - - - - : : - - - - - - - ,
80
\\0
1
60
0
-><
'""'
<l::
40
--......
20
(1)
0
0
20
40
60
80
V(volts)
-4,0
-4,1
-4,2
bo -43
o
'
-
-4,4
-4,5 -+---'t----r--~-__..--_r_-__"T--_r_-___.--_r_-___f
7,3
7,4
7,5
7,6
7,7
7,8
Figure 54 : Variation de l'intensité 1 traversant l'alumine enfonction de la tension appliquée V
(fig. a), et celle de Log 1 enfonction de V1/2 dans la zone (2){fig. b).

---

104
Lorsque la tension aux bornes du condensateur augmente, il s'établit d'abord un très
faible courant dans le matériau (fig.54 a). A partir d'une certaine valeur de la tension, le courant
augmente très rapidement jusqu'à la valeur maximale permise par le circuit d'alimentation. Il y a
claquage de l'isolant pour une certaine tension critique. Après le claquage du condensateur, le
courant devient nul.
Nous avons essayé de mettre en évidence les différentes régions observées sur la courbe
1 = f(V). Compte tenu de la sensibilité de notre appareil de mesure, nous sommes incapables
d'affirmer que la région (1) de la figure 54 a correspond à un comportement ohmique comme le
prévoit la théorie (§III.2.4). Par contre pour la partie (2), la représentation de la figure 54 b,
met en évidence la linéarité de la relation qui traduit le phénomène d'émission de Schottky. La
troisième région est presque inobservable du fait de la limitation de courant due au circuit
d'étude. Elle se caractérise par un claquage qui se traduit par une brusque diminution du
courant.
La photographie de la figure 55 montre l'aspect d'un condensateur à base d'alumine
après claquage.
Figure 55 : ClaqltaRe d'un condensateur à base d'alumine.
Lorsque l'échantillon contient des points de faiblesse (porosité, inhomogénéité, etc), Qn
observe quelques petits pics d'intensité avant le grand pic du claquage total. Ces pics
proviennent des petits claquages locaux; ils révèlent l'existence de défauts dans le dépôt isolant.
La figure 56 représente la variation en fonction de la température du champ électrique
appliqué, qui produit le claquage d'un condensateur stabilisé à base d'alumine, dont l'épaisseur
est environ 0,5 !lm.

---

105
1,8
1,6
1,4
.-
~ 1,2
>
6
LIJ
1,0
0,8
0,6
0,4
-200
-100
0
100
200
300
efc)
Figure 56: Variation en/onction de la température du champ de claquage d'un condensateur
stabilisé à base d'alumine d'épaisseur 0,5 J.1m.
On constate que le champ de claquage passe par un maximum à une température voisine
de -70°C; au dessous de cette température, il ne diminue que faiblement lorsque la température
diminue. Ce résultat est en accord avec les prévisions et les résultats de Von Hippel [91] pour la
silice: le champ de claquage d'un matériau isolant amorphe passe par un maximum à une
température inférieure à la température ambiante. Cependant Budenstein et al [94] ont montré
que le champ de claquage est pratiquement constant lorsque la température augmente.
111.5.1.6 Influence de l'épaisseur
D'après la relation (111.2) et comme le montre la figure 57, la capacité surfacique d'un
condensateur augmente quand son épaisseur diminue. Malheureusement, la tangente de perte
augmente aussi si l'épaisseur du diélectrique est inférieure à 0, Illm. Ce résultat est confinné par
d'autres chercheurs tels que Hülya Birey 1341 et Vosson et al [63].
Plusieurs explications de cette valeur élevée des pertes diélectriques aux faibles
épaisseurs peuvent être avancées [34]. Ceci peut d'abord être dû à un manque d'homogénéité
du dépôt, mais on peut aussi penser à certains phénomènes [32] qui conduisent à un
componement extrinsèque du matériau:
- les effets de charge d'espace,
- l'effet tunnel,
- la polarisation ionique ou électronique.

---

106
0,3 -r-~---------------------- ........
(a)
0,1
0,0 -+--......,....--r--r---..,........-"'T"""""--Ir--......,....---+-----.r---f---_r_--4
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
e (!lm)
1,0~--------------------------,
0,8
-.
(b)
N,
0,6
0
..-
' - "
c.o
c
ro
+-'
0,4
0,2-+----r---r-----.r__-~-"'T"""""-__r_-......,....-~-----.r__-r__-...,.....-_1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
e(!lm)
Figure 57 : Variation de la capacité surfacique (fig. a) et pertes diélectriques (fig. b) en
fonction l'épaisseur de l'alumine (v = J kHz, f) = 20 OC).

---

107
En calculant e' à partir de la relation (111.2), on obtient la courbe de la figure 58 (a).
Comme l'incertitude sur l'épaisseur mesurée est d'autant plus grande que l'épaisseur est
faible, les valeurs de e' obtenues pour les faibles épaisseurs d'isolant sont entachées d'erreurs
importantes (de l'ordre de 15% en moyenne).
Cependant, pour les épaisseurs inférieures à 0,15 Jlm, on constate que la valeur de e'
calculée décroît nettement lorsque l'épaisseur diminue.
Ce résultat est en parfait accord avec ceux de Hülya Birey [34] et de Cariou et al [95].
L'explication donnée par Hülya Birey est que la décroissance de la constante diélectrique est
due à la porosité importante des films d'alumine très minces.
La figure 58 (b) nous montre que, lorsque l'épaisseur diminue le champ de claquage
passe par un maximum pour l'épaisseur 0,02 Jlm au lieu de continuer de croître.
Cette diminution de champ est tout à fait conforme à l'hypothèse sur les mécanismes de
claquage car elle correspond à une augmentation des pertes diélectriques.
Etant donné que la tangente des pertes traduit la capacité de fuite de courant à travers le
matériau, plus elle est élevée, plus faible est le champ de claquage.
En outre, il faut prendre en considération, comme il a été signalé au paragraphe
111-4-3-2, que plus l'épaisseur de l'isolant est faible plus les défauts de surface [101,102]
(substrat, bord de l'électrode inférieur) sont importants en valeur relative.
En certains endroits l'épaisseur de l'isolant est sûrement inférieure à la valeur moyenne
mesurée, si bien que les valeurs du champ de claquage E sont données par défaut.

---

108
9....,....
....
El
8
7
6
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
e (!lm)
5
4
3
(b)
..-.
E
~
>
2
:t
'-"
L.I.l
1
.L
0-t----,---r---~-__r-____,,.....__-~-...,._-__,_--~---1
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
e(!lm)
Figure 58 : Influence de l'épaisseur de la couche sur les caractéristiques de l'alumine
mesurées à 20 oC: (a) constante diélectrique à 1 kHz , (b) champ de claquage.
111.5.1.7 Caractéristiques principales des condensateurs à base
d'alumine
Dans les meilleurs cas, nous avons pu fabriquer des condensateurs à base d'une couche
mince d'alumine dont les caractéristiques principales optimisées sont les suivantes:
- la constante diélectrique de l'alumine vaut 8,5 à 1 kHz.

---

109
- le facteur de pertes diélectriques est inférieur ou égal à 2,5.10-3 à 1 kHz.
- le coefficient thennique de capacité mesuré entre 20°C et 70°C vaut environ
130.10-6°C-1 après traitement thermique.
- le champ électrique maximal applicable est d'environ 4,5 MVIcm à la température
ambiante.
111.5.2 CONDENSATEURS A BASE DE Ge02
Nous allons successivement présenter comme dans le cas de l'alumine, l'étude en
fonction de la composition, l'influence de la température et de l'épaisseur sur les propriétés
diélectriques de GeÛ2.
111.5.2.1 Etude en fonction de la composition
Comme pour l'alumine le taux d'oxygène dans le plasma joue un rôle important pour la
stœchiométrie et les propriétés diélectriques de l'oxyde de germanium. En effet, quand on
utilise un plasma d'argon pur, on dépose un oxyde de germanium non stœchiométrique qui
donne une tangente de pertes diélectriques de l'ordre de 0,35.10-2.
Au contraire si le gaz plasmagène contient au moins 2 % d'oxygène, on obtient l'oxyde
stoechiométrique Ge02 pour lequel tan8 est inférieure à 0,20.10-2.
Nous avons aussi évoqué précédemment l'importance du vide initial pour l'obtention
d'échantillons de très bonne qualité. L'importance de ce paramètre sur les propriétés
diélecniques du dépôt de Ge02 est montrée dans le tableau 21.
Tableau 21: Influence du vide initial (pression p) sur les propriétés diélectriques de GeOz
déposé dans les conditions suivantes: plasma Ar(95%)-Oz (5%) .. pression totale
p= O,5Pa; puissance 125W; température du substrat 20 oc.
Avant traitement thermique
Après traitement thermique
p (Pa)
E'
"tc (1 0-60C- 1)
tan8 (10-2)
E'
"tc (1 0-6oC- 1)
tan800-2)
~ 10-3
6,35±0,20
55±1O
0,35 à 0,50
6,30±0,20
40±1O
0,3 à 0,4
:s; 2.10-4 6,40±0,20
28±5
0,12 à 0,17
6,33±0,20
20±5
0,1 à 0,06

---

110
Les mesures ont été réalisées à 1kHz, à température ambiante, "tc a été détenniné entre
20 oC et 70 oc.
On constate qu'un vide initial poussé améliore nettement les performances du dépôt: les
pertes diélectriques sont divisées par trois et le coefficient thermique de capacité par deux
lorsque la pression initiale passe de 10-3 à 2.10-4 Pa ; la constante diélectrique conserve la
même valeur.
111.5.2.2 Influence des traitements thermiques
Influence de la température du substrat
Les résultats sont analogues à ceux trouvés pour l'alumine. Lorsque Ge02 est déposé sur un
substrat chauffé à 250 oC, le matériau obtenu a des performances diélectriques meilleures que
lorsqu'il est déposé sur un substrat refroidi. Les pertes diélectriques sont réduites de près de
30% ; le coefficient thermique de capacité est abaissé également de 30% bien que la constante
diélectrique à 20 oC soit pratiquement inchangée.
Influence du recuit
Les recuits entre 170 et 200 oC améliorent les performances des condensateurs à base de
dioxyde de germanium déposé à 20 oC. La figure 59 montre la variation de tanô en fonction de
la température pour les premiers cycles thermiques imposés à l'échantillon.
Au cours d'un tel traitement thermique le coefficient thermique de capacité passe de
28.10-6 °C-l à 20.10-6 °C-!.
Comme dans le cas de l'alumine les traitements thermiques des condensateurs à base de
Ge02 permettent de stabiliser leurs caractéristiques diélectriques et améliorent leurs
performances.

---

111
1,0
0,8
,-...
Nb
2ème cycle
.....
-- 0,6
c..o
§
0,4
0,2
0,0 -+------,.------,.------,.----,.----,.---------i
°
100
200
300
Figure 59: Variation de tan8 (v =1 kHz) au cours des deux premiers cycles thermiques pour
un condensateur à base de CeG2 déposé à 20 oC. Le temps de chauffage à
200 oC est de 36 h pour chaque cycle.
111.5.2.3 Etude en fonction de la fréquence et de la température
La figure 60 présente la variation de E' et de tanD en fonction de la température pour un
condensateur à base de Ge02 stabilisé.
Les mesures effectuées à différentes fréquences entre les températures -200 et +200 oC
montrent que la constante diélectrique de Ge02 croît très légèrement avec la température: le
coefficient thermique de ce matériau est très petit, de l'ordre de 20.10-6 °C-l comme nous
l'avons déjà signalé. Cependant, on note qu'à des températures inférieures à -130 oC la
variation de E' semble plus rapide. Ceci peut être attribué, bien que la variation de E' soit
reproductible, à une perte d'adhérence de l'isolant sur son électrode comme l'illustre
la figure 61.
Par ai lieurs, la figure 51 et la relation Il 1.18 nous permettent de détenniner les
paramètres: A= 0,02 et Ue = 3,2.10-6 °C-I pour les couches de gennanium.

