N° d'ordre: 87 / AIX3 / 0051
"
DOCTEUR DE 3EME CYCLE
Spécialité: SCIENCES DES MATERIAUX
ETUDE DE LA STRUCTURE ET DE L'ADHESION DES COUCHES MINCES 1
DE
TITANE
ET
DE
NITRURE
DE
TITANE
PREPAREES
PAR
PULVERISATION
CATHODIQUE REACTIVE.
soutenue le 3 juillet 1987 devant la commission d'examen:
M. GILLET M.
PRESIDENT
M. BOULESTEIX
C.
M. DUROUCHOUX P.
EXAMINATEURS

---

A ma femme, Caroline NGOI
A mes enfants, Fabrice Loïc NSONGO
Emmanuel Timmy NSONGO
Sans eux, ce travail n'aurait pas vu le jour.
Ils m'ont été d'un grand support moral.
La préparation de cette thèse leur a necessité des grands
sacrifices et privations
Je leur exprime ici ma plus grande reconnaissance.
.J

---

A ma mere,
KINKELA Joséphine,
A mon père,
NSONGO Gabriel,
Soucieux toujours de mon avenir, ils ont oeuvré au maximum de
leur possibilité pour ma reussite.
Ce travail est le fruit de tous leurs efforts.

---

A ma soeur Emma-Flore NSONGO,
..
Que
je pleure toujours.
Qu'elle trouve ici toute mon affection.

---

A mes frères,
...
Pour une meilleure signification de ma très longue absence.
,

---

A mes amis.
..
.
,

---

Ce tnavail a iti e66ectué au Labonatoine de
M{cnoocop{e et D{66nact{ono Eleétnon{queo de la FACULTE DES
SCIENCES ET TECHNIQUES DE SAINT JEROME [UNIVERSITE AIX-MARSEILLE
III) oOUo la d{nect{on de Mono~eun le pn06eooeun Mancel GILLET.
Je t{eno a nemenc{en tout pant{cul{~nement
Mono{eun le pno6eooeun Mancel GILLET poun m'avo{n accepté dano
oon Labonato{ne, poun m'avo{n 6a{t béné6{c{v~de oon expin{ence.
Il a oU pantagen avec mo{ leo d{66{cultio nencontnieo dano leo
momentd di66{cileo, oeo conoe{lo ont éti, bini6{queo poun
l'onientat~on et la néal~oat{on de ce tnava~l.
Qu'{l me oo{t penm{o d'expn{men meo nemenciemento
a Meoo{euno MINARI, BOULESTEIX - PROFESSEURS A L'UNIVERSITE
AIX - MARSEIL~E III d'avo{n accepté de 6a{ne pant{e de ce juny.
Je t{eno a nemenc{en Mono{eun DUROUCHOUX poun
l'honneuk qu'{l me 6a{t d'~tne dano ce juny.
Meo nemenc{ement~
o'adneooent également a tout le
penoonnel du Labo~ato{ne poun l'accueil chaleuneux et teun
enco~nagement, pant{cul{lnement a Mono{eun Guy PALMIER,
Techn{cien pn{nc{pal du Labonato{ne.
J'a{ igalement t{né un gnand béné6{ce deo
d{ocuoo{ono que j'ai eueo avec Mono{eun DESROUSSEAUX, Monoieun
VIDAL, {lo m'ont été d'un~gnanœaide, je leo en nemenc{e.
"
\\,
En6{n j'adneooe meo o{nclneo nemenc{emento a
Madame R. DIDIERJEAN qu{ avec gent{lleooe et oo{no a nial{oé
la 6nappe et la m{oe en page de,ce ~émo{ne.
-=-=-=-=-=-=-=-=--
-''''/''
.~ ,,..;.-..
",
:

---

Pages
INTRODUCTION
CHAPITRE l : DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX ET METHODES
D'ANALYSE
1.
1 - DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX
.
1
1.1 -
DISPOSITIF DE PULVERISATION CATHODIQUE MAGNETRON EN
RADIOFREQUENCE
.
1
1.2 -
DISPOSITIF DE PULVERISATION CATHODIQUE TRIODE EN
COURANT CONTINU
.
3
1. 2 - DESCRIPTION GENERALE DE LA TECHNIQUE
DE PULVERISATION CATHODIQUE
.
7
2 . 1 -
MEC ANI SM E !) E P·U LVER l SA TI 0 N CA THO Dl QUE PAR MAG NET R0 N
EN RADIOFREqUENCE
.
8
2.2 -
MECANISME DE PULVERISATION CATHODIQUE PAR TRIODE EN
COURANT CONTINU
.
10
1. 3 - PROCEDURE EXPERIMENTALE
o .
0
0
0
I l
3.1
-
CHOIX ET PREPARATION DES SUPPORTS
.. o ••••••••••••••
I l
3.2 -
MODE OPERATOIRE POUR LES DEPOTS PAR PULVERISATION
CATHODIQUE MAGNETRON EN RADIOFREqUENCE
.
I l
3.3 -
MESURE DE L'EPAISSEUR
DES DEPOTS OBTENUS PAR
MAGNETRON
.
12
3.4 - MODE OPERATOIRE POUR LES DEPOTS DE TITANE ET DE
NITRURE DE TITANE PREPARES PAR PULVERISATION
CATHODIQUE TRIODE EN COURANT CONTINU
.
13
3.5 -
MESURE DE L'EPAISSEUR DES DEPOTS OBTENUS PAR TRIODE
14
~
-
10
4 - TECHNIQUE Z.0~E~~nE:ë)E~~~~UCHES
... 0 .,.
15
1'tJ
"Ill
~
4.1
-
ETUDE PAR MICROSCOPIE
.. " .. 'V\\';,V:OIJ.Q~ ••••cr. .•••.•••••••
15
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1'1 a
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P
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-1 • a
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h'" e
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.::
e e upe ra t
15
l on
es 80ue
e s . f.'~l!
~
.
\\( \\ ) c.cU11'''
CI'
1.b -
Observations
en mi8~'~0s.eoPie él~6tronique
15
~v~~_
4 . 2 -
MET HODE 0 EDE TER MIN ATI 0 N 0 U iA.R'A: ~.frII'·R E PAR RAYON S X.
18
4.3 -
TECHNIQUE D'OBSERVATION PAR SPECTROMETRIE AUGER
...
20
CHAPITRE II
OBTENTION ET STRUCTURE DES COUCHES DE TITANE
ET 0 ENI TRU RED E TI TA NE
'
0
• • • • • • • •
23
II.
- CONDITIONS D'OBTENTION DES COUCHES
DE TITANE ET DE NITRURE DE TITANE...
24
II. 2 - STRUCTURE DES COUCHES PREPAREES PAR
PULVERISATION CATHODIQUE MAGNETRON
EN RAD lOF REQ UENCE .....
25
0
• • • •
0
0
•
•
•
•
•
•
•
0
•
/
•
0
•

---

P ag e s
2. 1 -
COU CH ES 0 E TI TAN E
25
a)
Etude
par diffraction électronique..
25
b)
Etude
par rayons
X
27
2.2 -
COUCHES DE NITRURE
DE TITANE......................
2~
-3
A -
AVEC UNE
PRESSION D'AZOTE
P
=0, 8.10
Torr....
29
N2
-3
B -
AVEC UNE PRESSION
D'AZOTE
P
=2.10
T o r r . . . . . .
29
N2
II. 3 - ETUDE DE LA TAILLE DES GRAINS DES
DEPOTS DE TITANE ET DE NITRURE DE
TITANE.............................
34
II. 4 - STRUCTURE DES COUCHES PREPAREES PAR
TRIODE EN COURANT CONTINU
35
4.1
-
COUCHES DE T I T A N E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
4.2 -
COUCHES DE NITRURE
DE TITANE......................
37
II. 5 - OBSERVATION DE LA SURFACE DES DEPOTS
PAR SPECTROMETRIE AUGER et par X.P;S.
44
CHAPITRE III
MESURE DE L'ADHESION DES COUCHES DE TITANE
ET DE NITRURE DE TITANE SUR DIFFERENTS
SUPPORTS.................................
52
III.
1 - EVALUATION THEORIQUE DE L'ADHESION.
52
III. 2 - RAPPELS DES METHODES EXPERIMENTALES
UTILISEES POUR LA MESURE DE
L'ADHESION
58
2.1
-
METHODE
DE LA
FORCE
CENTRIFUGE....................
60
2.2 -
TEST DE TRACTION
- . . . . . . . . . .
61
2.3 -
TEST DE PELAGE
61
2.4 -
RES UL TA TS OBTENUS
61
CHAPITRE IV : ETUDE DE L'ADHESION PAR LA METHODE DE LA
RAYURE
63
IV. 1 - DISPOSITIF EXPERIMENTAL ..
63
1 . 1 -
P Rl NCI P E
-6 3
1 .2 -
NA TU RE DES PO l NT ES
65
IV. 2 - RAPPELS DES TRAVAUX ANTERIEURS
RELATIFS A LA METHODE DE LA RAYURE..
65
2.1
-
OBSERVATION DU REGIME
CRITIQUE ET MODE
DE DETACHEMENT
DU F I L M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
... / ...

---

Pages
IV. 3 - ANALYSE THEORIQUE DE LA METHODE DE
LA RAyURE..........................
70
3.1 -
fORMULE
DE BENJAMIN ET WEAVER
71
3.2 -
DETERMINATION DE LA fORCE
DE CISAILLEMENT EN TENANT
COM PTE DU fROTTEMENT
72
IV. 4 - RELATION ENTRE L'ENERGIE D'ADHESION B
ET LA FORCE DE CISAILLEMENT
78
IV. 5 - ENERGIE D'ADHESION DETERMINEE A PARTIR
DE LA DEFORMATON ELASTIQUE DU DEPOT.
80
IV. 6 - RESULTATS EXPERIMENTAUX CONCERNANT
L'ADHESION PAR LA METHODE DE LA
RAyURE.............................
82
IV. 7 - MESURE DES CHARGES CRITIQUES
D'ADHESION
85
7.1
-
CHARGES CRITIQUES D'ADHESION ET fORCES D'ADHESION
DES OOUC HES DE TI TA NE
85
7.2 -
CHARGES CRITIQUES D'ADHESION ET fORCES D'ADHESION
DES COUCHES DE NITRURE DE TITANE
..
89
A -
COUCHES DE NITRURE DE TITANE PREPAREES PAR
MAGNETRON
89
B -
COUCHES DE NITRURE DE TITANE
PREPAREES PAR
TRIODE
91
CONCLUSION.................................
101
BIBLIOGRAPHIE
-=-=-=-=-=-=-=-

---

INTRODUCTION
P.u cours de ces dernières annees, l'élaboration et l'étude de la
structure des dé p8ts du titane ou du nitrure de titaneont fait l'objet d'une
a He ntion particuliè re.
Les coucrles de nitrure de titâne ont r.otamment été utilisees comme
A
revetements sur différents matériau:<. Dans ce cadre les propriétés d'adhésion
sont d'une grande importa.nce.
A
Au Laboratoire nous avons entrepris une étude des revetements
protecteurs minces et notamment ceU}: qui sont utilisés en connectique en nous
/\\
intéressant au:{ dépots minces préparés par des méthodes physiques susceptibles
de constituer des couches "protectrices"
continues à faible
épaisseur, sans
porosité et avec une bonne adhérence sur leur support.
Dans ce tra.vail, nous nous proposons dans un premier temps
d'étudier la. croissance et la structure des couches de tita.ne et de nitnJre de
titane préparées sur molybdène, cuivre, ta.ntale par pulvérisation cathodique
magnétron en radiofréquence et triode en courant continu.
Dans un deu:üème temps, nous caractérisons l'adhésion du titane et
du nitrure de titane sur les différents supports utilisés par la méthode des
"rayures" a.fin de relier les conditions de croissance Et les cara.ctéri~tic;ues de
structure qui en découlent à l'adhés.ion.

---

-
l
-
1. i - DISPOSITIFS EXPERIl.fENTAUX
1.1
-
DISPOSITIF
DE
PUL',,'ERI';:;ATIC)U
CATHODI(~_UE HAGNETRON
EtJ
RADIOFREO.UE NCE
Le dispositif e;<périmental (figur-e li es.t pr'incipalement compose
- d'un groupe de pompage
- d'une enceinte à vide
- d'un I;)~nér'ateur radiofréquerlce
Le gr·oupe de pompage est cons.titué d'une pompe cl palettes et
d'une pompe cl diffusion d'huile qui permet d'atteindre un vide limite de l'ordre de
1.iO-7 Torr. Celui-ci est surmonté d'un piège refroidi cl l'azote liquide. L'enceinte
cl vide est de forme cylindrique d'un dia.mètre de 50 cm et d'une hauteur de 40 cm.
A l'intér'ieur' une anode porte substrat CD peut-~tre éventuellement polar-isée.
Celle-ci est située cl une dIstance de 7 cm environ de la cible ~ Qui constitue la
cathode. La cible utilisée est en titane de pureté 7'7',99 %. Elle est r'ectangulaire
sa lonl~ueur es.t de 22 cm et sa largeur de il cm. Elle est couplée au générateur
radiofréquence par l'intermédiaire d'une capacité permettant l'envoi d'une tension
continue et négative sur la cible. La cible est posée sur- un plateau(]) qui joue le
raIe d'électrode. Pour éviter que les. ions ne pulvérisent les parties ar-rièr'es et
latérales de ce plateau, on place autour de la cible un blindage®relié à la ma.sse.
La cathode est refroidie par un circuit d'eau entre 15°C et 20·C. La
pression limite à l'intér'ieur de l'enceinte ne dépasse pa::- Ll0- 7 Tar-r. Deu>: jauges
de types
Pirani et Albert
Bayer permettent de
contrôler
la
pression dans

---

---

-
3
-
l'enceinte.
L'intr'oduction
de
l'azote
et
de
l'ar'gon
est
effectuée
par
l'intermédiaire d'une vanne de micro-fuite réglable ~ L'ar'gon et l'azote sont de
haute pureté 99,997 %. Un thermo-couple en allumel-chromel placé à l'arr'ièr'e du
/ .
-"\\
por·te-substr-ats per'met de contr'oler la tempér'ature du dépot. Un cache est utilisé
pendant la pré pulvérisation pour éviter que les atomes arrachés à la cible ne
polluent les substr·ats.
Le génér·ateur radiofréquence@, débite une puissance ma>:imale de
1000 1.,} à 13,5 NHz (fréquence autoriséei. Il a une impédance de sortie 50D. Le
générateur possède deu>: wattmètres qui permettent de mesurer la puissance
incidente et réfléchie.
Un adaptateur® d'impédance intercalé entre le génér·ateur et la
cible est utilisé de
façon à fournir le
ma>:imum de puissance à la cible en
réduisant la puissance réfléchie. Cet adaptateur- est équipé d'un voltmètre@ qui
ind ique la te nsion de polar'i sa tion de la cib le.
1. 2 -
DISPOSITIF DE PULVERISATION CATHODIG.UE TRIODE EN
COURANT
CONTINU
Il comporte essentiellement quatre parties (figure 2) :
a) Un générateur de plasma.
Le plasma est créé dans une petite chambreCVd'ionisation de forme
cylindr·ique. L'émission d'électrons se fait à partir d'un filament
CD chauffé il.
2500· C par effet joule. L'anode <l) est de forme cylindrique de diamètre :30 mm.
L'anode et le porte filament sont r-efr'oidis par un circuit d'eau. L'argon est

---

-
4 -
1 filament
4
-
2
anode
9
3
vanne de microfuite
2
pou
azote
1
4
vanne de microfuite pOUl
argon
5
cible
D
6
four porte-substrats
7
balance quartz
8
champ magnétique
~o
9
chambre d'ionisation
10 anneau de garde
0 _
11
circuit d'eau
Figure 2:
DISPOSITIF DE PULVERISATION CATHODIQUE TRIODE

---

-
5
-
introduit
dans
la
chambre
à
travers
une
",;anne
de
microfuite
r'églable @.
L;intr'oduction de l'azote s.'effectue à travers la vanne de microfuite@.
b) Erlceinte c1vidè
Elle compr'end une cible<2)et un porte-substrat de diamètre 300 mm.
La cible que nous avons utilisée est de forme circulaire plane de
diamètr'e 100 mm. Celle-ci est surmontée d'un anneau de garde Q]J placé à la masse
de sorte que les ions d'ar'gon rie bomba.rdent que la cible en titane.
~
Cette cible es.t également r'efr'oidie par la circulation d;eau(UJ. Elle
peut-être polarisée jusqu/à - 1500 V. Ur, four' porte-substr'at se tr'ouve environ ci
13 cm de la cible.
c) Alimentation électrique
L'alimentation électrique compr'end quatr'e sous ensembles
indépendants:
- une alimentation cathode
- une alimentation anode (0 - 150 Vi
- une alimentation cible (0 -1500 VI
- une alimentation bobine <0 à 24 V)
L'alimentation cathode es.t muni d'un commutateur qui t:.ermet de
mes.urer' soit le courant de chauffage du filament de 0 à 50 A, soit le courarlt
électronique dG' à l'emission du filament de 0 ci 20 A.

