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Chapitre I : Couches minces et techniques de dépôt

1. Reference Probe 470 18 50 Figure 21 Sch ma de la sonde utilis e Unit s mm pouces En plus de la sonde et de la commande lin aire automatique il y a le syst me de mesure semi automatique Figure 22 qui est constitu d un ordinateur pour les diff rents param tres de mesure et aussi pour l enregistrement des courbes de l lectronique d acquisition qui fait le lien entre la sonde et l ordinateur Figure 22 Syst me du diagnostic du plasma la sonde l lectronique d acquisition l ordinateur 74 Chapitre II Exp rimentation Le syst me de nettoyage 22 Durant un d p t la pulv risation de la cible va provoquer la formation d une couche mince sur le fil de tungst ne de la sonde ce qui peut fausser les mesures La formation de cette couche va provoquer un fort changement du signal Pour viter ce probl me la dur e totale d une mesure sera minimis e une mesure par point dans le plasma D autre part un nettoyage p riodique se fait apr s quelques mesures dans un plasma d Argon 250 W et 3 8 ubar en polarisant la sonde un potentiel fortement positif pour qu un courant lev la traverse la temp rature lev e laquelle est port e la sonde en g n ral port e au rouge figure 23 B permet l vaporation des d p ts soit par un potentiel n gatif et dans ce cas la couche form e sur le fil de la sonde va tre pulv ri
2. 074 o 064 amp 05 044 034 T 024 01 0 0 20 40 60 pourcentage d azote Figure 24 Evolution des intensit s relatives Ij I paisseur 2um 120 Chapitre III R sultats et discussions L tude a t compl t e par le calcul de contraintes de chaque couche afin d valuer la duret de celles ci D apr s la figure 25 on constate que les couches les moins contraintes sont celles obtenues 650 et 1250 nm d paisseur Celles obtenues 1850 et 2150 nm sont les plus contraintes jusqu 2 5 GPa 650 nm HH 1250 nm 34 4 1850 nm 2 5 H 2150 nm 2 o 154 2 c S 44 S amp 054 0 0 5 T T T T T 1 096 10 20 3096 4096 50 60 Pourcentage d Azote Figure 25 Contrainte des couches en fonction du pourcentage d azote On remarque que l influence de la variation de l paisseur sur l volution des contraintes est faible par rapport l influence de la variation du pourcentage d azote On constate de plus que les couches les plus contraintes sont celles pr sentant l orientation cristalline 200 majoritaire ce qui s explique par le fait que ce sont les plans les plus denses de la structure cubique II 2 5 Influence de la pression totale du m lange Ar N Nous nous sommes ensuite int ress l influence de la pression de travail pour un pourcentage d azote de 5 et un temps de d p t fix au sein de la chambre sur la structur
3. Chapitre III R sultats et discussions La variation de la temp rature lectronique et de la densit lectronique en fonction de la position de la sonde suivant le rayon du porte substrat est repr sent e sur les figures 3 C et 3 D On constate que la temp rature lectronique reste presque constante le long du rayon du porte substrat jusqu ce que la sonde soit 45 mm du centre o la temp rature commence augmenter de 4 eV jusqu 7 eV une distance de 35 mm du centre puis diminuer Par contre la densit lectronique commence augmenter d s que la sonde se rapproche du porte substrat puis elle augmente rapidement de 5 10 cm une distance de 100 mm du centre jusqu 4 75 10 cm La variation de la longueur de Debye en fonction de la position de la sonde suivant le rayon du porte substrat est repr sent e sur la figure 3 G On observe que la longueur de Debye diminue presque lin airement lorsque l on se rapproche du centre du porte substrat Cela est tout fait logique car lorsque l on s approche du centre du porte substrat le taux d ionisation s l ve et les collisions entre lectrons augmentent ces collisions vont diminuer le libre parcourt moyen des lectrons et cela explique la diminution du rayon de la sph re de Debye pour assurer la neutralit du plasma La superposition de la courbe du potentiel flottant sur le sch ma d une cathode magn tron plan circulaire conventionnel Figu
4. la courbe est l inverse des deux pr c dentes La variation de la longueur de Debye en fonction du pourcentage d azote et de la tension appliqu e la cible est repr sent e sur la figure 1 F On observe une augmentation presque lin aire de la longueur de Debye lorsque le taux d azote dans la d charge augmente ce qui signifie aussi l augmentation de la distance caract ristique d crantage d une perturbation lectrostatique par un plasma Cela signifie qu bas taux d azote l amplitude du d placement des lectrons au cours de ces oscillations est petite cause de la forte densit lectronique ce qui est v rifi sur la figure 1 D On remarque aussi que la longueur de Debye diminue lorsque la tension de polarisation de la cible augmente I 2 Influence de la pression totale du m lange argon azote Les variations du potentiel plasma et du potentiel flottant en fonction du pourcentage d azote et de la pression totale du m lange de gaz Ar N sont repr sent es sur les figures 2 A et 2 B 92 Chapitre III R sultats et discussions On observe que le potentiel flottant pour une pression totale de 6 ubar ne pr sente pas la m me allure que les deux autres pressions c est le m me cas pour le potentiel plasma o les trois courbes ne pr sentent pas la m me allure Toutefois la pression de travail ne semble pas avoir beaucoup d influence sur le potentiel plasma Les variations de la temp rature lectro
5. Chapitre I Couches minces et techniques de d p t la composition des gaz r siduels la puissance appliqu e sur la cible la tension de polarisation du porte substrats la densit de courant la g om trie de l ensemble 9 la pr sence ou non de champs magn tiques Les ions peuvent provenir soit d un plasma soit directement d une source d ions Entr e du gaz ioniser O O OO0OoQ0Oo OOOOOO OOOOOO OOOOOO Cas id al basse nergie dA O O Le oO O O NO O O O O Zo OUO 90 00 Pompe vide Haute nergie implantation et centres perturb s Alimentation lectrique co Sx Soo SUBSTRAT A B Figure 2 A Principe de la pulv risation B Illustration des interactions ion solide basse et haute nergie 2 La caract ristique la plus int ressante du proc d de d p t par pulv risation est son universalit Comme le mat riau d poser passe en phase vapeur la suite d un processus m canique transfert d nergie de l ion incident vers l atome de surface 10 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t au moment de la collision on peut d poser pratiquement tous les mat riaux inorganiques La vitesse de d p t d pend de nombreux facteurs comme la masse atomique du mat riau cible ou celle des ions incidents ou bien encore de l nergie de ces m mes ions Pour un m tal avec une puissance d en
6. ce une tension appliqu e entre le canon lectrons et l objet analyser Les tensions d acc l ration appliqu es se situent entre 0 et 30 KV Des bobines lectromagn tiques et des diaphragmes assurent le guidage la focalisation et le balayage du faisceau jusqu la surface de l chantillon Les lectrons secondaires et r trodiffus s sont r colt s chacun par leur d tecteur respectif Le signal est modul par une cha ne lectronique et synchronis avec le balayage d un tube cathodique L op ration se d roule sous un vide se situant entre 10 et 10 Pa constamment maintenu dans la colonne et la chambre d analyse afin d viter tous risques de contamination de l enceinte d oxydation de la source ou de l chantillon et pour viter les collisions qui peuvent se produire entre lectrons et particules de l air ph nom ne de freinage Les chantillons ne n cessitent pas de pr paration sp cifique mais le d p t de film conducteur d or ou de carbone s impose lorsque l on veut observer des chantillons di lectriques La pr paration des chantillons se 53 Chapitre II Exp rimentation r duit un nettoyage l thanol ventuellement dans un bain d ultrasons Dans le cas de mat riaux di lectriques la recherche d une imagerie de grande qualit se fera apr s vaporation d une couche d or ou de carbone Par ailleurs le fonctionnement en mode vide partiel permet d obtenir une tr
7. diode la cible cr ait elle m me son plasma et attirait les ions qu elle avait engendr s Dans le syst me de pulv risation triode on s parait les fonctions de cr ation et d utilisation des ions Mais les ions engendr s par le g n rateur de plasma taient diffus la cible devait tre polaris e pour les attirer Ici on va cr er des ions dont on pourra fixer le flux et l nergie puis les acc l rer sous forme d un faisceau que l on enverra sur la cible pulv riser 19 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Le canon ions comporte une chambre d ionisation dans laquelle on introduit le gaz qui sera ionis par un ensemble cathode chaude plus anode une ou plusieurs lectrode extractrice d ions destin e les attirer et les acc l rer Afin d avoir une neutralisation du faisceau on associe un compensateur Ce syst me peut tre soit un filament chauffant soit une source d lectrons Ce canon est g n ralement ind pendant de l enceinte dans laquelle il envoie ses ions et o on place la cible La conductance entre le canon ions et l enceinte est telle qu elle permet d avoir des pressions de travail de l ordre de 107 Pa Evaporation assist e par faisceau d ions I B A D L vaporation assist e par faisceau d ions Ion Beam Assisted Deposition est un systeme relativement r cent congu pour pallier la qualit souvent m diocre des d p ts mauvais vieillissement
8. rieure d Arts et M tiers de Cluny 2000 14 Mohamed abdou djouadi Th se de doctorat Universit de Paris sud Orsay 1995 15 Gahlin R Larsson M Hedenquist P Jacobson S Hogmark S 16 Fondronnier J Guillerm J 1979 Technologie du d roulage Cahier du C T B n 115 64 p 17 Thibaut B 1988 Le processus de coupe du bois par d roulage Th se de Doctorat d Etat mention Sciences Universit Montpellier II 367 p 18 Dec s Petit Cyrille tude des phases transitoires au cours du d roulage de bois th se de doctorat ENSAM de Cluny 1996 83 Chapitre II Exp rimentation 19 Butaud J C 1994 Conception d une microd rouleuse instrument e M moire d Ing nieur CNAM en m canique industrielle ENSAM 76 p 20 Thibaut B 1985 Conception d un prototype de machine d tude du d roulage Compte rendu de fin d tude DGRST N 82 6 1003 21 Mortet V Th se de Doctorat Universit de Valenciennes et du Hainaut Cambr sis 2001 22 Manuel d utilisateur de la sonde de Langmuir Scientific Systems Ltd Dublin Ireland 84 Chapitre II Exp rimentation Liste des figures Figure I Figure 2 B ti de pulv risation magn tron Int rieur de l enceinte de d p ts a avant modifications b apr s modifications Figure 3 Figure 4 Figure 5 Figure 6 Figure 7 Figure 8 Figure 9 Figure 10 Figure 11 Plasma divis Porte substrat MEB Fami
9. sultats et discussions La variation de l paisseur et du pourcentage d azote pourrait expliquer ces fluctuations D apr s Meng ef al 12 la distance inter r ticulaire di augmente avec le pourcentage d azote ce qui induit une augmentation des contraintes La figure 15 repr sente les diffractogrammes de substrats d acier rev tus de couches de TiN obtenues diff rents pourcentages d azote Nous remarquons que pour un pourcentage d azote dans le plasma inf rieur 50 96 les couches pr sentent les orientations cristallines 111 200 et 311 A 50 de N2 on note l apparition du pic 220 et la quasi disparition des orientations 111 200 et 311 On notera aussi que jusqu 20 de Nz les orientations cristallines 111 et 311 pr dominent La finesse des pics d orientation 111 pr dominants 5 et 10 de Nz est un indicateur sur le bon taux de cristallisation de cette phase au sein des films obtenus aD 220 11 200 50 Z 20 o 5 10 5 T T T T Er ES GR EE EE Sn Acier 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 280 Figure 15 Diffractogrammes de couches de TiN obtenues sur acier 108 Chapitre III R sultats et discussions Contrairement aux d p ts obtenus sur Si augmenter le taux d azote rend les couches amorphes ou d veloppent des couches avec des grains trop petits pour tre d tect s par DRX Par ailleurs la pr dominance des plans les moins denses 111 ou m m
10. tique Du fait de leur faible masse les lectrons libres r cup rent en g n ral l essentiel de cette nergie et provoquent par collision avec les particules lourdes du gaz leur excitation ou dissociation et donc l entretien de l ionisation La d charge lectrique s obtient de diverses mani res Soit par un syst me avec lectrodes sous un champ lectrique important Il s agit des d charges en courant continu d charges luminescentes et d charges couronnes Figure 8 Cathode Figure 8 D charge lectrique obtenue par un syst me avec lectrodes 26 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t soit par un syst me sans lectrodes sous un champ lectromagn tique variable de type basses fr quences radiofr quences couplage capacitif ou inductif ou micro ondes Figure 9 Micro ondes r sonnance des esp ces Figure 9 D charge lectrique obtenue par un syst me avec sans lectrodes Si la d charge aliment e en continu ou en radiofr quences est accompagn e d un champ magn tique on a une d charge de type magn tron La pr sence d un champ magn tique intense dans un champ lectromagn tique micro ondes conduit un processus d excitation du plasma la r sonance cyclotronique lectronique ECR III 4 Les fonctions d un plasma Les fonctions d un plasma froid d pendent de l nergie acquise par les esp ces de quelques dixi mes d eV
11. 50 d azote On fait varier le temps de d p t afin d obtenir des couches dont l paisseur est comprise entre 0 5 et 2 um L paisseur des couches obtenues est mesur e gr ce au Calotest et au profilom tre Comme pr vu on voit que la vitesse de d p t diminue lorsque le pourcentage d azote dans le plasma augmente On superpose les diffractogrammes obtenus pour un m me pourcentage d azote afin de voir si la structure des films change en fonction de leur paisseur Figure 16 D apr s la figure 16 A on constate que pour de faibles pourcentages d azote dans le plasma 5 96 les couches de TiN sont cristallis es et pr sentent les orientations cristallines 311 et 111 Un pic mineur de TIN 200 est galement d tect On remarque galement que les couches sont d autant mieux cristallis es que l paisseur augmente 111 Chapitre III R sultats et discussions Lorsque le pourcentage d azote dans le plasma passe de 5 10 Figure 16 B les couches sont toujours cristallis es mais selon l orientation 111 Un pic mineur de TiN 200 est d tect partir de 1 3 um d paisseur La couche de 2 um d paisseur semble la mieux cristallis e en pr sentant un pic intense et troit de TIN 111 A 20 d azote dans le plasma Figure 16 C les couches sont d autant mieux cristallis es que leur paisseur augmente Par ailleurs on note la coexistence des orientations cristallines 111 et 200 Lorsque le pour
12. 500 eV environ Tableau 3 27 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Chauffage BEC PR ECS CCE Processus Thermqiue Les ions form s dans le plasma transforment leur nergie cin tique en nergie thermique par bombardement puis chauffement de la cathode Le substrat reli lectriquement la cathode voit sa temp rature s lever entra nant sa surface une activation thermique d pendant de la temp rature et des caract ristiques des ions diffusion des ions dans le substat Bombardement ionique LES FONCTIONS D UN PLASMA Processus Chimique Les ions form s dans le plasma peuvent se recombiner chimiquement entre eux la surface de la cathode ou bien se combiner avec les ions de la cathode issu du bombardement D p t ou gravure par vapeurs chimiques assist es par plasma PACVD Processus Physique Processus Mixte Il est possible d extraire des l ments d une source par des techniques d vaporation ou de sputtering Sous l action du champ lectromagn tique ces l ments deviennent des esp ces excit es puis ionis es dans le plasma d posables par condensation sur le substrat cathode I est galement possible d implanter des esp ces ionis es qui ont de tr s fortes nergies cin tiques ces trois fonctions ensemble D p t diffus toujours appel technologie D p t physique en vapeur d eau PROCEDES Tableau 3 L
13. 60 mm de la cible Le diam tre du porte substrat fait 200 mm On d bute l tude de l ext rieur vers le centre du porte substrat La variation du potentiel plasma et du potentiel flottant en fonction de la position de la sonde est repr sent e sur les figures 3 A et 3 B On observe bien que plus on approche du bord du porte substrat plus que le potentiel flottant et le potentiel plasma augmentent l g rement et m me sur les premiers centim tres du porte substrat AR zi J A U CO A co qo o 1 1 1 GO C2 c o 1 centre du ed porte substrat 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Position de la sonde suivant le rayon du porte substrat cm Potentiel flottant Vf V Co N Co A 1 C2 Co Te B 58 56 54 52 50 48 46 centre du 44 porte substrat 42 4 UO D X AARN 07 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Potentiel plasma Vp V Position de la sonde suivant le rayon du porte substrat cm 96 Chapitre III R sultats et discussions C 3 centre du 2 porte substrat 14 Ph T 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Position de la sonde suivant le rayon du porte substrat cm Temp rature lectronique KTe ev C1 m D eo E 5 10 4 2 o Al 2 4 10 O pg 3 E 10 4 c 9 5 2 E 10 o ES 1 E410 4 centre o du porte substrat OB DD AAEENNNNNEEEENKQ QU 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Position de la sonde suivant le r
14. 9 II 2 1 Principe 9 11 13 13 17 IL 4 Techniques de d p ts assist es par faisceau d ions 19 Pulv risation par faisceau d ions 19 Evaporation assist e par faisceau d ions 1 B A D 20 II 5 D p ts chimiques en phase vapeur C V D P A C V D 22 II 6 Avantages et inconv nients des proc d s P V D et C V D 23 24 24 Qu est ce qu une esp ce excit e 25 Qu est ce qu une esp ce ionis e 25 25 II 2 Le plasma froid qu est ce que c est Sommaire III 3 Comment g n rer un plasma 26 II 4 Les fonctions d un plasma 27 IIL 5 Les champs d application 28 2 Les modifications superficielles 29 2 1 Introduction 29 2 2 Les rev tements durs en couches minces 30 2 2 Les rev tements durs deux compos s binaires 30 2 2 2 Les rev tements durs plusieurs compos s 32 2 2 3 Les rev tements durs multicouches 34 2 2 4 Les rev tements durs en super r seaux 36 R f rences bibliographiques 38 Liste des figures 39 Liste des tableaux 40 Chapitre II Exp rimentation 43 I Technologie des d p ts 44 I 1 B ti de pulv risation magn tron 44 I 1 1 Le syst me de pompage 44 I 1 2 L enceinte de d p ts 44 I 1 3 Armoire lectrique de contr le 8 45 I 1 4 Configuration initiale du b ti 46 I 1 5 Configuration apr s modifications en dual magn tron 46 I 1 6 Cons quences li es aux modifications 47 I 1 6 a La d charge plasma 47 I 1 6 b Pu