---

112
6,6
[:Jv = 0,2kHz
E'
· v = 1kHz
6,5
~~,: v = 10kHz
6,4
6,3
6,2
6, 1 -+--........,.---r----,....-........,.---r---""T""'"---T'"----,r---~-__1
-200
-100
o
100
200
300
1,0
1
0,8
[:J v = 0,2kHz
1
.. v = 1kHz
(b)
0,6
'::-:: v = 10kHz
N1
0,4
0,2
0,0
-200
-100
o
100
200
300
Figure 60: Etude enfonction de la température (à différentes fréquences) d'un condensateur à
base de Ge02 stabilisé (e=O,3J.1m) : (a) variation de la constante diélectrique,
(b) variation de la tangente de pertes diélectriques.

---

113
Figure 61: Photographie d'une couche de Ge02 déposée sur son électrode de base et soumise
à des cycles thermiques dont la température minimale est inférieure à -70 OC.
La figure 62 réunit les variations en fonction de la fréquence de la tangente de pertes de
Ge02 mesurée à différentes températures. Il est important de signaler qu'à basse fréquence,
tan Ô croît plus vite avec la température qu'à haute fréquence. De toute évidence, on peut
attribuer cette augmentation à une légère polarisation interfaciale du matériau aux basses
fréquences. Cette polarisation s'accroît avec la température.
0,5 -r------------------------...,
0,4
-Nb 0,3
.....
'-"
c.o
~ 0,2
::':'
(a)
0,1
;.
.;.. :
~
\\;
;
~
0,0
2
3
4
10
6
10
5
10
10
10
v(Hz)
Figure 62 : Variation de tanD en fonction de lafréquence à différentes températures pour un
condensateur GeOz d'épaisseur 03 pm : (a) mesurée d 20 oC avant traitement
thermique, (b) mesurée à 20 OC après traitement thermique, (c) mesurée à 140 OC.

---

114
111.5.2.4 Champ de claquage
La variation de l'intensité du courant à travers Ge02 en fonction de la tension appliquée
au condensateur est semblable à celle donnée sur la figure 54. Par contre, l'aspect après
claquage diffère entre ces deux matériaux. Nous présentons dans la figure 63 une photographie
de Ge02 après claquage.
Nous montrerons la variation du champ E en fonction de la température et de
l'épaisseur, que nous comparerons avec les rés:.l1tats des autres condensateurs d'étude dans le
chapitre IV.
.1
~.' '.fi .~~.
!:.J 1 200~m
Figure 63 : Claquage d'un condensateur à hase de dioxyde de germanium.
111.5.2.5 Caractéristiques principales d'un condensateur à base de Ge02
Réalisés dans les conditions optimales, nos condensateurs à base de Ge02 sous forme
de couche mince ont pour caractéristiques principales:
- une constante diélectrique E' de l'ordre de 6,5 à 1 kHz;
- un facteur de pene tanD proche de 0,6.10-3 à 1 kHz;
- un coefficient thermique de capacité entre 20 et 70°C qui est de l'ordre de 20.10-6 °C- t
après traitement thermique:
- un champ de claquage voisin de 4,5 MV/cm.

---

115
111.5.3 CONDENSATEURS A BASE DE Ge-Pb-O
Des travaux antérieurs réalisés au sein du laboratoire [17] nous ont pennis d'élaborer
des condensateurs à base de l'oxyde mixte de plomb et de gennanium afin d'en étudier leurs
caractéristiques. Nous avons effectué avec ces condensateurs la même étude systématique que
celle présentée pour l'alumine. Cependant nous ne développerons pour ce matériau que les
résultats les plus spécifiques, c'est à dire ceux concernant sa composition et son comportement
en fonction de la température.
111.5.3.1 Etude en fonction de la composition
Pour l'alumine et le dioxyde de gennanium nous avons porté notre attention sur
l'élaboration d'oxydes stœchiométriques. Dans le cas de l'oxyde mixte de gennanium et de
plomb, on peut obtenir des compositions telles que le rapport de concentration CPWCcJe varie de
manière continue tout en conservant leurs degrés d'oxydation (+4 pour le gennanium et
+2 pour le plomb).
e'
20 1
i
Ge-Pb-O
15
10
5 1
i
i
,
i
,
,
,
i
,
,
i
,
,
i
,
1
0,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
cpb / cGe
Figure 64 : Variation de la constante diélectrique E' des dépôts de l'oxyde mixte Ge-Pb-O en
fonction de leur composition (v = 1 kHz. e=20 OC).
L'augmentation de la concentration en élément le plus lourd (Pb) pennet d'élever de
manière très importante la constante diélectrique. La figure 64 montre que cette augmentation est
plus rapide pour les faibles teneurs en plomb. E' atteint la valeur 17 pour la composition
GePbl,403,4. Pour celte composition les pertes diélectriques sont environ 0,3.10-2.

---

116
Lorsque le rapport de concentration CPb/CGe dépasse l,4 les pertes croissent très
rapidement, ce qui rend sans intérêt les matériaux correspondants.
111.5.3.2 Influence de la température
Etude en fonction de la température et de la fréquence
Tant que la température du substrat lors de la pulvérisation ne dépasse pas 200 oC, les
caractéristiques diélectriques du dépôt de Ge-Pb-O sont pratiquement celles obtenues sur un
substrat refroidi. Toutefois, il faut noter qu'il est difficile de maîtriser l'oxydation des éléments
qui se déposent sur un substrat chauffé. Lorsque la température du substrat dépasse 300 oC, il
s'établit un gradient de concentration en plomb dans la couche (cf. figure 27) ; les
caractéristiques diélectriques de tels matériaux ne sont pas satisfaisantes.
Pour les raisons évoquées précédemment, il n'y a donc aucun intérêt à chauffer le
substrat durant la pulvérisation. Cependant, les échantillons fabriqués à l'ambiante peuvent
subir certains traitements thermiques sans difficultés majeures. On obtient des résultats aussi
intéressants qu'avec les autres diélectriques étudiés.
Il est évident que le matériau de plus grande constante diélectrique (GePbl,403,4), est
celui qui offre le plus grand intérêt. L'étude de cette constante diélectrique en fonction de la
fréquence à différentes températures est présentée dans la figure 65.
19 - r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ,
18
80CC
17
16 -+--.....,..--r--T"""I'""T""1I"'T"T~-"""'T"'___,r___1~"'T'"T_r_rr__-""T""~__""T.....,..T"'T'T'T"I
2
10
v (Hz)
Figure 65 : Variation de la constante diélectrique de GePb/,40J,4 enfonction de lafréquence
à différentes températures.
On constate que GePbl,403,4 ne présente pas d'irrégularités: E' diminue très légèrement
lorsque la fréquence croît et augmente avec la température.

---

117
Les pertes diélectriques d'un condensateur à base de Ge-Pb-O sur notre intervalle
habituel d'étude en fonction de la température et de la fréquence sont représentées dans
la figure 66.
2
l!l V = 0,2 kHz
... v = 1kHz
::::':,:
V = 5 kHz
o
-
<> v = 10kHz
a
-200
-100
o
100
200
Figure 66 : Variation en fonction de la température à différentes fréquences, de tanS pour un
dépôt de GePb},40 3.4.
Par ailleurs, la figure 51 nous permet de déterminer les paramètres de la relation de
Gevers pour GePbl,403,4. La valeur de A obtenue est de l'ordre de 0,07; le calcul du
coefficient linéique conduit à at =3,3.10-6 oC-l, valeur nettement inférieure à celle mesurée par
1wasaki [53] pour GePbl,6703,67.
111.5.4 COMPARAISON DES RESULTATS DES DIFFERENTS
DIELECTRIQUES
Dans le tableau 22, nous comparons nos meilleurs résultats, c'est à dire ceux obtenus
après traitements thermiques, avec ceux des travaux antérieurs publiés par d'autres chercheurs.
Nous indiquons pour chacune de nos caractéristiques les valeurs extrêmes obtenues
dans notre domaine de variation de l'épaisseur des couches (0,02 ~m à 0,5 jlm) ; on peut
noter:
- que la plupart des chercheurs ont utilisé des couches d'isolant plus épaisses que les
nôtres (e ~ 0,1 jlm);
- que très peu de travaux ont été faits sur les caractéristiques diélectriques de GeÛ2 et
Ge-Pb-O.

---

118
Tableau 22: Réswné des résultats du présent travail et autres résultats.
Matériau
e
c/s
tanÔ
E'
'Yc
E
Méthodes
Réfé-
(Jlm)
(JlF/cm2)
(1kHz)
(lkHz)
(lkHz)
MV/cm
d'élaboration
reoce
00-2)
1O-6 °C- 1
Al20 3
0,02-0,5
0,014-0,5
0,25-
8,5
130-260
1-4,5
RF-magnétron
035
Ge02
0,02-0,5
0,005-0,26
0,06-
6,5
20-28
1-4,5
RF simple
Présent
0,15
travail
GePb1,403,4
0,02-0,5
0,026-0,5
0,25-
17
85-165
0,8-1,5
RF-simple
0,35
0,064-
0,6-4,5
RF-simple
[33]
0,45
1989
0,003-0,1
0,15-
9,2
évaporation
[34]
0,6
1977
AI203
0,2
9,96
4
RF-magnétron
[35]
1977
0,09-0,8
0,32
8,55
2]2 *
2-8
RF-magnétron
[31]
1969
0,23
2,4
12
2,8
RF-magnétron
[36]
1987
0,01-0,6
0,3
7,9
285**
évaporation
[95]
5-10
8,2
4,2
évaporation
[37]
1991
0,2- 2,5
~0,03
0,35-
6,3
35- HXI
~1
RF-simple
[17]
0,55
1992
0,1- 0,15
0,5-
39,8
évaporation
[46]
Ge02
0,7
1987
0,3 -
5,57 - 6
RF- simple
[51]
0,5
1987
0,1-1
8,5- 9,5
0,18-1
évaporation
[45]
1984
GcPb1,403,4
0,2- 2,7
0,35-
17
85-] 85
0.55-1
RF- simple
[17]
0,45
1992
Gc-Pb-O
0,35-
7-20
HX)-375
RF-simple
[51]
08
1987

---

119
L'alumine
Panni les matériaux qui ont fait l'objet de notre travail, l'alumine est celui qui est le plus
couramment étudié. Pour nos dépôts, nous trouvons une constante diélectrique e' =8,5 qui est
dans la moyenne de celles données dans la littérature, à l'exception de la valeur de Masao
Aozasa et al [36] qui annoncent e' :: 12. Les pertes diélectriques minimales sont plus faibles
pour nos travaux que pour ceux des autres chercheurs sauf pour ceux de Hülya Birey [34] qui,
en déposant par évaporation obtiennent un meilleur résultat.
Le coefficient thermique Yc est donné dans la littérature pour un domaine de température
plus étendu que le domaine habituel. Entre 25 et 70 oC, notre valeur de Yc (130.10-6 °C-l)
présente l'avantage de n'être que la moitié de celles annoncées par ailleurs [31,95]. Enfin nous
trouvons pour nos dépôts d'alumine une valeur de la rigidité diélectrique qui est égale à la
meilleure de celles connues (4,5 MV/cm).
Le dioxyde de germanium
Le dioxyde de germanium déposé par pulvérisation cathodique a une constante
diélectrique peu élevée. Notre valeur moyenne 6,5 est très proche de celle de Umezewa et al
[51]. Par contre les dépôts réalisés par évaporation se distinguent par une constante diélectrique
supérieure, 8,5 à 9 pour Krupanidhi et al [45], Sasi et al [46] annoncent même une valeur six
fois plus grande que la nôtre mais ils ne précisent pas la température de leur mesure.
La comparaison des pertes diélectriques et du champ de claquage de nos dépôts de GeÜ2
avec ceux de la littérature est nettement à notre avantage. Comme, de plus, les couches minces
possèdent un coefficient thermique de capacité, très petit (yc=20.10-6 °C-l) on peut dire que
Ge(h est un diélectrique performant.
L'oxyde mixte de germanium et de plomb
L'oxyde mixte de germanium et de plomb est notre matériau de plus grande constante
diélectrique (e'= 17 pour GePb] ,403,4).Nos résultats peuvent être comparés avec ceux de
Umezawa et Sasaki [51] qui font varier la constante diélectrique de 7 à 20 lorsque sur la cible de
pulvérisation, le rapport de surface du plomb à celle du germanium passe de 14,5 à 70%.
Nos dépôts de GePb] ,403.4 ont les plus faibles valeurs de tan8 et Yc parmi celles
connues.
Le champ de claquage, bien, qu'ayant été amélioré par rapport aux précédents travaux
du laboratoire [17], reste le moins élevé parmi ceux des matériaux de notre étude.