---

-
6 -
j-substrat
U
1 expulsion (j'atomes
Il Collisions ion-atome et transfert de
t
~f-
1
,
mouvement avec échauffement
,
N
,
CIl
,
Dl
,
,
III rebondissement d'ions et expulsion
,,
1
,
, (r
l"~ Ar+
]1,
d'atomes gazeux
1
1
'"
IV absorption d'ions gazeux
,/
V condensation
VI electron secondaire éMis par la cible
Q)
.D
U
Figure 3:
MECANISME DE PULVERISATION

---

-
7 -
d) Groupe de pompage
11 est constitué d'une oompe Cl. paiette~. et d'une pompe à diffu~ion
d'huiie dont les domaines de fonctIonnement respectifs sont 760 à 10-2 Torr- et
10 -2 à tO- 6 Torr. Celui-ci est surmonté d1un piège refrOIdi à-52' C.
].2 - DESCRIPTION GENERALE DE LA TECHNIQUE
DE PULVERISATION CATHODIQUE
Cette technique de Ij~IJ~,t fut découverte en 1952 par' GRÛVE[11 mais
.A
ne fut utilisée que récemment comme technique de dépoi: à cause des difficultés
engendrées par sa mise en oeuvre. Pendant longtemps l'évaporation ther'mique fut
la
seule
technique
de
dép2.t
utilisée
pour·
produire
des
couches
minces.
L'impossibilité d'obtenir' certains matériau>: en couches minces par l'évaporation
ther'mique
ont
poussé
les
chercheurs
à
se
tourner
vers
ia
pulvérisation
cathodique.
....
Le mécani~me de pulvérisation est du au choc d'ions sur· un
ma.tériau cible que l'on veut déposer. Pour une tension de polarisation de la cible
de 1000 V, les ions ont une énergie d'environ 1000 eV. L'énergie des électrons
secondaires émis n'est que de 8 eV environ. Si un ion d'argon est absorbé par la
cible, une grosse partie de son énergie est transformée en chaleur, d'ou la.
nécessité de refroidir la cible pour éviter sa détér·ioration.
Le substrat est ~.oumi~ au bombardement des atomes de matér-iau à
déposer et à celui des électrons secondaires émis par la cible. En pulvér'isation

---

-
8 -
cathodique les atc.mes pulvérisés arrivent sur le substrat avec une éner·gie de 50
à 100 fCli~. supérieure à celle~ des atomes évaporè~. Ce qui conduit ;>. une forte
adhér·ence des couches obtenues par pulvérisation cathodique.
La fiqure(3) montr·e les différ·ents phénomènes qui ont lieu lors de
la pulvérisa tian cathodique.
2.1
-
MECANISHE:
DE
PULVERISATION
CATHODlG.UE
PJl.R
HAGNETRON
EN
RADIOFREG.UE NCE:
Devant l·incapaci1:é de pulvér·iser de~ matériau::< Isolants. par
pulvérisation cathodique en cour·ant continu. WEHNE:R et ses collabor·ateursL21 0nt
montré en 1962 la possibilité de pulvériser des isolants par utilisation d'une
tension radiofréquence. Ce~t MAISSEL L3J qui , plus tard a mis en pratique cette
A
méthode comme technique de dépot. Si on applique une tension alternative à la
cible~ pendant lialter·nance négative des ions positifs sont attirés et pulvéri~.ent
la cible et au cours de l'alternance positive il y a urie attraction de~ électrons.
Compte
tenu
de
la mobilité
des ions et des électr·ons,
pendant l'alternance
positive, la cible attire un flu:< important d'électrons qui viennent neutraliser· les
iorls. en nombr·e faible attir·é pendant l'alter·name négative. La surface de la oble
A
peut ainsi etre soumise à un bombardement ionique r·égulier et le processus de
pulvér·isation est entretenu. Ce phénomène est montré sur la figur·e~4.)
L'avantage du magnétron est d'accroftr·e la vitesse de dé~t par
superposition
près
de
la
cathode
et
parallèlement
à
celle-ci
d'un
champ
magnétique B perpendiculaire au champ électrique E (figure 5). Ceci a pour effet
d'augmenter le libre parcour·s moyen des électrons. Tout électron secondaire émi~
par la. ca.thode avec une faible énergie est piégé par le champ B au voisinage de la

---

-
9 -
SUBSTRAT
o 0
CIBLE
Figure 4:
MECANISME DE PULVERISATION CATHODIQCE
RADIOFREQUENCE
SUBSTRAT
CIBLE
Figure 5:
EFFET MAGNETRON

---

-
10 -
nble, celUl-ci acquiert dans le champ E une énergie suffisante qui lui permet
d'effectuer une collision ioni<::-ante avec une molécule de ga.z. Il en résulte dünc
une augmentation du tau>: d'ionisation au voisinage de la cathode. Ceci entraine
une pr-ésence Importante d'ions près de la cible et donc un bombarde ment iomque
./'-
important sur celle-ci. La vitesse de dépot augmente et la pr-e:-:-ion de travail
diminue.
2.2 - HEC,A.NISME DE PULVERISATIüN CATHODIG.UE PAR TRIODE EN COUR,A,NT
CONTINU
Dans le système tr-iode. on pr-oduit le plasma au moyen dJélectr-üns
émis
à
partir
d'un
-filament
de
tungstène
chauffé
par
effet
joule
à
une
tempéra tur-e d'envir-on 2500 Q C. Les électrons émis sont accelér-és par- un champ
~lectnque cr~é par une anode de forme
~
Cfl1'.:Z'y_e-t-J3Qr~",un potentiel varIant
entre 50 et 100 V par rapport à la mass~e"r'-Un cham Rn .\\Oa 9 j-?è ,ique créè par une
...
Q\\llh
' r '
~
.,,1'\\
j
el
\\ ""...
0
"tl
bobme,
superposé
au
champ
electnque =
.. ~. rmE':>1o\\1El'all-o!{\\Q r, les traJectmres
"
• . '
E: (\\\\ "V' -
;"
\\
c,ûtC\\
...
eleetromques en les spIralant, et d'aUgmen~;;;.aln:i leur P~'b bllite d'iOnIsatiOn
"oP
'0'
"'0
,'li
par choc. Ce champ ma.gnétique a également pOt~i~••,;~f.~~t~.è'e concentr-er le plasma
dans la zone centrale de l'enceinte. L'en:emble filament anode-bobine constitue
un généra.teur de plasma. indépendant de la. cible et du substrat.
La cible est plongée dan-s le plasma engendré par l'ensemble
filament - anode - bobine et polarisée négativement pour attirer- les ions.

---

- 11 -
1.3 -
PROCEDURE EXPERlMENrALE
3.1 - CHOIX ET PREPARATION DES SUPPORTS
Les supports utilisés sont le Nacl, le cuivre, le molybdène
et l<? tan tale. Le choix de ces supports a été déf,ini par la nécessité d' a-
voir des supports d<? duretés différentes afin de:pouvoir.caractériser
:.
i
l'adhésion des films de titane. et de nitrure de titane qui y sont! déposés.
Le Nacl a été choisi du fait que la couche préparée sur ce substrrt peut
facilement être détachée par simple dissolution dans l'eau. Le N~cl, le
cuivre d'ul1<? part, le molybdène, le tantale d'autre part crist,all1.sent
respectivement dans un système cubique à faces centrées et cubique centré
o
0
leurs paramètres cristallins respectifs sont
..a;J: 5,6402 A ; ja =;; 3,6150 .. A ;
~, ::;~,ii~',lfi;,::.,"~.'.t.':~.'~,:.,
a = 3,3058 A' . ' f ; : , : " . \\ " . , :... ..:;!\\.·.i,:i,;,•._.·.·,··.,·'".•,'.;.'".. ... ..... ..•'.',;-..""": ;':,'.:'...:. "
Le Nacl est préalablement 'cliv~;'~~:'i',.!~r~;;;;iibre avâht ae 'fi:1n,;. ":"
'".1.,
.
\\~'.t.,
R
:\\~~;.~'
1
••
••• ; : : :,:
•
trcx:1uire dans l' encein te. Les supports de cuivre s'ont nettoyés ;~?ri~': riàèide
chlochydriqu<? concentré à l % pour éliminer la "cd~cl1e d' oxyde i~ti~ les' : \\;.
recouvre. Le molybdène est nettoyé dans l' acide6tthophosphoriqt~e~ Le
tdntale est nettoyé à l'acétone. Une fois nettoyés, ces supports sont
rincés plusieurs fois à l'eau distillée puis ensuite nettoyés aux ultra-
sonS dans un bain d'alcool.
3.2 MODE OPERATOIRE POUR LES DEPOTS DE TITANE ET DE NITRURE DE TITANE
PHEPI\\[\\ES PAR PULVERISATION CATHODIQUE MAGNETRON EN RADIOFREQUENCE
Les supports préparés, sont fixés sur un porte substrat
' .
'
dans l'enceinte à vide. ~orsque la pression dans l'enceinte à vide.
Lorsque la pression dans l'enceinte atteint 1.10~7 Torr, on y introduit
3
de l'argon jusqu'à la pression de 5.10-
Torr. En étranglant la vanne de
communication enceinte - pompe à diffusion, on peut diminuer le débit de
pompage
; .'
.:f,··
.. 1.•..

---

- 12 -
UI-le fois le 5- 9 a.z mtrod Ul t6 dans l 'e nce inte de t açon a. 3. tte indr-e un equlllbre de
"-
pression stable. Le plasma est alors amorcé. p.,vant tout dépoi:. il est necessaire
de Drocéder à une or-épulvérisation (Dha.se de r,ettoyage de 113_ cible) pendant di:<
minutes enVlron. Pendant ce temps. le:::- substrats sont cachés Dour éviter de les
polluer.
Apr-ès le nettoyage de la cible, un nouveau pompage est effectué
jusqu'à l'obtention d'une pr-essian résiduelle de
1.10-7 Tor-r. On introduit de
nouveau de l'ar-90n sous une pression telle que le
pla'::'ma peut s'amorcer- en
ajustant la puissance incidente à 900 i,.J dans les conditions de nos e:-:pér-iences.
--'--
Da.ns le cas des dépots de nitrure de titane, on introduit d'abord de
l'azote jusqu'à une pr-ession voulue, puis l'argon de façon à ce que le plasma
s'amorce. On peut ensuite ajuster la pr-ession totale de travail. Dans cr-laque
e:-:périence, le thermocouple est placé derr-ière un des- substrats métalliques ou de
A-
Nael de façon à déterminer- la température du substr'a t pendant le dépot.
3.3- HE~;URE DE L/EPAISSEUR DES DEPOTS OBTENUS PAR MAGtŒTRON
La mesur'e de l'épaisseur a été obtenue par pesée. L'épaisseur-
moyenne de la couche e est donnée par:
e =~
-'\\
avec 1,.) la différence de poids avant et après dépot
avec p., la surface de l'échantillon
f la ma's-s-e volumique du matériau déposé.
D'une gr'ande s-imt:.licité d'emploi. cette méthode comporte certains
inconvénients notamment:

---

- 13 -
fi-
- Le substïat dolt a'iOlr une forme s.lmple et un bon état de s·urface. meme da.ns ce
cas, ia pr'écision sur· l;estimation de la sur'face n;est que de
- La masse volumique du matérlau déposé est mal connue car elle peut vaner
selon le·s conditions de dépôt (pression résiduelle, contamination gazeuse etc. ..!.
3. 4 - HODE OPERATOIRE POUR LES DEPOTS DE TITANE ET DE NITRURE DE
TITANE PAR PULVERISATION CATHODIG.UE TRIODE EN COURANT CONTl NU
Les substrats nettoyés, sont introduits. dans l'erlceinte il. vide sur
un four porte-substrats. Ils subissent un dégazage pendant 2 à 3 r,eures à 300 < C
environ en même temps que liétuvage de l'enceinte et du filament. La pr'ession
atteinte dans l;enceinte apr-ès. étuvage est alors de
1.10- 6 Torr'. Lorsque la
pression limite est atteinte, on introduit de l'argon jusqu'à une pression de
5.10- 3 Torr. On augmente le Cüurant fila.ment jus.quià 35 A environ puis on fait
croitr'e progressivement la tension a.node entre 40 et 60 Volts jusqu'à ce que le
plasma s'amor-ce. On diminue le débit de pompage en fermant légèrement la 'lanne
de
communication
enceinte
-
pompe
à
diffusion
de
façon
il.
diminuer
lE's
fluctuations des pr'essions de gaz introduits dans l'enceinte.
On peut procéder au nettoyage des substrats, il suffit alors de ne
pas polariser la cible pour' éviter une éventuelle pulvérisation. Les substrats
sont e:·:posés au plasma. Nous avons effectué cette opération pour cer·tains
échantillons ca.r il a été montré
que les couches déposées sur des substrats
nettoyés
de
cette
façon
ont
une
meilleur'e
adhésion.
Pour
effectuer
la
prépulvérisation, on masque les substrats et on polarise la. cible. Pour éviter que
les. impuretés issues du nettoyage de la cible viennent polluer les couches
'"
pendant le dépot, on désa.morce le plasma, on r'efait un pompage jusqu'à obtenir la

---

- 14 -
"'-
pression limite. Ch peut alors prDcède: aU dépot, en déma!':quant les s.ubstra.ts
après avoir réir,tr·c,duit une c.ression d'argon convenable. Dans. le ca.s· des. dépôts
de nitrure de
titane on introduit d/abord dans l'enceinte la pr'ession d'azote
,/oulue avant l'amorçage du plasma. Les ec"a.nhllon:; étarlt posés s·ur un four, nous
pouvons effectuer des dépôts a différentes
températur·es. Les gaz que nous
utilisons sont de haute pur'eté 9'7',998 % pour l'ar'gon et l'azote.
3.5- HESURE DE L'EPAISSEUR POUR LES DEPOTS DETENUS PAR TRIODE:
Cette me·:;ur·e est effectuée il l'aide d'une balance il quartz placé
"-
sur· le meme plan que les substr·a.i'=.
Celle-ci mesure le carré de la fr'équence propr·e du quartz qui est
inversement proportionnel il sa masse
f2 -..E. i
-m
1.17\\1J
avec F la force de rappel par unité de s.ur·face
m la masse du quartz.
Si nous déposons une couche mince sur le quar'tz, sa masse
augmente de Llm et la fréquence
du quartz varie de Llf de telle sorte qu'on a :
,A.insi la variation r'elative de la fr'équence propre du quartz est une
fonction linéaire de la masse déposée donc de l'épaisseur.
Le quar·tz que nous utilisons est protegé par un blindage à la
masse.
L'épaisseur'
est
lu
directement
sur· le
quar·tz
gr'~ce à un a.fficha.ge
digita.lisé.

---

-
15 -
1. 4 - TECHNIQUES D'ETUDE DES COUCHES DEPOT
4.1 - ETUDE PAR HICROSCOPIE ELECTRONIG.UE
1 a) - Récupér'ation des. couches
.A
Après dépot, les films sont détachés de leur' support de façon cl les
observer
au
microscope
électroniquE.
Les couches
déposées
sur
Nacl
sont
décollées par' dissolution dans l'eau puis sont récupérées sur des grilles. Celles
déposées sur des supports métalliques sont beaucoup plus difficiles cl détacher.
Suivant
lE
suppor·t,
les
solutions
utilis.ées
sont
différentes..
Les
couches
déposées sur· du cuivre sont décolléES dans l'acide nitrique additionné d'acide
chlor'hydrique en quantité faible
(quelques gouttes d'acide chlorhydrique pour
25ml environ d'acide nitrique), tandis que celles déposées sur le mol;tbdène, dans
l'acide ni trique pur.
Les dépôts préparés sur' le tantale sont décollés dans une solution
d! acide fluorhydrique auquel on ajoute 30 % envir'on d'acide ni trique.
Les couches détachées sont rincées plusieurs fois dans l'eau
distillée avant de les r'écupérer sur des grilles microscopiques.
1 b) - Observations en microscopie électr'onique
En fond clair, l'image est obtenue, en arrêtant les faisceau>:
diffr'actés de façon que l'image finale ne soit formée que par le faisceau direct
tr·a.nsmis. Ce type d'observation nous pH'met d'avoir des informations sur l'aspect
général de
la couche, sur· ses défauts et nota.mment en ce qui concernE sa
continuité.

---

- 16 -
L'imaJ;)e en fond noir' est formée ~)ar' le':: Ë'ledr·ons contenu,=. dans le
faisceau dIffract~. On l'obtient en sélectionnant à
l'aide
du diaphra.gme
de
,:.élection un point hkl du diagramme de diffraction.
CeHe i:ecilf',ique permet de visualiser les grains dans lE's
differ'entes orientations permettant dJévaluer' leur taille.
Le diagramme de diffr'action permet de déterminer' lJor'ientation des
échantillon,::
ainsi
que
leur'
structure
par
l'intermédiaire
de
leur'
paramètre
cr'i,=tallin.
D'aor'ès la construction d'E1,..)AlD, le diagramme de diffraction est
donné par IJintersection du réseau r-éClpr'oque
par un plan perpendiculaire au
faisceau
incident
et
passant
par
l'origine
du
r-èseau
r'éciproque.
Seuls
le':
faisceau>:
obéissant
ci la condition de
BRAGG participent ci la
formation du
diagramme de diffraction.
La condition de BRAGG sJécr'it :
2 dhKlSih B =.1
(d hKl e-st la distance entl"'e le':: plan; atomiques hkl, .lest la longueur dJonde du
faisceau électronique). Si IJéchantillon ci analyser' est polycristallin, le diagramme
de diffl"'action est formé dJanneau>:, la mesure des diamètr'es des anneaux nous
permet de déterminer d hKl sachant que dhKl D = 2.1L.
(.1l est une constante du mIcros,cope, D le diamètre de lJanneau).
Nous avons mesuré les diamètr'es des anneau:< au compar'ateur par
pointé. La technique consiste à ba.layer les anneau>: de diffractions SUIvant un
diamètre et ci mesurer le diamètre correspondant au ma:<imum de l'intensité. la.

---

-
17 -
va.leur retenue est la. moyenne de plusieurs mesures. Par cette méthode l'err-eur
sur les mes·ures est de 0.02 mm.
Le titane est he:-;agona.l compact à la températur·e inférieure ci
t:OO 0 C. Ses paramètres cristallins sont:
c·
(>
a = 2,950 A
C = 4,6t:6 A
a
La distance d h KI =
V&;(h:t + k.t +hk) + IJt
r
A :::OO~C, on obtient la phase
1 cubique
à faces centrées de
paramètre cristallin a = 3.32 A.
Le nitrur·e de titane de for·mule TiN est cubique à faces centrées.
o
a
Son paramètre cristallin est a = 4,24 A, la distance interr·éticulaire d hKl = -;-:-==---= (J..
\\fR'+k"t/ 2,
Il e:-:iste une a.utre phase de nitrure de titane de formule Ti 2 N qui cristallis.e
dans le système tétragonal de paramètres cristallins:
o
0
a = 4,9452 A ; C = 3,0342 A
Détermination de la constante .IL : Cette constante est déterminée en utilisant un
étalon constituté par un film d'or mince. Ce film dlor· est récupéré sur une Drille
microscopique portant la couche de titane ou de nitrure de titane. Le diagramme
de diffraction obtenu montre à la fois les anneau:.: de l'or et du titane au du
nitrur·e de titane. Les anneau:.: de l'or qui appara.issent correspondent au:.: plans
(111) ; (200) ; (220) ; (311)
. La mesur·e des diamètres des anneau:·: de l'or·
qui appa.raissent sur· le cliché nous a permis de déterminer
.1 L pour chaque
obs.ervation.