15. A 9 Aybar D 12 6ubar E 4 8ubar M 10 4 3 o 8 e 7 B S 24 Es B 0 T T T 1 E 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote D 4ubar i 6ubar 5 E 10 4 Shot 4 E 10 3 E 10 4 2 E 10 4 1 E 10 4 0 E 00 r r i 1 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote 94 Chapitre III R sultats et discussions E 6 E 10 Aubar em TH 6ubar 4 8ubar z 5 E 10 z o g 4 E 10 2 3 E 10 E 5 a 2 E410 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote F 4ubar _ 0 014 A Sibar E 0 012 4 o gt 2 001 0 008 4 D B 55 0 006 o m 0 004 i 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote Figure 2 Variation du potentiel flottant A potentiel plasma B de la temp rature lectronique C densit lectronique D densit ionique E et de la longueur de Debye F en fonction du pourcentage d azote et de la pression totale du m lange Ar N L3 Influence de la position de la sonde sur le porte substrat Pour ce diagnostic tous les param tres ont t fix s pourcentage d azote 5 96 tension de polarisation appliqu e la cible de 500 V pression totale du m lange de gaz de 8 ubar Le but a t d tudier l volution des diff rents param tres du plasma en faisant varier la position de la sonde le long du rayon du porte substrat 95 Chapitre III R sultats et discussions La sonde est une distance de 20 mm du porte substrat et de
16. Med Ie 40 AF Results S 00 400 Goo D O Ios 1800 tatus Sloan DEKTAK 30GOST Rev 6 3 6 4 F6 0 16 13 07 22 03 Figure 8 Mesure de l paisseur au profilom tre ex 1000 nm 58 Chapitre II Exp rimentation 11 4 2 D termination des contraintes 11 4 2 1 Contraintes r siduelles des films D une mani re g n rale la pr sence de contraintes internes dans les films minces peut tre l origine de la rupture de l ensemble film substrat selon plusieurs m canismes Dans le cas de contraintes en tension des fissures naissent le plus souvent dans l paisseur et se propagent l interface voire dans le substrat Si au contraire les contraintes sont en compression l endommagement est sous forme de d collement de la couche et ceci pour adopter une morphologie qui minimise l nergie lastique emmagasin e lors de la croissance du film On parle alors de d laminage ou flambage 7 Ces ph nom nes sont un obstacle une bonne adh rence des films Les contraintes internes ou r siduelles dans un film ont principalement deux origines les contraintes thermiques et les contraintes de croissance Certains auteurs 8 ajoutent une troisi me contrainte due au changement de phase tant donn que les contraintes de croissance et de changement de phase sont de m me nature et sont troitement li es la morphologie du film l association des deux contraintes est identifi e p
17. angle 20 form avec le faisceau direct L tude du diffractogramme permet de remonter un grand nombre d informations sur les caract ristiques structurales et microstructurales de l chantillon telles que les structures cristallines des diff rentes phases leurs proportions la taille des cristallites les taux de d fauts structuraux les macro et micro contraintes et la pr sence d une texture Positions angulaires des raies de diffraction Les positions angulaires des raies de diffraction sont caract ristiques des param tres du r seau cristallin L tude des positions des raies de diffraction permet donc de remonter au r seau cristallin de chacune des phases cristallis es de l chantillon Une fois le r seau d termin les positions angulaires des raies permettent de calculer les distances interr ticulaires des plans atomiques diffractant et ainsi d acc der aux param tres de maille Par exemple pour un syst me cubique on a a dyu Al ck E Q Les param tres de maille voluent sous l effet de macro contraintes ou par la pr sence de d fauts ponctuels tels que des lacunes atomiques ou des atomes en substitution ou en insertion dans la structure Moyennant certaines pr cautions l tude des positions angulaires des raies de diffraction permet de d terminer le taux de contraintes ou la nature des d fauts ponctuels Intensit s des raies de diffraction Les positions et intensit s des raies de diffraction de la pl
18. coupe II 7 2 3 valuation de l usure des outils Le recul de l ar te autrement dit la modification de la g om trie de l ar te de coupe a t choisi comme crit re de l usure de l outil Figure 19 Gr ce la faible taille des outils l observation sur la face de d pouille face plane a t r alis e l aide d un microscope optique La d marche consiste prendre une valeur moyenne partir de 50 points de mesure pris tous les 350 um le point z ro de la mesure est pris sur la partie de l ar te de coupe de l outil non soumise l usinage ligne de base a ar te recul de l ar te mesur e face de d pouille face de d pouille face d attaque Figure 19 Mesure du recul de l ar te d un couteau de d roulage 71 Chapitre II Exp rimentation L observation est r alis e sur un microscope optique OLYMPUS Vanox AH2 La mesure de l usure de la lame s effectue par ordinateur gr ce un logiciel d acquisition avec une pr cision de 0 5 mm et pour un grandissement de 590 fois ce qui donne une erreur de mesure de l ordre du micron II 8 Sonde de LANGMUIR Les d charges dans les gaz ont pour effet de produire un certain nombre d lectrons d ions d atomes et de mol cules excit s formant ce qu il est convenu d appeler un plasma C est dire un certain nombre de particules caract ris es chacune par une densit N et une temp rature Ti Il est fondamen
19. d formation du substrat selon le type de contrainte dans le film La valeur du rayon de courbure R est obtenue en balayant la surface du film par le stylet ID I EN Scan 11mm peed Low Force 4o lts AF Resu Sloan DEKTAK 303OST Rev 5 3 5 4 F5 9 15 12 27729793 Figure 10 Mesure de contrainte par profilom trie 61 Chapitre II Exp rimentation Un calcul trigonom trique simple permet partir de la fl che h et la corde L figure 10 de d terminer R par la relation 7 13 R L 8h 7 Afin de minimiser l erreur sur la mesure les rayons de courbure des m dianes et des diagonales sont mesur s puis une moyenne des quatre contraintes d duites sera la contrainte suppos e isotrope de la couche ILS Interf rom trie 14 Pour la mesure des contraintes r siduelles la courbure des films peut aussi tre mesur e par interf rom trie Cette m thode de mesure du rayon de courbure est connue sous plusieurs appellations m thode des anneaux de Newton en hommage celui qui en donna les premi res bases des franges d gale paisseur ou bien d interf rom trie optique interf rences lumineuses La m thode consiste clairer un chantillon d pos sur une lame en verre faces parall les sur le c t rev tu l aide d une lampe vapeur de sodium 589 3 nm sous incidence normale Un r seau de franges circulaires centr au point de contact nait alors entre la calotte sph
20. de Langmuir conditions d utilisation et expressions des courants II 8 3 D termination des param tres du plasma 77 79 Sommaire R f rences bibliographiques Liste des figures Listes des tableaux I Diagnostic du plasma II 1 Etat de l art II 2 D p t de TiN II 2 1 Analyses EDS II 2 6 Recuit thermique III 1 Usure par abrasion au Calotest R f rences bibliographiques Liste des figures 83 85 86 Chapitre III R sultats et discussions 88 89 I 1 Influence de la tension de polarisation appliqu e la cible 89 I 2 Influence de la pression totale du m lange argon azote 92 I 3 Influence de la position de la sonde sur le porte substrat 95 II Rev tements r sistant l usure 100 100 101 101 II 2 2 Influence du pourcentage d azote 104 II 2 3 Influence de l paisseur des couches 109 II 2 4 Influence du pourcentage d azote paisseurs constantes 118 II 2 5 Influence de la pression totale du m lange Ar N 121 123 III Application de rev tements classiques l usinage du bois 728 128 III 2 Microd roulage d outils rev tus de TiN 131 133 135 138 Listes des tableaux Conclusion 139 Introduction Introduction Les m thodes les plus r centes pour augmenter la dur e de vie des outils et pour am liorer la finition des pi ces rev tues sont les d p ts de couches minces Ces m thodes trouvent des applications toujours cro
21. de TIN 50 de N2 d pos e sur silicium Figure 9 a Observation en coupe transverse d une couche de TiN obtenue 5 9o de N2 7 4 um b Structure colonnaire de la couche obtenue Figure 10 Epaisseur d pos e en fonction du pourcentage d azote dans le plasma Figure 11 Structure CFC type NaCl Figure 12 Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rentes paisseurs de film et differents pourcentages d azote Figure 13 Contrainte des couches en fonction du pourcentage d azote 135 Chapitre III R sultats et discussions Figure 14 Figure 15 Figure 16 paisseurs Figure 17 N2 Figure 18 Figure 19 paisseurs Figure 20 Figure 21 Figure 22 Figure 23 Representation sch matique d un film en compression Diffractogrammes de couches de TiN obtenues sur acier Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rentes A dans un plasma 5 d azot B dans un plasma 10 96 d azote C dans un plasma 20 d azote D dans un plasma 50 d azote Evolution des intensit s relatives en fonction de l paisseur 10 Contrainte des couches en fonction de leur paisseur Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rentes Contrainte des couches en fonction de leur paisseur Mod le de croissance des couches selon Hones Croissance des couches par pulv risation magn tron Diffractogrammes de rayons X de couches de TIN pour diff rents
22. de mesure entre le d tecteur et la surface de l chantillon Cela signifie que les plans qui sont dans la situation de r flexion de Bragg sont toujours parall les la surface Cette configuration permet de calculer le param tre de maille a dans la direction de croissance de la couche Les rapports d intensit des pics mesur s peuvent tre compar s ceux obtenus lors d analyses de poudres de r f rence afin d identifier d ventuelles directions de croissance pr f rentielles Durant ce travail un diffractom tre SIEMENS D500 30 kV 50 mA a t utilis avec la raie K du cobalt 4 1 788 10 m et la raie Kai du cuivre 4 1 54056 10 m comme 57 Chapitre II Exp rimentation sources au La Bo Ma P de l ENSAM Cluny Conform ment au fichier JCPDS l tendue de l analyse tait comprise entre 10 et 150 II 4 Profilom trie IL4 1 D termination de l paisseur Le profilom tre Figure 7 permet d observer le profil d un chantillon l aide d un stylet se d pla ant sur la surface de celui ci Figure 8 E DT O m Figure 7 Profilom tre DEKTAK 3030 Il est utilis pour d terminer l paisseur ainsi que la rugosit des couches Cet appareil est tr s sensible aux vibrations il est donc plac sur un socle de marbre L paisseur des couches est d termin e gr ce une marche obtenue en fixant une pince mince fil de tungst ne sur le substrat de silicium 1 Scan cmm Speed
23. l adh rence ou l application d une couche externe d un mat riau inerte r sistant l usure pour r duire la corrosion des outils de coupe L introduction d un grand nombre 34 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t d interfaces parall les au substrat peut guider les fissures ou servir de barri re la propagation de dislocations augmentant ainsi la t nacit et la duret du rev tement 33 En ce qui concerne les applications anti corrosion des tests ont montr que dans une solution saline NaCl 9 et acide HCl 3 4 une sous couche m tallique de Ti dans le cas du rev tement de TiN TiAIN et une sous couche de Cr dans le cas du CrN augmentent la r sistance la corrosion 15 Lors d une autre tude il a t montr que la r sistance l oxydation des multicouches TiN CrN est largement sup rieure celle du TIN et CrN 33 La r sistance l usure de la multicouche Ti TIN est galement sup rieure celle de la monocouche TiN ou Ti pur pour une m me paisseur 34 Schulz et al 14 ont montr que l application d une couche de TIN avec une couche interm diaire de Ti d une paisseur totale de 2 4 um obtenue sur un outil de formage de glissi re en acier faible teneur en carbone partir de feuill s d acier et d aluminium par pulv risation magn tron R F permet de r duire l usure de ce dernier et d augmenter la force normale de contact De plus Harris et al 35 ont
24. la technique d laboration du film qui joue galement un r le important dans la gen se de cette contrainte Par ailleurs dans de nombreux syst mes la contrainte intrins que due la croissance du film provient des d fauts cr s durant l laboration L exemple le plus connu est la contrainte d pitaxie Dans notre travail seule la valeur de la contrainte r siduelle calcul e apr s mesure exp rimentale a t tudi e II 4 2 2 Mesure des contraintes r siduelles La m thode de d termination des contraintes est bas e sur le changement de courbure du substrat apr s le d p t 11 Dans le cas d une couche mince la contrainte est donn e par la relation de Stoney 6 12 E e 1 1 Fe 6 60 Chapitre II Exp rimentation avec E module d Young du substrat v coefficient de Poisson du substrat e paisseur du substrat es paisseur de la couche Ro rayon de courbure du substrat avant le d p t et R rayon de courbure du substrat apr s le d p t Pour le silicium 100 on a la constante Ui 1 805 10 N m su Le signe indique une contrainte extensive le film tend se contracter adoptant ainsi une forme concave Le signe montre une contrainte compressive le film adopte une forme convexe Les sens correspondants de la courbure du substrat sont indiqu s sur la figure 9 d p t Contrainte extensive Contrainte substrat compressive Figure 9 Sens de
25. le mat riau d poser sous forme gazeuse Le substrat recouvrir est chauff une temp rature telle que lorsque la mol cule du compos gazeux le touche elle se d compose en un mat riau solide celui que l on cherche d poser et en un compos gazeux qui est pomp Ex Ni CO qj pre Ni 4CO 100 300 C 22 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t A l origine ce proc d s utilisait pression atmosph rique ou au dessus Mais progressivement sous l impulsion des micro lectroniciens ce proc d s est tendu aux basses pressions Low pressure C V D et m me r cemment en pr sence d une d charge qui a pour effet d activer la r action P A C V D II 6 Avantages et inconv nients des proc d s P V D et C V D Les avantages et inconv nients des diff rentes techniques de d p t d crites pr c demment sont r sum s dans le tableau 2 suivant Proc d Avantages Inconv nients vitesse de d p t lev e mal adapt pour d p ts mat riel simple r fractaires prix de l quipement faible difficult s pour d poser alliages Evaporation faible temp rature du substrat d p t sur faible pouvoir de recouvrement sous vide mati res plastiques aux basses pressions bien adapt pour applications lectriques et f optiques adh rence faible des d p ts d p ts parfois poreux et non uniformes en paisseur possibilit de d pose
26. lectrons m me les plus nerg tiques Il se forme une zone de charge d espace positive autour de la sonde appel e gaine ionique Seuls les ions positifs sont collect s par la sonde Le courant est purement ionique I I la r gion de transition B lorsque Vs potentiel de la sonde atteint la valeur Vr potentiel flottant un flux d lectrons gal au flux d ions est collect par la sonde ce qui implique que le courant total est nul Lorsque le potentiel augmente le champ lectrique n est plus assez retardateur pour repousser tous les lectrons Le 76 Chapitre II Exp rimentation courant lectrique Ie n est plus n gligeable le courant de sonde diminue I I L le 0 Lorsque le potentiel devient sup rieur au potentiel flottant le courant devient alors n gatif Au point V habituellement appel potentiel plasma la sonde est au m me potentiel que le plasma et il n y a donc pas de champ lectrique entre la sonde et le plasma Les particules charg es atteignent alors la sonde uniquement en raison de leur agitation thermique Comme les lectrons ont une mobilit beaucoup plus importante que celle des ions le courant collect la sonde est principalement un courant lectronique la r gion de saturation lectronique C lorsque le potentiel de la sonde est sup rieur au potentiel plasma il se produit le ph nom ne inverse celui qui se passe dans la r gion de saturation ionique Le champ lectriq
27. leur capture par l anode et augmentant par l m me leurs chances de collisions ionisantes avec les atomes du gaz r siduel Ce syst me engendre un faisceau de plasma luminescent qui se maintient jusqu une pression de 1 3 107 Pa La cible est plac e dans le faisceau de plasma et polaris e une tension n gative allant de 100 1000 V Le substrat peut tre plac l ext rieur du faisceau de plasma ou dans le plasma selon les besoins de l utilisateur II 2 4 Pulv risation magn tron La cathode magn tron est un perfectionnement de la cathode utilis e en pulv risation diode classique qui permet de s affranchir du filament chaud Ce perfectionnement r sulte de la combinaison d un champ magn tique intense 13 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t perpendiculaire au champ lectrique cr e par la cathode c est dire parall le la cible 2 L effet magn tron consiste en une d charge diode D C ou R F entretenue par des lectrons secondaires ject s de la cathode sous l effet du bombardement ionique Dans ce cas les lectrons qui ne rencontrent pas de mol cules de gaz s loignent perpendiculairement la cathode et sont capt s par l anode Figure 4 Si on superpose au champ lectrique E un champ magn tique B perpendiculaire celui ci c est dire parall le la cathode et tr s pr s de celle ci Figure 4 les trajectoires lectroniques s enroulent autour d