---

120
111.6 CONCLUSION
La caractérisation de condensateurs en couches minces nous a pennis :
- de mettre en évidence les problèmes de mesure, plus particulièrement la
résistance série des électrodes et la polarisation interraciale,
- d'optimiser les caractéristiques diélectriques.
La qualité de la surrace des lames de verre utilisées comme substrats, a permis de
fabriquer des condensateurs d'épaisseur inférieure ou égale à 0,015 Ilm.
L'aluminium et l'or se sont révélés les métaux les mieux adaptés à la réalisation
d'électrodes peu résistives.
L'étude en température de ces condensateurs a montré que leurs meilleures
caractéristiques sont obtenues en les soumettant à des traitements thermiques à une température
de l'ordre de 200 oc.
D'une manière générale, nous constatons que tous nos résultats sont en très bon accord
avec ceux de la littérature. En particulier, l'optimisation des conditions opératoires nous a
souvent permis d'obtenir les meilleurs résultats connus.
Dans ces meilleures conditions opératoires, nous avons fabriqué des condensateurs à
base de Ge02, A1203 et de Ge-Pb-O ayant:
- de fortes capacités surraciques (C/S ~ 0,2 IlF/cm2),
- de constante diélectrique passant de 6,5 pour Ge02 à 17 pour GePbl,403,4
avec la valeur intermédiaire 8.5 pour l'alumine,
-de faibles pertes diélectriques (1,5.10-3 pour Ge02 et 3.10-3 pour les deux
autres),
-un champ de claquage maximal de 1,5 MY/cm pour GePbl,403,4 alors qu'il
peut atteindre 4,5 MY/cm pour Ge02 et A1203.
En définitive nous constatons qu'aucun matériau ne possède toutes les meilleures
caractéristiques diélectriques. Par conséquent, nous allons combiner différentes couches de
matériaux dans le but d'améliorer les perrormances du condensateur réalisé. Ce travail fera
l'objet du chapitre IY.

---

121
CHAPITRE IV

---

122

---

123
IV.! INTRODUCTION
Parmi les trois matériaux que nous avons déposés sous forme de couches minces, celui
qui a la plus grande constante diélectrique, c'est à dire GePbl,403,4, est malheureusement aussi
celui dont le champ de claquage est le plus faible. Par ailleurs, on constate que le champ de
claquage augmente quand l'épaisseur de la couche diminue. En conséquence, nous avons pensé
que cette propriété pouvait être mise à profit en empilant des couches minces différentes de
manière à conserver un potentiel de claquage suffisant pour le condensateur.
Cependant, il n'est pas du tout certain que l'on maintienne les autres caractéristiques du
condensateur puisque, par exemple, les pertes diélectriques augmentent quand la couche devient
trop mince.
Partant des considérations précédentes, nous avons poursuivi notre étude de
l'optimisation des caractéristiques diélectriques en superposant plusieurs couches minces de
nature différente. Les échantillons réalisés seront, par la suite, désignés sous le terme générique
de condensateurs multicouches. Pour des raisons de simplicité, nous avons surtout déposé des
couches de même épaisseur. Cependant, pour une optimisation spécifique de la capacité, nous
avons aussi réalisé des empilements de même capacité surfacique.
Nous exposerons d'abord quelques éléments théoriques permettant d'exprimer les
caractéristiques diélectriques des multicouches. Nous présenterons ensuite les résultats obtenus
avec de tels matériaux puis nous comparerons les performances des condensateurs multi-
couches avec celles des condensateurs à un seul isolant.
IV.2 THEORIE
Nous allons établir les relations permettant d'exprimer les caractéristiques d'un
condensateur possédant plusieurs couches isolantes en fonction des caractéristiques de chacune
des couches constituantes.
IV.2.I MODELES DES CONDENSATEURS A MULTICOUCHES
DIELECTRIQUES
On considère un condensateur à base de n couches diélectriques de nature différente. La
couche numéro i de constante diélectrique fi et d'épaisseur ei, constitue un condensateur de
capacité Cr
c
S
= EoEi
(IV.I)
1
e i '
Les courants de fuite de ce condensateur élémentaire peuvent être caractérisés soit par la
résistance en parallèle Rpi soit par la résistance en série RSi.

---

124
Le condensateur à n couches diélectriques est l'association en série de n condensateurs
élémentaires. La figure 67 montre les deux représentations possibles de cette association. Pour
les deux schémas, la capacité équivalente Ce est donnée par:
n
_ 1 = L -
1
(IV.2)
Ce
i=I Ci '
Dans la représentation série la résistance équivalente est:
(IV.3)
Remarque:
Un calcul simple montre que la capacité équivalente Ce (relation IV-2) est inférieure à la
plus petite des capacités des condensateurs associés en série. En conséquence, pour un
empilement de couches déterminées la plus grande capacité est obtenue en déposant des couches
diélectriques de même capacité surfacique. Par la suite nous étudierons de tels condensateurs
multicouches.
Cl
11>1
v
-r C2
1
1
1
Ci
oRSjC'
-r 1
1
1
circuit (2)
circuit (l)
Figure 67 : Schéma de modèle à multicouches diélectriques inspiré du modèle Maxwell-
Wagner (à deux couches) {R8].

---

125
IV.2.2 DETERMINATION DE LA TANGENTE DE
L'ANGLE DE PERTE POUR LES MULTICOUCHES
IV.2.2.1 Cas général
Pour le condensateur élémentaire de numéro i, la tangente de l'angle de perte étant
tan Ùi=RsiCiCJ) (cf 111.7), on obtient:
R
=.±(~~i).
Seq
(lV.4)
1 = 1
1
Comme la relation 111.7 exprime la tangente de perte d'un condensateur
indépendamment de la nature du diélectrique, on peut écrire:
tan Ùcq = Ct> Rseq Ceq,
d'où
tan Ùcq = [f (tan .Ùi ')].[ f ~J-l.
(lV.5)
i = 1
CI
i = 1 Cl
Nous donnons ci-après les expressions particulières de cette formule utilisées dans notre
étude.
IV.2.2.2 Bicouches
Pour deux couches quelconques, l'expression IV.5 a la forme particulière:
tan Ùcq = el E2 tan Ùl + e2 El tan Ù2
(lV.6)
e2 El + el E2
a) Si les deux couches ont même épaisseur, on a :
tan Ù
=E2 tan Ù1 + Et tan Ù2
(lV.7)
eq
El +E2
b) Dans le cas où les deux couches ont même capacité surfacique, tan Ùest donnée par
l'expression:
tan)\\. = tan Ùl +tan Ù2 .
vcq
2
'
(lV.8)
elle est donc tout simplement la moyenne des tangentes de perte des deux matériaux
diélectriques en contact.

---

126
IV.2.2.3 Tricouches
Considérons le cas particulier où cet empilement est constitué par une couche du
matériau 2, prise en "sandwich" entre deux couches identiques du matériau 1. Quand
l'épaisseur de chaque couche est la même, l'expression IV.5 devient:
tan Ùeq =2 E2 tan 0] + E] tan 02
(IV.9)
E] + 2 E2
Lorsque la capacité surfacique de chaque couche qui a même valeur, on a :
ta >\\__ = 2tan 0] + tan 02
(IV. 10)
n~
3
.
IV.2.3 DETERMINATION DU COEFFICIENT THERMIQUE
DE CAPACITE POUR LES MULTICOUCHES
IV.2.3.! Cas général
Le coefficient thermique de capacité de la couche numéro i est par définition:
Yc' = Cl . dCi (cf IIL13). En dérivant par rapport à la température la relation IV.2, on aboutit à
1
i
de
l'expression:
YCe = Ce.. f (Cl, ,Yci)
(IV. Il)
1 = 1
1
où Ycc est le coefficient thermique de capacité de la multicouche.
IV.2.3.2
Bicouches
Pour deux couches quelconques, Ycc a pour expression:
(lV.12)
Si ces deux couches ont même épaisseur, on a :
(IV. 13)
Dans le cas où les deux couches ont même capacité surfacique, on obtient :
(IV.14)
Yce est la moyenne des coefficients thermiques de capacité de chacune des couches.

---

127
IV.2.3.3 Tricouches
Considérons comme au paragraphe IV.2.2.3 l'empilement constitué par une couche en
"sandwich" entre deux couches diélectriques identiques.
Le coefficient thennique de capacité du condensateur tricouche devient :
(IV.15)
dans le cas des couches de même épaisseur et :
Yee =} .[2 YC) + Yc~.
(IV.16)
si les trois couches ont même capacité surfacique.
IV.2.4 DETERMINATION DE LA DIFFERENCE DE
POTENTIEL APPLIQUEE A CHAQUE COUCHE
IV.2.4.1 Cas général
Pour établir la loi de répartition du potentiel à l'intérieur du condensateur à plusieurs
couches diélectriques, considérons le premier montage de la figure 67 pour lequel les
résistances sont en parallèle avec les capacilés correspondantes.
Lorsqu'on applique une tension continue Ventre les armatures du condensateur les
grandeurs électriques se rapportant à une couche particulière sont la tension appliquée Vi,
l'excitation électrique Di et le champ électrique Ei.
D'après les relations d'électrostatique de base on a d'une part [87,88] :
n
V= L Vi,
i= 1
et d'autre part D = Di quelque soit "i" car la composante normale de l'excitation
électrique est conservée au passage de la surface de séparation de deux milieux isolants. On
déduit facilement des relations précédentes que:
ej
Vi =_E_i_
(IV.l7)
V
n
.
L eJ
j=l Ej

---

128
ce qui pennet aussi d'exprimer la différence de potentiel appliquée à une couche en
fonction de sa capacité:
y.=~ V
1
Ci
.
(lV.18)
On notera que Vi est inférieur à V parce que Ce est inférieur à Ci- En comparant Vi à la
tension de claquage du diélectrique auquel cette tension est appliquée, il est possible de prévoir
le claquage partiel ou total du condensateur multicouche fabriqué.
IV.2.4.2
Bicouches
Pour deux couches d'égale épaisseur, on a :
V
et
V.
(lV.19)
Si les deux couches sont d'égale capacité surfacique :
et
(lV.20)
IV.2.4.3
Tricouches
Si l'empilement des trois couches est constitué par une couche en "sandwich" entre deux
diélectriques de même nature, on a :
- pour des couches d'égale épaisseur :
VI = V3 =
2 E2 El
V,
(lV.21)
EI+ 2 El E2
(lV.22)
- pour des couches d'égale capacité surfacique :
E
VI=V3=
elEJ
2
V,
(lV.23)
e2 E1 + 2 el El E2
(lV.24)

---

129
IV.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX
Nous avons déposé les couches d'alumine, de dioxyde de germanium et d'oxyde mixte
GePb 1,403,4 en utilisant pour chacun des matériaux les conditions optimisées lors de
l'élaboration de condensateurs à couche unique.
A partir de quelques exemples caractéristiques, nous allons présenter les effets des
traitements thermiques sur les condensateurs multicouches puis nous examinerons le
comportement de ces condensateurs en fonction de la température et de la fréquence.
IV.3.! TRAITEMENTS THERMIQUES
IV.3.l.i Présentation de l'étude
Dans le chapitre précédent nous avons montré l'intérêt des traitements thermiques pour
l'amélioration des performances de ces condensateurs à une seule couche diélectrique.
Lorsqu'on désire superposer plusieurs couches, deux questions se posent:
- N'y a-t-il pas interdiffusion des couches au moment du dépôt?
- Un traitement thermique ne favorise-t-il pas une telle diffusion?
Si on s'en réfère à l'analyse en composition (§ II.2.2.4), les spectres RBS indiquent
que les couches déposées sur substrat refroidi sont très distinctes (cf. figures 28, 29). Le recuit
des échantillons pendant plusieurs jours à 2ÜO°C ne modifie pas de manière sensible les spectres
RBS si bien que l'on est en droit de conclure que, dans de telles conditions, il n'y a pas
d'interdiffusion entre les couches déposées.
Cependant, il est toujours possible de penser que la diffusion d'une très faible quantité
de certains éléments pourrait conduire à une dégradation des propriétés des isolants. A priori,
on peut envisager que le phénomène dépend de la nature des électrodes et des isolants mais
aussi de l'ordre dans lequel sont déposés les différents matériaux.
Pour tenir compte de toutes ces possibilités, nous avons entrepris une étude
systématique du comportement en température des couches diélectriques ayant diverses
dispositions. Il serait fastidieux de présenter tous les résultats expérimentaux, c'est pourquoi
nous n'avons retenu que les plus intéressants.