---

-
18 -
un peut
des- diamètr-e-,; avec une erreur- .je 0,02 mm nous a oerrnis de déterminer la maille
crist",lhne avec une précisio'l int€rieure
a_ 1,5 %0.
4.2 - !'1ETHODE DE DETERto1IN ..c..TION DU PARAHETRE PAR R,o.YONS x
Les r-aies diffractées suivant l'angle de BRAGG sont enregistrées
Dar un compteur du type GEIGER HULLER. Ce compteur est placé de façon à
recevoir les rayons diffractés par- l'échantillon sous l'angle 28.
Nous avons utihsé comme faisceau de rayons X, la raie Ko( du cobalt
de longueur d'onde .1 = 1,79026 A. La relation de BRAGG 2d hl-<1 sin 8 =.1permet de
déter-miner les distances inter-r-éticulaires dht-<l' La connaissance de dhkl nous
permet de déduir-e la maille cristalline à partir- des e:{pressions (1) et (2). Nous
s-upposons
que
la
déformation
du
support
est
négligeable.
Sur
les
diHractogr-ammes on repère d'abor-d les clics du support qu'on prend comme étalon.
Les pics du titane ou du nitrure de titane s-ont donc repérés par rapport à ceU}: du
s-upport. L'erreur commise sur la me=ure de 28 est d'envir-on 0,05 et l'erreur sur-
la maille cristalline est environ S'o,~_o.

---

-
19 -
e- PRIMAIRE
e- AUGER
c
B
A
figure .()
primipe de l~érnission Auger

---

-
20 -
LI· ')
- TECHNIG.UE D'OBSERVATION PAR SPECTROMETRIE
AUGER
composé essenhellement de trois partles : une s·ource Dour l'e:citd.h'::.n pr'imaire,
l'échantillon à analY'ser' et un analyseur. On utilise comme sour·ce d'énergie pour'
lDnis.er un atome un faisceau d'électrons. L'a.nalyseur· est du type CHP-, (a.nalyseur
il,
mir'oir
cylindrique).
Nous
disposons
également
diun
canon
il.
ions
d'ar'gon
permettant le décapage de l'échantillon. L'échantillon à analyser est supporté par
un porte objet qui permet de le positionner SOlt devant l'analyseur soit en face du
canon ci ions selon l'opération que l'on veut eHectuer. Le dispositif est muni
également d'un écran vidéo afm de visualiser l'image for'mée par les électr'ons
A
Le support de l'objet peut etr'e chauHé par eHet Joule. un
thermocouple fi>: e sur· le por·te
13. tempéra.ture de
l'échantillon.
Le vide, dans. l'enceinte
pompage composé d'une pompe
piège refroidi ci l'azote liquide puis d'une
La compos.ition du gaz
A
résiduel de l'enceinte ,t..l.JG8:P 1?,,1 d?terminée grace ci un spectromètre Auger,
PRINCIPE DE PROCESSUS .A,UGER
Le pr-incipe de l'émission Auger consiste à ioniser un atome en le
bombardant par des électrons primaires (figure 6). Un électron d'un niveau A, est
....
éjecté,
et
laisse
un
trou qui
peut-etre
occupé
pa.r
un
électron d'un
niveau
supérieur B libérant une énergie E A - EH' La proba.bilité pour que cette énergie
apparaisse sous forme de photons X est faible, il est donc plus probable que cette
énergie soit cedée ci un autre électron d'un niveau C qui acquiert une éner-gie

---

-
21 -
e-Auger
e- Auger
e-primaire
Figure 7.a
Figure 7.b
transitions correspondant aux pics Auger du titane
observés à 382 eV et 418 eV
e- Auger
---t---....3il!:..1iIL---- '1 L 3
z
j
K
Figure 7.c
transitions KL
L
correspondant auX pics Auger
2 3
2 3
de l'azote observés à 387 eV

---

-
22 -
Les pics p.u1;)er du tit3.ne sont observés il. 3:::2 eV et à 41::: eV. Ils
7a et b) et l'énergie cinétique de l'électron ;',uger da.ns cha.que cas· e=t donnée pa.r •
E
= EL':' - E k1 ,;,-, - E;"1~' .-, - <D
c
_,
j '
~O
,. _0
' -
~
OJ
4>
i~è pl-éb€nt-e
Icl [-'one I-;on
et
.1 rq Vd i i de Sor he de 1iq (la 1Y'.) 0.) r.
Les pics Auger de l'azote observé à 3:::7 eV correspondent à la
transition KL 23 L 23 (figure 7.c) l'énergie cinétique de cet électron Auger' est
niveaw: li: et L 23 •
La distribution des électrons ,A,uger' N Œ) peut-être enr'egistrée en
fonction
de
leur
énergie
cinétiqUE
E.
Les
pics
observés
permettent
alor's
d'identifier les différents éléments présents à la surface de l'échantillon.
Souvent à cause de la faible inter,sité des électrons A.uger en N (E)
les pics Auger sont difficiles à obser·ver. On enr'egistre alors la fonction
EdN (E)
dE
pour· améliorer la sensibilité de la technique.

---

CHA PIT R E
II
OBTENTION ET STRUCTURE DES COUCHES DE TITANE
ET DE NITRURE DE TITANE

---

- 23 -
. .. .
~
Tableau n° 1
"
Conditions de dépôt
Couleur de la couche obtenue
1
Po
= 1.10-6 T
1
P
gris
N = 8.10- 4 T
2
-3
P
= 2,5.10
T
t
-6
Po
= 2,5.10
T
P
gris argenté
,.l
N = 5.10-5 T
2
1.10- 3 T
Pt
Po
= 3.10-6 T
,
"
PN = 3.10-4 T
2
-4
P
= 7,5.10
T
t
Po
2.10-5 T
P
8.10-5 T
marron
N2
P
= 1.10-3 T
t
Po
5.10-6 T
P
bronze
N = 2.10-4 T
2
p
= 3.10-3 T
t
,
!
Po
1.10-6 T: PC)
= 1.10-7 T
j
8.10-5
.
-3
j
PN =
T::;0,8.10
et
jaune or
2
2.10- 3 T
~i,
1.10-3
5.10- 3
.
"
Pt
T
Pt =
T
.

---

-
24 -
II. 1 - CONDITIONS D'OBTE NTlON DES COUCHE S DE TITANE ET
DE NITRURE DE TITANE
Nous avons prépar-é des couches de titane de structur-e he>:agona.le
après avoir recherché les conditions de vide limite convenable. Ces conditions ont
été
obtenues
après
un
étuva.ge
pendant
trois
heures
à
300" C
environ
de
l'enceinte et ses constituants. Nous avons remarqué que pour des pressions
inférieures
à la pression limite (1.10- 6 Torr), les couches obtenues avaient une
structure anormale, da.ns ce cas elles présentent une structure c.f.Co De m~me la
recherche des conditions appropriées pour obtenir la couleur jaune or du nitrure
de titane cubique à faces centrées a nécessité plus-ieurs essais. La couleur jaune
or, caractéristique du nitrur-e de titane ayant une bonne stœchiométrie dépend du
vide initial et des pressions partielles d'azot~ et d'argon. Le tableau (1) montre
les résultats obtenus sur la couleur des couches en fonction des conditions de
préparation. Dans ce tableau Po désigne la pression résiduelle, P N2 la pression
partielle d'azote P A~ la pression partielle d'argon, puis Pt la pr-ession totale.
Comme on peut le voir sur le tableau, la couleur jaune or ne se maintient pas si
les conditions du vlde initial ou des pressions partielles d'azote ou d/argon ne
sont pas respectées. Nous avons obtenu des couches de nitrure de couleur jaune
or pour des pressions totales de
l.iO- 3 Tor-r et 5.iO- 3 Torr
)
des pressions
...-
d'azote respectivement égales à :3.10- 5 '\\01'1' )
O,8.iO- 3 Torr et 2.iO- 3 Torr.

---

-
25 -
II. 2 - STRUCTURB DES COUCHES PREPAREES PAR
PUL VERISA TION CATHODIQUE MAGNETRON EN RADIOFREQUE NCE
2.1 - COUCHES DE TITp.NE
o
0
Des couches de titane d'épaisseurs a.llant de 600 A à 2000 A ont
été déposées par pulvérisation cathodique magnétron en radiofréquence sur des
supports de
Nacl,
molybdène, tèntale, cuivre, sous une
pression d'ar·gon
de
5.10- 3Torr. La puissance radiofréquence utilisée est de 900 W, ce qui donne dans
o
le cas du magnétron une vitesse de 10 A / h
. La température mesurée pendant le
~
0
d épot est de 52 0 C pour des couches de titane d'une épaisseur de 600 A préparées
sur des supports métalliques et de 85 0 C pour· les couches déposées sur Nacl.
al Etude par diHraction Electronique
Les diagrammes de diffraction des couches de titane d'épaisseur
o
600 A déposées sur Nacl, cuivre, molybdène présentent d.es annea.u>: continus
(figure :;:l. Il n'y a donc pas d'orientation préférentielle.
Dans le tableau n° 2.a, nous avons porté les mesures des
paramètres de la maille cristalline. Dans ce tableau, e représente l'épaisseur de
la couche,
.1L la constante du microscope, d le diamètre mesuré, a et c les
para.mètre·s mesurés, a, c les paramètres moyens mesurés, h, K, l les indices de
l'hller. Tous les films e:<aminés sont constitués par la phase
0\\ he>:agonale
compacte du titane.

---

-26-
Tableau n° 2 a
DetFrmination de la maille cristalline du titane obtenu par magnétron
°
°
dépôt / support
e
À L(mm.A)
d mesuré (rrun)
hk1
a(fI)
a(,11 )
°
c(fI)
ëUd
25,08
010
a = 2,945
-
27,60
002
c = 4,636
a = 2,934
°
Ti / Nacl
600 A
31,991
2B,21
Oll
c = 4,95B
ë = 4,797
43,74
llO
a = 2,924
24,71
010
a = 2,965
28,40
Oll
c = 4,558
a = 2,957
Ti / Mo
- .. -
31,721
1
43
llO
a = 2,950
ë = 4,605
50,B1
ll2
c = 4,653
24,B2
010
a = 2,959
27,09
002
c = 4,708
28,20
Oll
c = 4,780
a
/ cu
31,786
= 2,954
Ti
- .. -
.
36,73
012
c = 4,706
c = 4,720
,
43,10
llO
a = 2,950
51,51
201
c = 4,687

---

-
27 -
Nous remarquons que pour des couches de titane prtiparées sur
Nad, le paramètre c est plus grand tandis que le paramètre a est plus petit que
celui de la phase massive. En ce qui concerne la couche prép:irée sur molybdène, le
paramètre c est plus petit et pour celles préparées sur cuivre, il est plus grand
que celui du massif, le paramètre a est constant dans les deux derniers cas.
b) Etude par rayons X
Les mesures des paramètres par rayons X pour des couches d'une
o
épaisseur de 2000 A préparées sur molybdène, cuivre et tantale sont présentées
dans le tableau n° 2b. e étant l'épaisseur du dépot, 2 B l'angle de Bragg mesuré,
hkl les indices de Hiller des plans réticulaires, a et c les paramètres mesurés et
a et c les paramètres moyens. Les résultats obtenus montrent que le paramètre c
est plus grand que celui de la phase massive.
Dans le cas des dép(;ts préparés sur cuivre et tantale, on peut
noter que le paramètre a est plus grand que le paramètre de la maille cristalline
du titane massif.
Le par'amètr'e c, a donc en général une valeur plus grande que la
valeur correspondante dans le titane massif. Cette tendance a déjà été rapportée
dans le cas des films minces produits par pulvérisation réactive et peut ~tre
interprét~ comme résultant d'une incorporation d'atomes d'impureté pendant la
croissa.nce. En effet si on recuit ces couches le paramètre se rapproche de sa
v a.le ur nor male.

---

- '~: '':!.::?- ~.:. '~''''--~-::-o:~r~ ,-,'.-'~
"',';~;'0>2'~j:~~~'7~'"~<:-i~F.'~'-''''' ,,- ~ ,.."..,~.~ -" -' "7:~:- ,-'
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°
°
dépôt / supfXlrt
e
'. 2 a . mesuré
hk1
1
a(A)
a(A)
' . ;
.
.'-.'
°
°
c(A)
ë(A)
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.1
a = 2,957. '"
-
- -
a = 2,957
°
Ti / Mo
2000 A
44°75
002
1
c = 4,702
-
c = 4,714
62°
012
c = 4,727
aJ
N
40°75
010
a = 2,968
a = 2,968
Ti / cu
44°75
002
c = 4,702
ë = 4,713
46°70
OU
c = 4,725
40°85
010
êl
= 2,960
a
2,968
Ti / Ta
-
46°80
OU
c = 4,723
c
4,717

---

-
29 -
:2, ~ - COUCHES DE NITRURE DE TITANE
-
d'
t
P
0,'.-.-:.10- 3 Torr-.
A - Avec une presslOn
azo e
N2 =
En vue de l'étude par microscopie électronique, des couches de
o
nitrure de titane d'une épaisseur de 500 A ont été préparées sur des =-upports de
Nad, molybdène et cuivre à une
pression totale de
5.10- 3 Tor-r, la pression
d'argon étant de 4.2.10- 3Torr et celle d'azote de O,:;:.10- 3 Tor-r. La puissance
radiofréquence de 500 W nous a permis d'obtenir des vitesses d'évaporation de
o
l'ordre de 120 A/mn. La température des supports métalliques mesurée pendant le
dépot est de l'ordre de :::2°C.
Les diagr-ammes de diffr-actions obtenus présentent des anneau>:
continus (figure 9.al. Il n'y a donc pas d'orientation préférentielle. Tous les
anneau>: qui apparaissent appartiennent au nitrure de titane C.F .C. comme on peut
le voir par comparaison avec le diagramme théorique (figure 9.bl.
Le paramètre a été mesuré en utilisant comme étalon inter-ne une
couche mince d'or. Les résultats des mesures obtenus dans le cas d'une couche de
nitrure de titane sur Nad, molybdène et cuivre sont présentés dans Je tableau n°
3 et 4.
Nous avons déter-miné la variation relative du paramètre~ où, a
étant le paramètre théorique,
Lla la différence entre le parcimètre mesuré et le
paramètre théorique. 11 y a dila.tation si Llcl est positive et compression si Lla est
négative. Les résultats obtenus montrent une dilatation de réseau, quel que soit
le support pour les couches préparées sur molybdène.
E - Avec une pression d'azote: P N2 = 2.iO-3 Torr
Nous avons préparé des couches de nitrure de titane d'épaisseur-
allant de 350 Xà if sur des supports de Nad, molybdène, cuivre et tantale sous
une pression d'argon de 3.10- 3 Torr. Les températures mesurées pendant le dép;t

---

-30-
Tableau n' 3
Détermination de la maille cristalline du nitrure de titane obtenu par magnétron
.
.
dép:,t / suppor t
e
ÀUITVTl.A)
d mesuré (rrm)
hkl
a(Al
a(Al
dilatation
.. et PN2
TiN / Nacl
27,07
III
4,311
500 ·
A
33,695
31,75
200
4,245
4,282
0,9 %
1
3
PN
T
44 .. 40
220
4,290
2 = O,8.10-
27,75
111
4,258
350 ·
A
34,110
32,15
200
4,243
4;250
0,2 %
TiN / Nacl
45,40
220
4,250
-3
= 2.10
T
27,60
111
4,287
PN 2
500 ·
A
34,157
32,05
200
4,262
4,280
0,9 %
45
220
4,293
TiN / Mo
27,41
III
4,375
~I "b~\\1. j:ï ~
500 ·
/~\\ ;;----
A
34,622
32,46/",
200
~~ 4,297
1,3 %
L·
'
~'"
3
O,8.10- T
46!Q6( \\ ~ n''226>'" \\1.8 ""1 2'~
PN 2 =
4,252 0
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~
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23\\;0\\
4,267. ~
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TiN / Mo
27
'")
1~8r
""-20(:)-
-.....:. :' ''-I,ot '\\
"---
... ~
500 ·
A
28,947
38,32
220
4,273
4,272
0,7 %
3
PN
T
45
311
4,266
2 = 2.l0-
47
222
4,267
1

---

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"
...
---C-'~'~~P"'· Tableau·'-n"-4="'-··- -
.'- . -.,..-
Détermination de la maille cristalline du -ni;tnl,li.~9~,~-~tane·.obtènu.par magnétron
-,
.
0
dépôt / support
e
AL (mm.A)
d mesuré (mm)
hkl
a(A)
arA)
dilatation
et PN
ou
2
comoression
TiN / cu
26
Ù(
. 4,23~.
•
'.
~<l, .:.~. .:-
... _ .• _ .....:_::_ •
...l
_.:.. •.-;--.
. .. --
-_ ....
- _._-- - --4-: -'
-,'
---
-
.... - -
0
': ~-oo:
~
500 A
31,792
29,75
4;274 .
4,263
0,5 %
-3
PN
= 0,8.10
T
42
220
4,282
2
27
111
4,304
350 A
33,549
31,50
200
4,260
4,278
0,8 %
...,
TiN / cu
44,42
220
4,270
-3
PN
= 2.10
T
27
Hl
4,30~
2
500 il
33,555
31,50
200
4,260
4,285
l %
44,21
220
4,293
,
27
Hl
4,257
1
500 .;
33,185
31,52
200
4,21~
4,229
-0,2 %
1
i
1
1
:2 • .l0-3~
,"
::::.n
.,
,
~
-'
220
4,21 '7
l:~2

---

-
32 -
sur des supports métalliques varient entre :::7°C et 165°C pour des épaisseurs
r
var·iant de 350 à
Les figures (10 a et b) montrent les diagrammes de diffraction
o
obtenus avec
une
couche
d'une
épaisseur
350 A sur
Nacl et sur cuivre. Le
diagramme obtenu sur Nacl présente des points et montre que les cristallites
sont orientés de telle sorte que leur plan soit parallèle à la surface du support,
ils sont en épitax ie sur ce support. Le diagramme du TiN déposé sur le cuivre
montre des anneau:< continusl il n'y a pas donc d'orientation préférentielle. Nous
avons également noté une tendance à la croissance épita}:ique du nitrur·e de titane
sur les supports de molybdène.
Les résultats des mesure:· des paramètr·es obtenus pour des
couches de nitrure de titane sur Nacl, molybdène, cuivre et tantale sont présentés
dans les tableau}:l3)et(4~
La structur·e des couches de nitr·ure de titane d'épaisseurs
o
supérieures à 1000 A est déterminée par r·ayons X. Le tableau n° 5 présente les
résuli:ats obi:enus sur· les mesures des par·amètres. Généralement on obser·ve une
d ila ta. tion de la ma.ille cristalline.
Des récents i:ravau:< [23J ont montré que la dilatation de la maille
cr·istalline
observée
dans
les
couches
de
nitrure
de
titane
préparées
par
pulvérisation cathodique pouvait être causée par trois principau>: phénomènes
- la. différence des coefficients de dilatation thermique entre le substr·a tei: la
couche de nitrure de titane.