28. liorer la dur e de vie de 3 4 fois plus que les forets rev tus TiN Ces avantages sont dus aux excellentes propri t s thermophysiques tribologiques et m caniques que poss de ce rev tement En raison de ces faits des outils rev tus peuvent tre utilis s pour diff rentes op rations telles que l UGV comme cit pr c demment ou l usinage avec ou sans lubrification 27 Il a galement t montr que l addition d une faible quantit de Cr et Y Yttrium procure une am lioration de la r sistance l usure sp cialement haute temp rature de TiAIN 28 En effet Yamamoto et al 29 ont observ que la temp rature d oxydation de Ti Cr ADN est de 1000 C tandis que la temp rature d oxydation du TiAIN est de 850 C Une comparaison des deux rev tements sur outils carbures a t effectu e en fraisage grande vitesse d acier moul AISI H13 et il en a r sult que le T Cr ADN permet une usure plus faible de l outil apr s 70 m d usinage compar au TiAIN apr s 50 m seuil de fin de vie de l outil 33 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Merl et al 30 ont tudi la corrosion lectrochimique du carbonitrure de chrome Cr C N et de CrN appliqu s sur acier et ont montr que Cr C N permet d am liorer la r sistance la corrosion de 2 6 fois alors que CrN permet une am lioration de 2 fois De plus la r sistance l oxydation de CrTiN est meilleure que celle des monocouches T
29. n est pas du bois massif ne d gage qu une tendance 132 Chapitre III R sultats et discussions R f rences bibliographiques 1 Van Stappen Marc Malliet Bert Kerkhofs Marc Rev tements de surface r sistant l usure d pos s sur des outils par des techniques de d position sous vide Centre de Recherches Scientifiques et Techniques de l Industrie des Fabrications M talliques Section Rev tements de surface OP 02 Novembre 1992 2 Tonshoff H K Mohlfeld A Spengler C Podolsky C Proceedings THE Coatings in Manufacturing Engineering 14 15 Octobre 1999 Thessaloniki Gr ce 3 Vinterholler Olivier Peyre Jean Paul CETIM Informations 134 1993 45 50 4 Wijngaard J H communication Balzers www balzers fr docs Pdf Metz en pdf 5 Pastel C cile rapport de stage de DUT ENSAM de Cluny 2003 6 Manory R Surface Engineering 3 1987 233 238 7 Chevalier j Chabert J P spitz j proc int Conf IPAT 81 Amsterdam 1981 8 L Cunha M Andritschky L Rebouta R Silva Thin Solid Films 317 1998 351 355 9 Lou H Q Axen N Somekh R E Hutchings I M Effect of deposition conditions on the characteristics of reactively sputtered titanium nitride films Surface and Coatings Technology 90 1977 123 127 10 Benhenda S Guglielmacci J M Gillet M Characterization of TIN films grown by reactive d c triode sputtering onto copper substrates Materials Science and Engineering B34 19
30. non trait s et trait s TIN 137 Chapitre III R sultats et discussions Liste des tableaux Tableau 1 Epaisseur en fonction de la pression totale Tableau 2 Conditions de d p t Tableau 3 Conditions de d roulage et dimensions des rondelles utilis es 138 Conclusions Conclusions Dans un premier temps nous avons utilis un dispositif d analyse du plasma la sonde de Langmuir pour observer l effet de chacun des param tres du syst me de pulv risation magn tron la tension de polarisation de la cible le pourcentage d azote la pression totale du m lange de gaz Ar N et la position de la sonde suivant le rayon du porte substrat On a constat que pour avoir un d p t optimal il faut mettre les chantillons sur une partie du porte substrat qui correspond la zone de plasma intense de la cible De plus on a constat que l ionisation des mol cules repr sente un taux lev pour un pourcentage d azote variant de 5 20 ce qui signifie que la vitesse de d p t est tr s lev e dans cet intervalle par rapport celle qui correspond au pourcentage d azote variant de 4096 10096 o cette vitesse demeure presque constante Puis gr ce la pulv risation magn tron sous vide nous avons r alis des d p ts de TiN sur des substrats d acier et de Silicium en faisant varier plusieurs param tres L influence du temps de d p t du pourcentage d azote contenu dans le plasma de la pression t
31. peut s expliquer par une meilleure ductilit de celles ci Sur acier les couches ont un comportement similaire sauf 20 de Nz o le volume d usure est maximal Au vu des r sultats nous notons galement que le volume d usure des couches diminue pour 50 de N Les couches sont donc plus r sistantes l usure par abrasion lorsque les couches sont amorphes ou pr sentent des grains fins Nous avons ensuite d termin l influence de l paisseur des couches sur leur r sistance l abrasion par des essais au Calotest Figure 34 Afin de faciliter l interpr tation de r sultats on trace le volume d usure de la couche en fonction de l paisseur d pos e selon le pourcentage d azote contenu dans le plasma 129 Chapitre III R sultats et discussions 60 000 10 pU 50 000 40 000 596 30 000 20 Volume d usure en um 20 000 10 000 i e x T T 1 0 500 1000 1500 2 000 2 500 3 000 Epaisseur de la couche en nm Figure 34 Volume d usure des couches de TiN en fonction de l paisseur de la couche selon le pourcentage d azote contenu dans le plasma Quelque soit le pourcentage d azote dans le plasma ou l paisseur des couches les volumes d usure sont compris entre 30 000 et 50 000 um Pour des paisseurs inf rieures ou gales 1 5 um les couches obtenues 5 sont les plus r sistantes alors que celles effectu es 50 sont les moins r sis
32. plaque creuset ou nacelle de tantale ou de tungst ne chauff e haute temp rature par effet Joule Le mat riau est d pos sur la plaque chaude sous forme de grains fins de sorte que la totalit du mat riau ainsi d pos sur la plaque s vapore presque instantan ment II 1 3 Evaporation par induction Dans ce cas le mat riau vaporer est plac dans un creuset en mat riau di lectrique Ce creuset est entour d une bobine aliment e en courant alternatif haute fr quence qui induit des courants lectriques dans le mat riau provoquant ainsi son chauffement IL2 Pulv risation cathodique sous vide II 2 1 Principe Cette m thode consiste jecter des particules de la surface d un solide par le bombardement de cette surface avec des particules nerg tiques en g n ral des ions argon Figure 2 A 3 En premi re approximation ce processus m canique ne d pend donc que de la quantit de mouvement c d e au moment du choc de l ion incident avec l atome du solide bombard L effet de pulv risation est d essentiellement au transfert de moment des ions incidents aux atomes de la surface du mat riau bombard L arrachage d atomes superficiels se produira lorsque l nergie effectivement transf r e d passera l nergie de liaison des atomes Figure 2 B Les param tres de d p t de couches minces par pulv risation sont les pressions r siduelles et de travail de l enceinte
33. plus de leur haute duret les super r seaux peuvent procurer une haute r sistance l oxydation TIN CrN 39 une am lioration de la t nacit TIN NbN 40 un faible coefficient de frottement T1AIN VN 41 et une haute stabilit thermique TIN NbN 42 ou TiN AIN 43 Ces rev tements sont galement connus pour leur r sistance l usure En effet les poingons d estampage rev tus d un super r seau CrN NbN 31 montrent une r sistance l usure faible et des performances en terme de dur e de vie augment es 37 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t R f rences bibliographiques 1 Richardt Aim et Durand Anne Marie Le vide Les couches minces Les couches dures Editions IN FINE ISBN 2 84046 030 0 1994 2 Cours d obtention des couches minces Volume 3 SFV Soci t Frangaise du Vide 3 Richardt Aim et Durand Anne Marie La pratique du vide et des d p ts de couches minces Editions IN FINE ISBN 2 84046 038 6 1995 4 Munz W D Schonjahn C Paritong H Smith LJ Conf rence invit e Nouvelles Tendances en Proc d s Magn tron et Arc pour le D p t de Couches Minces 14 15 octobre 1999 Universit de Mons Hainaut 5 De Gryse R Conf rence invit e Nouvelles Tendances en Proc d s Magn tron et Arc pour le D p t de Couches Minces 14 15 octobre 1999 Universit de Mons Hainaut 6 Kelly P J Arnell R D Ahmed W Surface Engineering 9 4 1
34. pr sente des avantages et des inconv nients qui peuvent tre r sum s comme suit 66 Chapitre II Exp rimentation Avantages e passage tr s ais du bois brut bois rond au produit fini placage e fabrication de feuilles de bois jusqu 5 mm d paisseur en grande dimension e bon rendement de mati re pas de copeaux ni de sciures e exploitation d arbres de faibles diam tre ou de bois d claircie Inconv nients e paisseur de feuilles limit es 5 mm e utilisation d installation lourdes et co teuses l achat mais durable e n cessit pour certaines essences de bois de traitements hygrothermiques tuvage II 7 2 Usinage avec une microd rouleuse instrument e Afin d valuer l am lioration du comportement des outils par la modification de leur surface en contact avec le bois et avant de r aliser des tests en industrie avec des outils optimaux nous avons effectu des tests d usure en laboratoire A cet effet une microd rouleuse instrument e a t utilis e Figure 16 Cet appareillage a t construit durant le travail de m moire CNAM de Butaud 17 et la th se de Dec s Petit 18 en s inspirant en partie des travaux r alis s par Thibault 19 20 En utilisant des couteaux et billons de faibles dimensions ce dispositif reproduit fid lement le processus de d roulage Le choix d tudier le d roulage sur des rondelles de petites largeurs s explique principalement par
35. qui correspond un param tre de maille plus faible et relativement stable Cette volution de l allure des contraintes des films a t observ e auparavant lors du travail de th se de Nouveau 16 dont elle a d duit un mod le de croissance de ces couches minces Figure 22 Ce mode de croissance peut tre d crit comme la combinaison du mod le de Rickerby 17 18 pour lequel augmenter l paisseur des couches revient augmenter le diam tre des colonnes et du mod le de Hones 15 pour lequel la croissance de colonnes coniques induit une diminution de la contrainte des couches 116 Chapitre III R sultats et discussions Mod le de Rickerby 17 18 Mod le de Hones hn ua I Direction de croissance Tt mim Ie ilh Faible contrainte et Che die Nouvelles directions de croissance ne croissance de colonnes coniques densit espaces maximales plus q diminution de la contrainte par cr ation intercolonnaire9 d espaces intercolonnaires d espaces intercolonnaires et par un effet au d but de la croissance d ombrage 0 nm Epaisseur 200 nm Figure 22 Croissance des couches par pulv risation magn tron Ce mode de croissance se compose de trois tapes Etape 1 en d but de croissance la nucl ation de cristallites de petite taille n appara t qu apr s formation d une couche amorphe de 3 10 nm d paisseur Lors de cette tape une densification des couches et une augme
36. s bonne qualit d image sans application d aucun rev tement sp cifique et autorise ainsi l analyse des surfaces IL 2 Spectrom trie dispersion d nereie EDS Coupl au MEB le d tecteur EDS permet de faire des analyses chimiques de surface qualitatives et quantitatives avec une p n tration d environ 1 um poire d interaction variant selon l nergie du faisceau d lectrons incident et la densit du mat riau Le d tecteur se pr sente sous forme d un monocristal de silicium compens partiellement au lithium Son positionnement ad quat dans notre cas en croisant la surface de l chantillon une distance de 10 mm de la sortie de colonne permet de r colter un maximum de photons X caract ristiques mis lors du changement de niveau d nergie des lectrons d sexcitation Chaque raie d mission est caract ristique de l l ment excit un logiciel permet de traiter le spectre obtenu et de d terminer les proportions massiques et atomiques Ainsi avec cette analyse la st chiom trie des films a pu tre obtenue La r solution du syst me est de 129 eV pour une tension de 20 kV appliqu e sur un chantillon de mangan se Nos travaux ont t r alis s avec une tension de 5 kV afin de localiser le volume d interaction sur l paisseur du d p t ordre de grandeur 300 nm dans une couche de nitrure de titane cette r solution tait ainsi encore meilleure et a permis de travailler sur les r
37. sonde les effets de gaine entourant le support de la sonde sont consid r s comme n gligeables la distribution nerg tique des lectrons et des ions est de type Maxwellienne l r gt 10 pour assurer une g om trie de gaine cylindrique pendant les mesures 1 est la longueur de la sonde Dans ces conditions la th orie de Langmuir donne les expressions du courant pour une sonde cylindrique de rayon r et longueur 1 Courant lectronique dans la zone de s lection t ERE eV I A le af 13 Courant lectronique dans la zone de saturation 14 Courant ionique dans la zone de saturation I 4ar len 15 Courant ionique dans la zone de forte saturation A I 27r l nn eA We r O x 16 t AM m S 78 Chapitre II Exp rimentation IL8 3 D termination des param tres du plasma 21 22 Il y a deux m thodes de mesure disponibles rep r es partir de la caract ristique I V mesur e pour calculer le potentiel plasma Vj le potentiel flottant V la temp rature lectronique KT la densit lectronique N et la longueur de debye Ap Ces deux m thodes sont la d riv e seconde d I dV 0 et l intersection des pentes a La d riv e seconde Le potentiel flottant Vs c est le potentiel correspondant un courant nul Il est d termin par le passage par z ro de la caract ristique Le potentiel plasma Vp c est le
38. tre Calotest Figures 10 Epaisseur d pos e en fonction du pourcentage d azote dans le plasma p p p g P De plus la courbe de l paisseur en fonction du pourcentage d azote nous donne une indication sur la vitesse de d p t En effet le temps de d p t des chantillons est le m me L paisseur de la couche d pos e varie selon le pourcentage d azote elle est plus importante pour les faibles pourcentages d azote Ceci s explique par le fait que l argon est un gaz pulv risant contrairement l azote 104 Chapitre III R sultats et discussions La vitesse de d p t est donc proportionnelle au pourcentage d azote elle varie de 3 9um h 0 N jusqu 0 95 um h 100 N 9 10 11 On constate qu elle se stabilise partir de 30 40 d azote dans le plasma On remarque galement que la surface devient rugueuse pour des pourcentages d azote au del de 5096 12 Afin d effectuer une tude cristallographique des couches minces sur toute leur paisseur les chantillons sont analys s en diffraction de rayons X Les couches de nitrure de titane cristallisent selon le r seau cubique a faces centr es CFC type NaCl avec un param tre de maille a 4 24 A Figure 11 Son groupe spatial est le Fm3m 225 Dans la maille les atomes de titane forment un r seau cubique faces centr es alors que les atomes d azote sont localis s dans les interstices octa driques Figure 11 Stru
39. un aspect argent et lorsque x gt l il pr sente un aspect cuivr TIN st chiom trique pr sente un aspect dor Un film labor avec les param tres d crites dans le tableau pr c dent a ensuite subi des recuits 600 800 et 1000 C sous vide pendant 1 h pour tre caract ris s par diffraction X Des analyses de diffraction X ont t r alis es sur les films bruts non recuits et les films recuits sous diff rentes temp ratures pour montrer l effet de la temp rature sur les transformations de phases dans ces couches TiN 200 Intensit 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 2 th ta Figure 28 Diffractogrammes des films de TiN avant et apr s recuit 124 Chapitre III R sultats et discussions Le diffractogramme des films bruts Figure28 r v lent la pr sence d un pic large de TiN montrant que la couche d pos e est mal cristallis e Apr s un recuit 600 C pendant 1 h le diffractogramme montre que la phase TioN disparait compl tement pour laisser place la phase TiN 200 avec un pic large de faible intensit D apr s le travail de Wolfe et al 20 lorsque la temp rature augmente un changement de texture intervient L orientation pr f rentielle devient 200 De 800 C a 1000 C on observe que le pic de TiN devient de plus en plus troit et l intensit de la raie augmente consid rablement Ceci signifie la bonne cristallisation de la texture de la couche Avec un traite
40. un crat re obtenu par Calotest sur une couche de TiN obtenue dans un plasma 40 d azote sur un substrat de Si Afin de pouvoir comparer plus ais ment les chantillons on trace le volume d usure en fonction du pourcentage d azote Figures 33 L usure est fonction du substrat utilis En effet dans la majorit des cas le volume d usure de la couche de TiN d pos e sur substrat en acier est inf rieur au volume d usure obtenu sur silicium Cela peut s expliquer par la diff rence de structure cristalline obtenue sur l un et l autre des substrats Figure 12 et figure 15 et par l influence du mat riau de base acier ou Si rugosit 128 Chapitre III R sultats et discussions o e El Silicium 100 Bl Acier J A A D U Volume d usure 10 um 5 10 20 50 Proportion d azote dans le plasma Figure 33 Volumes d usure mesur s sur les films de TiN d pos s sur Si et acier Une plus grande dispersion est obtenue partir de 10 de N Sur silicium les couches obtenues faibles taux de Nz 5 10 96 sont plus r sistantes que celles obtenues partir de 20 de N Les couches pr sentant l orientation cristalline 111 et 311 donc les plans les moins denses et les moins contraints pour 5 et 10 de N sont plus r sistantes l abrasion que celles pr sentant l orientation 200 20 et surtout 50 de N2 ce qui
41. 002 176 184 37 Jianning Ding Yonggang Meng Shizhu Wen Thin Solid Films 371 2000 178 182 38 Yang Q Zhao L R Surface and Coatings Technology 173 2003 58 66 39 Panjan P Navin ek B Cvelbar A Zalar J Vlcek A Surface and Coatings Technology 98 1998 1497 1502 40 Larsson M Bromark M Hedenqvist P Hogmark S Surface and Coatings Technology 91 1997 43 49 41 Hovsepian P Eh Lewis D B M nz W D Surface and Coatings Technology 133 134 2000 166 175 42 Hultman L Engstr m C Od n M Surface and Coatings Technology 133 134 2000 227 233 43 Setoyama M Irie M Ohara H Tsujioka M Takeda Y Nomura N T Thin Solid Films 341 1999 126 131 40 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Liste des figures Figure 1 Principe de fonctionnement d une source d vaporation par bombardement d lectrons Figure 2 A Principe de la pulv risation B Illustration des interactions ion solide basse et haute nergie Figure 3 Enceinte de pulv risation Figure 4 Trajectoire des lectrons A en absence ou B pr sence du champ magn tique Figure 5 Magn tron plan circulaire conventionnel Figure 6 Exemples d arrangements de cathodes magn tron a Magn tron d s quilibr b dual magn tron pour copulv risation c tri cathodes pour multicouches ou alliages d arrangement 4 cathodes pour multicouches alliages couches r actives e dual magn tron face fac