---

130
Tout d'abord, nous avons jugé inutile de déposer les différentes couches diélectriques
sur un substrat chauffé pour deux raisons:
-les phénomènes de diffusion inter-couches sont favorisés par une élévation de
température;
- la stabilisation des échantillons est plus simple par recuit.
En conséquence, notre étude des traitements thermiques porte sur des échantillons
réalisés sur des substrats refroidis. Afin de faciliter la comparaison entre les divers
condensateurs multicouches, nous présentons les résultats concernant des empilements de
même épaisseur 0,31lm environ, chacun d'eux étant constitué de couches d'épaisseur identique.
IV.3.1.2 Couches à base de dioxyde de germanium et d'alumine
Nous avons réalisé de très nombreux condensateurs multicouches avec le dioxyde de
germanium et l'alumine qui sont, parmi nos matériaux, les plus faciles à déposer.
Pour des condensateurs à deux couches (Ge02-AI203), à trois couches (Ge02-A1203-
Ge02), et à cinq couches (Ge02-AI203-Ge02-AI203-Ge02) l'influence des traitements
thermiques sur la capacité surfacique et la tangente de pene est présentée respectivement dans
les figures 68 et 69.
En tout premier lieu on constate que les condensateurs multicouches ont des valeurs de
caractéristiques diélectriques intermédiaires entre celles des matériaux constituants, ce qui nous
permet déjà de penser qu'il n'y a pas de dégradation des propriétés due à l'interpénétration des
couches.
Après deux cycles thermiques, la capacité surfacique à 20°C diminue légèrement
(l à 2%). Par contre, le coefficient thermique de capacité entre 20°C et 70°C est fortement
abaissé: il est divisé par 2 environ. La tangente de l'angle de perte qui n'est pas mesurable au
dessus de 150°C au cours de la première montée en température est aussi fonement diminuée,
soit de l'ordre de 40% environ à 20°C, après les deux cycles thermiques. Cette amélioration des
pertes diélectriques correspond aussi à une augmentation de la tension de claquage du
condensateur.

---

131
21
(1) 1er cycle
(a)
(2) 2ème cycle
N
20,6
E
~
LI.
c::
;;;
20,1
U
19,7
19,3 -+------.......-------~----__,r__----__I
o
1
efc)
200
17,9 """'T'"""'------------------------,
(1) 1er cycle
(1)
17,7
(2) 2ème cycle
(b)
17,6
,-...
(2)
("l
E
17,5
~
~
;;;
17,4
U
17,3
1 7 , 2 4 - - - - - - - - - r - - - - - - - - . . . . . . - - - - - - r - - - - - - - - - - i
o
100
200
16'51---,~~~-~~-_=====::a::=~~~
(1) 1er cycle
(c)
(1 )
16,3
(2) 2ème cycle
N
E
cl: 16,1
(2)
c::
--
Ci')
U
15,9
15,7
15,5 +-------r------~----__,r__----__I
o
100
200
Figure 68: Influence des traitements thermiques sur la capacité surfacique (mesurée à 1 kHz)
des condensateurs multicouches déposés à 20°C: Ge02-A1203 (fig. a) .. Ge02-AI203-Ge02
(fig. b) .. Ge02-AI203-Ge02-AI203-Ge02 (fig. c). La durée de chauffage à la température
maximale est 2 jours pour chaque cycle.

---

132
1,0
(1) 1er cycle
(a)
0,8
(2) 2ème cycle
,.......
~ 0,6
-
'-"
c.o
~ 0,4
0,2
0,0 -t---------r---------,r--------.,..-------1
o
100
200
e (Oc)
0,7 """T"""-----------------------.,~...,
0,6
(1)
1er cycle
(2)
2ème cycle
,....... 0,5
C';l
o
~ 0,4
c.o
~ 0,3
13---~
0,2
0,1
0,0 -t---------r---------,r--------__- - - - - - 1
o
100
200
1,0
/ ( )
0,8
(1) 1er cycle
(2) 2ème cycle
"""'
b 0,6
......
' - '
c.o
~ 0,4
0,2
0,0 -t------~--------,r--------__------1
o
100
e
200
ec)
Figure 69 : Influence des traitements thermiques sur la tangente de pertes (mesurées à 1 kHz)
des condensateurs multicouches déposés à 20°C: Ge02-A1203 (fig. a) .. Ge02-AI203-Ge02
(fig. b) .. Ge02-AI203-Ge02-AI203-Ge02 (fig· c). La durée de chauffage à la température
maximale est 2 jours pour chaque cycle.

---

133
IV.3.1.3 Couches à base de dioxyde de germanium et d'oxyde mixte de
germanium et plomb
Il faut d'abord noter que, d'une part, la teneur en plomb dans un dépôt GePbl,403,4
peut varier de manière continue, et que, d'autre part, l'analyse RBS des couches GeÛ2 et
GePbO est plus délicate étant donné que les couches ne se distinguent que par un seul élément,
le plomb. En conséquence, l'étude des traitements thermiques des couches GeOz-GePbO revêt
un intérêt tout particulier. Nous présentons dans la figure 70 le cas particulier d'une tricouche
GeOz-GePb 1,403,4-GeÛ2.
18,3
(l)
1er cycle
18,2
(2) 2ème cycle
N ""'
E
u
18,1
ii;
c:
'-"
CI'.)
18
Û
17,9
17,8
0
100
200
1,2
1,0
(l) l er cycle
(2) 2ème cycle
0,8
""'
~
(b)
0
......
'-"
0,6
c,o
c:
C':l
- 0,4
0,2
0,0
0
100
200
e CC)
Figure 70 : Influence des traitements thermiques sur les caractéristiques diélectriques d'un
condensateur à trois couches, Ge02-GePb 1.403.4-Ge02, déposées à 20°C. Variation en
fonction de la température de la capacité surjacique à 1 kHz (fig. a) et de la tangente de perte à
1 kHz (fig. b). La durée de chauffage à 180°C est 2 jours pour chaque cycle thermique.

---

134
La capacité surfacique et la tangente de perte sont intermédiaires entre celles des
matériaux constitutifs, ce qui est déjà un bon critère pour dire que les couches sont
indépendantes. Cette présomption se confIrme puisque les traitements thermiques diminuent la
capacité surfacique, le coeffIcient thermique de capacité, et la tangente de pertes dans des
proportions comparables à celles que nous avons notées pour les matériaux simples.
IV.3.t.4 Couches à base d'alumine, de dioxyde de germanium et
d'oxyde mixte de germanium et de plomb
L'empilement de Ab03, Ge02 et GePbO dans l'ordre indiqué possède les mêmes
interfaces que les assemblages précédents. Comme on pouvait s'y attendre, la fIgure 71 ne
monrre aucune singularité par rapport à celles déjà données.
20,6
(1) 1er cycle
20,5
(a)
(1)
,.-...
("Cl
(2) 2ème cycle
E 20,4
u
iJ:
c
"'-"
(Ij
20,3
Û
20,2
20,1
0
100
200
aCc)
1,0
(1) 1er cycle
0,8
(2) 2ème cycle
(b)
,.-...
("Cl
0,6
b
-c.o~ 0,4
0,2
...c.:"
0,0
0
100
a CO
200
Figure 71: Influence des traitements thermiques sur les caractéristiques diélectriques d'un
condensateur à trois couches, Al203-Ge02-GePb 1.403.4, déposées à 20°C. Variation en
fonction de la température de la capacité surfacique à 1 kHz (fig. a) et de la tangente de perte à
1 kHz (fig. b). La durée de chauffage à 180°C est 2 jours pour chaque cycle thermique.

---

135
Par ailleurs, il faut signaler qu'avec des couches A1203-GePbO nous avons obtenu des
pertes diélectriques plus importantes que celles des deux constituants. Un tel résultat
nécessiterait l'étude particulière du contact entre ces deux matériaux. Comme les condensateurs
réalisés ne présentent aucun intérêt pratique nous les avons écartés de notre étude.
IV.3.1.5 Conclusion de l'étude des traitements thermiques
Le tableau 23, où sont reportées les valeurs de tan Ô, du coefficient thermique de
capacité "te entre 20°C et 70°C et de la tension de claquage Vc, permet d'apprécier l'amélioration
des performances des multicouches diélectriques due à leur traitement thermique. De plus, il
faut préciser que l'ordre de dépôt des couches (cas des bicouches) ne change pas les résultats.
En fin de compte, l'étude de l'influence des traitements thermiques sur les propriétés des
multicouches diélectriques vient confmner l'analyse des résultats en composition faite par RBS:
ces couches isolantes peuvent être considérées comme indépendantes puisqu'elles ont un
comportement analogue à celui des monocouches.
Tableau 23 : Caractéristiques des monocouches et multicouches diélectriques (épaisseur
totale = 0,3 J.1m) avant et après traitement thermique.
Avant traitement thermique Après traitement thermique
Matériaux
tan 0
'Yc
lanO
V
'Yc
c
Vc
à 1kHz
à 1 kHz
à 1 kHz
à 1kHz
(10-2)
(l0-6e
(V)
C- I)
(V)
(10.2)
(10·6eC·l)
Ge02
0,12+0,03
28+5
38+5
0,08+0,02
20±5
59±5
Mono-
AI203
0,35iO,03
260±15
35i5
O,25iO,03
130±15
53i5
couches
GePbl 4034
üJüiO,ü3
164±15
31i5
O,23i003
80±1O
39±5
Ge02-AI20 3
0,2Iiü,03
140±15
48i5
O,14±0,03
80±1O
64±5
Bi-
Ge02-GePbl,4°3,4
129il5
39±5
O,12±0,03
50±10
couches
0,19iü,03
54±5
Ge02-AI203-Ge02
0,2üiü,03
l04il0
52i5
0,13±O,03
60±10
70±5
Ge02-GePbl 4034-Ge02
0,16iO,03
75ilO
48i5
0,12iO,03
46±1O
61±5
AI203-Ge02_GePbl 40 34
0,24iü,03
150±15
60±5
O,16iO,03
70±10
75±5
Penta-
Ge02-AI203-Ge02-AI203-
O,21iO,03
141±15
61±5
O,14iO,03
62±1O
75±5
couche
GeÜ2
L'ensemble de ces résultats montre ainsi que la pulvérisation cathodique utilisant un
plasma froid est une technique d'élaboration bien adaptée à la réalisation des condensateurs
constitués de couches minces.
Un recuit des matériaux à une température proche de 200°C améliore de manière
importante leurs caractéristiques diélectriques. Il permet d'en stabiliser les propriétés sur un
intervalle de température beaucoup plus étendu que le domaine d'utilisation normale des
condensateurs.