---

-33-
Tableau n" S
Détermlna"ion de la maille cristalline du nitrure de titane obtenu par magnétron
"
dépôt / support
e
20 mesuré
ilU
a(A)
a (,0\\)
dilatation
et PN 2
42" 30
111
4,29,)
"
2000 fi
4,26S
O,S %
Sa"
200
4,236
"
TiN / No
3000 A
49" 70
200
4,260
4,260
0,4 %
l'N
~ 2 10- 3 T
42"GS
111
4,2(;2
l · ·
lI"
SO"
200
4,236
4,262
O,S %
72" 30
220
4,290
42"SO
III
4,277
- -
"
2000 fi
SO"lO
200
4,220
4,253
0,1 %
TiN / cu
13"
220
4,255
"
3000 fi
42" 35
III
4,292
4,292
1,2 %
3
PN
= 2.10-
T
42"70
111
4,258
2
_ ..
Ij-'-
49"80
200
4,252
4,250
0,4 %
72"80
220
4,266
42"SO
111
4,276
°
2000 A
4,264
0,5 %
49"80
200
4,252
TiN / Ta
42° 40
111
4,286
"
3000 fi
4,261
0,4 %
3
PN
= 2.10-
T
50°
200
4,236
2
42"75
Hl
4,253
l u..
4,2S4
0,3 %
1
49°75
200
4,256

---

-
34 -
- l'incorporation de l'm:ygène en position substitutionnelle.
- l'incorpoi"'ation dE' l'azote entrE' les sites tetra édriques dE's atomE's du titane.
1\\
Dans nos conditions e:<périmE'ntalE's, lE's températures de dépot
sont de l'ordre de 100°C, la difference entrE' les coE'fficiE'nts de dilatation du
nitrurE'
de
titane
et
des
suppurts
utilisés
(de
l'ordre
de
3.10-6 °C-1)
E'st
négligE'able, on peut donc éliminer la prE'mière hypothèse.
Le rayon de covalence du site tétra édrique des atomes de titane
E'st de l'ordre de 0,43 A, en comparant avec le rayon de covalencE' de l'azote (0,70,[\\)
il est possible qu'avec des vitesses de dép'bts au>:quelles nous avons opéré,
l'azote force dans un site tétra édrique
et dilaterait le réseau cristallin du
nitrure de ti tane.
o
Compte tenu du rayon de covalence l'm:ygène (1,32A) l'm:ygène en
position substitutionnelle pourrait aussi causer la dilatation du réseau cristallin
du nitrure de titane.
II. 3 - ETUDE DE LA TAILLE DES GRAINS DES DEPOTS
DE TITANE ET DE NITRURE DE TITANE
L'anal y se microscopique des couche s de titane obtenue s sur
différents supports révèle que les couches sont continues, sa.ns por'es apparents.
o
Les couches d'épaisseurs inférieures à 1000 A préparées sur les supports de
cvivre
présentent une forte rugosité que l'on ne retrouve pas sur les
supports de Nacl et molybdène.

---

-
35 -
L'observation microscopique montre que les couches de nitrure de
titane préparées sur Nacl et tantale sont continues, sans por-es apparents et
qu'elles présentent une faible rugosité. Pa.r contre les couches déposées sur
molybdène et cuivre
montrent des fissures
pour des faibles
épaisseurs. Ces
o
fissures disparaissent pour des couches d'épaisseurs supérieures a 2000 A.
NDUS n'avons pas observé de rugosité pour les couches préparées sur molybdène,
par contre celle~- déposées sur cuivre présentent une forte rugosité jusqu'à une
épaisseur de Y-L .
La taille des grains a été déterminée par observation
microscopique en fond noir. Les résultats obtenus sur les couches d'épaisseurs
appropriées pour ces e:<amens sont regroupés dans le tableau n° 6.
Nous n'avons pas remarqué de différence notable dans la taille des
Â
_
A
gra.ins suivant le type de dépot Ti ou TiN ou suivant les conditions de dépot ou la
nature des supports.
II. 4 - STRUCTURE DES COUCHES PREP...\\REES PAR
TRIODE EN COURANT CONTINU
En vue de l'étude de leur struc:ture. des couches de titane d'une
"
épaisseur de 500 A, ont été préparées par pulvérisation cathodique triode en
j\\
courant continu sur des supports- de molybdène et cuivre. Les conditions de dépots
étaient les suivantes:
- Pression d'argon 1.10- 3 Torr
':>
- Vitesse de dépot 90 A/mn
- Tension anode 60 V

---

- 36 -
- ~...
1
'1
1
.\\::.
Tableau n° '6
dépôt / supjX)rt
température
épaisseur
taille des grains
et PN 2
<A)
0
Ti / Nacl
600 A
100 ~ q, ~ 200
0
,t
Ti / Mo
5r C
600 A
60 ~ cP ~ 100
0
Ti / cu
600 A
500 i Ji
,
\\1: 1 :{.(;,:
th· l
'.ç
:..,
"
TiN / Nac!3
o ..
PN
= 0,8.10
T
500 A.
2
o ..
TiN / Nacl
350 A
: ~ " '.~':::
-3
0
PN) = 2.10
T
500 A
30 ~ C\\' ~ 160
1
TiN / Mo -3
o
PN
= 0,8.10
T
500 A
2
60 ~ et ~ 180
TiN / 1\\1~3
o
PN
= 2.10
T
1010 C
500 A
2
80':;;; et> ~ 160
TiN / cu -3
o
l'N) ... n,U.lO
'l'
or c
500 1\\
50 .~ et) .~ 60
;
TiN / C~3
o
:j
500 A
100 ~
PN
= 2.10
T
cP ~ 500
2
1
.. ;
!
TiN / Ta
!
o
1
PN
= 2.10- 3 T
2
500 A
30 ~ ~ ~ 50
. "
, , •• J,.
. "".,1 1 .:.

---

-
37 -
- Courant anode 12 A
•
- Courant de chauffage du filament 3~: A
- Polarisation cible - 1500 V
- Courant cible 190 m A
4. 1 - COUCHES DE TITANE
L'étude par micr·oscopie électronique montre que les couches sont
o
continues avec des grains dont la taille moyenne est de 60 A.
Les diagrammes de diffraction obtenus sur des couches de titane·
préparées sur molybdène et cuivre présentent des anneau>: continus. Il n'y a donc
pas d'orientation préférentielle.
Les résultats obtenus sur la mesure des paramètres sont
présentés dans le tableau n° 7. Nous constatons que pour les couches préparéesl
le
paramètre
a diminué
pa.r rapport
au
paramètre
théorique,
tandis que
le
A
paramètre c augmente. Cette augmentation est du me me ordre de grandeur que
dans le cas du Ti préparé par magnétron.
4.2 - COUCHES DE NITRURE DE TITANE
Nous avons prépar·é des couches de nitrure de titane d'épaisseur·s
o
0
allant de 500 A à. 2500 A par triode sur des supports de cuivre et molybdène en
vue de l'étude de leur structure soit par microscopie, soit par rayons X. Les
conditions de préparation étaient les suivantes:
- Pression totale: 1.10-3 Torr
- Pression d'azote : ~:.1 0 -5 Torr
- Pression d'a.rgon : 9,2 10-4 Torr
- Tension anode: 60 V

---

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a = 2,932
a = 2,932
o
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500 A
29,200
25,90
011 1
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c = 4,788 1 c = 4,788
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23
010 1
a = 2,944 1 a = 2,944
Ti / cu
.,29,325
26
011 1
c = 4,797 1 c = 4,797
co
r"'"l

---

-
39 -
- Courant anode: 9 A
- Courant de cha.uffage filament: 34 A
- Polarisation cible: - 1000 V
- Courant cible: 140 m A
p
- Vitesse de dèpot : 25 A/mn
Les microgr'aphies électroniques
montrent que les
couches sont continues. On note la présence de quelques fissures. La taille
o
moyenne des grains est d'environ 100 P.• Les diagrammes de diffraction obtenus
sur
des
couches
de
nitrure
de
-titane
préparées
sur
molybdË'ne
et
cuivre,
présentent des anneau>: continus. Il n'ya donc pas d'orientations préférentielles.
La mesure de la maille cristalline a été effectuée à partir des
diagrammes de diHractions. Les résultats sont portés dans le tableau n° ~:.a.
Nous avons également effectué par rayons X des mesures de
((1
paramètre cristallin pour des couches d'une épaisseur de 2500 A déposées sur
tantale et molybdène. Les résulta.ts so:Jnt présentés dans le tableau n° :::. b.
D'après les mesures de la. maille cristalline nous constatons comme
dans le cas des
"
dépots par magnétron cIne dilatation de la maille, ceHe dilatation
À
est du me me ordre de grandeur que dans le cas des dépots par pulvérisation
triode.

---

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Détermination de la maille cristalline du nitrure de titane obtenu par triode
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Hl
4,295
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500 A
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PN
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T
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4,256
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o
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39
220
4,234
23,70
Hl
4,267
TiN / cu
500 A
29,200
27,50
200
4,246
4,266
0,6 %
-5
PN
= 8.10
Torr
2
38,50
220
4,287

---

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''''~~''';'~~Wt:~;:':'l'ableauc n° 8b
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.. ~:- ,~-.<;>~~;>~~~~~~'"..'"~~
Détermination de la maille cristalline du nitrure de titane obtenu par triode
"j,~iik~1~~~1~;:;~':,,::X":~-;-;, .
:-~::~~,h:
.. v:,1.}~'·
°
o
dépôt / support j e '
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a(A)
dilatation
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2
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TiN / Mo
.49°50
200
4,276
o
2500 A
4,283
l
%
-5
PN
= 8.10
T
.:;,_''';.72 0 30
220
4,290
2
~
~.\\',: .
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-~01
.',
4,210
,
Hl
.
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TiN / Ta
'.'''':49°50
200
4,276
4,255
0,3 %
-5
~':?~~~"
-
1
PN
= 8.10
T
2
1
72°50
220
4,279
..-i
~

---

---

-
43 -
Flgure 8
Figure 9.a
Figure 9.b
Figure lO.a
Figur~ lO.b

---

-
44 -
II. 5 -- OBSERVATIOn DE LA SURFACE DES DEPOTS PAR
SPECTROHETRIE AUGER ET PAR SPECTROSCOPIE DE PHOTOELECTRON X cers)
Nous avons effectué des analyses P.uger sur différente; couches
de nitrure de titane. Les analyses Auger ont été effectuées avec une énergie
primair-e des Electrons de 3 KeV. Cette anal'l=e Auger rnontr-e en général et
quelque soit les conditions de préparation la présence en surface du carbone et
d'O}:ygène. Un e>:emple de spectre obtenu sur une couche de titane =ur cuivre est
montré (figure n°,l"). Il présente un pic de carbone à 272 eV, deu>: pics de titane à.
3:32 eV et 41:3 eV puis un pic d'O}:ygène à 5iO eV.
Pour des analyses par XPS, nous avons utilisé des photons X
d'énergie h Y = i486,6 eV. Nous avons analysé des couches de titane et de nitrure
de titane préparées par magnétron et par' triode sur- molybdène. La figure n° 12..
a
présente le spectre obtenu sur une couche de titane d'épaisseur 2000 A. on
observe quatre pics de tita.ne 25 (56::: eV), 2p (460 eV), 35 (60 eV), 3p (35 eV), deu;{
pics d'O}:ygène 15 (534 eV) et 2s <2i eV) puis un pic de car·bone C is (2:::7 eV)'
La figure n,;A3.montre le spectre d'une couche de nitrure de titane
d'une épaisseur de 500 A. Il présente un pic d'm:ygène 1s à. une énergie de liaison
de 535 eV, quatre pics de titane 25 (566 eV), 2p (460 eV), 35 (60 eV) et 3p (35 eV),
un pic d'azote is (400 eV) et un pic de carbone à 2:::7 eV.
Nous avons déterminé les concentr-ations par mesure des air'es des
pics, sachant que l'intensité du pic l = C. v

---

-
45 -
C représente la concentration et Cf le facteur de sensibilité
atomique pour XPS est donné[25~ Le tableau n° Sc présente les resultats. obtenus
pour les couches de nitrure de titane préparées dans différentes conditions.
Les ré sulta ts obtenus par ;\\UGE R ou par X P5
montrent que les
couches sont fortement contaminées en surfa.ce par le carbone et l'o:<ygène.
Compte tenu de la gr'ande réactivite du htane vis-a-vis de l'o:<ygène, on peut
penser qu'il e>:iste une couche superficieile d'o:<yde ; ce qui est conforme avec les
déplacements du pic
ete. f-; ~àn~ (Ti 3pl dans les spectres X PS
du nitrure de
titane.

---

-
46
-
)
- .......------....-
"J
~.
(j)
::J"
o
~
o
o

---

-
47 -
{.t
i h-----------.-----..-------------------....::"
1
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V'
o
VI
r;-
o
L=-=========-
. .~t.0
_ _
---::::==o--~
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N
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o

---

-
48
-
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w
~s::--=::;=====~z.
;:..
I:r
w_
0"> •
o

---

- 49 -
",
.,
.; .'
:{
~
Tableau nO, 8c
Détermination des concentrations dans les couches d'e nitrure de titane
conditions
épaisseur
concentration (%)
r apport Ti 1 N',
de dépôt
1
ri
Ti (19,2 %
o
Pt = 1.10-? T
1500 A
0
(25,6 %
0,74
c
t'Ni = 8.10-:> '1'
c
(29,4 %
N
(25,7 % )
Ti (21,7% )
0
(24,6 %
c
(27,6 % )
N
(25,9 % )
Ti (13,7 %)
-3
o
1=\\ = 5.10
T
500 A
0
(29,5 %
0,78
-3
PN
= 2.10
T
c
(38,9 %
2
N
(17,5 % )
'1
-:.'
,
"
,
f
...-~ :
l,
.." .

---

-
50 -
CONCLUSION PREHIERE PP..RTIE
Dans cette première partie de notre étude, nous avons défini les
conditions de préparation pour' obtenir des couches de titane ayant la structure
cristallographique he>:agonale normale. Nous avons vu que cette structure ne se
maintient pas ::;i les conditions de vide ne sont pas convenables .• l'incorporation
d'impuretés produisant une modification de structure qui devient cubique à faces
centrées. De m~mel nous avons détermine les conditions du vide initial et de
pressions partielles d'azote et d'argon pour obtenir un nitrure d'e tita.ne cubique à
faces centrées de couleur jaune or caractéristiquE:' d'une bonne stochiométrie.
L'ana.lyse qualitative des couches de titane et de nitrure de titane
par AUGER et X· p.S a montré que les couches conhnaient du moins en surface une
importante
quantité
de
carbone
et
d'm:ygène.
L'étude
de
la
structure
par
diffraction électronique et par rayons X a révélé que les couches de titane ont un
1\\.
paramètre en général plus grand que le paramètr'e théorique. De meme les couches
de nitrure de titane présentent une dilatation de maille cristalline quel que soit
le
mode
de
dép'b't
et
les
conditions
e:<périmentales.
Nous
avons
attribué
l'augmentation
du
paramètre
C
pour
le
titane
par
l'incorpor'ation
d'atomes
d'impure'tes. Da.ns le ca.s du nitrure de titane, la dilata1ion résulterait d'un défaut
de stcahiométrie ou d'une incorpora1ion d'impuretés.
Nous n'avons pas rE'marqué de différences notables dans la taille
A
des gra.ins en ce qui concerne les dépots de titane ou du nitrure de titane quelque
"-
soit les conditions de dépots ou la nature des supports.

---

-
51 -
Nous avons not~ une tendance à la croissance épih>:ique des
couches de nitrure de titane sur les supports de N2.cl et de molybdene. D'autr"e
part, IJanalyse microscopiquE a montre la presence des fissures pour des couches
de
nitrure
de
titane
prepar~es notamment sur molybdène. La pr~~"enc:? des
fissures pourrait ~tre a.ttribuée au>: contraintes engendree s dans le film pendant
la croissance, ces contraintes provenant de IJadaptation
"
depot-support seraient
d'autant plus grandes que IJinteraction depbt-support est forte; donc dans le cas
d'une croissance epita;{ ique.