42. 1 3 10 Pa Dans la pratique l enceinte comprend deux parties la partie inf rieure pomp e 1 3 10 Pa ou en dessous et qui est occup e par le canon lectrons la partie sup rieure o l on entretient une pression de 13 1 3 Pa et qui est occup e par le substrat La paroi qui s pare ces deux parties comporte l orifice de passage du faisceau d lectrons l orifice d chappement des vapeurs du creuset un orifice de pompage g n ralement de faible diam tre pour ne pas perturber le fonctionnement du canon lectrons 18 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t D utilisation relativement compliqu e cette technique est surtout consid r e comme un proc d de rev tement permettant de recouvrir des pi ces de forme compliqu e avec des couches paisses De ce fait il entre en concurrence avec les proc d s chimiques et lectrolytiques IL 4 Techniques de d p ts assist es par faisceau d ions Les faisceaux d ions produits par des sources d ions de types divers sont utilis s dans le domaine des couches minces pour synth tiser des mat riaux en couches minces modifier les propri t s des couches minces La plage d nergie de ces ions sera peu pr s toujours comprise entre 20 eV et 2 keV nergie laquelle l implantation des ions incidents n est encore qu un effet mineur Pulv risation par faisceau d ions Dans le proc d
43. 25 g 5 20 amp 154 10 i i 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote 89 Chapitre III R sultats et discussions Temp rature lectronique KT ev Potentiel du plasma V p V Densit lectronique Ne cm B 4 500v 60 4 WN 400v amp 300v 55 4 50 J TEN MN ok da RU a N 40 35 30 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote C 500v E 400v p 4 300v 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote 96 D 5 10 4 4 E 10 4 3 E 10 4 2 E 10 4 1 E410 4 0 E 00 T T T 1 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote 96 90 Chapitre III R sultats et discussions E 4 0E 11 500v ra 400v a 300v S 8 0E 11 z o E amp 20E 1 ne 2 1 0E 11 un S O a 0 0E 00 T T T 1 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote 96 F 2 0E 02 4 9 500v 1Tit 400v E 300v g 1 8E 02 4 S 9 1 5E 02 a 0 a o 1 3E 02 TD 2 1 0E 02 D c S 7 5E 03 5 0E 03 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote Figures 1 Variation du potentiel flottant A potentiel plasma B la temp rature lectronique C densit lectronique D densit ionique E et la longueur de Debye F en fonction du pourcentage d azote et de la tension de polarisation appliqu e la cible Les variations de la temp rature lectronique et de la densit lectronique en fonction du pourcentage d azote et de la ten
44. 4 5 pe a 10 o A 35 20 C E 50 o 254 eo 15 c Oo d DL c 0 5 500 1000 1500 2000 2500 Epaisseur nm Figure 18 Contrainte des couches en fonction de leur paisseur Des analyses en diffraction de rayon X ont t r alis es sur des couches de TiN d paisseur variable de 163 nm jusqu 2310 nm pour une pression totale de 8 ubar et un pourcentage d azote de 596 Figure 19 On constate qu une couche d paisseur variant de 163 nm 767 nm cristallise selon l orientation 111 l intensit de ce pic augmente avec l paisseur Lorsque l paisseur augmente 1420 nm on a apparition des orientations cristallines 200 et 311 le pic 111 restant toujours le plus intense On remarque aussi qu au fur et mesure que l paisseur diminue la couleur de la couche de TiN passe du jaune couleur or au marron 113 Chapitre III R sultats et discussions m 2310 nm 1 50 nm 1420 nm j 767 nm 559 nm i as 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 2 th ta 9 002 LLE Intensit Figure 19 Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rentes paisseurs Un des param tres pouvant influer sur le niveau de contraintes dans les rev tements est leur paisseur Au refroidissement en fin d op ration apparaissent des contraintes r siduelles dans les chantillons cause de la diff rence du coefficient d
45. 95 36 41 11 Lungu C P Futsuhara M Takai O Braic M G Musa Noble gas influence on reactive radio frequency magnetron sputter deposition of TiN films Vacuum 51 4 1998 635 640 12 Meng L J Dos Santos M P Characterization of titanium nitride films prepared by d c reactive magnetron sputtering at different nitrogen pressures Surface and Coatings Technology 90 1997 64 70 13 Meng W J Sell J A Perry T A Journal of Applied Physics 75 7 1994 3446 3455 14 Meng W J Sell J A Eesley G L Perry T A Journal of Applied Physics 74 4 1993 2411 2414 133 Chapitre III R sultats et discussions 15 HONES P Th se de Doctorat n 2116 Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne 2000 16 Nouveau Corinne Th se de doctorat n 21 2001 ENSAM de Cluny 17 Rickerby D S Jones A M Bellamy B A Surface and Coatings Technology 37 1989 111 137 18 Rickerby D S Journal of Vacuum Science and Technology A4 1986 2809 2814 19 S Zhang W Zhu TiN coating of tool steels a review J Mater Proc Technol vol 339 p 165 177 1993 20 D E Wolfe J Singh Titanium carbide coatings deposited by reactive ion beam assisted electron beam physical vapour deposition Surf Coat Technol vol 124 p 142 153 2000 21 Beer Piotr Th se de doctorat N 1998 40 ENSAM de Cluny 22 Djouadi M A Beer P Marchal R Sokolowska A Lambertin M Precht W Nouveau C Surface a
46. 993 287 291 7 De Bosscher W Conf rence invit e Nouvelles Tendances en Proc d s Magn tron 8 Burat Olivier Th se de Doctorat Universit de Paris XI 1991 9 Muller K H Applied Physics A40 1986 209 213 10 Hutchinson I H Principles of plasma diagnostics Cambridge University Press 1987 11 Chen Francis F Introduction to plasma physic and controlled fusion Volume 1 Plasma Physics Plenum Press 1984 12 Bittencourt J A Fundamentals of plasma physics 1995 13 Rodr guez R J Garc a J A Medrano A Rico M S nchez R Mart nez R Labrug re C Lahaye M Guette A Vacuum 67 26 2002 559 566 14 Schulz A Stock H R Mayr P Staeves J Schmoeckel D Surface and Coatings Technology 94 95 1997 446 450 15 Cunha L Andritschky M Rebouta L Silva R Thin Solid Films 317 1998 351 355 38 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t 16 Manory R Surface Engineering 3 1987 233 238 17 Huber P Manova D M ndl S Rauschenbach B Surface and Coatings Technology 174 175 2003 1243 1247 18 Sung J H Kim T H Kim S S Wear 250 2001 658 664 19 Gui zhen Xu Zhong rong Zhou Jia jun Liu Wear 224 1999 211 215 20 Uchida M Nihira N Mitsuo A Toyoda K Kubota K Aizawa T Surface and Coatings Technology 177 178 2004 627 630 21 Hones P Sanjin s R L vy F Thin Solid Films 332 1998 240 246 22 Inoue A Yamaguchi T Kim B
47. Ainsi un syst me magn tron constitu de deux cathodes par exemple une cible de titane et une cible de chrome permet de r aliser ais ment des multicouches de compos s biphas s TIN CrN par exemple et est appel dual magn tron Figure 6 b e Actuellement ces techniques de pulv risation plusieurs cathodes permettent galement la synth se de superlattices n cessitant d une part la pr sence de plusieurs cathodes mais aussi une p riode de couches tr s faible de l ordre de 2 3 15 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t nm L emploi de compos s triphas s comme TiAIN que l on retrouve dans les multicouches est galement facilit gr ce ces techniques Les nouvelles tendances en proc d s magn tron consiste en l emploi de magn tron d s quilibr s Figure 6 a 4 et cathode rotative 5 Une cathode magn tron est dite d s quilibr e lorsqu une partie des lignes de champ issues d un p le ne converge pas directement vers l autre p le Substrat F rotatif Substrat rotatif EU Figure 6 Exemples d arrangements de cathodes magn tron a Magn tron d s quilibr b dual magn tron pour copulv risation c tri cathodes pour multicouches ou alliages d arrangement 4 cathodes pour multicouches alliages couches r actives e dual magn tron face face pour multicouches alliages et d p t sur des substrats de g om trie compl
48. E Te eV 3 23 fI SX Ne en 247E 11 15 Ni cm 291E 11 LE TETE oer Probe Bias V liimAem 879 08x W Charac IV EEDF Experiment Run No 217 Figure 26 Calcul du potentiel plasma par la m thode de l intersection des pentes 82 Chapitre II Exp rimentation R f rences bibliographiques 1 Kern W Puo Tinen D A RCA rev 31 1970 187 2 Nouveau C Th se de Doctorat Ecole Nationale Sup rieure d Arts et M tiers de Cluny 2001 3 Pascallon J Th se de Doctorat Universit de Paris Sud UFR Scientifique d Orsay 1998 4 Maurice F Meny L Tixier R Microanalyse et Microscopie lectronique Balayage Les ditions de Physique d Orsay Paris ISBN 2 902731 03 5 1978 5 Diserens M Th se de Doctorat Ecole Polytechnique F d rale de Lausanne 2000 6 Sarrazin P Th se de Doctorat Universit de Valenciennes et du Hainaut Cambr sis 1995 7 Cleymand franck Th se de doctorat Universit de Poitiers 1992 8 Mikarimi Appli Phsic Letter 21 1966 2813 9 Nix w D Institute of metals lecture Standford Universtity 1988 10 Hutchinson j W Suo Z Adv Appl Mech 29 1992 63 11 Bosseboeuf A Th se de Doctorat Universit de Paris Sud Centre d Orsay 1989 12 Stoney G G Proc R Soc London A82 1909 172 13 Guiot E Th se de Doctorat Ecole Nationale Sup
49. G Nosaki K Masumoto T J A Phys 71 1992 3278 23 Lee Y Jeon G Baeg H Yang H Thin Solid Films 420 421 2002 414 420 24 Keunecke M Yamamoto K Bewilogua K Thin Solid Films 398 399 2001 142 149 25 Hermann A Surface and Coatings Technology 131 2000 433 440 26 Panjan P Navin ek B Cvelbar A Milo ev I Zalar A Thin Solid Films 281 282 1996 298 301 27 Lugscheider E Bobzin K Lackner K Surface and Coatings Technology 174 175 2003 681 686 28 Kaminski J Rudnicki J Nouveau C Savan A Beer P Surface and Coatings Technology 200 2005 83 86 29 Yamamoto K Sato T Takahara K Hanaguri K Surface and Coatings Technology 174 175 2003 620 626 30 Merl D Panjan P ekada M Ma ek M Electrochimica Acta 49 9 10 2004 1527 1533 31 Zeng X T Zhang S Muramatsu T Surface and Coatings Technology 127 2000 38 42 32 Bull S J Jones A M Surface and Coatings Technology 78 1996 173 184 33 Panjan P Navin ek B Cvelbar A Zalar A Vlcek J Surface and Coatings Technology 98 1998 1497 1502 39 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t 34 Labdi S Houdy Ph Psyllaki P Jeandin M Thin Solid Films 275 1996 213 215 35 Harris S G Vlasveld A C Doyle E D Dolder P J Surface and Coatings Technology 133 134 2000 383 388 36 Grimanelis D Yang S B hme O Rom n E Alberdi A Teer D G Albella J M Diamond and Related Materials 11 2
50. R publique Alg rienne D mocratique Populaire MEMOIRE PRESENTE A L UNIVERSITE D ORAN ES SENIA Facult des sciences Par Nasreddine TAMACHA POUR OBTENIR LE DIPLOME DE MAGISTER SPECIALITE SCIENCES DES MATERIAUX CARACTERISATION DES COUCHES MINCES DE NITRURE DE TITANE OBTENUS PAR P V D DIAGNOSTIC DU PLASMA Soutenu le 20 MARS 2008 Devant la commission d examen form e du Pr sident Mr N HAKIKI Professeur Universit d ORAN Rapporteur Mr A KHELIL Professeur Universit d ORAN Examinateurs Mr J E SIB Professeur Universit d ORAN Mr N MOULAYAT Professeur Universit d ORAN Mr N HAMDADOU M de conf rence ENSET ORAN 2006 2007 Sommaire Introduction I G n ralit s sur les couches minces I 1 Formation d une couche mince II 1 Evaporation sous vide II 2 Pulv risation cathodique sous vide II 2 2 Proc d diode 11 2 3 Proc d triode II 2 4 Pulv risation magn tron II 3 D p ts ioniques Ion Plating III Le plasma IIL1 D finition Sommaire 1 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t 3 4 4 I 2 Classification des techniques de d p t 6 I 3 Choix d une technique de d p t de couches minces 6 II Techniques de d p ts de couches minces 7 7 II 1 1 Evaporation par bombardement lectronique 8 II 1 2 Evaporation par effet Joule ou par r sistance 8 II 1 3 Evaporation par induction 9
51. TiCN TiC 25 4 3542 Tableau 5 Propri t s intrins ques de quelques rev tements multicouches tudi s par Ding et al IV 2 4 Les rev tements durs en super r seaux R cemment une attention particuli re a t pr t e aux multicouches m taux ou nitrures avec une p riode de quelques nanom tres Ces multicouches sont connues sous l appellation de super r seaux ou h t ro structures Plusieurs tudes ont t men es sur cette nouvelle g n ration de multicouches m tal m tal Cu Fe Al Cu Al Ag Cu Ni et c ramiques Ti TiN TiN NbN TiC TiB TiC Mo et montrent que leur duret varie et peut atteindre 70 GPa Il a t d fini que les propri t s m caniques de ces super r seaux d pendent fortement de la p riode de modulation 24 En effet en augmentant le nombre de couches donc la p riode on augmente la r sistance l usure 34 Pour une p riode de 7 nm les tests de nanoindentation sur un super r seau WC CrAIN montrent que la valeur de la duret du film est de 40 GPa 23 36 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Le coefficient de frottement d un super r seau TiN CrN en contact avec du carbure de tungst ne est de l ordre de 0 75 0 95 donc plus faible que celui de TiN commercial 1 0 1 20 et pr sente une r sistance l usure plus importante Avec une duret maximale de 35 4 GPa il a t montr que l usure diminue de 9 par rapport au TiN 38 En
52. ace o la densit de particules est tr s faible on est tr s proche du vide la longueur de Debye peut se r v ler de plusieurs m tres La longueur de Debye est la distance caract ristique d crantage d une perturbation lectrostatique par plasma Une charge q dans le plasma est entour e de charges de signe oppos qui tendent neutraliser son champ coulombien c est l effet d cran de Debye Il est effectif partir de la longueur de Debye caract ristique Une particule charg e est en interaction avec un nombre limit d autres particules charg es La neutralit lectrique n est effective que pour 12 p 8l Chapitre II Exp rimentation b Intersection des pentes L intersection des pentes est une technique alternative d estimer V partir de la courbe I V La partie exponentielle de la caract ristique I V est prolong e comme selon la figure 26 ligne pointill e Le courant mesurer au dessus du potentiel plasma trait plein est extrapol de nouveau un point o il intersecte avec la pente de la partie exponentielle de la courbe I V Le point d intersection donne le potentiel plasma La densit lectronique et la temp rature lectronique sont alors calcul es en utilisant les m mes quations SmartSoft Eile Acquisition Probe Analysis Display Help veil ren Ii Scan Number ET 9 Scan Status Parameters VEV 2 29 265 Vp V 15 62 a
53. adaptateurs de l imp dance du g n rateur celle du plasma plac s entre la cible et le g n rateur la puissance r fl chie a t maintenue en dessous de 10 de la puissance incidente La cr ation d un plasma autour de la cible magn tron suite l application de la puissance RF induit une tension d auto polarisation La mesure de cette derni re s est av r e plus pertinente que la mesure de la puissance RF elle constitue un param tre cl pour le contr le et la reproductibilit des d p ts Un cache en inox adjacent la cible permet d une part de l isoler durant le nettoyage et d autre part de bien contr ler le temps de d p t en ouvrant le cache qu une fois que le r gime permanent sur la cible est atteint Un hublot situ au centre de la porte de l enceinte permet une observation du plasma ce qui rend possible sa caract risation optique par spectroscopie d mission I 1 3 Armoire lectrique de contr le 8 syst me de pompage 2 enceinte de d p t 3 d bitm tres massiques 4 jauge Baratron 5 alimentation DC 6 g n rateur RF 13 56 MHz 7 adaptateur d imp dance 8 cadrant de contr le 9 moteur de rotation du porte substrats PS Figure 1 B ti de pulv risation magn tron 45 Chapitre II Exp rimentation Cet automate est l interface qui permet l amor age ou l arr t du pompage l introduction des gaz la r g n ration p riodique de la pompe cryog
54. aies de basse nergie 54 Chapitre II Exp rimentation IL3 Diffraction de rayons X 5 6 La diffraction de rayons X permet l tude cristallographique des couches minces sur toute leur paisseur Lorsqu un faisceau de rayons X monochromatique est dirig sur un mat riau polycristallin il est en partie r fl chi par les plans atomiques de certains cristaux Pour que la diffraction des photons X soit mesur e l incidence du faisceau par rapport aux plans atomiques doit avoir lieu sous un angle particulier Il faut en effet que les ondes r fl chies soient en phase de sorte interf rer de mani re constructive pour ensuite tre mesur es par le d tecteur comme illustr la figure 6 Les conditions n cessaires cette interf rence constructive sont donn es par la loi de Bragg 1 2 sing 1 o dy est la distance interr ticulaire s parant les plans d finis par les indices de Miller h k D 0 l angle d incidence et donc de r flexion par rapport ces plans et enfin la longueur d onde des photons X Dans le cas d un chantillon polycristallin o toutes les orientations possibles des cristallites sont repr sent es tous les faisceaux diffract s que permet la structure mergent de l chantillon Figure 6 Famille de plans cristallins en condition de Bragg 55 Chapitre II Exp rimentation Le diffractogramme est un enregistrement de l intensit diffract e en fonction de l
55. ar la contrainte intrins que du film produit La contrainte r siduelle ou interne d un film mince s exprime alors par l quation 4 Oris on O m 4 La contrainte thermique om cr e lors du refroidissement du film et du substrat est engendr e par la diff rence entre les coefficients d expansion thermiques des deux corps 9 d finissent cette contrainte comme tant li e la diff rence entre les coefficients de dilatation thermique Aa du film et de son substrat la diff rence de temp rature AT au coefficient de poisson v et au module d Young E du film par la relation 5 59 Chapitre II Exp rimentation o 2 AGAT 5 I v Dans le cas de notre tude cette grandeur a t consid r e comme n gligeable car la temp rature qu atteigne les substrats lors du d p t par pulv risation magn tron a t valu e 200 C A cette temp rature et en consid rant les coefficients de dilatation thermiques du silicium et de notre nitrure la contrainte thermique engendr e est de l ordre de 0 1 0 2 GPa ce qui correspond aux erreurs de mesure Par contre lors d autres proc d s la diff rence de temp rature peut exc der 1000 C induisant des contraintes de l ordre du GPa 10 En ce qui concerne la contrainte intrins que elle peut tre produite partir de plusieurs sources soit par la pr sence d une contamination en surface du substrat pr c dant ou pendant le d p t soit par