---

136
En raison des conclusions précédentes, nous allons limiter l'étude qui suit à celle des
échantillons ayant subi le traitement thermique convenable pour optimiser leurs propriétés
diélectriques.
IV.3.2 ETUDE EN FONCTION DE LA FREQUENCE ET DE
LA TEMPERATURE
Les figures 72 à 74 montrent les variations de la capacité surfacique et des pertes
diélectriques en fonction de la fréquence à différentes températures pour quelques
condensateurs à plusieurs couches diélectriques.
20,0
(a)
19,8
..-,
N
E 19,6
~
~
t::
'-"
: ~ ..
er.l
19,4
-
u
:.-
(20°C)
:
(-40°C)
: : .. -::
è
Go
::
: : :
19,2
:
19,0
2
10
v (Hz)
1,0
(140°C)
0,8
(b)
..-,
C";l
0
0,6
' - "
c.o
g 0,4
.. (70°C) .-
0,2
(200Cg
S
8 8;
....... ~
(-40°C)
0,0
102
103
1~
v (Hz)
Figure 72 : Etude en fonction de fréquence et à différentes températures d'un condensateur
bicouche Ge02-A1203 d'épaisseur 0,3 J.1m. Variation de la capacité surfacique (fig. a) el de la
tangente de perte (fig. b).

---

137
16,1
16,0
,-..
15,9
N
E
~ 15,8
t,.L;
c:
' - '
Cf)
15,7
U
(70°C)
15,6
: ====t2OOC) ~•
15,5
: : 1• :==:
15,4
2
3
4
5
10
10
10
v(Hz)
10
1,0
0,8
~
(b)
0,6
0
.....
' - '
c.o
~
0,4
~
...
: :
:
0,2
(200e)
.-.
•
•
•
•
•
•
•
0,0
2
3
4
5
10
10
10
10
v (Hz)
Figure 73 : Etude enfonction de lafréquence et à différentes températures d'un condensateur
à cinq couches diélectriques: Ge02-AI203-Ge02-AI203-Ge02 d'épaisseur totale
O,3J1.m. Variation de la capacité surfacique (fig. a) et de la tangente de pene (fig. b).

---

138
18,9
18,8
18,7
...-.
C"l
8
u
18,6
~
c
--
en
U 18,5
18,4
; ,',',',' 'z,>~::zy
18,3
2
10
v (Hz)
10- 1 -::r-------------------------.....,
10-2
(b)
[!]
c.o
~
(70°C)
,
(20°C;=:-
~,
,~
•
.::'.'::
~.
..
<>
A
.:.....:.
:: -:.
•;~:
10-3
0
(-40°C)
e
<>
0.
0
<>
4
10
v (Hz)
Figure 74: Etude ellfonction de lafréquence et à différentes températures d'un condensateur
à trois couches: Ge02-GePbJ,403,4-Ge02 d'épaisseur totale 0,3 J.1m . Variation
de la capacité surfacique (fig. a) et de la tangente de perte (fig. b).

---

139
IV.4 COMPARAISON DES RESULTATS
Le but de notre travail étant de réaliser les condensateurs les plus perfonnants, nous
allons comparer tous nos résultats de manière à préciser l'apport de l'étude entreprise.
IV.4.1 COMPARAISON ENTRE LES MONOCOUCHES ET
LES MULTICOUCHES
IV.4.1.1 Etude en fonction de l'épaisseur
Dans les paragraphes précédents nous avons seulement donné les caractéristiques
diélectriques des multicouches ayant la même épaisseur totale 0,3 1lIIl.
Les figures 75 et 76 montrent que, lorsque l'épaisseur varie, la capacité surfacique d'un
condensateur et son facteur de dissipation subissent des variations semblables à celles obtenues
avec les condensateurs monocouches. Pour chaque condensateur, lorsque l'épaisseur diminue
la capacité surfacique augmente, mais il faut déplorer une augmentation de facteur de dissipation
quand l'épaisseur devient inférieure à 0,1 Ilm.
Comme nous l'avons déjà signalé les valeurs de C/S et de tan cS pour les multicouches
ont des valeurs intermédiaires entre celles de leurs constituants. Nous étudierons
quantitativement ce résultat au paragraphe IV.4.3.1.
Pour comparer les valeurs du potentiel de claquage Veen fonction de l'épaisseur e, nous
avons représenté dans la figure 77 le rapport Ec = Vcie que, par abus de langage, nous
appellerons champ de claquage. Dans le cas d'une couche unique, Ec est égal au champ
appliqué qui produit le claquage du diélectrique; dans le cas de multicouches, Ec pourrait être
qualifié de "champ appliqué moyen provoquant le claquage de l'isolant du condensateur".
Lorsque l'épaisseur d'un condensateur diminue, le potentiel de claquage diminue mais le
champ de claquage augmente tant que l'épaisseur n'est pas inférieure à 0,03 Jlm pour la plupart
des couches considérées. De plus il est très important de constater, puisque ceci était notre
principale motivation pour élaborer des condensateurs à couches multiples, que dans certains
cas (couches Ge02-AI203-Ge02) on obtient, pour une même épaisseur, une tension de
claquage plus élevée avec une multicouche qu'avec les couches de chacun de ses isolants.

---

140
0,35
•
·
•
GeÛ2
0,30 _ •
•
A1 203
<>
•
•
GePb 1,403,4
0,25 _ x-
o
GeÜ2-A120 3
c-r
~
•
Ge02-GePbl,403,4
S
·
~
0,20 _
...
GeOz-GePb I4 O:3 4-Ge0 2
l.l;
<>
•
...
Ge02-AlzÛ3'-Ge02
~
· ~
--en
x.
0,15 _
•
Ù
0,10 _
1·
•
Si
•
0,05 _
ai &
•
1
•
0,00
ft,
1
0,20
0,30
•
1
1
1
1
0,00
0,10
0,40
0,50
e(~m)
Figure 75 : Variation de la capacité par unité de surface en/onction de l'épaisseur pour des
condensateurs à base de monocouches et multicouches diélectriques.
1,0
x
Ge02
•
A1203
•
GePb 1,4 03,4
0,8 - ~
0
Ge02-A1203
e
of"
GePb 1,4 03 4 -Ge02
R1
0,6 - ,...
0
•
•
Ge02-Al 203 -GeO 2
• Ge02 -GePl,4 Û3,4-GeO 2
-
~
--
!oO
•
A
Al 20 :rGeO 2-Al 20 3
§
0,4 -
Xi A. •
+
•
•
x
•
i
1
~
b
A
]
0,2 -
x
x
Z
1
!
!
-
0,0
1
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
e (~m)
Figure 76: Variation des pertes diélectriques en/onction de l'épaisseur de l'isolant pour des
condensateurs à base de monocouches et multicouches diélectriques.

---

141
8
I!J
Ge~
•
Al 20 3
•
GePb 1,4°3,4
6
~ Ge02 - GePb 1,4 03,4
•
Ge02 - Al20 3 - Ge02
2
o
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
e (Jlm)
Figure 77 : Variation des pertes diélectriques en fonction de l'épaisseur de l'isolant pour des
condensateurs à base de monocouches et multicouches diélectriques (quelques exemples).
IV.4.1.2 Etude en fonction de la température
La capacité surfacique et la tangente de l'angle de pertes des multicouches conservent
entre -200 oC et +200°C des valeurs qui sont intermédiaires entre celles des monocouches qui
les composent. Le coefficient thennique de capacité des multicouches a lui aussi, entre 20°C et
70°C, une valeur intennédiaire (cf tableau 23).
La figure 78 montre que le champ de claquage des multicouches passe par un maximum
à basse température comme celui des monocouches. Les multicouches qui ont un champ de
claquage plus élevé que celui des monocouches conservent cet avantage sur tout notre domaine
d'étude en température.
Ces résultats nous laissent supposer que les dépôts successifs de matériaux différents ne
créent pas de contraintes mécaniques entre eux car il en résulterait sûrement une augmentation
des pertes diélectriques et une modification importante du comportement en température des
multicouches par rapport à celui des monocouches. On peut aussi dire que l'étude en fonction
de la température nous apporte une preuve supplémentaire qu'il n'y a pas diffusion entre les
couches déposées.

---

142
)(
2,5
Ge02
A1:p 3
Ê2,0
~
GePb 1,403,4
>
6
Ge02-AI'S) 3
~ 1,5
Ge02 -GePb1,4 03,4
GeO 2 -Al 20 :rGeO 2
1,0
Ge02-GePb 1,4 03,4-GeO 2
0,5
0,0 +---T"'---,.----.r---~----"""T"-........--r__-oopo-o--_i
-200
-100
o
100
200
300
e(OC)
Figure 78: Variation du champ de claquage enfonction de la température pour des
condensateurs à base de numocouches et de multicouches d'épaisseurO,5J..1m.
IV.4.2 INFLUENCE DE NOMBRE DE COUCHES SUR LES
PROPRIETES DIELECTRIQUES
Le tableau 24 qui reprend des résultats du tableau 23 concernant Ge02 et Al203 montre
que le principal intérêt des multicouches par rapport aux monocouches réside dans
l'amélioration du potentiel de claquage du condensateur. Dans le cas considéré la tension de
claquage augmente régulièrement avec le nombre de couches.
Pour expliquer ce résultat nous émettons l'hypothèse que, lorsqu'on dépose un matériau
déterminé, la couche a tendance à se développer sous forme de colonnes plus ou moins
jointives. Les régions de moins grande compacité de l'isolant constituent des zones où il est
plus facile d'amorçer la décharge. Lorsqu'on dépose un second matériau qui a tendance à
fonner une structure différente de celle du premier, la malière déposée comble les espaces
vacants et s'organise suivant une nouvelle texture: il en résulte une coupure des chemins
favorables au claquage. De plus, il semble nonnal de penser que cette amélioration de la rigidité
diélectrique dépend de la nature des matériaux en présence mais aussi de la technique de dépôt
et des conditions opératoires.
La capacité surfacique, la tangente de pertes et le coefficient thermique de capacité d'un
condensateur à plusieurs couches ont, comme nous l'avons déjà signalé, des valeurs
intennédiaires entre celles des condensateurs utilisant un seul des deux matériaux. Il est
maintenant nécessaire de préciser si les valeurs expérimentales correspondent aux valeurs que
l'on peut calculer en utilisant les expressions établies dans la partie théorique.

---

143
Tableau 24 : Caractéristiques diélectriques des condensateurs à base de couches Ge02 et
A1203 en/onction du nombre de couches (épaisseur 0,3 J1mJ.
C/S
tan Ô
'Yc
Ec
Matériaux
à 1 kHz
à 1 kHz
à 1 kHz
(MY lem)
(nF/cm2)
(10-2)
(10-6eC-1)
Ge(h
12±2
0,06±O,02
20±5
1,97±0,15
AhÜ3
20±2
0,25±O,03
130±1O
1,77±0,15
GeÜ2-A1203
19,5±2,5
0,14±O,03
80±1O
2,03±0,15
Ge(h-A1203-Ge(h
l7,3±2,3
0,13±0,03
60±1O
2,30±0,15
Ge(h-AI203-Ge02-A1203-Ge02
15,5±2,5
0,14±0,03
62±10
2,50±0,15
IV.4.3 COMPARAISON DES CARACTERISTIQUES
MESUREES ET CALCULEES
Les expressions établies au paragraphe IV.2 font intervenir pour chaque matériau sa
constante diélectrique et la tangente de son angle de pertes. Or, les résultats expérimentaux nous
ont montré que ces caractéristiques varient avec l'épaisseur de la couche déposée, tout du moins
pour les très faibles épaisseurs. Il se pose donc la question de savoir si ce sont les
caractéristiques spécifiques des matériaux aux faibles épaisseurs qui détenninent la réponse
électrique de l'empilement. Cette question est évidemment d'autant plus cruciale que, pour une
même épaisseur totale, le nombre de couches est élevé.
IV.4.3.1 Comparaison de C / S, tan Ô et 'Yc
A titre d'exemple, considérons des condensateurs multicouches constituées de couches
d'égale épaisseur. Le tableau 25 permet de comparer les valeurs de C 1S, tan Ô et 'Yc avec celles
calculées à l'aide des expressions établies dans la partie théorique et en utilisant les
caractéristiques diélectriques spécifiques de l'épaisseur des couches constituantes. La précision
des résultats dépend essentiellement de la précision avec laquelle est connue l'épaisseur des
différentes couches. On constate que les valeurs calculées sont en bon accord avec les valeurs
mesurées. La même constatation peut être faite avec les condensateurs constitués de couches
d'égale capacité surfacique (cf tableau 26).