---

CHA PIT R E
III
MESURES DE L'ADHESION DES COUCHES DE TITANE
ET DE NITRURE DE TITANE SUR DIFFERENTS SUPPORTS
~
/

---

-
52 -
MESURE DE L'ADHESION
L'adhésion est une propriné mécanique qui dépend des interactions
interatomiques ou
intermoléculaires. Dans
la
région inter-faciale,
les
force:;
d'interactions interfaciales peuvent ~tre d'origine éleetrosta tiques, chimiques ou
du type Van der Walls.
Quand un contact est réalisé entre deu>: solides sous l'effet d'une
charge edérieure PI des forces d'attraction entre les deu;< solides apparaissent
de telle sorte que tout se passe comme si les solides étaient soumis à une force
effective Pl = P'+P et P'=P l-P est la force d'a.dhésion. La force P' ainsi définie
1'-
n'est
pas
directement
mesurable
bien
qu'elle
joue
un
grand
role
dans
le
frottement des solides.
Maugis[4]et WeaverLS\\ttribuent l'adhésion au>: seules forces de
r'J
Van der Waals. Ingliesfield Lb considère dans le cas de l'a.dhésion de deu>: couches
d'aluminium, que les forces de Van der Waals jouent un r"2Jle négligeable devant
celui des for-ces à cour-te portée d'origine chimique; même dans le cas de surface
rugueuse ou les forces à courte portée n'ont d'effet qu'au:< points de contact
réels de deu>: matér-iau>:.
III. 1 - EVALUATION THEORIG.UE DE L'ADHESION
On assimile la condens-ation de la prl?mière couche métalliqu~ sur-
un substrat à l'adsorption physique des atomes d'un gaz sur une surface et on
considère des forces attractives du type Van der Waals entre la couche et son
substr-at.
1

---

-
53 -
Le potentiel d'interaction peut être mis sous la forme
Da.ns cette e:<pression, le premier terme est un terme attracijf et le deu:·:ièrne
-1.
terme est relatif au:<forces répulsives. Le terme attractif peut etr·e déduit de la
L
théor-ie de London 19-201 dans le cas des atomes neutres. Dans cette ttYéorie t on
considère
qu'un
atome
est
macroscopique ment
neutre
mais
qu'il
e:dste
des
oscillations du moment dipolaire de l'atome et des. moments instantanés peüvent
induire dans n'importe quel atome proche voisin des moments résonnants qui sont
en phase avec ceu:·: du premier atome donnant lieu à une force d'attraction entre
les atomes.
London[19-20]en utilisant la thoéor·ie des pertur·bations des
fonctions d'orldes a montré que la perturbation au seconc1 ordre de l'interaction
entre dipôles instantanés représentait l'énergie de dispersion sous la forme <D = - Ct;
IL
Â
où C est la constante de dispersion, r la distance entre un atome du dépot et un
atome du substrat.
C'est donné par: C = 3
IV
.
Ijj"
LA-
œ,
.
..z..-.
J+Y
avec Ct et 0:' désignant les polarisabilités respectives de l'a.tome de ga:;: et du
substrat; J et J'étant leurs énergies respectives des premières ionisations.
La polarisabilité électronique d'un atome neutre est donné par
D -0.
œ - ---...:(.."0--
avec
-
li 71 [1"((\\ '10
V() ::
e
la charge de l'électron, m
sa masse
V la fréquence cara.ctéristique de l'atome du dé
o
p3t et h la constante de PlancK.
[

---

-
54
-
EVALUATION DE: L'ENERGIE D'ADHESION B DANS LE CAS
DU DEPOT DE TITANE OU DE NlTRURE DE TH ANE.
Dans ce paragraphe nous tentons d'évaluer l'énergie d'adhésion
d'un dépôt de nitrur·e de titane ou de titane sur les différents supports que nous
a.vons utilisé (Cu, Ta, 1101.
Pour le TiN nous considérons que le dépôt est constitué de deux
sortes d'atomes: des atomes de titane et des atomes d'azote. L'observation des
couches par microscopie électronique nous a montré que le nitrure de titane avait
une forte tendance pour avoir un plan d'accolement (iOO) avec le support. Nous
supposerons
donc
un
plan
(fOOJ
de
tiN
pour
calculer sa
densité
atomique
interfaciil.le.
La distance d'équilibre entre un atome de dépôt et un atome du
substrat a été appro>:imé par la somme des rayons cova.lents ou ionique:;.
En ce qui concerne le Ti, l'observation au microscope électronique a
montré qu'il n'y
avait pa.s d'or·ientation préférentielle du dép;t, nous avons
néanmoins choisi le plan (00 il comme plan interfacial.
"-
L'énergie potentielle due au terme attractif entre un atome de
dépôt et la surface entière du :.ubstrat est donnée par:
oU <DI
est le potE·ntie1 de disper::;ion entre l'adatome et le lième atome de la
surfaCE' solide.

---

-
55
-
Si on Supp05.e que lê!. distance entre l'ê!.tome du dt?pôt et la. surface
du substrat est plus grande que la distance entre atomes du substrat, on peut
remplê!.cer dans l'e>:pression ci-dessus la. somme par· ur,e intégra.le.
où N est le nombr·e d'atomes du substrat par unité de volume, dv l'élément de
volume du substrat considéré.
L'intégration est portée sur tous les atomes du substr·at si on
appelle r la distance entre un atome du dép~t et du substrat, on a :
/ '
Le potentiel du au terme répulsif est de la forme:
<1> ==
r
11 a t?tt? montréL2 tJque l'énergie potentielle dGi:' à la r·épulsion entre
un atome métallique et un substrat de mÊme nature était de la forme:
E
,.
r -
En combinant les termes attractifs et répulsifs, on obtient
l'énergie d'adsorption totale par atome ·:;oit :

---

-
56 -
Cette énergie est minimale si r = r 0 distance d'équilibre
71NCR
A l'équilibre on a: l[~&.) =0 c'est-à-dirE' :
-5-\\0
'0 IL
)
ra
}L: )\\..0
soit
A l'équilibre l'énergie de Van der Waals par atome s'écrit:
t =- ~ -+ ~
~
Jl~.L
En tenant compte de (*), on trouve
L'énergie d'adsorption totale par atome adsorbé s'écrit:
Si on dé~.igne par ns la densité atomique du film à l'interface,
l'énergie d'adhésion par unité d'aire du substrat peut s'e}:primer par:
(L
~
1\\1.5
cul. = - 7l N "'-; f, Il!
[('~;:)'- ~ c:r]
A lléquilibre r = r o ' l'e:<prE?ssion ci-dessus devient:
Dans le tablE?au n° 9, nous avons calculé la polo.risabilité de
difHrents atomes:
J = énergie de première ionisation

---

Tableau n° 9
"
Evaluiition théorique de l'énergie d'adhésion
"<Iturc do
,]
x 10-18
Y"
0< X'lO-30
15
l'atome
joules
(s-l) x 10
in l
Ti
1,09
1,64
2,37
N
2,33
3,51
0,51
~Io
1,15
1,73
2,12
cu
1,23
1,85
1,26
'1'<1
1,26
1,90
1,77
il,
Tableau n° 10
-
- -
-
,
10- 7
4
3
10
10- 6
~ x'; 10- i
<1l-orll(~ chi c1ôp3t
C
10-19
10-10
a
é x
n
x
N x
x
r
x
S
J
,0,
.
a
2
3
"
1
alJp':1 t- LOI lùlll
au
~
j .m 6
ln
FI
(joules)
atomes / m
atomes / m
J"
m
~
,l,"
su[)port
lt·,! ,~
''1
'li: i l~'
"
"{t'·
59
3,82.10-
13
23
Ti / cu
2,74
a
1,35.10-
15 l' , 0,42.10
= 3,615
2,78.10,,' T
75,:;45
'\\
li,
15
Ti / ~\\o
4,22.10- 59
12
r
23
1,96
a=3,1472
1,11.10-
2,78.10
J 0,64.10
346;04 ;-;
'Ij
-\\
:,\\
~ - - - - ~ - -
59
23
;~
' '
Ti / '1"1
3,67.10-
13
15 i
2,09
a=3,3058
6,60.10-
2,78.10
- 0,55.10
!
214,39-"
,
1.
59
15 1
23
N
/ cu
1,14.10-
2,13
a = 3,615 1,83.10-13
2,22.10
0,42.10
38,37
;
-----_._----
59
12
15
23
N
/ ~ID
1,24.10-
1,35
a=3,1472
3,07.10-
2,22.10
0,64.10
249,74
59
12
15 :
23
N
/ 'l'"
1,10.10-
1,48
a=3,3058
1,57.10-
2,22.10
O,55.L0
144,61
i
i.
1
.1-
1
,",.

---

- 59 -
Tableau
n° 11
Evaluation théorique de l'énergie d'adhésion
dépôt / support
Ti / cu
83
" ",:\\
Ti / Ta
238'j,
i
1:: t,
,..~ .; t'
"
.. ,<,f,
Ti / Mo
384,2./!::
. ..'":
t
.'
"'}:','
"'1
ï "
TiN / cu
113,8'1,
1
'.~'
,
.. 1:,
~.
:~:
" '1":
·.:t\\'
,1
TiN / Ta
359.,::,J~{ ','
i,.~
TiN / Mo
595,78
l '
, "
r
:'
Î

---

-
60 -
~D l'énergie libre interfaciale.
Bien que très simple, cette -formule n'est pas facilement accessible
à l'e:<périence car la
mesure de
8
nécessih~la connaissance de la forme des
particules sur le substrat.
De nombreuses méthodes, en ce qui concerne des essais mécaniques
ont été proposées pour cMactériser l'adhésion des -films métalliques déposés sur
différent"supports. Ces essais n'ont conduit qu'à des applications limitées, soit
parce qu'ils ne donnent pas des résultats repr-oductibles soit parce qu'ils sont
limités par l'épaisseur du re~tementt ou par la dureté du -film par rappcr-t au
substrat. La difficulté majeure que l'on retrouve dans les différentes méthodes
réside dans la -façon de transmettre à l'inter-face une force connue susceptible de
séparer le film dép~t de son support. Dans ce qui suit nous donnons un aperçu des
diverses méthodes utilisées autre que celle de la rayure qui fera l'objet de notre
étude.
2. 1 - METHODE DE LA FORCE CENTRIFUGE
Le substrat utilisé est un rotor cylindrique suspendu dans le vide à
~
l'aide d'un champ magnétique. Le dépot est divisé en sections parallèles à l'a}:e
A
du rotor. On fait tourner le rotor à grande vitessè jusqu'à la pr-ojection du dépot.
L'augmentation brusque de la vitesse de rotation du rotor caractérise la rupture
d'adhésion.
La force d'adhésion F est déterminée à partir de
F =

---

-
61 -
où
-V es.t la fréquence de rotation du rotor·, R son rayon, e
l'épaisseur du dépôt et ela densité massique du d&p~t.
2. 2 - TE ST DE TRACTION
11 consiste à. e>:ercer une traction sur le dép~t normalement à sa.
surface au moyen d'un corps solide collé sur le film. La force par laquelle le film
se détache du support est prise comme force d'adhésion.
2.3 - TEST DE PELAGE
La méthode consiste a arracher le dèp;t par l'intermédiaire d'une
bande adhésive. Le test d'a.dhésion est qualitatif , limité a.u film fa.iblement
adhérent.
2. 4 - RE SUL TA TS OBTE NUS
l7J
Belser
utilisait un petit cylindr·e en aluminium pour appliquer· une
tra.ction directe normale au substrat (méthode du test de traction). Les résultats
obtenus étaient beaucoup plus faibles que les forces de Van der Waals.
BeamsLt:len utilisant la force centrifuge pour détacher un film
m·étallique faiblement adhérent sur un substrat méta.llique a. trouvé des forces
8
/
~
d'adhésion de 1, 1.10
N 'Y'!"v
. Cette méthode a longtemps été utilis~e pour
tester
l'adhésion
mais
l'adhésif
utilisé
affectait
l'interface
film-substrat.
D'a.utre part la distribution des. contraintes non uniformes pendant la. pose de
l'adhésif ou pendant la traction influençait les résultats.
Lin[9 la utilis.é un plateau plat en ver·re collé:;ur le film. Celui-ci
était tiré pour engendrer une contrainte de cisaillement. Les résultats obtenus

---

-
62 -
5""
/
5"
~
sont; 3.tG
N
~
"'M.
pour l'or s·ur verre; :::.10
N/1'Y\\.-
pour le cuivre sur·
ô
/
J./
verre et 1 16 . tON
""1
pour l'aluminium sur verre. Dans tous les cas, les
valeurs obtenues étaient d'un ordre de grandeur trop faible par rapport à celles
Z
/
1/
de Van der l~Jaals (10
N
'h\\
J.
Il semble maintenant reconnu que l'essai à la ra.yure est la. seule
rnethode capable de fournir des resultats reproductibles en ce qui concerne la
mesure de l'adhesion. Les ordres de grandeurs des forces, mesurees par· cette
méthode sont convenables cependant l'analyse théorique relative à cette méthode
n'est pas encore tout-à-fait bien établie, c'est cette méthode que nous avons
utilisée et que nous décrirons dans ce qui suit.

---

, '
'.
...,'
!'
':, ., .
CHA PIT R E
IV .
ETUDE DE L'ADHESION PAR LA METHODE DE LA RAYURE

---

- 63 -
IV. 1 - DISPOSITIF &)(P&RIM&NTAL
Le dispositif e:<périmental figure n° 14 est constitué d'une ba.lance
dont l'un des bras est relié à la pointe sur laquelle on applique une charge.
A
L'edremité de l'autre bras est fixée à un contre-poids de façon à maintenir
l,'éqUilibre en l'absence de la charge. L'échantillon à analyser@e'st posé sur un
petit plateau mobile (J) pouvant se déplacer soit suivant la direction des X, soit
'.',
suivant celle des Y grâce à deu>: vis micrométriques fi>:ées sur le plateau porte
échantillons. Une vis micrométrique Cg) est accouplée à un moteur tournant à une
vitesse constante de façon à maintenir uniforme le déplacement du plateau dans
la direction des X pendant chaque e>:pèrience.
,;.~.
1. 1 - PRINCIP&
Il consiste à déformer une surfacère~~uverte par déplacement
d'une
pointe
chargée
parallèlement
à
la
surface
de
l'ensemble
revÊ!tement-support. Dans la. pratiquet on réalise une série de rayures parallèles
au moyen d'une pointe en faisant varier la charge de façon que chaque rayure
corresponde à une charge donnée.
La charge minimale par laquelle le film se détache du support est
prise comme mesure de l'adhésion. on l'appelera charge critique.
Pour faire une rayure, il suffit de rompre l'équilibre de la balance
en posant sur le plateau placé sur la pointe une charge de telle sorte que la
pointe soit en contact avec le revêtement. La rayure est réa.lisée par déplacement
du plateau dans la direction des X. Pour réaliser la. rayure suivante. on arrête le

---

~ 64 -
w
1
T
y
1.,
t
4
1
3
1
vis micrométriques
2
3
mo"teur
4
contre-poids
5
pointe
Figure 14:
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
6
échantillons
7
plateau mobile

---

-
65 -
moteur, on enlève la charge de façon à ramener le plateau à sa position de départ
en soulevant la pointe. Le
passage d'une
rayure
à
une
autre
se fait en
,. .
',~
manoeuvrant la deuxième vis micrométrique pour permettre le déplacement du
plateau dans la direction des Y.
Cette vis nous permet aussi de mieux contrôler l'écartement entre
les rayures. On peut visualiser les rayures pendant l'e>:périence en utilisant un
microscope optique ou en éclairant l'échantillon à analyser.
Une fois réalisées, les rayures sont observées au microscope à.
balayage et la différence de contraste sur les micrographies nous permet de
distinguer le support du revêtement.
1. 2 - NATURE DES POINT8:S
Les pointes utilisées dans les essais à. la ra.yure peuvent etre en
diamant, carbure,
manganèse
ou en chrome. Leur rayon
de
courbure
varie
généralement entre 18 et 45 fJm soit entre 200 et E:OOfm.
La différence dans les résultats obtenus, en utilisa.nt des pointes
de nature et dimensions différentes a souvent été attribuée au coefficient de
frottement pointe-matériau sur lequel on désire faire des ra.yures.
IV.2 - RAPP8:L D8:S TRAVAUX ANT8:RIE:URS RELATIFS
A LA METHODE: De: RAYURE
2.1 - OBSERVATION DU RB:GIHB: CRITIQUB: B:T DU MOD8: DE DB:TACHEH8:NT DU
FILM
.... :
.'.

---

~ ....'
, -.; ~~:: ..' !.-
- 66 -
.. '
La méthode de rayure a été conçue pour la première fois par
Heavens [10J pour étudier l'adhésion des films métalliques déposés en phase
vapeur sur des substrats en verre. Il considérait le régime critique atteint
lorsque le film était complètement éliminé dans la rayure.
,;';
,
Benjamin et Weaverl11] pour ca.ractériser l'adhésion de~ films
méta.lliques déposés sur du verre, ont défini la. charge critique comme étant la
charge par laquelle la pointe laisse sur l'échantillon une trace translucide à la
lumière.
Cependant cet argument ne peut être appliqué dans le cas des
./'0.
dépots sur des substrats métalliques qui ne sont pas transparents.
Butler et ses collaborateursl12]ont montrlf que la perte d'adhésion
n'est pas toujours liée à l'élimination du film par la pointet un film détaché de
son support, peut rester' en pla.ce dans sa position initiale sans se déchirer. Il
peut être écrasé par la pointe dans SOn mouvement et dans ce cas, il n'y a: pas
formation d'un canal de transmission de lumière. Selon ces auteurs, le film peut·
.
'.A
. parfols etre tellement aminci qu'il peut paraitre translucide sans qu'il' soit
détaché
de
son
support,
donnant
une
impression
superficielle
d'Un
cana.l
totalement vide. ils ont alors commencé à mettre en doute l'utilisation de la
transparence comme critère pour déterminer la perte d'adhésion.
Ces auteurs ont montré que la rupture d'adhésion entre le film et
SOn support
peut
se
fa.ire
de
deu>:
manières
différentes
suivant
les
caractéristiques mécaniques du dèp~t et de son support.