56. ases permettant une meilleure stabilit thermique et m canique la pr cipitation de phases durcissantes et la formation d une couche externe g n ralement protectrice contre l oxydation qui r sulte d une r action secondaire 32 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Ainsi l augmentation du nombre de composants dans le rev tement permet l obtention d une microstructure plus fine une taille de grains plus faible conduisant une plus grande r silience et lasticit mais aussi l absence d une interface discr te de faibles contraintes internes et une grande r sistance la corrosion 23 Les premiers rev tements multicompos s qui ont montr de bonnes propri t s sont TiCN et TiAlN g n ralement utilis s en UGV 25 17 TICN est surtout appropri pour r duire l usure abrasive des ar tes de coupe des outils 13 TIAIN pr sente une duret sup rieure celle de TiN et ceci am liore consid rablement la r sistance l usure abrasive Sa r sistance l oxydation est aussi sup rieure gr ce au fait qu haute temp rature TIN s oxyde formation de TiO qui fragilise le rev tement alors que dans la matrice de TiAIN se forme de l alumine Al O qui joue le r le de barri re thermique et de diffusion 26 Ce rev tement poss de une temp rature d oxydation sup rieure 200 C de plus que TiN et CrN 13 Dans le processus de per age les forets rev tus TIAIN permettent d am
57. ayon du porte substrat cm 5 E 11 4 E 7 5 4 E 11 4 5 o 3 E 11 4 c 2 E 11 4 centre du 2 porte substrat 2 1 E 11 o a 0 E 00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Position de la sonde suivant le rayon du porte substrat cm 97 Chapitre III R sultats et discussions centre du porte substrat Courant ionique l mA O NO A O1 OO N OO 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Position de la sonde suivant le rayon du porte substrat cm G 3 E 02 3 S amp 2 02 o e o TD 1 E 02 2 E tre du porte substrat centre du porte subDsira 3 4 0 E 00 D 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Position de la sonde suivant le rayon du porte substrat cm Figure 3 Variation du potentiel flottant A potentiel plasma B de la temp rature lectronique C densit lectronique D densit ionique E du courant ionique F et de la longueur de Debye G en fonction de la position de la sonde suivant le rayon du porte substrat Lorsque la sonde arrive 60 mm du centre du porte substrat le potentiel flottant augmente rapidement de 35 40 V une distance de 35 mm du centre puis diminue 34 V une distance de 15 mm du centre du porte substrat On observe le m me comportement pour le potentiel plasma sauf qu il commence augmenter rapidement de 48 V une distance de 45 mm du centre jusqu 56 V une distance de 35 mm du centre 98
58. bstitut de l or dans la joaillerie Il a t utilis aussi dans la technologie des circuits int gr s comme barri re de diffusion 16 En raison de son efficacit dans diff rentes applications industrielles TIN reste ce jour le rev tement le plus utilis Il repr sente 90 du march des rev tements 13 30 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Lors d une tude comparative men e par Rodr guez et al 13 il s av re que le TIN d pos par m thode PVD vaporation par arc poss de la valeur de duret la plus lev e compar e au CrN et ZrN d pos s par la m me m thode De par sa haute duret TIN est un bon candidat l augmentation de la r sistance l usure des outils de coupe et des composants sollicit s en usure C est un rev tement galement tr s performant dans les milieux corrosifs 15 17 Une tude men e par Sung et al 18 montre que l application d une couche de TiN Balinit A d une paisseur de 4 um sur la paroi d un tube zircaloy 4 utilis comme barre de combustible dans les centrales nucl aires cor ennes permet de diminuer l usure de ce dernier d un facteur allant de 1 2 3 fois compar un tube non rev tu Xu et al 19 ont montr auparavant que TiN tait plus efficace pour une m me application que MoS En contrepartie l utilisation du nitrure de chrome CrN est tr s r pandue dans de nombreuses applications industrielles o il est n cessaire d a
59. centage d azote atteint 50 dans le plasma les couches cristallisent selon l orientation cristalline 200 Figure 16 D Deux hypoth ses peuvent expliquer ces changements de cristallisation a pr sence majoritaire des plans 311 faible pourcentage d azote peut provenir de leur plus grande vitesse de croissance par rapport celle des autres orientations cristallines le passage de l orientation cristalline 111 200 peut tre d la repulv risation pr f rentielle des plans 111 ne contenant que des atomes d azote G n ralement on constate qu il n y a pas d effet de l paisseur sur le rapport des intensit s relatives des pics 111 et 200 Figure 17 0 8 07 9 ux 0 6 4 o 111 9 05 2 E lt 200 gt D 0 4 03 e a e 02 0 1 0 T T T T n 0 500 1000 1500 2000 2500 Epaisseur nm Figure 17 Evolution des intensit s relatives en fonction de l paisseur 10 N 112 Chapitre III R sultats et discussions Les contraintes des couches ont ensuite t tudi es Figure 18 On constate que les couches les moins contraintes sont celles obtenues 5 et 10 d azote dans le plasma Celles obtenues 50 ont des contraintes comprises entre 1 5 et 2 5 GPa Cela peut s expliquer par une surstoechiom trie en azote des couches de TiN lorsqu elles sont obtenues fort taux d azote dans le plasma Figure 18 4 5
60. choisir une technique de d p ts Dans un premier temps il faut v rifier avec quelle technique on pourra synth tiser le mat riau que l on veut d poser Le chauffage du substrat est galement un crit re important dans le choix de la technique de d p t Par ailleurs connaissant l tat de surface du substrat rev tir on ne choisira pas une technique pouvant perturber l interface de croissance si ce substrat est tr s rugueux L vaporation induisant des perturbations l interface de croissance est proscrire lorsque des substrats rugueux sont rev tir Le choix d une technique de d p t n est donc pas ais et doit tre bien tudi Outre les param tres pr cit s on doit galement tenir compte dela vitesse de d p t d sir e des limites impos es par le substrat temp rature de l adh rence du d p t sur le substrat Chapitre I Couches minces et techniques de d p t de la g om trie des substrats de forme complexe ou non de la puret du mat riau choisi de la pr servation de l environnement de la facilit d approvisionnement du mat riau d poser Caract ristiques Evaporation Ion Plating Pulv risation C V D Production de l esp ce Energie Energie thermique Transfert de R action chimique d poser thermique moment Vitesse de d p t Pen Jusqu 25 um mn De T a Espspe depose sous Atomes et ions Atomes et ions Atomes et ions Ato
61. compacit m diocre obtenus par simple vaporation L vaporation assist e par faisceau d ions met en jeu deux l ments principaux une source d ions un vaporateur Les d p ts r alis s par IBAD s effectuent sous un vide de 10 10 Pa La technique de d p t Figure 7 consiste vaporer le mat riau pr sent dans le creuset l int rieur de l enceinte En m me temps le film en cours de croissance est bombard par le faisceau d ions nerg tiques issu d une source plasma L nergie apport e par les ions est transf r e aux atomes issus de l vaporation et 20 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t qui s adsorbent la surface de la couche 8 En fonction de la nature des atomes vapor s et des ions du plasma de bombardement des r actions chimiques peuvent tre observ es donnant naissance des compos s d finis L avantage de cette technique est que le d p t peut s effectuer temp rature ambiante ou toute temp rature si l on inclut un dispositif de chauffage ou de refroidissement de l chantillon Cette technique permet donc de synth tiser une multitude de mat riaux des structures multicouches peuvent tre obtenues par vaporation simultan e et localis e de plusieurs mat riaux et par mouvement du substrat Il n y a pas de plasma en contact avec la couche en croissance d o une pollution minimale moniteur quartz port
62. cture CFC type NaCl Quelque soit l paisseur des couches de TiN on observe bien le changement d orientation cristalline avec le pourcentage d azote dans le plasma Figure 12 e 5 c est l orientation cristalline 111 qui est majoritaire avec des pics mineurs de TiN 200 et 311 e entre 5 et 15 c est l orientation cristalline 111 qui est majoritaire e entre 15 et 20 on a coexistence des orientations 200 et 111 105 Chapitre III R sultats et discussions partir de 25 seule l orientation cristalline 200 est pr sente avec un pic mineur de 111 qui diminue avec l augmentation du pourcentage d azote jusqu a sa disparition a partir de 50 de N2 e au del de 50 on a la disparition des trois pics de TIN TiN 111 TiN 200 TiN 311 TI 100 LLL E 7596 HIA di pe LI n 4096 I rj 2 o 2 25 c qp eee uM eon TC uses 15 a QE EIER i9 LLL a T 0 Si 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 2 th ta Figure 12 Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rentes paisseurs de film et differents pourcentages d azote Des r sultats similaires ont t obtenus dans la litt rature 9 10 12 La largeur des pics TiN nous indique que les couches poss dent un faible taux de cristallisation selon l orientation cristalline 200 alors quelle semble mieux cristallis e selon l orientation 111 L orientation des films suivant l augm
63. de pulv risation la pression de travail tant plus faible en pulv risation magn tron cela permet de consommer beaucoup moins de gaz II 3 D p ts ioniques Ion Plating Le proc d de d p ts ioniques est une sorte de technique hybride entre l vaporation et la pulv risation Il consiste vaporer le mat riau dans une enceinte dans laquelle on entretient une pression r siduelle de 13 1 3 Pa en introduisant de l argon par exemple 17 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Pendant le d p t on provoque et on entretient une d charge lectrique luminescente de mani re ioniser partiellement les vapeurs du mat riau d poser Cette d charge est obtenue g n ralement en appliquant une tension n gative de quelques kV au porte substrats ce qui a pour effet d attirer les ions sur ce dernier La pression de gaz r siduel lev e diminuant consid rablement le libre parcours moyen des atomes vapor s ceux ci s agglom rent au sein de la vapeur et forment un nuage diffus autour du substrat qui uniformise le flux de particules et par cons quent am liore l uniformit de l paisseur Par ailleurs le bombardement ionique du substrat am liore l adh rence de la couche Ce proc d n a d int r t que si la vitesse d vaporation est grande Cela oblige utiliser des sources d vaporation par bombardement lectronique mais celles ci ne peuvent fonctionner qu en dessous de
64. e 311 laisse supposer que les contraintes r siduelles des couches de TiN sont moindres sur acier que sur Si Les d p ts sur couteaux de microd roulage ont t r alis s en m me temps que ces chantillons d acier on peut donc supposer que les phases en pr sence sur couteaux soient de m me nature II 2 3 Influence de l paisseur des couches Gr ce aux d p ts effectu s pr c demment nous pouvons d terminer la vitesse de d p t du nitrure de titane selon le pourcentage d azote Dans cette nouvelle tude nous nous int resserons plus particuli rement aux pourcentages d azote avec lesquels des couches stoechiom triques peuvent tre obtenues et ayant de bonnes caract ristiques m caniques et physico chimiques A h 5 N LLE Intensit 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 2 th ta 9 109 Chapitre III R sultats et discussions Intensit 30 34 38 42 46 50 54 58 62 066 70 74 78 82 86 90 2 th ta Intensit o 2 3 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 2 th ta 110 Chapitre III R sultats et discussions D 50 N2 Intensit 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 ztn O 2 th ta Figure 16 Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rentes paisseurs A dans un plasma 5 d azote B dans un plasma 10 d azote C dans un plasma 20 d azote D dans un plasma
65. e croissance Lorsque des atomes frappent une surface ils perdent leur nergie au profit de cette derni re et se condensent pour former des ilots de nucl ation stables Pendant la condensation les adatomes ont un degr de mobilit sur la surface qui d pend de leur nergie cin tique et de la force ainsi que du type d interaction entre l adatome et la surface Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Les lots vont se d velopper et se rejoindre pour former une couche continue c est la coalescence Les liaisons entre des atomes et des mat riaux dissemblables ceux de la couche et du substrat peuvent tre de diff rentes natures Une fois la coalescence effectu e on a formation d une interface Le type de zone interfaciale d pend de la morphologie de surface du substrat de la contamination du substrat des interactions chimiques atomes surface de l nergie des atomes d pos s et du comportement de nucl ation des atomes d pos s Cette interface peut tre m canique accrochage m canique du mat riau de la couche sur une surface rugueuse l tat de surface du substrat influence la croissance de la couche Une rugosit importante peut en effet am liorer l adh rence de la couche abrupte passage abrupt du mat riau de la couche au mat riau du substrat en une distance de l ordre de la distance interatomique 2 5 compos e couche de composition constante paisse de
66. e des couches Figure 26 121 Chapitre III R sultats et discussions On constate que la variation de la pression totale influe peu sur l paisseur de la couche d pos e Tableau 1 Toutefois on remarque une paisseur optimale pour une pression de 12 ubar Par contre on remarque que cette variation de pression influe sur les contraintes des couches Figure 26 On constate en effet que les couches les plus contraintes sont celles obtenues aux faibles pressions de travail 3 et 6 ubar Pression totale ubar Epaisseur nm 3 175 6 954 9 1070 12 1294 15 1069 Tableau 1 Epaisseur en fonction de la pression totale Afin de comprendre le r sultat pr c dent nous nous sommes int ress s d terminer l influence de la pression sur la structure des couches On peut remarquer sur les diffractogrammes obtenus Figure 27 qu il n y a pas de changement d orientation cristalline des couches de TIN avec la pression sauf pour une pression de 6 ubar o l on remarque l apparition d un pic 200 ayant la m me intensit que le pic 111 Ceci pourrait expliquer l augmentation des contraintes observ e pr c demment 2 5 Contraintes GPa 0 5 T T T T T 1 0 3 6 9 12 15 18 Pression pbar Figure 26 Contrainte des couches en fonction de la pression totale 122 Chapitre III R sultats et discussions On constate galement que l intensit du pic 111 augme
67. e en phase vapeur n ont cess d tre introduits dans de nombreux secteurs industriels tels que l outillage pour l usinage des mat riaux m talliques et plastiques et dans d autres secteurs m tallurgiques tels que le moulage le matri age l estampage et le poin onnage afin de palier aux probl mes d usure et de d gradation de surface des composants m talliques sollicit s IV 2 1 Les rev tements durs deux compos s binaires Les nitrures des m taux de transition tels que TiN CrN HfN ZrN NbN forment une gamme tr s tendue de mat riaux poss dant des propri t s physiques int ressantes gr ce auxquelles ils sont tr s utilis s dans de nombreuses applications industrielles Ces rev tements durs pr sentent une haute duret m canique combin e une bonne stabilit thermique et chimique L optimisation de ces rev tements est ais e En effet on peut ajuster des propri t s comme le param tre de maille la duret l lasticit le coefficient d expansion thermique ou le comportement en corrosion pour les optimiser TiN nitrure de titane et CrN nitrure de chrome font partie des rev tements les plus employ s 13 Le nitrure de titane TIN est le plus ancien des rev tements PVD 14 Il a fait l objet de nombreuses tudes depuis le d but des ann es 80 Ses propri t s particuli res ont conduit son application aussi bien comme couche anti usure sur les outils de coupe 14 15 que comme su
68. e les pics de l azote 0 392 eV K 1 et du titane 0 452 eV La sont tr s proches ce qui emp che toute quantification de la composition des couches Malgr 101 Chapitre III R sultats et discussions l utilisation tr s large de ce mat riau son analyse reste probl matique La plupart des m thodes d analyse de surface classiques telles que l EDS ou la WDS ne permettent pas la quantification exacte du ratio N Ti 6 cps 60 40 20 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 Energy keV Figure 6 Spectre EDS d une couche de TiN obtenue avec 25 d azote dans le plasma Ainsi en raison des probl mes inh rents valuer la composition pr cise en utilisant ces techniques Manory 6 s est r f r une approximation de la composition en se basant sur la couleur du rev tement produit comme l ont propos auparavant Chevalier et al 7 Figure 7 Microduret HV 0 025 X N Ti Figure 7 Microduret couleur et phases des films de TiN en fonction du ratio N Ti 7 102 Chapitre III R sultats et discussions Pour les quatre rev tements observ s par microscopie optique la surface montre un aspect r gulier sans anomalie apparente Figure 8 a l exception de quelques taches noires que l on aper oit et qui s av rent tre des trous dus l enl vement de morceaux de rev tement Figure 8 b Un caillement de la couche d lamination a t galement observ de fa on tr
69. e nature organique r sine graisses hydrocarbures ou bien solide poussi re morceaux de silicium m taux En effet toute impuret se trouvant la surface de l chantillon peut g n rer une mauvaise adh rence du film Les chantillons sont nettoy s selon la s quence suivante 1 Trichlor thyl ne 99 5 pendant 5 minutes dans un bac ultrasons Ac tone pure 99 5 pendant 5 minutes dans un bac ultrasons e Ethanol absolu 99 5 pendant 5 minutes dans un bac ultrasons Rin age l eau d sionis e 50 Chapitre II Exp rimentation A la fin de chaque tape les substrats sont rinc s l eau d ionis e et stock s dans des piluliers contenant de l thanol absolu 94 95 vol jusqu leur utilisation L 2 2 b Nettoyage in situ des substrats et de la cible 2 Bien qu ils soient conserv s dans l alcool jusqu leur utilisation une couche d oxyde peut se former la surface des substrats c est pourquoi on leur fait subir un nettoyage ionique in situ sous argon avant d tre rev tus Ce nettoyage permet de d caper les premiers nanom tres du substrat Le m lange des gaz dans la chambre est fix l aide de d bitm tres massiques Les conditions de nettoyage in situ des substrats sont r sum es en Tableau 1 Dans ces conditions de nettoyage la vitesse d rosion du silicium est de 10 nm mn Puissance appliqu e la cible 250W Puissance r f