---

144
Tableau 25: Comparaison des caractéristiques diélectriques (moyennes) mesurées et calculées
pour des condensateurs (épaisseur 0,3 J.lm) constitués par des couches d'égale épaisseur.
C / S à 1 kHz
tan Bà 1 kHz
'Yc à 1 kHz
e
Matériaux
(nF/cm2)
(x 10-2)
(x 1O-6°C 1)
(j.un)
mesurée
calculée
mesurée
calculée
mesuré
calculé
GeÜ2
O,30tO,02
II,5t2,5
O,08tO,02
20±5
AI203
O,30±O,O2
20,2t2,5
O,25tO,03
130tl5
GePbl,403,4
O,30±0,02
56,3t2,S
0,22tO,03
80±1O
GeÜ2
O,I5tO,02
18,5t2,5
18,3t5,5
0,14tO,02
0,16tO,03
61tlO
62tl5
Al203
0, 15tO,02
GeÜ2
O,l5tO,02
23.7t2,5
23,6t5,5
O,12tO,02
O,l2tO,03
45tlO
33tl5
GePbl 40~4
0,15±O,02
GeÜ2
O,IOtO,OI
AI203
O,lOtO,OI
16,8tl,5
16,5t5,5
0,13tO.02
0,16tO,03
67tlO
50±15
GcÜ2
o10+001
GeÜ2
O,IOtO,OI
GePbl,403,4
O,lOtO,OI
18,9t2,5
18,7t5,5
0,12tO,02
0,13tO,03
36tlO
29tl5
GeÜ2
o 10+001
GePb 1,403,4
O,IO±O,OI
GcÜ2
O.lOtO,OI
20,5t2,S
20,3t5,5
O,16±O,O2
0, 18tO,04
70±10
67tl5
AI203
0,10+0,01
GcÜ2
O,06±O,Ol
AI203
O,06tO,Ol
15,St2,5
14,9±5.5
O.14±O,03
0.16tO,03
62tlO
55tl5
GcÜ2
O,06tO,Ol
AI203
0.06tO,OI
GeÜ2
0.06±O,01

---

145
Tableau 26 : Comparaison des caractéristiques diélectriques mesurées et calculées pour des
condensateurs (épaisseur totale O,3J1m) constituées par des couches d'égale capacité swfacique.
Matériaux
e
C/S à 1kHz
tan 0 à 1kHz
Yc à 1kHz
(~)
(nF/cm2)
00-2)
00-6C-1)
mesurée
calculée
mesurée
calculée
mesurée
calculée
Ge02
o30±O 02
11 5+25
008+002
20±5
AI203
0,30±0,02
20 2±2 5
o25±0 02
l30±10
GePb14034
0,30±O,02
56,3±2,5
o23±0,02
SO±lO
GeÛ2
0,12±O.02
20,5±2,5
lS,5±4,5
0,16±O,O2
0,17±0,03
72±10
75±15
AI203
0,lS+0,02
GeÛ2
O,06±0,Ol
36,3±2,5
35±5
0,13±0,O2
O,16±0,03
57±10
50±15
GePb14034
0,24±O,02
GeÛ2
O,OS±O,OI
AI203
0,14±0,O2
17,2±2,5
17±4
O,14±O,02
0,14±0,O3
63±10
57±15
GeÛ2
O,08±O,Ol
GeÛ2
0,O6±O,01
GePb1,403,4
O,19±O,O2
29,2±2,5
27±5
0,13±O,02
O,14±0,O3
35±10
40±15
GeÛ2
006+001
La concordance entre les valeurs mesurées et les valeurs calculées est tout aussi
satisfaisante quand elle est faite sur des échantillons n'ayant pas subi de traitement thennique.
En conséquence, on peut conclure que les couches diélectriques minces satisfont aux
lois d'association simples établies dans la partie théorique à condition évidemment de considérer
les matériaux dans le même état de traitement.
IV.4.3.2
Champ de claquage des multicouches
L'augmentation du champ de claquage lorsque l'épaisseur de la couche du diélectrique
diminue, du moins tant que cette épaisseur n'est pas trop petite, est un phénomène lié au
mécanisme de claquage. Pour essayer de comprendre comment se component les couches
superposées, nous avons comparé le champ calculé Eical auquel était soumise la couche de
numéro i lorsque la multicouche claque sous le potentiel Vc avec le champ expérimental Eciexp.
qui produit le claquage de cette couche seule. Les valeurs obtenues pour des multicouches
d'épaisseur totale 0, 1~m constituées de couches ayant soit la même épaisseur soit la même
capacité surfacique sont présentées dans les tableaux 27 et 28.
On constate que lorsqu'une couche de Ge02 est en contact avec une électrode Eical est
nettement supérieur à Eciexp. C'est aussi pour ces couches d'oxyde de gennanium que le

---

146
rapport Ecica/ / Eciexp des couches constituant un empilement est le plus grand; il est donc fort
possible que sont elles qui claquent le premier. Quoi qu'il en soit, leur présence améliore
grandement le potentiel de claquage de la multicouche par rapport à celui d'une couche unique
de même épaisseur.
Tableau 27 : Comparaison des champs électriques appliqués aux matériaux lors du claquage.
Les multicouches d'épaisseur totale 0,1 J.lm sont constituées de couches d'égale épaisseur.
Matériau
Vc
Matériau
e
Eciexp
Eica/
(V)
de la couche
(~)
(MV/cm)
(MY/cm)
nO i
GCÛ2
O,050tO,005
2,25tO,15
4,12±O,25
Ge02-A1203
35t5
AI203
O,050tO,005
2,40±0,15
2,90±0,25
GCÛ2
0,050tO,005
2,25tO,15
4,30±0,25
GeÜ2-GePbO
28t5
Ge-Pb-O
O,050tO,005
1,30±0,15
1,65tO,25
GCÛ2
O,034tO,003
3,40±0,15
4,45tO,25
GCÜ2-AI203-Ge02
40±5
AI203
O,034tO,003
3,60±0,15
3,30±0,25
GCÜ2
0,034tO,OO3
3,40±0,15
4,45tO,25
GCÜ2
O,034tO,003
3,40±0,15
4,40±0,25
Gc02-GePbO-GcÜ2
32t5
Gc-Pb-O
O,034tO,OO3
1,40±0,15
1,70±0,25
GCÜ2
O,034tO,003
3,40±0,15
4,40±0,25
AI203
O,034tO,OO3
3,60±0,15
2,50±0,25
A1203-Gc02-AI203
28t5
GCÛ2
O,034±O,OO3
3,40±0,15
3,30±0,25
AI203
O,034tO,003
3,60+0,15
2,50±0,25
Gc-Pb-O
0034+0003
1 40±0 15
1 70±0 25
GcPbO-GcÜ2-A120 3
38t5
GCÜ2
O,034tO,OO3
3,40±0,15
5,60±0,25
AI203
O,034tO,OO3
3,60±0,15
3,90±0,25

---

147
Tableau 28: Comparaison des champs électriques appliqués aux matériaux au moment du
claquage. Les multicouches d'épaisseur totale 0,1 J1m sont constituées de couches d'égale
capacité surfacique.
Multicouches
Vc
Matériau de
e
Eciexp
Eical
M
ijun)
(MV/cm)
(MY/cm)
la couche nO i
GeOz
O,043±O.OO5
3,10±0,15
4.16±O,25
Ge02-A1203
34±5
AI203
O,O58±O,OO6
2,90±0.15
2,64±O,25
GeOz
O,O27±O,OO5
3,45±O,15
5.72±O,25
GeÜ2-GePb l,403,4
27±5
GePbl,4°3,4 O,O73±O,OO8
1,40±O,15
1,58±O,25
GeÜ2
O,030±O,0ü5
3,40±O.15
4,39±O,25
AIZ03
O.040±O.0ü5
3,20±O,15
2,92±O,25
GeÜ2-Alz03-GeÜ2
38±5
GcÛ2
O,030±O.0ü5
3,40±O,15
4,39±O.25
GcÛ2
O.OZI ±O,0ü5
2,40±O,15
5,O6±O,25
GcPbl,4°3,4 O,ü57±O,Oü7
1,45±O,15
1,36±O,25
Gc02-GePbl.403,4-GeOz
29±5
GcOZ
O,OZI±ü,0ü5
2,40±O,15
5,O6±O.25
IV.S APPLICATIONS DE NOTRE ETUDE
La constante diélectrique est la caractéristique des isolants la plus couramment
considérée. Pour beaucoup d'applications, il y a intérêt à ce qu'elle soit la plus petite ou la plus
grande possible. Dans tous les cas, les meilleurs isolants sont ceux qui ont les plus faibles
pertes diélectriques.
IV.S.l. ISOLEMENT DE CIRCUITS
Dans un dispositif miniaturisé, on isole deux circuits électriques en intercalant un
matériau diélectrique, ce qui a pour effet d'augmenter leur capacité de couplage. Pour que cette
capacité parasite ne soit pas rédhibitoire, il faut la diminuer au maximum c'est-à-dire augmenter
l'épaisseur de l'isolant si sa constante diélectrique eSI trop élevée. De plus, il est évident que le

---

148
matériau choisi doit avoir un faible coefficient thermique de capacité et de faibles pertes
diélectriques mais aussi un champ de claquage élevé.
Vu les caractéristiques diélectriques des dépôts de dioxyde de gennanium que nous
avons élaborés, les couches minces de ce matériau semblent parfaitement convenir pour occuper
la fonction d'isolant dans les circuits miniaturisés.
IV.S.2. CARACTERISTIQUES DES CONDENSATEURS
IV.5.2.1. Caractéristiques des condensateurs du commerce
Le plus souvent, les fabricants de condensateurs désirent réaliser des composants de très
faible volume pour une capacité donnée. De ce fait, ils utilisent des diélectriques à forte
permittivité relative et de faible épaisseur (inférieure ou égale à 1 ~).
Pour les très nombreux types de condensateurs utilisés en électronique, on définit des
caractéristiques technologiques qui permettent d'en préciser l'emploi. Le fabricant indique
généralement certaines valeurs en clair sur le corps du condensateur. Ces caractéristiques les
plus importantes sont:
- La capacité nominale Cn qui est celle pour laquelle le condensateur a été élaboré.
- La tolérance absolue qui est l'écart maximal 6C admis entre la valeur nominale Cn et la
valeur réelle mesurée dans les conditions normales de l'emploi.
- La tension nominale Un ou valeur de la tension appliquée au condensateur à ne pas
dépasser en service continu qui est une conséquence de la rigidité diélectrique de l'isolant et de
ses dimensions.
- La résistance d'isolement Ri, qui caractérise l'aptitude du condensateur à conserver les
charges emmagasinées; Ri, encore appelé résistance de fuite de courant, est mesurée en tension
continue et dépend de la nature du diélectrique; elle est liée à la constante de temps définie par le
produit Rie.
- L'influence de la fréquence qui se manifeste en courant alternatif par une absorption de
la puissance électrique par l'isolant.
- La tangente de l'angle de perte tan 8 qui d~pend de la fréquence et qui, comme nous
l'avons déjà vu, doit être la plus faible possible.
- L'influence de la température car les paramètres d'un condensateur (Cn, Ri, tan Ô, Un)
ne sont pas constants lorsque la température varie.
Deux types de condensateurs sont généralement demandés [88] :
- ceux à haute capacité, généralement utilisés dans les découplages,
- ceux à faibles pertes utilisés dans les systèmes de filtres actifs.