---

,'.
-
67 -
... :-
..:.
..; .... -:-.".
- - - , - - - - - - - - - - - - - - - - - - -_ _
_
,,_
__._---
- CAS D8:S D8:POTS DURS/SUESTRATSDURS
.' ;'.,
.....
Dans ce cas, le film peut se casser et se détacher partiellement de
son support après passage de la pointe chargée en laissant des débris cl
l/intérieure de la rayure. Les auteurs ont noté l/influence de l'épaisseur du film
sur les résultats obtenus en faisant référence aux travaux d'Hamilton. Selon
Hamilton[13Jlorsqu/une sphère dure presse une surface plane d'un matériau
se mi-infini, il Y a une déformation plastique à l/intérieur du matériau. La
distance cl laquelle s'observe la déformation sous la région pressée est plus
importante pour des matériaux durs et pour des pointes de grands rayons. E:n
JI.
effectuant des tests de rayures sur des dépots de nitrure de titane de dureté
2000 Kgf/mm 2 sur un substrat en alliage de cobalt de dureté 400 }{gf/mm2 ,
Hintermann [14] a constaté que le film se fracturait en avant de la pointe
découvrant de cette façon la surface du substrat. Alors que dans le cas des
dépC;ts de carbure de titane de dureté 2000 Kgf/mm 2 sur un substrat en acier de
dureté 280 Kgf/mm 2 la fracture du film s'observait cl l'intérieur de la rayure, le
film n'étant pas détaché du substrat. Dans ce cas, aucünècharge critique ne
pouvait être
déterminée
puisque
l'adhérence
était plus importante
que la
cohérence du revete ment.
Laugier[15]en ce qui concerne les matériaux durs et fragiles a
montré que la rupture d'adhésion s/observait en avant de la pointe par cassure ou
pelage du revêtement lorsque l/énergie élastique stockée en avant de la pointe
était suffisante pour fournir à la fois le travail d/adhésion nécessaire pour
détacher le film de son substrat et le travail nécessaire pour casser le film. Le
tr'avail nécessaire pour casser le film étant plus fêi.ible que le travail d'adhésion.
Par la suite les travau>: effectués sur les tests de rayures pour
caractériser l/adhésion ont montré que la forme de la rayure cl la charge critique

---

- 68 -
dépendait des propriétés mécaniques de dépots par rapport à celles du support
dans le cas des dép~ts durs-substrats durs. Ainsi Hintermann [141 a proposé un
nouveau critère pour e>:pliquer la rupture d'adhésion entre le film et le substrat.
Ses observations sont basées sur le changement brusque de la forme de la rayure.
Pour les charges faibles, le dép~t est faiblement marqué et la
trace
observée
est
régulière.
E:n
augmentant
la
charge,
il y
a
soit
un
élargissement brusque de la rayure, soit une apparition de motifs périodiques
soit un changement brusque de la forme de la rayure.
- DE:POT DUR/SUBSTRAT MOU
D'après Butler[1i) si le film est dur avec un substrat mou, il y a
d'abord une déformation plastique du support avant qu'une rupture Si! manifeste
dans le film. Le film se fracture d'abord puis s'élimine partiellement.
- DE:POTS MOUS
Butler[12]a montré dans le cas d'un dépôt mou et ductile que le film
peut se détacher suivant un anneau autour du point d'application et en avant de la
pointe. L'augmentation de la charge peut alors causer la formation de plis
annulaires successifs. Dans ce cas, le mouve ment progressif de la pointe laisse
une série de creu>; ou, de plis sur les bords de la r'ayure, le film n'étant pas
forcément déchiré.
Tenant compte des travau>: d'Hamiltonl13] Butler et ses
colla.borateurs [12] ont montré que si le film est épa.is et mou, la déformation
plastique commence dans le film, la rupture d'adhésion n'intervenant à l'interface
que par la suite.

---

-
69 -
D'après Laugier[1S]dans le cas d'un dép~t mou ductile, le
revêtement en avant de la pointe subit une compression pendant laquelle une
certaine énergie est stocKée en avant de la pointe. Lorsque cette énergie est
suffisante
pour fournir
à
la fois
le
travail
nécessaire
pour déformer
élastique ment le film
et
le
travail
d'adhésion,
la pointe se déplaçant
progressivement, la partie relevée du revêtement en avant de la pointe est
repoussée en arrière, le film sur le
bord de la rayure
étant sous état de
contrainte peut donc se déformer plastiquement. A ce stade, l'énergie stockée en
avant de la pointe devient minimale et le processus recommence. Ce phénomène
montre une succession de creu>: sur les bords de la trace. L'énergie nécessaire
"
pour
déformer
élastique ment
le
film
peut
etre
négligée
devant
l'énergie
d'adhésion.
- DE:POT MOU/SUBSTRAT DUR
Hintermann[14Ja montré que le régime critique~eut se manifester
par la formation d'une rayure à bords rectilignes. Il peut arriver ,que la trace ne
soit pa.s rectiligne mais bCirdée de motifs périodiques.
- DE:POT MOU/SUBSTRAT HOU
R~cemment Oh See Ghee [16]a montré en étudiant les dép~ts de
""
cuivre et d'or (dëpots mous) sur- des substra.ts en a.cier et en verre (substrat mou)
puis des dépôts d'aluminium (dépôts mous) sur cuivre (substrat mou) qu'au régime
critique la. rayure était aussi rectiligne et bardée de motifs périodiques.

---

-, i
-
70 -
.• - - :~ :
IV.3 - ANALYSE THEORIQUE DE LA METHODE DE LA
RAYURE
Une analyse théorique de l'essai cà la rayure a été propo~ée par
Benjamin et Weaver [11) Selon ces auteurs, 10rsqlJ':';i1e surface recouverte est
soumise à l'action d'une pointe chargée, on observe une déformation. Cette
déformation ne dépend que de la dureté du substrat, négligeant l'épaisseur du
dép~t par rapport aU}: ray"Ons des pointes qu'ils utilisaient. La déformation du
substrat dans un premier temps est purement élastique et le rayon du cercle de
contact pointe-matériau peut-être déduit de la théorie d'élasticité de Hertz
(1 :3:36) soit:
a =
--1
(1)
E1.
OÙ a est le rayon du cercle de contact, R le rayon de courbure de l'edremitè de la
pointe, West la charge appliquée; E 1 et E2 sont respectivement les modules
d'élasticité de la pointe et du substrat. Lorsqu'on augmente la charge W, un point
critique est atteint qui constitue la limite de la déformation élastique et en m·ème
temps, commence la déformation plastique du substrat.~i on augmente denouveau
,.::-
la charge, on atteint un domaine dedèformation complètement .. plastique où W = 1fa:i.Hv (2.
étant la dureté Vickers du substrat.
A la limite élasto-plastique, Benjamin et Weaver[17]ont établi que
"'-
la pression moyenne exercée par la pointe sur le système dépot - substrat est P (~O/ LII-\\v(
• En remplaçant (1) dans (2) en tenant compte de l'expression (3), on
obtient la charge W pour la.quelle commence la déformation plastique du substrat.
~
W=13,1P13R2
(.i.. + .i- )
E-1
E,t

---

";:.
- 71
3.1 - FORMULE: DE: BE:NJAMIN ET WEAVER
Lorsque la pointe se dépla.ce maintenant parallèlement cl la
surface, il Y aura deu>: forces qui vont s'e:<er'cer sur la pointe: la première force
p est celle nécessaire pour déformer le film et le substrat et la seconde
est la
force nécessaire pour détacher le film métallique de son substrat, c'est-à,-dire la
for'ce nécessaire pour cisailler les liaisons adhésives à, l'interface. Cette force
tangentielle
est maximale sur la région de contact et elle est transmise
èlastiquement
cl
travers
le
film
jusqu'à
l'interface
en
une' contrainte
de
cisaillement.
Benjamin et Weaver ont tenté de donner une expression
géométrique reliant la contrainte de cisaillement
et la contrainte de pression P
A.
e>:ercée par la pointe. Selon eux (figure n° 15) t = P t 9 e = P~;::=::;;::
'V «~- a:t
Dans l'hypothèse d'une déformation plastique du substrat, on peut
poser P ~Hv où Hv est la dureté Vickers du substrat.
On a donc: :
Si a«R on a :
(4)
ou P = :Y::!...
.s
S =2]f Rh dans le c:as d'une calotte sphérique h est la profondeur
de pénétration de la pointe.
On a diapres la figure n° 15 :

---

, ,
-
72 -
-.....
ll
a 2 = 2 R h - h
comme R»h, Rh»h 2 , l'expression ci-dessus devient:
..,
a"'~2 Rh
d'où P = 7\\:1
(5)
En combinant (4) et (5), Benjamin et Weaver ont établi que
Vtl.wc
( ,)
7\\ R~
3.2 - DETERMINATION DE LA FORCE DE CISAILLEMENT EN TENANT COHPTE
DU FROTTEMENT
D'après les travaux de Benjamin et weaver[17]10rsqu'une pointe
chargée se déplace sur.une surface, différentes contraintes prennent naissance
dans le matériau et notamment près de la pointe chargée. Ces différentes
contraintes sont représentées sur la figure nO 16 a, dans le plan de la surface.
- rri est une contrainte compressive qui résulte d'une contrainte
engendrée pa.r la pointe en pression statique donc sans frottement (Jx (f = 0) et
d'une contrainte résulta.nt du déplacement et r·eprésentant un terme du frottement
<fx. (f)
- P est la pression exer·cée par la. pointe sur le matéria.u

---

-
73 -
\\IV
,'1
~
R ,1 tJ i
1
~
1
1
a
------------------------- th
figure 15:
REPRESENTATION DES fORCES DE BENJAMIN ET WEAVER

---

- 74 -
-
~ est une contrainte compressive perpendiculaire à la surface
que
l'on
considère
identique
à
celle
résultant
d'un
système
d'indentation
statique.
b est une contrainte de cisaillement tangentielle à la pointe
Lorsque l'on considère un système dépôt-suppo~t c'est la
contrainte
~ qui est alors supposée agir sur les liaisons interfaciales et
provoque la décohèsion.
1
Pour relier '(, à 1Jx. on considère l'équilibre d'un petit prisme de
matière sous l'effet des différentes contraintes, en un point P situé sur le cercle
de contact de la pointe et du matériau (figure 16 bl.
Si 5 désigne l'aire de la face Be et 51 et 52 les aires respectives
des faces AC et AB.
on a : Si =5 cmg et 52 =5 sin 8
E: n projettant toutes les forces qui s'exercent sur le prïsn",'
élémentaire dans la direction portee pa.r '& 1 l'équation d'équilibre de ce prisme
donne:
soit
%::c..~ e1 b rx.. sont deux contraintes égales

---

-
"1'3
-
r
1 1
-~'} ,'~
"
1
,
1
x
,
j
- -
-
-
-
-
- -~. -----~-.ID..
- - - - - - - - - } I
1
1
1
1
1
1
1
·z
... Z
Figure 16_a
Figure 16_b

---

.'~O;----
_ .
-
76 -
au point l
b;z:: ~= 0 car l'axe des >: et z sont considérés comme des axes
)
principaux.
1
et
~ « (J'x.. ceci implique
Dans les conditions de nos e>:périences a « R
t =
Dans cette expression a représente le rayon de contact, qui
".
A
'
peut-etre mesuré par la demi-largeur de la rayure et R le rayer' deceurbure de la
.', ;;::.'.
."
peinte. D/après[1Slen a. :
.;.
....;,
".'
En additionnant ces deux contra.intes, on trouve:
'Y est le coefficient de poilon du film
f est le coefficient de frottement pointe-film
West la charge cri tique appliquée

---

-
77 -
a est le rayon de contact.
Dans nos conditions e;·:périmentales, la pointe est en diamant de
rayon de courbure R = 40fm.
Le coefficient de frottement du diamant sur une couche de nitrure
de titane ou du titani241 est d'environ 0,15. De ce fait, la contrainte totale de
compression en ava.nt de la pointe et la contrainte de cisaillement 'G sont:
Dans le cas des re~~tementsde nitrure de titane (V= 0,2) on a ~ IJ"'~::'- ~'~{W'~ (g):
'.
..tna:
(-10)
,.\\'
.~~..
'.\\ "
".. A -1 )
(.;11)' . -
Dans le cas des couches de titane <y= 0,34) on a
rr:/ :;; - o~ 4.Y:L'
x,
ZnG\\~
(-1 i)'
~ ~:.. 0) Lt 't/
~ilo..K
RE:MARGUE: : E:n tenant compte destravau>: de HamiltonI18,WeaverlsJ a corrigé
l'e>:pression donnant la force de cisa.illement
G (formule 6) par un facteur
multiplicatif de 0,2. Dans son calcul Wea.ver n'a. pas pris en compte,la contribution
A-
de la contrainte due au frottement
o--(f) telle qu'elle avait été évaluée par
x..
.
Hamilton et Goodman, bien qu'il ait remarqué~5Jque cette contrainte peut avoir
une contribution importante dans la. force de cisaillement
Il considère donc:
tIN::: cr;,. ( ~::: 0) ~
~ c-- !f"x. ( t ':: 0) =. Y:!-
(-1 - z.).J ) ~ 0 ( Go P ~ -y ~ 0, 3
Ccvv
p = --;
~ ct;:: V.Y:!-
~ c-
~ '::::' 0l..t, m
.2.-no..<:'.
W P.e..
7{Q.
TlP
nI<
A la charge critique p ~Hv (dureté Vic\\o(ers du substrat) d'oU:
00\\~
(A3 )
} V~~

---

..
1
.... :~~
-
78 -
: i
'
•.••.,"'.1
IV. 4 - RBLATION ENTRE L'ENERGIE: D'ADHESION B e:T
LA FORCe: DE CISAILLE: MENT
MESURANT L'ADHESION
On considère dans le décollement du dépôt que la première couche
..
des atomes de ce dépot immédiatement adjacente au substrat est déplacée
parallèlement ci l'interface par la force de cisaillement appliquée
Dans ce cas, chaque atome du dép~t se déplace d'une position
d'équilibre correspondant à un creux de potentiel à une autre, position pour
laquelle les forces d'attraction sont négligeables.
Dans un modèle simple, on considère que dans ce déplacement de
décohésion chaque
atome du film
dépôt surmonte une barrière de potentiel
équivalent à l'énergie d'adsorption d'un atome E:ad, lors d'un déplacement égal à
.
\\
mi-distance >: /2 séparant deux atomes du substrat dans la direction de g
. Le
travail de la force de cisaillement ~... sera donc, si on considere la surface unité
du substrat:
w=
Connaissant l'énergie d'adhésion (tableau n° 11>, nous avons
calculé la force d'adhésion théorique par unité de surface du substrat en utilisant
la formule (14). Dans cette formule, du fait que les substrats que nous utilisons
sont cubiques ci faces centrées, nous avons admis que la distance entre atomes
est égale à
~ où a est le paramètre cristallin du substrat. Le tableau n° 12
présente les résultats obtenus.

---

- 79 -
Tableau n° 12
Détermination de la force de cisaillement mesurant l'adhésion
..
,
fl:-,
dépôt / support
2
(N / m )
8
Ti / cu
0,92.10
8
Ti / Ta
2,88.10
8
Ti / Mo
4,80.10
TiN
9
/ cu
1,25.10
9
TiN / Ta
4,34.10
...... '. -
/ Mo
'".
"
7,5 .109
. "
.
TiN
..