70. e pour multicouches alliages et d p t sur des substrats de g om trie complexe Figure 7 Sch ma de principe de l IBAD Figure 8 D charge lectrique obtenue par un syst me avec lectrodes Figure 9 D charge lectrique obtenue par un syst me avec sans lectrodes 41 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Liste des tableaux Tableau 1 Caract ristiques principales des m thodes de d p t sous vide Tableau 2 Avantages et inconv nients des proc d s P V D et C V D Tableau 3 Les fonctions d un plasma Tableau 4 Les champs d application d un plasma Tableau 5 Propri t s intrins ques de quelques rev tements multicouches tudi s par Ding et al 42 Chapitre II Exp rimentation Chapitre II Exp rimentation I Technologie des d p ts I 1 B ti de pulv risation magn tron Ce support de d p ts de type NORDIKO 3500 peut tre subdivis en trois parties un syst me de pompage une enceinte de d p ts et une armoire lectrique Figurel L 1 1 Le syst me de pompage Constitu de deux pompes 1 il permet d atteindre un vide r siduel de l ordre de 10 Pa Apr s mise en place des substrats rev tir une pompe palettes assure un vide de l ordre de 1 Pa Un syst me automatis permet une lectrovanne plac e sur le conduit de pompage de passer le relais une pompe cryog nique qui assure l obtention du vide secondaire Due l abs
71. e substrats I S Seu source d vaporation UN pompage entr e gaz Figure 7 Sch ma de principe de l IBAD 2 Un b ti d vaporation peut facilement tre transform en b ti d vaporation assist e par insertion d une source d ions il sera toujours possible d y r aliser des d p ts par vaporation classique 8 21 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Par ailleurs les films d pos s par vaporation adoptent une structure colonnaire induisant des contraintes internes en tension 8 Les propri t s optiques m caniques et lectriques des films minces sont donc affect es par cette structure colonnaire des d p ts Un des buts de l assistance du d p t par un bombardement ionique est d liminer cette structure colonnaire 9 Le bombardement ionique influence de fa on importante l arrangement des atomes de la couche en formation De nombreuses caract ristiques du film d pendent de ce param tre l adh rence au substrat les contraintes internes la composition pr sence d impuret s les caract ristiques optiques la r sistivit lectrique II 5 D p ts chimiques en phase vapeur C V D P A C V D Le proc d connu sous le nom de C V D Chemical Vapor Deposition consiste placer le mat riau recouvrir dans une enceinte dans laquelle on fait circuler
72. ence d un sas d introduction des chantillons un pompage de 24 h est n cessaire pour atteindre un vide r siduel satisfaisant 1 2 10 Pa ce qui nous a limit s un d p t jour 1 1 2 L enceinte de d p ts C est un cube en acier inox dont les parois sont refroidies par une circulation d eau sur lesquelles viennent se condenser les gaz vacuer Le vide dans l enceinte est estim gr ce un ensemble de jauges de Pirani et Penning Des d bitm tres massiques 3 permettent de r guler le flux 100 sccm max d introduction des gaz Avant laboration des films de l argon pur est introduit pour nettoyer les substrats et la cible par d capage ionique tandis que de l azote est admis par la suite pour r aliser les d p ts de nitrure Le contr le des pressions partielles et des pressions de travail se fait l aide d une jauge capacitive Baratron 4 Un porte substrats PS sur lequel sont plac s les chantillons est reli une alimentation DC 5 afin d assurer leur polarisation lors de leur nettoyage ou du d p t La cible constitu e du mat riau pulv riser est reli e un g n rateur R F 13 56 MHz de puissance 44 Chapitre II Exp rimentation variable de 0 1250 W 6 Un aimant permanent est plac au dos de la cible afin d augmenter la trajectoire des lectrons au voisinage de celle ci pour maintenir une d charge plasma stable effet magn tron Gr ce des circuits d accord 7
73. entation de la teneur en azote dans le m lange gazeux passe donc de l orientation cristalline 111 200 On peut donc conclure que sur silicium augmenter le taux d azote 106 Chapitre III R sultats et discussions dans le plasma tend densifier les couches donc accroitre les contraintes des couches ce qui explique la d lamination de la couche de TiN obtenue 50 de N2 Figure 8 c g au 93 a 22 1 c Oo O 0 T T T T T 0 20 40 60 80 100 Pourcentage d azote Figure 13 Contrainte des couches en fonction du pourcentage d azote Nous nous sommes ensuite int ress s v rifier l influence du pourcentage d azote sur les contraintes des couches Figure 13 Nous observons que les couches ont des contraintes en compression Figure 14 On constate bien que malgr la fluctuation dans l allure de l volution de la contrainte en fonction du pourcentage d azote que les couches de TiN pr sentent des contraintes qui augmentent avec le pourcentage d azote Cela s explique par l apparition de l orientation cristalline la plus dense contenant les plans 200 et probablement surstoechiom triques en azote D p t 44 D pot L 4 C Substrat Film en compression Fl che avant d p t p uu CN f Fl che apr s d p t HT b Figure 14 Representation sch matique d un film en compression 107 Chapitre III R
74. es fonctions d un plasma III 5 Les champs d application Les champs d application d un plasma froid sont repr sent s en tableau 4 28 Pourquoi ne pas utiliser Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Traitement a z Modification de la des gaz surface du mat riau Mat riau solide m tallique isolant semiconducteur comosite Gaz D toxication des gaz Erosion de surface D p t de films Modification de la Analyse quantitative Nettoyage Films minces barri re chimie de surface Diagnostic D capage paisseurs 10 nm Fonctionnalisation Source lumineuse Pr paration de surface Films pais greffage D sodorisation avant d p t paisseurs 10 um Dopage par implantation Gravure Multicouches et ou diffusion paisseurs 1um St rilisation Tableau 4 Les champs d application d un plasma IV Les modifications superficielles IV 1 Introduction Nous avons r alis une recherche bibliographique sur les rev tements durs les plus tudi s et utilis s afin d envisager quels seraient les plus avantageux pour am liorer la dur e de vie des outils de coupe du bois 29 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t IV 2 Les rev tements durs en couches minces Durant les derni res d cennies les rev tements durs en couches minces lt 10um d pos s par m thodes CVD d p t chimique en phase vapeur puis un peu plus tard par m thodes PVD d p t physiqu
75. es lignes de champ magn tiques augmentant consid rablement les chances d ioniser une mol cule de gaz au voisinage de la cathode Le pouvoir d ionisation des lectrons mis par la cathode est augment du fait de l allongement de leur trajectoire Il s ensuit une ionisation plus importante des gaz contenus dans l enceinte Porte substrats Porte substrats NENNEN Cible Cible A B Figure 4 Trajectoire des lectrons A en absence ou B pr sence du champ magn tique Il en r sulte l augmentation de la vitesse de d p t l abaissement de la pression de maintien du plasma 14 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Bien entendu ce dispositif n ajoute rien l nergie des ions arrivant sur la cible il ne fait qu augmenter leur nombre pour une tension de polarisation de la cible donn e Les pressions de travail se situent entre 6 67 10 et 6 67 10 Pa Les deux types de cathodes magn trons conventionnels couramment utilis s sont les magn trons plans circulaires Figure 5 et rectangulaires et les magn trons cylindriques cathodes barreaux et magn trons cylindriques creux Atomes pulv ris s Zone de plasma intense Lignes de champ Figure 5 Magn tron plan circulaire conventionnel La pulv risation magn tron peut tre effectu e en utilisant une seule cathode ou bien plusieurs cathodes install es en vis vis Figure 6
76. eur augmente est alors attribu e une relaxation en surface de la couche Hones 15 a sch matis le processus de d p t comme la croissance de colonnes c niques de diff rents diam tres induisant des effets d ombre lors du d p t et donc des espaces vides de plus en plus importants lorsque l paisseur de la couche augmente Figure 21 Ceci expliquerait donc que pour de faibles paisseurs on est en pr sence de colonnes relativement identiques et de peu d espaces vides donc de couches relativement denses et contraintes alors que pour de grandes paisseurs la croissance des colonnes se faisant en c nes ceci induirait des espaces vides de plus 115 Chapitre III R sultats et discussions en plus grands entre les colonnes et des contraintes moins grandes car les couches seraient alors moins denses Bombardement atomique Ld Figure 21 Mod le de croissance des couches selon Hones 15 Le param tre de maille est important pour de faibles paisseurs o la contrainte des couches est de l ordre de 0 4 0 64 GPa Ceci peut s expliquer par l effet des contraintes compressives importantes qui induiraient une d formation de la maille perpendiculairement la surface de la couche d o une augmentation des distances interr ticulaires et par cons quent du param tre de maille Pour des paisseurs partir de 560nm la contrainte des couches est relativement constante et de l ordre de 0 1 GPa ce
77. exe 6 Par exemple contrairement un magn tron quilibr on a des lignes de champ vers le porte substrats d o la formation d ions pr s de celui ci gr ce aux lectrons arrivant sur ces lignes de champ Ceci permet d augmenter le flux d ions Les 16 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t magn trons cathode rotative cylindrique ont une dur e de vie et donc d utilisation sup rieure celle des cathodes planes Des recherches ont galement t faites afin d am liorer ces cathodes planes et d augmenter leur dur e de vie 7 Le proc d Cyclomag a t d velopp afin de permettre le mouvement des aimants d une cathode plane magn tron quilibr ou d s quilibr Ainsi gr ce ce proc d la dur e de vie d une cathode plane est doubl e voire m me tripl e La pulv risation magn tron permet d obtenir des vitesses de d p t plus lev es que la pulv risation triode Cette vitesse d pend de plusieurs param tres le mat riau pulv ris selon le rendement de pulv risation le gaz de d charge utilis plus la masse mol culaire du gaz est lev e plus l effet de pulv risation est grand la distance cible substrat la pression la vitesse de d p t d cro t lorsque la pression augmente ceci est d au ph nom ne du libre parcours moyen la densit de puissance lectrique appliqu e la cible Par ailleurs pour un m me volume de la chambre
78. expansion thermique entre le film et son substrat Si ces contraintes sont lev es elles peuvent conduire la d lamination d collement du rev tement ou des craquelures dans celui ci Autant dire qu un rev tement trop contraint soumis des efforts de coupe tels que ceux de l usinage du bois d roulage par exemple se comportera tr s mal et s endommagera tr s vite Il s agit donc de v rifier que des paisseurs de l ordre du micron ne pr sentent pas de contraintes susceptibles d entra ner le d collement des rev tements 114 Chapitre III R sultats et discussions L volution de la contrainte des couches de TiN en fonction de leur paisseur Figure 20 obtenues une pression totale de 8 ubar une tension de polarisation de 500 V et pour 5 d azote montre qu une couche de 450 nm repr sente la couche la plus contrainte 0 7 GPa A partir de 560 nm d paisseur les contraintes restent relativement stables et faibles 0 8 4 0 6 0 4 0 2 4 Contraintes GPa 0 2 0 500 1000 1500 2000 2500 Epaisseur nm Figure 20 Contrainte des couches en fonction de leur paisseur Le pic de contrainte peut s expliquer soit par un changement de structure en cours de croissance de la couche soit par la cr ation en d but de d p t d ilots qui vont ensuite coalescer et tre responsables de dislocations donc de contraintes importantes 13 14 La diminution de la contrainte lorsque l paiss
79. f rentes paisseurs mais g n ralement constantes selon les besoins de l utilisateur les placages constituent le produit final qui retient toute l attention de l op rateur Ils sont utilis s comme l ments de base pour la r alisation d une multitude de produits et mat riaux panneaux de contreplaqu s emballages l gers mat riaux lamell s 65 Chapitre II Exp rimentation Le proc d de d roulage Figure 15 consiste d velopper une grume de forme naturellement cylindrique autour d un axe passant par son noyau et dans le sens des fibres en coupon continu L outil appel couteau fait toute la longueur du billon et d crit un mouvement d avance perpendiculaire l axe longitudinal Bien souvent en industrie l outil en plus de son mouvement d avance est galement anim d un mouvement de rotation de faible amplitude autour d un axe passant par son ar te de coupe afin de maintenir des conditions de coupe angle de d pouille et d attaque optimales Ainsi l ensemble doit r pondre deux param tres devant tre constants durant toute la dur e de l op ration e pas de la spirale e paisseur du placage d roul e rotation 360 un tour complet du billon Pour tre g om triquement pr cis la spirale exige une parfaite synchronisation entre ces deux param tres pas et rotation 16 Figure 15 Principe du d roulage 16 Par ailleurs et comme toute op ration d usinage il
80. iN et CrN 26 Une tude comparative entre CrTIN un super r seau TiN NbN et un super r seau de carbone composite appliqu s sur des poin ons en SKH51 et test s en estampage montre que le CrTiN augmente significativement la dur e de vie des poingons non rev tus 3 4 fois et qu il se comporte dans cette application beaucoup mieux que les autres rev tements Ceci est sans doute d sa haute duret une bonne adh rence et son faible coefficient de frottement 31 Des mesures de nanoindentation montrent que le CrWN et le CrNbN poss dent des valeurs de duret respectivement de 27 et 24 5 GPa 21 Lors d une autre tude CrVN semble montrer le plus faible coefficient de frottement et le plus faible volume d usure compar CrN et CrAIN 22 IV 2 3 Les rev tements durs multicouches Bien que les rev tements durs monocouches trouvent une tendue d application dans de nombreux secteurs technologiques il reste encore plusieurs domaines o les propri t s de ces couches restent insuffisantes 32 Une solution pour surmonter ces insuffisances est l utilisation de rev tements multicouches qui combinent les propri t s attractives de chaque couche et en m me temps pr sentent de nouvelles propri t s En effet l augmentation du nombre d interfaces emp chent la migration des dislocations et donc conduit l augmentation de la duret On peut prendre comme exemple l application d une couche interfaciale qui am liore
81. icatifs leurs utilisateurs La premi re partie de cette tude a t consacr e la caract risation du plasma par une sonde de Langmuir Potentiel flottant potentiel plasma temp rature lectronique densit lectronique densit ionique et longueur de Debye Dans la seconde partie de cette tude des couches minces de TiN ont t labor es par pulv risation magn tron L influence de diff rents param tres a t corr l e avec la structure cristalline cette tude a t compl t e par d autres analyses Recuit thermique test d usure et microd roulage d outils rev tus de TiN Mots cl s TiN couches minces pulv risation magn tron PVD contraintes recuit thermique usure et microd roulage Laboratoire de Physique des Couches Minces et des Mat riaux pour l Electronique LPCM2E Laboratoire Bourguignon des Mat riaux et Proc d s La Bo Ma P
82. ination de l exc s de ces d fauts peut se produire suivant plusieurs directions Vers la surface du film cela peut conduire une r duction de l paisseur Vers les joints des grains Vers les micro pores existants entrainant la croissance du pore Ceci nous laisse penser que les couches de TIN pr sentent une microporosit tr s importante due la pr sence des lacunes et des micro pores incorpor s dans le film lors de l laboration D autres parts lorsque l on augmente le nombre d ion d argon la couche est obtenue avec une compacit plus lev e Cependant le niveau des contraintes dans la couche devient plus important Travailler haute temp rature 1000 C traduit dans la plupart des cas une fissuration importante cause des contraintes r siduelles d origine thermique qui s tablissent entre le substrat et le rev tement 127 Chapitre III R sultats et discussions III Application de rev tements classiques l usinage du bois Le but de ce travail est de comparer le comportement m canique d outils modifi s en surface rev tements durs en usinage du bois plus exactement en examinant la mani re avec laquelle agissent ces modifications sur l usure des outils 21 22 III 1 Usure par abrasion au Calotest On a effectu un test d usure au Calotest sur des couches de TiN d pos es sur des substrats d acier et de Silicium Figure 32 Figure 32 Observation optique d
83. issance r fl chie et extinction de la d charge 48 I 1 6 c Vide r siduel 48 I 1 6 d D focalisation du plasma et vitesse de d p t 48 I 2 Substrats et protocole de d p ts 49 I 2 1 Substrats 49 I 2 2 Nettoyage des substrats 50 Sommaire I 2 2 a Nettoyage ex situ 50 I 2 2 b Nettoyage in situ des substrats et de la cible 51 I 3 D p ts II Techniques de caract risations II 1 Microscopie Electronique Balayage MEB 52 52 52 Fonctionnement d un MEB II 2 Spectrom trie dispersion d nergie EDS II 3 Diffraction de rayons X 53 54 55 Positions angulaires des raies de diffraction Intensit s des raies de diffraction Configuration Bragg Brentano 56 56 57 II 4 Profilom trie 58 IL 4 1 D termination de l paisseur 58 11 4 2 D termination des contraintes 11 4 2 1 Contraintes r siduelles des films 11 4 2 2 Mesure des contraintes r siduelles 59 59 60 IL 5 Interf rom trie 62 II 6 Calotest II 7 Test d usinage du bois IL 7 1 Le d roulage 64 65 65 IL 7 2 Usinage avec une microd rouleuse instrument e 67 II 7 2 1 G om trie des outils de coupe et mat riaux usin s II 7 2 2 Conditions de coupe II 7 2 3 valuation de l usure des outils 69 71 71 II 8 Sonde de Langmuir 72 IL 8 1 La sonde Le syst me de nettoyage 74 75 Principe de mesure 75 II 8 2 Th orie