---

149
Les condensateurs à haute capacité C sont caractérisés par [32] :
C / S > 0,1 IlF / cm2,
tan Ô < 1%,
Un = 10 V,
't = RiC > 50 s.
Les condensateurs à faible perte diélectrique sont caractérisés par :
C / S > 0,01 IlF / cm2,
tan Ô < 0,01 %,
Un = 10 V,
't = RiC = 1000 s,
Ye = (0 ± 10) 10-6 °C l .
La plupart des condensateurs sont utilisables dans une gamme de températures usuelles
comprise entre -55°C et 125°e.
On distingue en général:
- les condensateurs précis et stables, à coefficient de température fini, utilisables à haute
fréquence dont les diélectriques des céramiques de constante diélectrique comprise entre 6,5 et
220 ;
- les condensateurs à coefficient de température non défini, qui sont utilisés surtout dans
des découplages en haute fréquence et la constante diélectrique de leur isolant est comprise entre
500 et 1500.
Ce qui limite le plus souvent l'emploi des condensateurs en couches minces est leur
faible tension de claquage. Cependant, les transistors et les circuits intégrés, en raison de leur
tension de travail peu élevée, rendent possible l'utilisation de tels composants.
IV.S.2.2 Caractéristiques et intérêts de nos condensateurs
Les condensateurs que nous avons présentés sont intéressants surtout si l'on désire des
condensateurs à haute capacité surfacique. Ils ont tous de faibles pertes diélectriques (de l'ordre
de 10-3 ) et un coefficient thermique de capacité bien défini et peu élevé.
Le tableau 29 précise, pour des tensions de claquage détenninées, la capacité surfacique
maximale que l'on peut atteindre avec chaque condensateur. Par exemple, si on s'impose une
tension nominale et une capacité surfacique on peut avoir le choix entre plusieurs possibilités.

---

150
Nos condensateurs à base de monocouches ou de multicouches diélectriques sont
utilisables sous forme miniaturisée en micro-électronique dans un domaine de température situé
entre -50 oC et +100°C.
Nous récapitulons dans le tableau 30 les résultats obtenus pour des condensateurs à base
de multicouches diélectriques dans le domaine d'épaisseur que nous avons considéré.
Tableau 29 : Tensions de claquage des condensateurs à base de monocouches et
multicouches diélectriques suivant leurs caractéristiques dimensionnelles.
AI203
GeÜ2
GCÜ2
GCÜ2
GeÜ2
GeÜ2
AI203
GePb 1,403,4
Ge02
AI203
GePb1,403,4
AI203
GePb l,40 3,4
AI203
GeÜ2
Ge02
C/S
Vc=
(w/cm2) 0,034
0,038
0,10
0,095
0,09
0,08
0,13
0,1
20V
eUun)
0,12
0,12
0,17
0,05
0,08
0,05
0,03
0,06
C/S
Yc=
(w/cm2)
0,08
0,11
0,13
0,13
0,12
0,12
0,17
0,13
IOY
eUun)
0,045
0,05
0,1
0,03
0,06
0,03
0,02
0,04
Tableau 30 : Résultats récapitulatifs sur les condensateurs à base de multicouches
diélectriques.
tan Ô
C/S
Yc
E
Méthodes
MaLériaux
e
1kHz
1kHz
d'obtention
(IlF/cm 2)
(llm)
xHt2
(MY/cm)
10-6°C-1
RF simple et
Ge02- Al20 3
0,012-0,5
0,011-0,28
0,14-0,21
86-140
1,5-6,5
RFmagnétron
Ge02-GePb] ,403,4
0,012-0,5
0,014·0,26
0,15-0,19
50-129
1,25-4
RF simple
RF simple et
GeÜ2_AI203-GeÜ2
0,012-0,5
0,007-0,18
0,15-0,20
60-104
1,75-7
RFmagnétron
Gc02-GePbO-GeÜ2
0,012-0,5
0,008-0,23
0,14-0,16
46-75
1,5-5
RF simple

---

151
A notre connaissance, aucune étude n'a été réalisée jusqu'ici sur de tels condensateurs.
Cependant, en ce qui concerne les travaux portant sur des condensateurs ayant des structures
spéciales, nous devons citer ceux de Keller et al [55, 56] sur Ta20s-SiO et ceux de McLean et
Rosztoczy [56] sur Mn02-x-Ta20S. Dans les deux cas, on améliore le champ de claquage du
condensateur en introduisant un matériau supplémentaire par rapport à l'isolant de base.
IV.6 CONCLUSION
Nous avons pu grâce à la technique de pulvérisation cathodique fabriquer des
condensateurs à base de multicouches diélectriques de très faible épaisseur (e $ 0,02 Jlm).
Après des traitements thermiques convenables ces condensateurs ont des pertes diélectriques
faibles, des coefficients thermiques de capacité bien définis et de fortes capacités par unité de
surface (C 1S ~ 0,1 JlF 1cm2). Le système des multicouches donne des propriétés diélectriques
intéressantes aux condensateurs tout particulièrement en ce qui concerne leur tension
d'utilisation.

---

---

153

---

154

---

155
Ce travail montre qu'il est possible, en utilisant la technique de pulvérisation en
radiofréquence, d'élaborer sous forme de couches minces (uniques ou multiples) les matériaux
diélectriques A1203, Ge02 et Ge-Pb-a.
Les principaux aspects de cette étude concernent :
-l'optimisation des conditions de dépôt,
-la caractérisation dimensionnelle et l'analyse en composition des couches minces
obtenues,
-la détermination des caractéristiques diélectriques des condensateurs monocouches (une
seule couche isolante) et multicouches,
-l'optimisation des propriétés diélectriques de ces matériaux par des traitements
thermiques appropriés.
Pour optimiser les conditions de pulvérisation, nous avons fait appel à des techniques
performantes:
-l'interférométrie et la spectrométrométrie de fluorescence x pour la caractérisation
dimensionnelle,
-la spectrométrie de fluorescence x et celle de rétrodiffusion de Rutherford pour la
caractérisation en composition,
qui nous ont permis d'obtenir de manière reproductible des matériaux diélectriques
d'épaisseur et de composition déterminées. Nous avons ainsi pu réaliser des condensateurs
dont l'épaisseur minimale peut atteindre 0,012 )lm.
Le dioxyde de germanium possède de meilleures caractéristiques diélectriques que
l'alumine: les pertes sont plus faibles (0,06.10-2 contre 0,25.10-2) et le coefficient thermique
de capacité moins élevé (20.10-6 contre 130.10-6 °C-l).
Cependant, ces matériaux possèdent une constante diélectrique moyenne; ceci nous a
conduits à élaborer des oxydes mixtes Ge-Pb-O dont la permittivité diélectrique est comparable
à celle de Ta20S.
La réalisation de condensateurs multicouches nous a permis d'améliorer sensiblement le
champ de claquage, notamment celui des oxydes mixtes Ge-Pb-O.
Nous avons ainsi pu élaborer des condensateurs sous forme de couches minces
possédant des pertes diélectriques relativement faibles et de fortes capacités surfaciques dont on
peut envisager l'utilisation dans des dispositifs électroniques miniaturisés.

---

---

157

---

158

---

159
[1] - F.Lalande, Thèse d'Université, Marseille, 1991.
[2] - a.Burns, F.H.Dacol et R.L.Melcher, l.Appl.Phys., 54 (1983) 4228.
[3] - H.Schmitt, Edit.Simp.on Trends and New Applications in Thin Films Proceedings
(Strsbourg), 1 (1987) 195.
[4] - a.Kleer, H.Schmitt, H.E.Müser et K.H.Ehses, Ferroelectrics,.26 (1980) 757.
[5] - R.Lal, S.C.Sharma, et P.Ramachandran, Mat.Res.Bull., 25 (1990) 945.
[6] - L.Wang, A.Pignolet, F.Levy, Mat.Res.Bull., 25 (1990) 1495.
[7] - A.Malherbe, Le Vide, les Couches Minces, 223 (1984) 283.
[8] - Y.Lepêtre, A.Charaï, l.P.Palmari, Le Vide, les Couches Minces, 223 (1984) 339.
[9] - B.Vidal, L.Nevot, Le Vide, les Couches Minces, 223 (1984) 333.
[10] - H.K.Pulker, Le Vide, les Couches Minces, 223 (1984) 395.
[11] - P.Caburet, Physics, Fabrication and Applications, of Multilayers Structures, 182
series B 1988) 340.
[12] - M.lacquet, Thèse d'état, Clermont-Ferrand II, 1985.
[13] - A.de Roy, Thèse d'état, Clermont-Ferrand II, 1990.
[14] - C.Caperaa, a.Baud, 1.P. Besse, M.Jacquet, Le Vide les Couches Minces, supplt au
nO 258 (1991) 115.
[15] - C.Caperaa, G.Baud, l.P.Besse, P.Bondot, P.Fessler, M.lacquet, Mat. Res.Bull, 27
(1989) 1361.
[16] - C.Caperaa, B.Segda, G.Baud, 1.P.Besse, M.Jacquet, l. Physique III, à paraître.
[17] - c.Caperaa,Thèse d'Université, Clermont-Ferrand II,1992.
[18] - K.Awitor, Thèse d'Université, Clermont-Ferrand II, 1990.
[19] - K.Awitor, G.Baud, l.P.Besse, M.Jacquet, Mat. Res. Bull, .26 (1991) 67.
(20] - K.Awitor, G.Baud, l.P.Besse, C.Caperaa, M.Jacquet, Plasma Surface Engineering
(Garmish-Partenkirschen),.2 (1988) 739.
[21] - K.Awitor, G.Baud, l.P.Besse, M.Jacquet, lCAM 91, à paraître.
[22] - E.Caudron, G.Baud, 1.P.Besse, G.Blondiaux, M.Jacquet, ICAM 91, à paraître.
[23] - E.Caudron, G.Baud, l.P.Besse, G.Blondiaux, M.Jacquet, Solid State Ionics, 57
(1992) 189.
[24] - C.Cluzel, G.Baud, l.P.Besse, M.Jacquet, Le Vide les Couches Minces, supplt au n0258
(1991) 115.
[25] - C.Cluzel, Thèse C.N.A.M., Clermont-Ferrand II, 1992.
[26] - M.lacquet, G.Baud, l.P.Besse, M.Sidir, Le Vide les Couches Minces, supplt au n° 259
(1991) 135.
[27] -P.Duchâtelard, G.Baud, l.P.Besse, M.Jacquet, Le Vide les Couches Minces, supplt
"Adhérence 90" (1990).
[281 - F.Morel, Thèse C.N.A.M., Clermont-Ferrand, 1992.
(29] - F.Bodino, Thèse C.N.A.M., Clermont-Ferrand, 1993 à paraître.
[30] - R.Cueff, EURADH'92, Congrès Européen sur l'Adhésion, Karlsruhe, 1992.