---

.,.'
-
80 -
Les forces d'adhésion calculées dans le cas du titane sont d'un
m~me ordre de grandeur équivalent au:< forces de Van der Waals alors que dans le
cas du nitrure de titane elles sont d'un ordre de grandeur supérieur à. ces forces
de Van der Waals.
IV.5 - E:NE:RGIE: D'ADHESION DETERMINE:e: A PARTIR
DE: LA DE:FORMATION e:LASTIQUe: DU DEPOT
al Densité d'énergie lors d'une déformation sous contrainte
"-
On considère que la décohésion dépot - support aura lieu lorsque
,o.
l'énergie emmagasinée par le film dépot lors de sa déformation élastique sera
égale à l'énergie d'adhésion. Cette méthode résulte d'un bilan d'énergie i le
système dép~t-support prenant la configuration d'énergie minimum lorsque
l'énergie emmagasinée WD devient éga,le ou supérieure alaspmme ~e l'énergie de
contrainte structurale du dépôt Ws de l'énergie d'adhésion B et de l'énergie
....
nécessaire pour fracturer le film dépot •
. ·.·,c·
gn général cette dernière énergie est beaucoup plus petite que
l'énergie
d'adhésion
et
est
négligée
dans
cette
évaluation.
L'énergie
de
contrainte structurale est l'énergie emmagasinée lors de la croissance et non
rela:< ée, elle provient des contraintes dÛës soit ci des imp~retés, ou défauts, soit
il ,une accomodation interfaciale dé~t-support.
Lors d'une déformation élastique dE. sous une contrainte ()' ,
l'énergie mise en jeu est dW =<rd f. • Si la déformation est E, l'énergie sera par
)
unité de volume déformé:

---

- 81 -
.. _- -' ....
."
w=j () cÜ. avec
0-
f,
E
E: est le module d'Young.
Nous supposons que la déformation est homogène sur toute
l'épaisseur e du film dép~tt l'énergie de déformation sera donc par unité de
""-
surface du film dépot :
0-:(;
W= - - e
2-E
Afin de tenir compte de l'énergie de contraint~ structurale, on
considère une contrainte interne OS résultant d'une déforma,tion du r~seau
'cristallin du d ép6t.
mesurée.
Ainsi la contrainte s'e:<erc;ant sur le film lors de sa déformation
1
est:
(['/1
X
~+as
<.rll Z
et l'énergie emmagasinée est W = -
e..
D
2.E
Lorsqu'il y a décohésion nous avons:

---

-
82 -
l
E
ulfvft~ ~ cll~Q"
Soit: ~,
--
:, :z.»
olfe..~ t" '
Ua été montré l1S]que les énergies d'adhésion calculées à. partir de
cette formule sont en a.ccord avec les énergies de condensation.
IV.6 - RB:SULTATS B:XPe:RIMe:NTAUX CONCe:RNANT
L/ADHe:SION PAR LA METHODe: De: LA RAYURE
Nous avons effectué des essais ci. la ra.yure sur 'des couches de
titane et de nitrure de titane préparées par pulvérisation cathodique magnétron
en radio-fréquence et triode en courant continu sur des supports en molybdène,
tantale et cuivre.
" , '
,~,,~~::.,,":' , '
Les couches ont des épaisseurs qui von~f'.~~,'~~:q;R:,;~I~;Wf~;:Lestests
'.:
: ·.i··~: ·~n·: ,:,,~.:::~: :" .\\' ?~.I.~~.;.;;,:~~< >~':;"f; ~.: .<:- '::" ",
~r!·/···
d'adhésion ont été réalisés avec une pointe en dia~,~J1t~e.~9-trrl::~4~raYon.Le
~~' ; .
moteur que nous' avons utilisé pour actionner le Pla.~~:ausur l~Ju~l'sbntPosésles
,1
échantillons à. analyser est du,'type CROUZB:R, celùi~ci tour'n~nt à. ùne vitesse
angulaire de 2 tours/mn ce qui correspond à. un déplacem~nt du plateau de 1
mm/mn.
Le titane est un matériau ductile alors que le nitrure de titane est
très dur.
Les substrats utilisés ont des propriétés mécaniques différentes:
le mol)'bdène est dur et fragile tandis que le tantale et le cuivre sont des
matér-iau>: mous et ductiles.
,f
..
).,?.~:::L~, "

---

Les mesures de micro-duretés Vicl<ers des substrats
ont étë
effectuées en réalisant des empreintes avec une pièce constituée par un diamant
qui a la forme d'une pyramide à base carrée avec un angle au sommet de 136 0 •
L'empreinte a la forme d'une pyramide creuse à base carrée. Les r'ésultats sont
donnés dans le tableau n° 13.
.....
E:n ce qui concerne les dépots nous n'avons pas,plJ.faire des
,
mesures des modules d'Young et des coefficients de Poisson des matériaux
utilisés nous avons supposé que les paramètres varient très peu entre une couche
mince et un matériau massif. Les duretés des couches considér~es s'ont celles des
matér-iaux massifs. Les valeurs de ces paramètres sont donnés dans le tableau n°!l3 •
Les différents couples dép~t-support sont:
ductile SUI" un support dur et fragile •
.~ "
-
•
4
Couches de titane sur tantale ou sur cuivre: Ce couple repr~sente;un,dépot mou
et ductile sur un support mou et ductile.!'L~ cuivre étant plus mou que le tantale.
Couches de nitrure de titane sur molybdène cuivre et tantale. Ces
dép~ts de
nitrure de titane compte tenu des supports choisis sont considérés comme le cas
d'un dép~t plus dur que le support. Ceci peut être divisé en deu>: catég,ories :
- dépÔt dur sur support dur et fragile : c'est le cas du nitrure de
titane sur le molybdène.

---

' ...,....
. •• I~~'
, : " , ' .
- 84 -
Tableau n° 13
Caractéiistiques mécaniques des matériaux utilisé?
!
Supports
Dépôt
Mo
Ta
cu
TiN
Ti
Hv
310
150
110
2000
230
2
Kgf / mm
10
10
10
10
E
34.101~
,2
18,6.10
12,8.10
8,43.10
10,98.10
N, /
m
1
"
)}
0,305 , ~
0,35
0,32
0,2
0,31
,
' !
'
'.
.,~t"
.J.
" ,
, ...
'
,

---

-
85 -
"
(---:
-). .
. i ...
. 'r,',
,
- dépot dur sur support mou et ductile: cas de dépôt de nitrure de
titane sur cuivre ou 'tantale. Le cuivre étant plus mou que le tantale.
1
r
Nous avons porté sur le tableau n° 13 les mesures de duretés
Vid<ers des substrats Hv' ainsi que les valeurs des duretés Vickers tirées de la
litterature. Dans ce. tableau, B: représente le module d'Young, V le coefficient de
poisson,
'.
' , l
_
1 •
"'1
1 •
IV.7 :-,MESURES DES "CHARGES CRITIQUE!:S" D'ADHE!:SION
'.l
Nous ,avons réalisé une série de rayures pour des char'ges allant de
0,5 g à 200 9 suri, des couches de titane et nitrure de titane déposées sur
...... :'..'. .
. ::1.
, .:j::t.~l~dène,
tantal~r~,:~,t cuivre par pulvérisation cathodique magnétron en
. ;::\\;~.
'1a;Çliptr~q~ence et pcirctriodl\\? en courant continu.
,:i~~~~r::' :!'(1iJ'~ilV:;:-'"
"'i,~~'l;,)t,~"
~~>f:',: .' ,'J:n;t~';L/obs;é~yation dé ces rayures a été faite à l'aide d'un microscope à
~,:;.'2~::(:·
".,'
j'"..
l ' "
.'
".-
',:t, ',l 'f'
, "
' l '
balay~ge JE aL, JSM; 35 CF.
Nous avons déterminé la charge critique par' e>:amen des
micro~raphies obtenues.
7•.1 -;CHARGE!:S CRITIG.UB:S D'ADHB:SION B:T FORCES D'ADHESION DES COUCHE:=;
,
fi; .,"
DE: TITÀNE
.
!
;...'
Dans le cas des couches de titane sur tantale prépar'ée par
. "
,magnétron, le test t.de la rayure est caractérisé par l'apparition des motifs
',.i;

---

,~,,:, 1 ~""
,,::,,+:,~.. ..,.:
'.:j:t-'
-
86 -
,,f;' ,
~ ''':'.' ",~ .
'.
';"": .
périodique:, soit s~r:- les bords, soit à. l'intérieur de la rayure. Nous avons noté
!. ,;:f·
,
0
que pour les couches de 1000 A d'épaisseur les motifs périodiques apparaissE-nt
,
0
sur les bords de la r,a.yure mais pour des épaisseurs de 2000 A, on les observe à
l'intérieur de
la r,ayure.
Nous avons pris comme charge critique
celle qui
correspond à l'apparition des matifs périodiques sait au bard, sait à l'intérieur
de la rayure.
Dans:les autres cas (titane sur molybdène et sur cuivre), le film se
i,1
soulève en avant de)a pointe lorsque la charge critique est atteinte.
1
:
l,
D~ns le cas des couches de titane préparées par pulvérisation
i
1
"
A
triade, nous avons observé le meme made de perte d'adhésion que dans le cas des
couches de titane obtenues par magnétron seules diffèrent les charges critiques.
Atit~ed/exempletles micrographies de la planche n" I présentent la forme des
!l '. .
.
.
'~f\\:.'.
,',' .::;.,. ",; ".'
' :·:·!::t~,~·....'
,..,
l
,.<.·~~i,.'.. ' .r:·a:yu~.·~'s~.bbtenu~s 5ur':1es dêpots de titane sur tantale.
h~~~~(iit~t{:.. .... ":1'::
.
(:~» .. "i:;;'::::i~~; ,"
">·:~2:R~.,les ta~leaux 14a et 14b nous présentons les résultats des
\\ ,:.'.;, , d1'é's~~es'd'adhé~~~~'~LJti1:ane sur différents supports en fonction de l'épaisseu~e.
"
~~I
" Ces résulta1:s comprennent: l'es1:imation de la charge critique w, le rayon de
j
contaçt mesuré (a), le rayon de Hertz (aH) valable à la limite de la déformation
~.
élasti8ue du substrat, la contrainte de compression en avant de la pointe IJ~ ' la
force d'adhésion t ,(,formule 12) déduite des mesures effectuées sur- les rayures.
,
j,
r
rr
Les forces d'adhésion mesurées
v sur des couches de titane
préparées par magn~tron (tableau n" 13) et par triode (tableau n° 14) sont en
i
•. '
assez bon, accord av~c les farces d'adhésion de Weaver (sauf pour des couches
j.
,
:
0
~. 0
d'ép~isseurs faibles ,500 A et 700 A) préparées par triode sur cuivre.
~, .·!r ...
,
i

---

."::.~ .
. ..
},,,,,,,,;.~;~;:'~:'~·T~rè'à\\i' n 014 ,,,. ",'
. .., . •.,.~. '
. "'", ... ";
, .... i'
"
Résultats. sur des couches de titane, préparées par pulvérü,ation cathodique magnétron
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.
n':.
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;~. ~-",...:,;-"'\\~~..; "'!
tonditions.dedépêt : Pression~d'argoii'; 5.10
Torr
Puissance incidente: 900 W Vitesse de.dép:3t :. 10' AI);)
. ";'~~;" ~
,'.,
-'-- .. --." -~'- ...
6
1
dép:3t J support
I · e · '
l'l-X ~~10;::~:t,::d~o;;d~~~.troi;6
aH x 10-
Ux-
l-,
Gw
o
2
2
2
A
<Kg)
(m)
m
N / m
(N / m )
(N / m )
.
8
8
8
600
id -
7,92
2,35
0,99.10
0,19.10
0,48.10
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8
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0.,48.10
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8
8
8
2000
10
. 1 .
.4,87
3,08
1
2,63.10
0,32.10
0,48.10
1
8
600
8
8
5
1
5,8
2,44
0,92.10
0,13.10
0,20.10
r-
co
-
. 8
Ti / cu
8
1000
8
5
1
5,95
2,44
0,88.10
0,13.10
0,20.10
-
2000
8
~27
2,44
:.J
8
1
0,88. 10
0,13.10
0,20.10
8
8
600
8
5
3,12
2,44
9,2 .10
0,24.10
0,23.10
-
8
8
8
Ti / Ta
1000
5
3,53
2,44
2,50.10
0,22.10
0,23.10
8
2000
5
8
8
3,72
2,44
1
2,25.10
0,20.10
0,23.10
1
1

---

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... ~~.:.,..'"C'J;~'<;Tilislè~J"n°· 14b' .
.
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..-Résul tats sur des couches de tit~ei,pr:éparées par pulvérisation cathodique triode
.'.'-,:':"~"\\~: ~;\\ ~.:<~~; ~;.~ ::~~~~-;:,J-'..:- :;';"
~
7'." ... .;
Conditions de dépôt :t'ërik'id~':;~~~~~:iV = 60 V
courant anode : l
= 12 A
a
a
0 "
cour~t;f~larn~nt : If = 38 A c?urant cibl: : Ic = 1~0 mA
ten~+.?n~~~l~0: V = -1500 V v~tesse de depot = 90 A / mn
'-, -:'.~ ""-,:" '
c
pr.~ss~c>'f.l;:~t ..~gon: PAr = 1.10 Torr
_~""!;!~~-:';:"~"~::-:'1~::'1~'~:'~>:~,;, -;: .:
.
.,
,:.
,
3
-'-6
-6
W x 1.0-
··a x 10
aH x 10
Ux..
G
Gw
2
2
(Kg)
'. . (ni) .'
;,
( m)
(N / m )
(N / m )
(N /
m2 )
-
... - -- - ...
_.
.' · 8
"
io~- •. '~I'r>~0~'7~1i~';~: .<.
8
3,08
1,22.10
0,21.10
'1-" O,48~-io8
8
8
8
10
. ~r;'63
3,08
2,91.10
0,33.10
0,48.10
- -
8
8
8
10
4,22
3,08
3,50.10
0,36.10
0,48.10
:0
-
:0
8
8
8
7
6,85
2, 73
0,37.10
0,06.10
0,24.10
- -
8
8
8
5
5,57
2,44
1
.10
0,14.10
0,20.10
-
8
8
8
5
4,70
2,44
1,41.10
0,16.10
0,20.10
-
8
8
8
7
8,52
2,73
0,60.10
0,12.10
0,24.10
[
- -
8
8
8
10
3,97
3,08
3,96.10
0,39.10
0,33.10
-
1
~
8
8
8
7
3,85
2,73
2,90.10
0,27.10
0,28.10
-
8
8
1000
15
8
4,72
3,52
L1., /0.10
-
0,49.10
0,41.10

---

.,
",·0""
.. ~~ -
-
89
.,. :l·'::'·
.
.,~
,!>
, '!ii
7.2. - CHARGES CRITIG.UES D'ADHESION ET FORCES D;ADH&SION D&S CQUCH&S
DE NITRURE DE TITANE
Les microgr'aphies (planche ][et planche][) montrent des exemples
de la forme des ra.yur·es obtenus pour différentes charges sur des couches de
nitrure de titane préparées pa.r magnétron et par triode.
i
A - COUCHES D& NITRURE DE TITANE PR&PAREES PA~ MAGNETRON.!
\\ .
': ~
i
t
La majorité des dèp~ts de nitrure de ti{ane ont été ré~lisés avec.
suppor:t~.JAolibdèn.e'i:et'l~J'iJelle~;:;{:'
une pression d'azote de 2.10-3Torr. Sur les
"
A
'
:
"
.
.,+~;[}~~ ',' , '.'
J'-
(;i:;\\,.):
. '. ".
dépot~ ont quel que soit leur éPaisseur.;,le, mem,~·~l~~o.~portement;;'[ors .de.~.,:',:,.
l
expérlences de "la rayure". Ces films se fragmentent sous le, passa.ge de'la,pomte·t·
,·:-t·/-:'
":,i'.:"
,.;,!
"
"
et nous avons pris la charge critique comme celle qui cqrrespond au dë-ta.chement
d'un de ces fragments (PLi='INCHE JI)
Dans le cas de nitrure de titane sur tantale, le comportement est
différent: le dëp~t se soulève en copeau lorsque la charge critique est atteinte
( PLAI'! CHE JI[). Nous avons également observé la formation de motifs périodiques
cl l'intér'ieur' de la rayure et sur les bords de celle-ci lorsque l'épaisseur de' la
couche de nitrur'e de titane est égale ou supérieure à 1ft ;_::
Le tableau n° 15 présente les résultats,des mesures obtenues sur
.
A
~
les dêpots de nitrure de titane (e = épaisseur du dépot, W = la charge critique
estimée, a = rayon de contact, aH = le rayon de Hertz valable cl la limite de la
déformation élastique du substrat.
J ,~,
"
1
û::t.. = contrainte de compression en avant de la pointe, ,la force
d'adhésion mesurée (; ~ormule(1Q~etGwla force d'adhésion d'après la formule de
.' .~.

---

Tableau n° 15
Résultats sur des couches de nitrure de titane préparées par magnétron
3
3
Pression totale = 5.10-
T
Pression d'azote = 2.10-
Torr
-3
Pression d'argon = 3.10
Torr
Vitess de dépôt = 120 ~ / mn
70",
dépôt / support
e
W x 10- 3
a x 10- 6
x 10- 6
Cf;
aH
t
1
°
2
2
2
1\\
(Kg)
(m)
(m)
(N / m )
(N / m )
IN / m )
8
8
8
500
7
3,72
3
0,86.10
0,08.10
0,40.10
1
8
8
8
1000
10 - 15
4,46
1,29.10
0,14.10
0,59.10
1
1
8
8
8
TiN / Mo
2000
12
4,01
~ 1,27.10 0,13.10 0,53.10
3,59
1
1
8
8
8
3000
7 - 12
3,34
3,59
1,84.10
0,15.10
0,53.10
1
1
8
8
10000
la - 15
6,25
3,87
0,66.10°
0,]0.10
0,59.10
1
8
8
500
5
7,40
2,68
0,15.10
0,02.10
0,20.10°
1
8
8
1000
8
5
5,65
2,68
0,27.10
0,03.10
0,20.10
8
8
8
TiN / cu
2000
7
3000
12
8
7,44
8
8
3,59
0,37.10
0,07.10
0,31.10
..
1
~ 3 0,47.10 0,05.10 0,20.10
1
10000
la
8
7,
8
8
J4
4,26
0,33.10
0,05.10
0,29.10
SOO
7
8
15
8
8
3
0,05.10
0,02.10
0,28.10
1000
7
8
4,611
8
3
0,55.]0
8
0,06.]0
0,20.10
8
~
TiN / Ta
2000
10
4,79
3,38
8
0,74.10
8
0,09.10
0,33.10
1
8
8
0,27.10
8
3000
la
7,95
3,38
0,05.10
0,33.10
8
8
8
1
]
0000
10
S,80
4,87
0,51.10
0,07.10
0,33.10

---

,
1
, 1
-
91 -
..
'~"
'
Weaver 00rmule 1\\3) Les dép~ts réalisés avec une prebsion P
=
N2
0,8.10-3 Torr
3
'
.
1
sont plus fragiles que ceu>: préparés avec une pression!P
=
N2
2.10- Torr, ceci se
traduit par une fragmentation plus importante du film a:l'intérieur de la r~yure et
1
des char'ges critiques plus faibles.
.1
!
Les charges critiques (W) obtenues sur des couches préparées sur
molybdène (tableau n° 15) sont en général plus grandes que celle:; obtenüessur
cuivre et tantale. Les ra\\fOnS de contact mesurés (a) sont plus gra.nds gue ceux qui
correspondent au domaine élastique (aH) on en déduit qu'a la charge critique le~'
-
. ri
J " .~
"
substr'ats se déforment plastiquement. Nous consta:t6ns que dansthe' cas du'
'1. •
;~,
f
.
nitr'ure de titane sur molybdène les forces d/adhési'~~'~ ettwsont du:~~~e; ordre.
"~.-:L·.:~·
fl~1;';'
0
,"
:"
:.: t: 1-~' :.,.:~~.:~.
de grandeur (sauf pour des très faibles épaissl::!yrs
(e~ 500 A). Dans?,!e: .~cas d~s'
.
':\\.~.
~;'~~\\<~~'~\\'! >~ 'I:~'-':':":' .1_.'
dép~ts de nitrure de titane sur cuivre et tantale t e~twdiffèrent d'Ùri 6rdre 'd·~·. :
•
' . ,
!".
i·
'.
grandeur.
1
B - COUCHES DE NITRURE DE TITANE PREPAREES PAR TRIODE
1-:',
Nous avons étudié les forces d/adhésionpour des couches de
nitr'ure de titane préparées dans différentes conditions sur molybdène, tantale et
,0\\
cuivre. Certains substrats ont été exposés àu plasma avant dép'ot, pendant 10
minutes, d'autres ont été soit
chauffés cl 350°C environ pendant ie, c;lép~t, soit
polarisés à (-250\\1) pendant le dépôt.
G.uel que soit le traitement du support avant le dépôt
1\\
(prépulvérisation) ou pendant le dépot (polarisation du substrat ou chauffage) le
"
1\\
processus du détachement des couches de leur support semble etre le me me que
celui observê pour les couches préparées par magnétron. La cha.rge critique a été
définie d'une manière analogue.
r