84. issantes et des avantages significatifs apport s leurs utilisateurs Elles sont appliqu es par deux types de techniques e La technique CVD d p t chimique en phase vapeur o les composants de la couche par exemple Ti et N2 sont fournis sous forme gazeuse e La technique PVD d p t en phase physique dont l l ment que l on d sire d poser est produit partir de la cible sous haut vide soit par vaporation ou pulv risation La premi re partie de ce travail a t consacr e la caract risation du plasma Cette caract risation ou diagnostic consiste obtenir des informations et des connaissances sur ce qui se passe au sein du plasma Il est en effet n cessaire de bien conna tre les plasmas mis en uvre dans tel ou tel proc d et ceci pour plusieurs raisons tout d abord la connaissance des m canismes et des ph nom nes se produisant au sein de la phase gazeuse est essentielle une bonne compr hension du comportement du plasma ce qui permet de mieux appr hender les ph nom nes mis en jeu lors de l interaction du plasma avec la surface Ensuite l tude du plasma rend possible l optimisation du proc d consid r Pour r aliser le diagnostic du plasma il y a plusieurs m thodes d analyse Les plus couramment utilis es sont la spectrom trie d mission optique la fluorescence induite par laser et les sondes lectrostatiques Dans ce travail la caract risation du plasma a t faite pa
85. it s quasi illimit es dans le choix des mat riaux d poser possibilit s de contr ler facilement la stoechiom trie des d p ts la composition et par cons quent leurs propri t s facilit de dopage du d p t l aide de quantit s contr l es d impuret s possibilit s de d p t de couches pitaxiques possibilit de d p t de substances avec modification continue ou discontinue de la composition du rev tement structure duplex possibilit s de d p t de mat riaux r fractaires des temp ratures faibles possibilit de d p t sur des pi ces de forme complexe int rieur de cylindre par exemple possibilit de pr parer chimiquement in situ le substrat avant d p t bonne adh rence entre couche et support vitesse de d p t sup rieure celle des P V D possibilit de travailler pression atmosph rique connaissances thermodynamiques parfois insuffisantes et cin tique des r actions complexe temp rature lev e souvent n cessaire d o epossibilit s de modification de la structure du support epossibilit de d formation des pi ces en cessit de trempe ult rieure e limination de certains substrats gaz utilis s en C V D et produits de r action souvent toxiques explosifs ou corrosifs possibilit d attaque du substrat ou du rev tement par ces gaz corrosifs dans certains cas temps de r action long l uniformit des d p ts est parf
86. itre I Couches minces et techniques de d p t Chapitre I Couches minces et techniques de d p t I G n ralit s sur les couches minces Les couches minces sont actuellement utilis es dans de nombreux domaines tels que l optique couches anti reflets miroirs l lectronique transistors capteurs solaires la m canique couches r sistant l rosion ou l usure couches dures pour outils de coupe la chimie couches anti corrosion et la d coration bijouterie lunetterie I 1 Formation d une couche mince Il y a trois tapes dans la formation d un d p t en couche mince partir d une phase vapeur 1 Etape n 1 synth se ou cr ation de la ou les esp ce s d poser afin de mettre un mat riau en phase vapeur on peut utiliser des techniques comme l vaporation la pulv risation ou la dissociation des esp ces dans un plasma Etape n 2 transport de ces esp ces de la source vers le substrat il peut se d rouler sans collision entre atomes et mol cules si on est en r gime de flux mol culaire libre parcours moyen important En revanche si la pression partielle du mat riau et ou des gaz environnants est assez lev e il y aura de nombreuses collisions dans la phase vapeur pendant le transport vers le substrat Etape n 3 d p t sur le substrat et croissance de la couche cette tape prend en compte le d p t de la couche avec les processus de nucl ation et d
87. l chie 0 5W Par 3 7ubar Temps 5 mn Tableau 1 Conditions de nettoyage in situ des substrats Puissance appliqu e la cible 250 W Puissance r fl chie 25 30 W Tension auto polarisation cible 150 V Par 3 7ubar Temps 5 mn Tableau 2 Conditions de nettoyage in situ de la cible Par ailleurs un nettoyage in situ de la cible est n cessaire En effet ce nettoyage sous argon permet d liminer d une part la couche d oxyde form e la surface de la cible lorsque l on ouvre la chambre de d p t et d autre part la couche de nitruration obtenue apr s chaque d p t Les conditions de nettoyage in situ de la cible sont r sum es en Tableau 2 51 Chapitre II Exp rimentation L3 D p ts Dans le but de pulv riser une cible dont la composition est homog ne en surface lors du d p t la cible est pr pulv ris e dans les m mes conditions que le d p t m lange de gaz effectu puissance du g n rateur et pression de travail fix es pendant 5 mn Les substrats et la cible tant isol s par un cache Pour faire un d p t il faut retirer le cache et minimiser la puissance r fl chie Le temps de d p t est d fini selon les besoins de l utilisateur IL Techniques de caract risations IL 1 Microscopie Electronique Balayage MEB Le principe g n ral des microscopies lectroniques consiste envoyer un faisceau d lectrons qui interagit avec l chan
88. l e par la jauge Penning Cette m thode qui parait premi re vue rudimentaire est relativement efficace surtout dans le cas de grosses fuites L 1 6 d D focalisation du plasma et vitesse de d p t L observation visuelle du plasma illustr e par la figure 3 indiquait que ce dernier ne se focalisait pas au centre du PS De plus nous avions not que lors des d p ts de TiN r alis s vitesse de rotation nulle la partie du PS la plus proche de la cible 48 Chapitre II Exp rimentation tait recouverte d un film de couleur dor e l autre moiti d un film plus sombre d o une importante inhomog n it de l paisseur des films d pos s Figure 4 Hd dl Figure 3 Plasma divis Figure 4 Porte substrat Afin de comprendre les raisons de non focalisation du plasma la question de l influence d une cathode sur l autre s est pos e Chaque cathode est quip e d aimants permanents induisant tout autour un champ magn tique Ces champs dont l intensit d pend de la taille des aimants permanents peuvent interagir entre eux Pour v rifier cela nous avons enlev l aimant d une cathode et nous avons cr une d charge plasma Il s est av r que les aimants de la nouvelle configuration induisaient une d focalisation du plasma Ainsi nous avons remplac les aimants par des bandes magn tiques que nous avons ajust es progressivement jusqu avoir un effet magn tron acceptable qui n a pa
89. la possibilit d analyser de mani re l mentaire les ph nom nes qui apparaissent sur les outils industriels mais aussi cause de l opportunit de pr parer un plus grand nombre d chantillons 67 Chapitre II Exp rimentation pr lev s dans la m me grume Ainsi nous pouvons limiter l effet de la variabilit des caract ristiques m caniques du bois Figure 16 Microd rouleuse de PENSAM de Cluny Cette machine permet de mesurer les efforts de coupe tangentiel X t radial Y et donc d en d duire par calcul l effort de coupe F On a galement la possibilit de mesurer le coefficient de frottement outil mati re et les d placements du plan de coupe En effet en cours de d roulage un patin de frottement en acier rev tu ou non vient s appuyer de mani re lastique avec une force normale Fw contre la rondelle de bois Gr ce un capteur pi zo lectrique positionn en dessous du patin on mesure la force de frottement Fr Le patin de frottement s appuyant contre le bois 1 4 de tour apr s que sa surface ait t rafraichie par l usinage la surface du bois conserve donc les m mes caract ristiques que celles de la surface de contact de la lame L erreur totale de mesure a t valu e en dessous de 2 Les traitements test s gr ce ce dispositif sont les rev tements durs TiN CrN DLC la nitruration ionique et les traitements duplex monocouche de CrN nitruration ionique 68 Chapi
90. lle de plans cristallins en condition de Bragg Profilom tre DEKTAK 3030 Mesure de l paisseur au profilom tre Sens de d formation du substrat selon le type de contrainte dans le film Mesure de contrainte par profilom trie Dispositif de mesure des rayons de courbure par la m thode des anneaux de Newton Figure 12 Figure 13 Figure 14 Figure 15 Figure 16 Figure 17 Figure 18 Figure 19 Figure 20 Figure 21 Figure 22 Calotest Sch ma de principe du Calotest Observation optique d un crat re obtenu par Calotest Principe du d roulage Microd rouleuse de l ENSAM de Cluny G om trie d un outil de microd roulage Rondelles de MDF Mesure du recul de l ar te d un couteau de d roulage Dispositif de mesure par sonde de Langmuir Sch ma de la sonde utilis e Unit s mm pouces Syst me du diagnostic du plasma la sonde l lectronique d acquisition l ordinateur Figure 23 nettoyage Figure 24 Figure 25 Nettoyage de la sonde A Avant et apr s le nettoyage B Pendant le Caract ristique de sonde D riv e seconde de la caract ristique d I V 85 Chapitre II Exp rimentation Figure 26 Calcul du potentiel plasma par la m thode de l intersection des pentes 86 Chapitre II Exp rimentation Listes des tableaux Tableau 1 Conditions de nettoyage in situ des substrats Tableau 2 Conditions de nettoyage in situ de la cible Tableau 3 Conditio
91. ment Elle peut tre attir e par une surface lectrodes d tat lectrique oppos conduisant un d placement directif avec acquisition d nergie cin tique L excitation peut tre suivie d une ionisation Excitation ionisation r activit lev e III 2 Le plasma froid qu est ce que c est A la diff rence des plasmas thermiques utilis s en projection chaud les plasmas froids sont des milieux permettant des modifications de surface d p ts greffage gravure basse temp rature sans alt ration des substrats Un plasma froid est un gaz ionis en tat de non quilibre thermodynamique dont seuls les lectrons sont port s haute temp rature les autres particules ions radicaux fragments de mol cules neutres stables restant temp rature ambiante 25 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t III 3 Comment g n rer un plasma Dans une enceinte confin e sous vide partiel ou pression atmosph rique dans laquelle on injecte un gaz plasmag ne on peut g n rer un plasma en transf rant de l nergie ce gaz par l action d une d charge lectrique Une d charge c est une conversion rapide de l nergie lectrique en nergie cin tique puis en nergie d excitation et d ionisation des atomes et des mol cules L nergie lectrique apport e au syst me est en partie convertie par les particules charg es ainsi form es lectrons ions en nergie cin
92. ment thermique sous vide on peut passer d une phase non st chiom trique a une phase steechiom trique sous l effet de la temp rature lev e qui est le cas pour le TIN 1000 C 1 4 4 1246 1 0 4 0 8 0 6 4 Containte GPa 0 4 4 0 2 4 0 0 T T T T 1 0 200 400 600 800 1000 Temp rature C Figure 29 Variation de la contrainte en fonction de la temp rature de recuit pour des couches de TiN D apr s le graphe pr c dent Figure 29 on constate qu apr s recuit la contrainte diminue en fonction de la temp rature La contrainte est de l ordre de 1 2 GPa dans le cas des films non recuits puis elle diminue l g rement jusqu 1 GPa 600 C Elle passe ensuite de 0 7 GPa not e 800 C 0 64 GPa pour un recuit fait 1000 C 125 Chapitre III R sultats et discussions Des photos prises par un microscope binoculaire sur les diff rents chantillons montrent que l tat de surface volue en fonction de la temp rature de recuit Les chantillons apparaissent lisses et d pourvus de tout relief Leur adh rence semble correcte A 1000 C des fissurations apparaissent sur toute la surface des films montrant ainsi le d collement localis de la couche Figure 30 Figure 30 Fissuration de la couche de TiN 1000 c Echelle 20 um On constate aussi que la couleur de la surface du film change avec la l augmentation de la temp rature du recuit Figure 31 Cette varia
93. mes forme de D p t sur Des substrats de formes Peu Bons r sultats mais Assez bons Bons r sultats complexes recommand e paisseur non r sultats mais dans des trous borgnes uniforme paisseur non de petit diam tre R sultats uniforme R sultats moyens et m diocres R sultats limit s m diocres R sultats m diocres D p t de m taux alliages compos s oui oui oui oui r fractaires Energie des atomes de Faible Peut tre lev e Peut tre lev e Peut tre lev e en l esp ce d pos e 0 1 0 5 eV 1 1000 eV et 1 100 eV PACVD plus Bombardement du non substrat puis de la sauf assistance Possible en couche par des ions de par un canon As ui PACVD gaz inerte ions externe Perturbations introduites l interface de non oui oui Oui croissance Chauffage du substrat 3 Qui ene oui oui ou non oui ou non Oui ou non en par moyens externes PACVD Tableau 1 Caract ristiques principales des m thodes de d p t sous vide II Techniques de d p ts de couches minces 2 IL 1 Evaporation sous vide Cette technique consiste chauffer sous vide le mat riau que l on veut d poser Les atomes du mat riau vaporer re oivent de l nergie calorifique c est dire que Chapitre I Couches minces et techniques de d p t leur nergie vibratoire d passe l nergie de liaison et provoque l vaporation Le mat riau vapor est alors recueilli par condensation sur le
94. montr que l application d une couche de TiN 3 um et d une bicouche de TiAIN 0 8 um TIN 1 2 um sur la surface d un foret en acier rapide forte teneur en cobalt permet d augmenter sa dur e de vie de respectivement 1 4 et 2 6 fois lors de l usinage sec de fonte grise La multicouche CrAIN C C trois couches CrAIN CrAIN carbone graphite d pos dans une atmosph re r active N2 puis une couche de graphite C pr sente une duret de 29 GPa un module d Young de 415 GPa et un faible coefficient de frottement de 0 4 apr s 300 m de frottement lors du test du pion disque Ce rev tement est un tr s bon candidat pour les applications de per age et d usinage 27 35 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Une tude men e par Grimanelis et al 36 a montr qu un rev tement duplex compos d une couche de CrTiBCN et d une couche sup rieure C CrTiB appliqu sur des t tes de fraises poss de un meilleur rendement que TiN monocouche lors de tests sous des conditions r elles d usinage Les propri t s intrins ques de quelques multicouches au terme d une tude men e par Ding et al 37 sont r sum es dans le tableau 5 Tous ces rev tements poss dent une duret sup rieure la duret du TIN 21GPa DURETE MODULE D YOUNG MULTICOUCHES GS GP A a A TiNTiCN TiC TICN TIC 3554 4 ALbOs TiC TiCN TiC 263 9 TiN TiCN TiC TiCN TiC 292 9 TiN TiCN TiC TiCN TIC
95. nd Coatings Technology 116 119 1999 508 516 134 Chapitre III R sultats et discussions Liste des figures Figures 1 Variation du potentiel flottant A potentiel plasma B la temp rature lectronique C densit lectronique D densit ionique E et la longueur de Debye F en fonction du pourcentage d azote et de la tension de polarisation appliqu e la cible Figure 2 Variation du potentiel flottant A potentiel plasma B de la temp rature lectronique C densit lectronique D densit ionique E et de la longueur de Debye F en fonction du pourcentage d azote et de la pression totale du m lange Ar N2 Figure 3 Variation du potentiel flottant A potentiel plasma B de la temp rature lectronique C densit lectronique D densit ionique E du courant ionique F et de la longueur de Debye G en fonction de la position de la sonde suivant le rayon du porte substrat Figure 4 La superposition de la courbe du potentiel flottant sur le sch ma d une cathode magn tron plan circulaire conventionnel Figure 5 Fraises tarauds et forets rev tus Figure 6 Spectre EDS d une couche de TiN obtenue avec 25 d azote dans le plasma Figure 7 Microduret couleur et phases des films de TiNx en fonction du ratio N Ti Figure 8 a Surface d un d p t de TIN 5 de N2 sur silicium b Trou d l enl vement d un morceau de rev tement c Ph nom ne d caillement d une couche
96. nd gap optique 6 eV Les couches minces d AIN sont des candidats pour des applications plus larges comme la passivation des circuits lectroniques ou la r sistance la corrosion Inoue ef al 22 sugg rent qu une couche de nitrure d aluminium poss dant un gradient de composition passant de Al AIN peut avoir une plus grande conductivit thermique compar e une monocouche d Al ou d AIN pur et est sujette de moindres contraintes thermiques 23 Un autre d p t dur ZrN est utilis comme rev tement pour la coupe des mat riaux non ferreux tels que les alliages d aluminium et nickel 13 Enfin le nitrure de bore cubique c BN cit pr c demment est un rev tement super dur Une r cente tude men e par Keunecke et al 24 montre que la valeur de duret de ce rev tement mesur e par nanoindentation est de 65 GPa et que la vitesse d usure abrasive est clairement inf rieure la vitesse d usure du TiN IV 2 2 Les rev tements durs plusieurs compos s Sur la base des compos s binaires tels que TiN et TiC plusieurs strat gies ont t adopt es pour am liorer et adapter les rev tements durs des probl mes tribologiques sp cifiques Une des approches adopt e est la synth se de rev tements multicompos s en ajoutant des l ments m talliques ou non aux compos s binaires 25 Les effets dominants dans les syst mes plusieurs composants sont principalement la formation d une structure multiph
97. ne 111 et 311 donc les plans les moins denses et les moins contraints pour 5 et 10 de N2 sont plus r sistantes l abrasion que celles pr sentant l orientation 200 20 et surtout 50 de N2 cette derni re qui correspond au plan les plus dense Les r sultats obtenus du recuit thermique sous vide sur les couches minces de TiN ont montr s que la temp rature a un effet sur les transformations de phases dans ces couches On a passer d une phase non steechiom trique TioN 27 C une phase stcechiom trique TiN 1000 C La relaxation des contraintes avec l augmentation de la temp rature a provoqu e le d collement localis de la couche et les fissurations observ es sur la surface des films Le teste de la microd roulage a montr que rev tir des outils d usinage du bois avec une couche de TiN am liore tr s peu leur r sistance l usure Certes les essais ont t conduits sur une faible longueur de coupe mais les r sultats obtenus laissent 140 Conclusions pr sager du mauvais comportement de ces films pour une distance de coupe plus importante 141 CARACTERISATION DES COUCHES MINCES DE NITRURE DE TITANE OBTENUS PAR P V D DIAGNOSTIC DU PLASMA Les m thodes les plus r centes pour augmenter la dur e de vie des outils et pour am liorer la finition des pi ces rev tues sont les d p ts de couches minces Ces m thodes trouvent des applications toujours croissantes et des avantages signif