---

160
[31] - I.H.Prat, Solid State Technology, (1989),49.
[32] - P.J.Harrop, D.S.Campbell,Thin Solid Films, 2 (1968) 273.
[33] - C.S.Bhatia, G.Guthmiller, and A.M.Spool, J.Vac.Sci.Technol. A 7 (3) (1989) 1298.
[34] - Hmya Birey, J.Appl.Phys.48 (12) (1977) 5209.
[35] - R.S.Nowicki, J.Vac.Sci.Technol.I4, nOl, (1977) 127.
[36] - Masao Aozasa, Masafumi Inoue, Tadaaki Nakayama and Keiichi Ando,
Mem.Fac.Eng.Osaka City Univ.vo1.28 (1987) 61.
[37] - W.Kübler, Thin Solid Films 199 ( 1991) 247.
[38] - N.R.Rajopadhye,S.B.Dake and S.V.Bhoraskar,Thin Solid Films, 142 (1986) 127.
[39] - P.Vuoristo,T.MantyHi,and P.Kettunen,Plasma Surface Engineering, 1 (1989) 609.
[40] - Jacob H.Martin, IEEE-Trans.Parts Mater.Packag.(1965) PMPI.
[41] - C.Deshpandey,L.Holland, Thin Solid Films, 96 (1982) 265.
[42] - T.AMantila,P.J.M.Vuoristo,AK.Telama and P.O.Kettunen, thin Solid Films,126
(1985) 43.
[43] - Lynne M.Gignac and Subhash H.Risbud, Thin Solid Films, 202 (1991) 83.
[44] - P.Vuoristo,T.Mantyla Kettunen and Lappalainen,Thin Solid Films, 204 (1991)297.
[45] - S.B.Krupanidhi, M.Sayer et A.Mansingh, Thin Solid Films, lB (1984) 173.
[46] - N.Nasi, C.Balasubramanian and S.K.Narayandass,Phys.Stat.Sol. (a) 103 (1987) 475.
[47] - G.G.Devyatykh,E.M.Dianov.N.SKarychev,S.M.Mazavin,V.M.Mashinskil,V.B.
Neustruev,AV.Nikolaichik,A.M.Prokhorov,AI.Ritus,N.I.Sokolov,andA.S.Yushin,
Sov.J.Quantum Electon., JO (7), (1980) 900.
[48] - Zhong- Yi Yin and B.K.Garside,AppI.Optics, 21 ,n023, (1982) 4324.
[49] - N.M.Ravindra,R.A.Weeks,and D.L.Kinser, Phys.Rev.B, 36, nOll (1987) 6132.
[50] - A.L.Shabalov and M.S.Feldman, Phys.Stat.Sol.(a) 83,(1984) KIL
[51] - T.Umezawa et K.sasaki. J.Vac.Sci.Technol. A5-4 (1987) 1783.
[52] - K.Wasa, S.Hayakawa, Japan, J.AppI.Phs. 8 (1969) 276.
[53] - Hiroshi Iwasaki,Shintaro Miyazawa, Hideo Koizumi Kiyomasa Sugii, and Nobukazu
Niizeki, J.Appl.Phys., 43, n012, (1972) 4907.
[54] - W.ASchulze and J.V.Biggers, Mat.Res.BuIJ.l4, (1979) 721.
[55] - H.N.Keller, C.T.Kemmerer.and C.L.Naegele. IEEE Trans.Mat.and Pack.PMP.3
n03 (1967) 97.
[56] - "Handbook of Thin Film technology" (R.Gland and I.Maissel Edit., Mc Graw-Hill Book
Inc., USA, 1983).
[57] - Grzegorz Gladyszewski, Thin Solid Films, 170 (1989) 99.
[58] - B.Yan,T.Lin,D.Mao and c.Yang, thin Solid films, 173 (1989) 39.
[59] - P.Boher,P.Houdy C.Schilier and L.J.Van.ljzendoorn, Thin Solid Films, 174
(1989) 91.
[60] - R.F.Bunshan, "Deposition Technologies for Films and coatings Developpements and
Applications" (Edit.Noyes Publications, USA, 1982).

---

161
[61] - R.V.Stuart et G.K.Wehner, J.AppI.Phys, 33 (1942) 2342.
[62] - JJ.Bessot, Les Techniques de l'ingénieur, M.l657.
[63] - J.L.Vossen et J.J.O'Neil, RCA Review (1968) 149.
[64] - F.Shinoki et A.Itoh, J.AppI.Phys, 46 (1975),n08, 3381.
[65] - J.Despujo1s, Les Techniques de l'ingénieur, P.2695.
[66] - R.Tenian, Thèse d'état, Paris VI, 1972.
[67] - R.Tertian, Compt.Rend., Paris 1970 (t.270,952).
[68] - R.Tertian, Acta, 26B, 71(1971).
[69] - R.Tertian et F.Claisse "Principles of Quantitative X-ray Fluorescence Analysis",
(Edit.Neyden & Son Ltd., USA, 1982).
[70] - RJenkins, R.W. Gould et D. Gedke,"Quantitative X-ray Fluorescence Analysis", (Edit.
Marcel Dekker Inc., USA., 1981).
[71] - G.Ott, Thèse C.N.AM.,Clermont-Ferrand Il,1989.
[72] - HJbeli, Thèse d'Université, Clermont-Ferrand Il,1988.
[73] - G.Lenain, Thèse de doctorat-ingénieur, Bordeaux l, 1983.
[74] - B.J.Cross, D.C.Wherry and T.H.Briggs, Plating and Surface Finishing (1988) 68.
[75]- J.R.Maldonado and D.Maydan, The Bell System Technical Journal, (1979) 1851.
[76] - B.J.Cross and D.C.Wherry, Thin Solid Films, 166 (1988) 263.
[77] -J.E.Willis, X-ray Spectrometry, 18 (1989) 143.
[78] - T.Shiraiwa and N.Fujino, Adv.X-ray Analysis, 12 (1969) 446.
[79] - W.K.Chu, J.W.Mayer, M-A.Nicolet, "Backscattering Spectrometry", (Edit.Academic
Press, New-York,1978).
[80] - E.Rutherford, PhiI.Mag., n021,669.
[81] - W.K.Bragg, R.Kleenman, Phil.Mag, nOIO (1905) 318.
[82] - W.K.Chu et J.F.Ziegler,J.Appl.Phys., (1975) 46.
[83] - F.Bodino,Mémoire CNAM, Clermont-ferrand, 1991.
[84] - Françon, Les Techniques de l'ingénieur, R.3370.
[85] - B.Segda, Rapport D.E.A, 1988.
[86] - E.Caudron, Rapport D.E.A., 1988.
[87] - G.Bruhat,Edit.,Cours de Physique Générale optique, 6ème édition revue & complétée
par A.Kastler, ed.Masson & Cie,France, (1965).
[88] - J.C.Anderson, "Diélectriques", (EdiLDunod, Paris, 1966).
[89] - Gevers, Philips Res.Rept., 1 (1946) 279.
[90] - D.A.Mclean, IEEE Intem.Conv.Record., Pt 7, Electon Devices, Materia1s and
Microwave components (1967) 108.
[91] - "Progress in diélectrics", 3 (Edited by lB.Birks, B.A., Ph.D, D.Sc., F.Irst.P,
AM.I.E.E. J.Hart, Ph.D, Heywood&Company LTD, London, 1961).
[92] - A.Von Hippel and RJ. Maurer, Physical Review, 59 (1941) 820.
[93] - A.Von Hippel and G.M.Lee,Physical Review 59 (1941) 824.

---

162
[94] - P.P.Budenstein and P.J.Hayes, Journal of Applied Physics 38, n07 (1967) 2837.
[95] - F.E.Canon, V.ACajal and M.M.Gajary, (General Dynamics Electronics Division
Rochester, New York), Proc. Elec. Comp. Conf. (1967) 60.
[96] - AHersping, Z.Angew, Phys., 5 (1966) 369.
[97] - F.Argall and AK.Jonscher, Thin Solid Films, 2 (1968) 185.
[98] - R.Carpenter, D.S.Campbell, J.Mater.Sci.,4 (1969) 526.
[99] - J.E.Shelby et J.Ruller, Phys.Chem.Glass, 28 (6) (1987) 262.
[100] - M.K.Murthy et J.Ip, J.Amer.Ceram.Soc.47,7 (1964) 328.
[101] - Wieslaw AZdaniewski and John P.Maher, Ceramic Bulletin, 66, n08, (1987) 1270.
[102] - C.T.Morse and G.J.hill, Electrical Research Association, Leatherhead.
[103] - K.Kristiansen, liA statistical approch to the analysis of dielectic breakdown strength of
thin insulating films,The University of Trondheim, The Norwegian Institute of
Technology, 1975.
[104] - J.C.Helmer;C.E.Wickersham, J.Vac.Technol.A 4 (3), ( 1986) 408.
[105] - R.W.Wilson, SCP and Solid State Technology, May 1967.

---

DIMENSIONAL AND PHYSICO-CHEMICAL
CHARACTERISATION OF DIELECTRIC
MONOLAYERS AND MULTILAYERS
The different aspects of this work relative to the study of A1203, Ge02 and
Ge-Pb-O as thin films ( single or multiple) are:
- the elaboration of the deposits by simple RF and RF magnetron spunering techniques,
- thickness measurements by interferometry and X-ray fluorescence,
- the investigaùon of the film's composiùon using X-ray fluorescence and R.B.S.
- the study of the dielectric characteristics of these materials alone, as well as their
stacking.
The investigation of the film's composition has lead to the optimisaùon of the sputtering
conditions: initial pressure, pressure and composition of the plasma, RF power, target-
substrate distance, and substrate temperature.
The dielectric characteristics of these oxides, as a single layer (monolayer) and in stacks
(multilayers), depend on the sputtering conditions. They were determined at low frequencies
(0.2 - 100kHz) after several thermal cycles. These thermal treatments were found to improve
the dielectric properties.
The elaboration of mixed germanium and lead oxides deposits has improved the
permittivity of Ge02 and the realisation of multilayers has improved the dielectric properties,
especially the "breakdown field".
This work shows the possible applications of the studied materials, usable alone or in
stacks (multilayers), as capacitors with high capacitance per unit area, low dielectric loss and
high "breakdown field", particularly in microelectronic devices.
KEYWORDS : Thin films - Multilayers -RF sputtering- Dielectric properties-
Alumina - Germanium oxide - Mixed germanium and lead oxides - R.B.S.
Clermont-Ferrand, 13 th April 1993

---

lmp Sciences 24, Avenue des Landais - 63177 AUBIERE Cedex - Dépôt légal
2e Trimestre 1993

---

•
'-.>
CARACTERISATION DIMENSIONNELLE ET
PHYSICOCHIMIQUE DE COUCHES MINCES ET
MULTICOUCHES DIELECTRIQUES
Bila SEGDA
Les différents aspects de L:e travail qui concerne l'élllde des matériaux A1203, Ge02 et Ge-
Pb-Q sous fonne de couches minc.es (uniques ou multiples) sont:
-l'élaboration des dépôts par la technique de pulvérisation calhodique RF simple et RF
rnagnélron .
. la mesure de l'épaisseur par intcrféromèlrie cl par spectrométrie de
Ouorescence X,
- l'analyse en composition des dépôts par .~peC(romélries XRP et RBS,
-l'étude des caractéristiques diélectriques de ces matériaux el de leurs empilements.
L'analyse des couches a permis d'optimiser les conditions de pulvérisation: pression
initiale, pression totale et composition du plasma, puissance RF, distance cible-substrat el
température du substrat.
Les caractéristiques diéleL:triqocs de ces oxydcs en L:oul;hes uniques (monocouc~es) et de
leurs empilements (multicoœhes) dépendent des condition,.; de dépôt. Elles ont élé déterminées à
basse fréquence (0.2 - 100kHz) après plusieurs cycles thermiques. Ces traitements thenniques
améliorent les propriétés diélectriques.
L'élaboration d'oxydes mixles Gc-Pb-O pemlet d'augmelller la penniltivité diélectrique de
Ge02 el la réalisation des condensateurs à base de multicouches diélectriques a pennis une
amélioration des caractéristiques diélectriques nolalllment le champ de claquage.
Ce travail montre l'intérêt des matériaux étudiés (font: capacité surfacique, faibles penes
diélectriques et fon l:hamp de claqu<lge) pOlif leur utflisililOIl dans des dispositifs électroniques
minuaturisés.
MOTS CLES : couches minces - Illulticouches -Pulvérisation cathodique
RF-Propriétés diéleclriques - Alumine - oxydes de genllar1Îum - oxydes mixtes de gennani!Jni e
,-
de plomb - RBS ,
.l'
"
Clermont-Ferrand, le 13 Avril 1993
1"

---