---

i
1
-
92 -
!f
~ . 'l.' •
1':'
! "
," .
. .. :;r'~:'
,. ~ i. ,
......r:....
:.. ;; ...•. : .
\\::
.... ),
.
Dans le cas des couches préparées s~rle cuivre, et lorsque le
support est chauffé au polarisé, orl observe des pli.5sements de la· couche à
l'intérieur de la rayure pour des charges inférieures à. la charge critique.
Ces plissements définissent un régime pré-critique.
Nous avons présenté dans le tableau n D 16 les résultats des
mesures de l'adhésion, les échantillons notés N sant ceu:< dont les substr.ats ont:
A
.
'.:
1\\
été e:<posés au plasma avant dépote Les échantillons c~auffés pendan~ ledépot à
..
350· C sant désignés dans le tableau n° 16 par C. Les échantillons correspondant
J,.
:ti:l.
au>: numéros P ont été polarisés à,' -250 V.
.:).J;::~. .
.' [[.J .l , ....:c
·'···'··"t'·:.··
'~\\I:I,l1
"', ,:
..
::
:<~~"..\\::,~~:.::.: .
. :~~ Il .i;
..... ".
'. :. ~
Nous remarquons que les charge~J~~ti~ues obten~t.~l~ur. le\\:
'.. ·..I...·~..·
. .:\\.. ;<;, '. .
' " .
échantillons préparés par triade sant plus élevées qùe celles obtenus'pour des.
;. j.:.
. , 1
f.'
couches préparées par magnétron.
î;.,
.. '
Nous avons également observé une augmentation de la charge'
critique dans le cas des couches préparées sur cuivre lorsque le substrat est
A
nettoyé avant dépot et sur tantale lorsque celui-ci est chauffé. à 350· C pendant
. A
le d épate
,
,.
"
A
' .
. '
"
Comme dans le cas des dépots obtenus par ma.gnétron, les rayons
.
,
'
.
de contact mesurés a sant plus élevés que les ra.yons correspondant au domaine
élastique (aH). Il y a donc déformation plastique des substrats à la charge
critique. Comme dans le cas du nitrure de titane obtenu par magnétron, an note
que pour les couches préparées sur molybdène et tantale les forces d'adhésion rr,
et ~wsont du m~me ordre de grandeur. Ces farces diffèrent d'un ordre de grandeur
dans le cas des dépôts de nitrure de titane sur cuivre.
/
r-
.--;
',1 .
" '.
<.
~.

---

,.l' "
.. _.. /"!'.
-Y3-
'.:~ .
Tableau n° 16
Hésultats sur des couches de nitrure de tit<:ne préparées par triode
Conditions de dépôt : Ua
60 V
l
= 9 A
u = - 1500 V
a
c_ 5
4
8.1.0
Torr
l'tir
9,2.10-
Torr
V
= 25 A / mn
dépôt
,
dépôt / sliPl:or t
e
1
\\;
a x 10- 6
x .10- 6
'G
Gw
aH
(J""
~
2
2
2
(m)
(ml
(N / m )
(N / m )
(N /
m )
0
8
8
8
500 A
10 - 20
7,40
4,26
0,62.10
0,11.10
0,68.10
0
8
8
8
750 A
20 - 30
7,70
4,87
0,86.10
0,16.10
0,84.10
1
~
8
8
8
1000 A
20 - 30
7,10
4,87
1,02.10
0,18.10
0,84.10
0
8
8
8
TiN / r'10
C
1000 A
20
1,51.10
0,17.10
0,68.10
1
0
~ 4,26
8
8
8
p
1000 A
20 - 30
7,40
4,87
0,94.10
0,17.10
0,84.10
1
0
8
8
8
1500 A
30 - 40
5,50
5,36
2,27.10
0,31.10
0,97.10
0
8
8
8
N
2500 A
50
11,15
5,78
0,69.10
0,19.10
1,08.10
0
8
8
8
500 A
< 15
8,30
3,87
0,37.10
0,07.10
0,35.10
0
8
8
8
N
1000 A
30 - 40
19,30
5,36
0,18.10
O,OB.10
O,5B.I0
0
TiN / cu
1000
8
C
A
5 - 10
8,9
3,38
0,21.10 8
8
0,04.10
0,29.10
. _ - - - - _ . - - - -
0
8
0,21.10°
O,Q1.10
0,29.108
p
1000 A
5 - 10
8,9
3,38
0
8
B
8
1500 A
< 10
7,4
3,38
0,31.10
0,06.10
0,29.10
1
)
0
8
8
8
500 A
10 - 15
4,83
3,87
0,73.10
0,08.10
0,41.10
0
8
8
8
750 A
< 5
7,4
2,68
0,57.10
0,10.10
0,23.10
0
1
8
8
8
1000 A
30 - 40
3,57
5,36
5,38.10
0,48.10
0,67.10
_ c 1
TiN / Til
0
8
8
8
1,13.10
0,13.10
0,41.10
-P-1 1000 A 10 - 15
4,76
3,B7
0
8
8
8
0,94.10
0,OB.I0
0,33.10
-,1 1500A ~ 3,57 3,38
0
8
8
8
2500 A
10 - 20
7,25
4,26
1
0,65.10
0,11.10
0,47.10

---

-
94 -
.,\\',
..
"."
\\ ....
"""~:=r- ••
"
'
.;,,'
élastique ment et que l'énergie d'adhésion correspond au', maximum de l'éner,gie de
. i
dèformation avant décohésion.
Nous avons porté les résultats des énergies d'adhésioD ~évalué
dans les tableau>: n° 17, 1B, 19 et 20. Dans ces tableau:<t'e désigr,e l'ép~isseur du.,:.·;
f,
ft:
A
'
.1
" " ,
1;
, ,': ,i '
dépot, W la charge critique et ~7V la contrainte decompressiori en axant' de ~a:':-.
'3h;~~'<dr~{~~f\\".r',',/
pointe
En comparaison avec les énergIes ,d'adhéslonthéor:'lque, on',§;.~
.
.' '.:' ~\\~~;": ,'....:~.
" ::'.~,':~ <\\~;:.~,'''~' <.
~ .;,»:,..
constate que les énergies d'adhésion évaluées à partir[-dela formule 'Ü5} sont
très faibles pour des couches de titane et de nitrure de titane préparées par :"
magnétr'on ou par triode. Par e>:emple pour une couche de titane d'une épaisseur
o
'"
'i?
de 1000 A sur- molybdène, pour une charge cr-itique de 10 g,<t)(..égaleàA,17.10-
,
_Ji
~
N / \\NIL!
)
on a une éner-gie d'adhésion p de ,'79 . -\\0 ~_f~~ . alor-s que l'éner-gie
-3 0/ .u
d'adhésion théor-ique est de 384· 10 _J ~
De m~me pour une couche de nitrure de titane d'une épaü,seur- de
1000 A, avec une charge critique de 15 g, cr~ est égale à l,29.10B '" 1 WlZ-
et
l'énergie
d'adhésion fi est de 9,8
!Io-~j /t/Y/J comparée à l'éner-gie d'adhésion
0
3
théor-ique (595,1-~. IG- J/ 'M2..)
r
, 1
Le désaccord tr-ès marqué entre l'énergie d'adhésion évaluée par- la
/ '
méthode
qui
suppose
une
déformation
élastique
du' dépot
ava.nt
sa
perte
A.
d'adhésion est sans doute du au fait que les dépôts de; titane ou de nitrur-e de

---

, "
r
- 95 -
.:,
f"
j
~
titane ne sont pas suffisamment ductiles pour se déformer uniquement d'une
manière élastique avant décohésion. L'observation de la fragmentation des dépbts
dans la rayure notammentd." nitrure de titane semble en être une conséquence.
!.:'
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·"i
i
,,'
-'j
p
ï
..
"
i,1
J
-,
1"
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1
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'!
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,
....

---

Tableau n° 17
Résultats sur les énergies d'adhésion pour les couches de titaEle
Couches de titane préparées par magnétron
3
dép3t / suppcrt
e
\\~ x 10- 3
0-: 1
~ x 10-
(~ x 10- 3
x. 2
2
théorique
( K~)
(N / m )
(j / m )
(j / m~)
0
8
600 fi
10
0,99 . .1.0
2,67
0
8
Ti / flà
1000 fi
la
4,17.10
79
384
- - - - - - -
0
8
2000 A
10
2,63.10
63
-
-
0
8
600 fi
5
0,92.10
2,31
0
8
Ti / cu
1000 fi
5
0,88.10
3,52
83
0
8
2000 fi
5
1,12.10
11,42
8
600 fi
5
9,2 . .1.0
27,9
0
8
Ti / Ta
1000 A
5
2,5 .10
28,4
238
0
2000 fi
5
2,25 . .1.0°
46,1
1
Tableilll n° 18
Couches de titane préparées par triode
dép3t / suppcrt
e
\\~ x 10- 3
0- '
f'>x 10- 3
!~ x 10-3
x..-
2
2
théorique
(Kg)
(N / m )
(j / m )
( j / m")
0
8
500 fi
10
1,22.10
3,38
0
8
Ti / flo
750 fi
la
2,91.10
28,9
384
0
8
] 200 fi
15
3,50.10
66,9
0
8
500 fi
7
0,37.10
0.31
0
8
750 A
5
1.10
3,41
Ti / cu
B3
0
1000
8
fi
5
1,41.)0
9,05
0
1200 fi
7
0,60.10°
1,9
- - - - - -
0
500
8
fi
.10
3,%.10
35,7
0
Ti /
B
Ta
750 fi
7
2,90.10
2B,7
238
0
8
1000 fi
15
4,7.0.J0
BD, :i
; -.-..r:-~':':'·1~ ,~ 'r'-7r2_~I~~ '::"'~"r~~:;=r~::+:';:::!:"~7'~- ._- ~;, ~ .:..; ~6:~.r \\~~·4.~...:::..~.;t...~:,.,:;:..::;;",.· ._'.-0-.",:, , • '.....',•.... ......,

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- 97 -
....
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,
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",
.. t,',
! -
Tableau n° 19
k
,\\.
:.;
Resultats sur les énergies d'adhésion Pour
1,
les couches de nitrure de titane préparées par magnétron
i
.1 ~
3
1
dépôt / support
e
W x 10-
cr-x..
~
10- 3
(!> x
3
10-
x
théorique
°
3
2
(A)
(Kg)
(N / m )
( j / m )
( : / m)
J
8
500
7
0,8 .10
2,2
li
8
1000
10 - 15
9,8
".
1,29.10
8
TiN / Mo
2000
12
1,27.10 ";,,(9,1
,;, ,595,78
,1
.:
r.
3000
7 - 12
10000
10 - 15
:\\ :'
,
8 ""l~.;> .~i:\\
500
5
0,15.10 ·1·"cO, 06
" }
8
1000
5
0,27.10
0,43
8
TiN / cu
2000
7
0,47.10
2,62
113,82
8
3000
12
0,37.10
2;43
,",
8
10000
10
0,33.10
6,45
8
500
7
0,05.10
7,41.10-]
8
1000
7
0,55.10
,
1,79
8
'J'iN / 'T'a
2000
10
0,74.10
6,49
359
8
3000
10
0,27.10
1,29
';1,
8
10000
10
0,51.10
15,42
_._... J

---

· , [ '
·'1i".1'1
. ,i
Tableau n° 20
Résultats sur les énergies d'adhésion pour les couches de nirure de titane préparées par triode
dépôt / support
e
\\Ii x 10- 3
(f~
f3x lC- 3
(3) x 10- 3
2
~
théori~e'
(Kg)
(N / m )
( j
/ h{)
(j / m )
°
8
500 A
io - 20
0,62.10
1,13
:
°
8
750 A
20 - 30
0,86.10
3,29
°
N
1000 11
20 - 30
1,02.10°
6,17
1
1
°
8
1
TiN / Mo
C
1000 11
20
1,51.10
i
D,52
595,78
.~
°
8
~
p
1000 A
20 - 30
0,94.10
i
5,24
.:
1
,
°
8
1500 A
30 - 40
2,27.10
!
45,84
1
l,',,'
{i~ .' ~,
' f '
~\\f i V{
0
"
8 "
j~'
N
2500 A
50
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'1')5 '7,05
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0
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8
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"
500 A
< 15
·(,0 37.10
'Tt 0;40
' .
'.
"
'
1
"H
°
8
.i.
N
1000 A
30 - 40
0,18.10
1.
0,19
, j.,
~' .
,
°
8
,i',
TiN / cu
C
1000 A
5 - 10
0,21.10
1
0,26
113,82
",1· "
1.
,
°
P
1000 A
5 - 10
0,21.10 8 '
0,26
--
,
- ............
°
8
i500 A
< 10
0,31.10
0,85
°
8
500 A
,
10 - 15
0,73.10
l,58
°
8
1
750 11
< 5
0,37.10
1,44
°
8
C
1000 A
30 - 40
5,38.10
171,67
'l'iN / 'l'a
359
°
8
p
1000 A
10 - 15
1,13.10
7,57
°
8
1500 A
7 - 10
0,94.10
7,86
°
8
N
2500 A
10 - 20
0,65.10
6,26

---

99 -
CONCLUSION D8:UXIB:M8: PARTIB:
L'étude de l'adhésion des couches de titane et de nitr-ure de titarle
a révélé un mode de perte d'adhésion dépendant du suppor·t.
Dans le cas des couches de titane sur molybdène et cuivret le dépbt
se soulève en avant de la pointe alors que sur tantalet il y a apparition des
motifs périodiques autour' de la pointe.
E:n ce qui concerne le nitrure de titane, le film se fracture et se
détache par fragments sur molybdène et cuivre alors que dans le cas du dép6t sur
tantale le film se soulève en copeau.
Ces modes de perte d'adhésion obser'vés sur les couches de titane
et de
nitrure
de
titane
sont
les
mêmes
quelque
soit
le
mode
de
dépôt
-pulvérisation magnétron ou pulvérisation triode- et quelque soit les conditions
de préparation. Seules les forces d'adhésion diffèrent suivant le mode et les
1\\
conditions de dépot.
Dans la plupart des ca'5 <Till.'fo, Ti/Cu, Ti/Ta et TiN/Mo) la for-ce
d'adhésion que nous avorls mesurée est du même ordre de grandeur que les forces
d'adhésion de Weaver qui ne font intervenir que la dureté du support. Par
conséquent il semble dans ce cas que
l'adhésion soit liée
au>: propriétés
mécaniques du support.
Dans les couples TiN/Cu et TiN/Ta la force d'adhésion mesurée est
d'un ordre de grandeur' inférieure à celle de Weavert ceci pourrait ~tre dû au fait
que le support est trop mou vis-à-vis d'un dé~t dur.

---

-
100 -
Nous avons également constaté que les forces d'adhésion n'étaient
pas
significativement
différentes
lorsque
le
support
est
soumis
à
une
polarisa.tion pendant le dépôt par contre l'adhésion augmente lorsque le support
1\\
est chauffé pendant le dépot. Ceci a été notamment observé dans le cas du nitrure
de titane sur tantale chauffé à 350 ~c. Nous pensons que ceci est dG à un
nettoyage du suppor-t ou A une légère diffusion interfaciale.

---

- 101 -
CONCLUSION
Au cours de ce travail, nous avons étudié la structure et l'adhésion
des couches de titane et de nitrure de titane sur molybdène, cuivre et tantale.
L'étude a montré que la structure du titane et du nitrure de titane
était normale dans certaines conditions de préparation: hexagonale pour le titane
et cubique ci faces centrées pour le nitrure de titane. Cependant nous avons
observé qu'en général le paramètre C de titane était supérieur au paramètre
théorique et que la maille cristalline du nitrure de titane était dilatée par
rapport
à.
la
maille
du
nitrure
de
tHCl!1@
massif. Ces
observations sont
certainement dÛes à l'incorporation d'impuretés au cours du dép6t .
.<~. ';"';7"'~
0
Les couches obtenuessoht~que'lql!esoit l/épaisseur le > 500 A)
1,/
"" .
continues et sans porosité. La tailltmoyenne des gr~i~~ dépend du support mais
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ne varie pas avec les conditions de êléplhs;Mlt
cl
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.. ,
îJCicumt nf tion
'li
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~
~
oté_que f~" ines couches de nitrur·e de
rdl Sil 66l)
titane présentaient des fissures qui pouvaient ~tre attribuées à des contraintes
de croissance de dépbts.
L'adhésion des couches de titane et de nitrure de titane a été
mesurée par la méthode de la rayure. Les modes de perte d/adhésion sont
caractéristiques du support. L/évaluation de la force d/adhésion a montré que la
meilleure adhésion était obtenue pour les couches déposées sur molybdène et que
cette adhésion pouvait être augmentée par chauffage lors du dépat.
Cette méthode relativement simple à. mettre en oeuvre nous a
permis de comparer les forces d'adhésion pour les différents systèmes étudiés.

---

)
)
')
PLANCHE
l
TITANE
SUR
TANTALE
"
Figure I.a)
charge == 15 g
. ~ .~.
o
-épaisseur 1000 A
Figure Lb)
charge
20 g
Figure I.e)
charge ==
7 g
i
0
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Figure I.d)
==
charge == la g
Figure I.e) ==
charge == la g
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charge == 15 g
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PLANCHE
II
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J
,1
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TiN/Mo
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i
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f
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TiN/Mo.. charge = 40 g ",)
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III
1
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