98. nique la lecture de la pression dans l enceinte et dans la gorge de la pompe secondaire ainsi que la temp rature de cette derni re I 1 4 Configuration initiale du b ti Dans sa configuration de d part l enceinte de d p t tait constitu e principalement d un porte substrats en cuivre PS fixe 11 de forme circulaire 200 mm Il tait plac sur un axe horizontal 80 mm d une cathode magn tron 12 100 mm comme le montre la figure 2 a Dans cette configuration deux cibles de Titane puis de Chrome de puret respective 99 97 et 99 98 ont t utilis es pour r aliser les films de TIN et CrN pure 99 97 et de 10 16 cm de diam tre b Figure 2 Int rieur de l enceinte de d p ts a avant modifications b apr s modifications L 1 5 Configuration apr s modifications en dual magn tron Les modifications survenues sur le b ti de pulv risation magn tron consistaient essentiellement 46 Chapitre II Exp rimentation e Remplacer la cathode verticale 12 par deux cathodes cofocales ind pendantes 13 g n rateurs et caches Mettre en place un moteur permettant la rotation du PS 148 avec une vitesse de 0 30 tr min e Installer une microbalance quartz 15 afin d valuer la vitesse de d p t Un automate programmable Siemens SIMATIC C7 621 10 g re la rotation du moteur et l ouverture des caches selon des s quences choisie
99. nique et de la densit lectronique en fonction du pourcentage d azote et de la pression totale du m lange de gaz sont repr sent es sur les figures 2 C et 2 D On observe que la temp rature lectronique a tendance augmenter avec le pourcentage d azote alors que la densit lectronique a tendance diminuer avec ce dernier et ce quelque soit la pression de travail On retrouve les r sultats pr c dents Tout comme lors de l volution des potentiels plasma et flottant les courbes obtenues 6ubar diff rent de celles obtenues 4 et 8 ubar La pression de travail semble avoir peu d effet sur les param tres du plasma La variation de la longueur de Debye en fonction du pourcentage d azote et de la pression totale du m lange de gaz est repr sent e sur la figure 2 F On observe le m me comportement de la longueur de Debye que celui observ diff rents pourcentages d azote et tensions de polarisation de la cible sauf que l allure de la courbe 8 ubar diff re de celle des deux autres A 40 4 9 4ubar t 6ubar gt 4 8ubar X 36 gt S 2 28 2 S 24 o Rx 20 T T T 1 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote 96 93 Chapitre III R sultats et discussions Potentiel du plasma Vp V Densit lectronique Ne cm B 4yubar 65 6ubar 8ubar 60 4 55 50 45 40 T T T 1 0 20 40 60 80 Pourcentage d azote 96 C
100. ns de coupe 87 Chapitre III R sultats et discussions Chapitre III R sultats et Discussions Chapitre III R sultats et discussions I Diagnostic du plasma Dans cette tude nous avons tudi l influence de plusieurs param tres tension de polarisation de la cible pression totale du m lange Ar N au sein de l enceinte pourcentage d azote pour cela la sonde a t plac e au centre et parall lement au porte substrat et la distance de la sonde vers le centre du porte substrat suivant le rayon de ce dernier sur les param tres du plasma I 1 Influence de la tension de polarisation appliqu e la cible Les variations du potentiel plasma et du potentiel flottant en fonction du pourcentage d azote et de la tension appliqu e la cible sont repr sent es sur les figures 1 A et 1 B En prenant en compte l effet du taux d azote dans la d charge on observe une petite diminution du potentiel flottant lorsque le pourcentage d azote augmente Toutefois le potentiel plasma demeure presque constant quelque soit la tension de polarisation Si l on consid re l effet de la tension de polarisation de la cible on remarque que l augmentation de cette tension est accompagn e d une augmentation du potentiel plasma et du potentiel flottant On remarque aussi pour les deux potentiels de plus grandes variations entre 5 et 20 d azote A e 500v S40 E 400v z 35 4 300v 304 S
101. ntation des contraintes sont observ es Etape 2 lorsque les couches atteignent des paisseurs de l ordre de 150 300 nm on observe un changement de mode de croissance de ces couches En effet la couche subit alors des contraintes importantes espaces vides quasi inexistants et va devoir s adapter afin de pouvoir cro tre Pour cela elle va poursuivre une croissance colonnaire mais de telle sorte qu il y aura formation de colonnes coniques Cette nouvelle croissance va privil gier les colonnes pr alablement les plus d velopp es et est r gie par des effets d ombre qui vont induire de nouveaux espaces intercolonnaires et donc conduire des contraintes moins lev es 117 Chapitre III R sultats et discussions Etape 3 au del de 560 nm d paisseur la contrainte et la densit des couches n voluent quasiment plus On est alors dans un tat d quilibre l effet du bombardement ionique reste n gligeable en raison de la croissance de la structure colonnaire qui justifie que les contraintes n augmentent plus On peut donc supposer que la couche change son mode de croissance sous l effet de contraintes trop importantes afin de ne pas se d laminer et poursuivre sa croissance IL2 4 Influence du pourcentage d azote paisseurs constantes 9 11 12 On effectue une nouvelle tude pour une paisseur quivalente on tudie l influence du pourcentage d azote sur la structure des couches Figure
102. nte avec la pression et plus particuli rement pour des hautes pressions de travail l orientation cristalline 111 est seule pr sente dans les couches ce qui confirme les faibles contraintes de celles ci les plans 111 tant les plans les moins denses constitu s que d atomes d azote d une structure cubique 15 ubar Intensit LLE 12 ubar 9 Hb r MENS 30 40 50 60 80 90 LLL 002 CT 2 th ta Figure 27 Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rentes pressions de travail II 2 6 Recuit thermique Dans cette partie de notre travail nous avons labor une s rie de films de nitrures de Titane par pulv risation magn tron RF Tableau 2 Plusieurs essais ont t effectu s avec diff rents param tres pour labor des films en phase sous st chiom trique en TiN Le but de ce travail est de faire subir ces 123 Chapitre III R sultats et discussions films des recuits diff rentes temp ratures pour voir s il peut y avoir des changements de phase dans la texture des films D p t Substrat P ubar Dur e m 96 N2 T de pol V TiN Si 6 60 50 500 Tableau 2 Conditions de d p t Les d p ts de nitrure de titane labor s dans ce travail pr sentent un aspect cuivr m tallique Dans la litt rature la couleur caract ristique de TiN a t associ e la teneur en azote 19 Ainsi lorsque x 1 TIN pr sente
103. ois difficile contr ler pr caution prendre quand au couple d p t substrat on ne peut d poser n importe quel mat riau sur n importe quel substrat III Le plasma III 1 D finition Tableau 2 Avantages et inconv nients des proc d s P V D et C V D Un plasma est un gaz lectriquement neutre dont les esp ces atomes ou mol cules sont excit es et ou ionis es Si l on fournit une nergie suffisante un gaz mol culaire celui ci va progressivement se dissocier en un gaz atomique cause des collisions entre particules dont l nergie cin tique est sup rieure l nergie de liaison de la mol cule 10 11 12 24 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Qu est ce qu une esp ce excit e Une esp ce est excit e par apport d nergie sous forme de haute temp rature de champ lectrique ou de chocs La couche p riph rique de ou des l atome s constituant l esp ce s largit par acc l ration puis changement de trajectoire des lectrons L esp ce excit e reste lectriquement neutre La restitution de l nergie emmagasin e lors de l excitation s accompagne d un ph nom ne lumineux Qu est ce qu une esp ce ionis e Ioniser c est enlever ou ajouter un ou plusieurs lectrons de la couche p riph rique de ou des l atome s constituant l esp ce par apport tr s important d nergie comme pour l excitation L esp ce ionis e est charg e lectrique
104. ope Son utilisation constitue ainsi une excellente r f rence en ce qui concerne la contribution des traitements de surface dans cette technologie Des rondelles homog nes sans n uds de 20 mm d paisseur et de 400 500 mm de diam tre ont t utilis es pour cet effet Ces rondelles ont t maintenues immerg es dans une eau temp rature ambiante L eau fut chang e r guli rement afin d viter la d gradation des bois par effets chimiques Le MDF a t galement utilis C est un d riv du bois bois fragment et reconstitu en panneaux non d roulable mais tr s utilis en seconde transformation Selon les essences et la provenance des bois le MDF peut tre plus ou moins abrasif pr sence de min raux tels que la silice Il est noter qu il est souvent plus abrasif que le bois massif La figure 18 montre des rondelles de MDF utilis es Leur paisseur ainsi que leur diam tre taient respectivement de 6 mm et de 400 500 mm Figure 18 Rondelles de MDF 70 Chapitre II Exp rimentation II 7 2 2 Conditions de coupe Les conditions de coupe utilis es pour les deux mat riaux usin s sont r sum es dans le Tableau 3 Pour le MDF ces conditions ont t choisies de facon conf rer l ensemble outil bois une relative stabilit Vitesse lin aire Epaisseur de copeau Angle de d pouille m s 1 107 mm H tre LOMDE qi 2059 a en ms Tableau 3 Conditions de
105. otale du m lange de gaz et du recuit thermique sous vide a t tudi e Il en r sulte que le pourcentage d azote une grande influence sur les contraintes et la r sistance l abrasion des couches Les couches de TiN pr sentent des contraintes en compression relativement faibles Par ailleurs nous avons montr que lorsque le pourcentage d azote dans le plasma augmente on a un changement de structure des couches Ces couches de TiN pr sentent des contraintes qui augmentent avec le pourcentage d azote ce qui 139 Conclusions s explique par l apparition de l orientation 200 donc par la pr sence de plans denses Nous avons galement observ que l paisseur des couches influe sur leur structure cristalline l orientation 200 commence apparaitre partir de 1400 nm d paisseur Pour la variation de la pression totale du m lange de gaz d Ar N5 on a constat que pour 5 d azote il n y a pas de changement d orientation cristalline des couches de TiN avec la pression sauf pour une pression de 6 pbar o l on remarque l apparition d un pic 200 ayant la m me intensit que le pic 111 Ce qui correspond bien l augmentation des contraintes cette pression Les tests d abrasion effectu s par Calotest ont montr s que les couches obtenues faibles taux de Nz 5 10 96 sont plus r sistantes que celles obtenues partir de 20 de N2 Autrement dit les couches pr sentant l orientation cristalli
106. pliqu e est de l ordre de 1 5 kV i Anode servant de porte substrats Figure 3 Enceinte de pulv risation 3 Le proc d diode D C la tension d attraction des ions est continue et par cons quent le proc d ne permet de pulv riser que des mat riaux conducteurs Le proc d diode R F la tension d attraction des ions est alternative c est dire qu on attire alternativement des ions qui pulv risent ou des lectrons qui neutralisent les charges apport es par les ions on peut donc pulv riser des mat riaux conducteurs ou di lectriques Le proc d diode D C fonctionne entre 66 7 et 1 3 Pa Le proc d diode R F fonctionne entre 66 7 et 0 13 Pa La fr quence utilis e est 13 56 MHz ou 27 12 MHz 12 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t 112 3 Proc d triode Alors que dans le proc d diode le plasma se faisait entre la cible et le porte substrats dans le proc d triode le plasma est cr puis entretenu ind pendamment de la cible Le syst me triode comporte deux parties un g n rateur de plasma une cible avec le porte substrats plac devant Le g n rateur de plasma comprend un filament chaud en tungst ne qui met des lectrons une anode polaris e 100 V qui attire et capte les lectrons une bobine ext rieure dont le champ magn tique a pour effet de spiraler les trajectoires des lectrons retardant ainsi
107. plupart des conditions exp rimentales la perturbation caus e par la sonde est locale et a peu d effet sur les grandeurs mesur es La th orie classique des sondes lectrostatiques repose sur les hypoth ses suivantes 21 il n y a pas de collision dans la gaine les dimensions de la sonde sont petites devant les libres parcours moyens et devant les dimensions du plasma la sonde capte ou neutralise toutes les particules charg es qui arrivent sa surface le plasma est stationnaire macroscopiquement neutre et quipotentiel au voisinage de la sonde a fonction de distribution des lectrons est isotrope le courant collect par la sonde est n gligeable devant le courant principal de la d charge 43 Chapitre II Exp rimentation IL8 1 La sonde 22 La sonde de Langmuir est constitu e d un fil de tungst ne de 10 mm de longueur et de 0 19 mm de rayon enfil au travers d un tube en alumine Figure 21 Elle est positionn e au milieu de l enceinte 20 mm du porte substrat et 60 mm de la cathode avec la possibilit de d placements verticaux suivant le rayon du porte substrat ces d placements se font par une commande lin aire automatique auto linear drive CF70 DhAD CF OX Diameter 27 5 1 08 Compensation Electrode Diameter 7 5 0 30 Diameter 2 5 0 37 Macor Tip Holder Diameter 2 5 0 012 a AS Preamplifier
108. plusieurs param tres de maille et cr e par une interaction chimique des mat riaux de couche et de substrat diffus e changement graduel de composition de contrainte intrins que et de param tres de maille au travers de l interface de pseudo diffusion interface diffus e entre deux mat riaux normalement insolubles qui le deviennent sous l effet d un bombardement ou d une implantation ionique Quand les flots se sont rejoints et que la zone interfaciale prend corps la couche commence paissir c est la croissance La fa on dont la couche se forme et cro t d termine les propri t s de la couche mince finale Il est noter qu un proc d sera d autant plus souple si l on a la possibilit de contr ler individuellement ces trois tapes et leurs variations Chapitre I Couches minces et techniques de d p t I 2 Classification des techniques de d p t Toutes les techniques de d p t peuvent tre d crites en fonction des trois tapes pr c dentes On peut donc pr senter les techniques de la mani re suivante D p ts sous vide PHYSIQUE P V D CHIMIQUE C V D Evaporation Pulv risation Croissance thermique D p ts ioniques Pulv risation D C R F Croissance thermique Assist e par plasma P A C V D I 3 Choix d une technique de d p t de couches minces Le tableau 1 r sume les caract ristiques principales que l on doit prendre en compte lorsque l on doit
109. point d inflexion de la caract ristique de sonde qui est d termin par le passage par z ro de sa d riv e seconde d I dV 0 Figure 25 SmartSoft File Acquisition Probe Analysis Display Help mA ie AA A A A Js Caract ristique I V NI Scan Status ee Parameters MW 784 mz Vp V 12 90 Deriv e Seconde Ne cm t 22 28 da 20 E E 4 d ge Probe Bias V li mA eni 03 IV Charac Second Deriv IV EEDF Experiment Run No 107 Figure 25 D riv e seconde de la caract ristique d I V La temp rature lectronique KT la temp rature lectronique est calcul e par la division du courant mesur au potentiel plasma I Vp sur l int grale de la courbe de caract ristique de sonde de Vr V selon l quation 17 79 Chapitre II Exp rimentation L Q 1 noo V EN f Les densit s lectronique et ionique Ne N la densit lectronique est d termin e partir de la temp rature lectronique et du courant de sonde au potentiel plasma par les quations 18 et 19 KT L V 2zr len e0 2r os 18 1 _ L 2zm A e kT p Donc n 19 o 4 2zrs l est la surface de la sonde me est la masse d lectron et e la charge lectronique La densit lectronique peut tre d termin e galement gr ce la courbe I V dans la r gion de sa
110. pourcentages d azote dans le plasma A pour une paisseur de 650 50 nm B pour une paisseur de 1250 100 nm C pour une paisseur de 1850 100 nm D pour une paisseur de 2150 150 nm Figure 24 Figure 25 Figure 26 Figure 27 Evolution des intensit s relatives Ihkl Itot paisseur 2um Contrainte des couches en fonction du pourcentage d azote Contrainte des couches en fonction de la pression totale Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rentes pressions de travail Figure 28 Figure 29 Diffractogrammes des films de TIN avant et apr s recuit Variation de la contrainte en fonction de la temp rature de recuit pour des couches de TiN Figure 30 Figure 31 recuit a Figure 32 Fissuration de la couche de TiN 1000 c Echelle 20 um Couleur des couches minces de TIN en fonction de la temp rature du 27 c b 600 c c 800 c et d 1000 c Echelle 2 mm Observation optique d un crat re obtenu par Calotest sur une couche de TiN obtenue dans un plasma 40 d azote sur un substrat de Si Figure 33 Volumes d usure mesur s sur les films de TiN d pos s sur Si et acier 136 Chapitre III R sultats et discussions Figure 34 Volume d usure des couches de TIN en fonction de l paisseur de la couche selon le pourcentage d azote contenu dans le plasma Figure 35 Usure en fonction de la distance de microd roulage des couteaux
111. r de nombreux m taux Pulv risation alliages compos s r fractaires ou non cathodique conducteurs ou di lectriques faible vitesse de d p t ma trise de la st chiom trie des compos s co t mat riel lev Syst me ou composition des alliages d p ts non uniformes en diode bonne adh rence des d p ts paisseur bon pouvoir de recouvrement idem syst me diode d p ts non uniformes en vitesse de d p t lev e paisseur Syst me faible temp rature de d p t rev tement sur co t mat riel lev magn tron plastiques cible pouvant tre sensible la bien adapt pour applications optiques fissuration m caniques lectriques et d coration r action possible de la cible avec l atmosph re gazeuse vitesse de d p t lev e co t mat riel lev bonne adh rence des d p ts contr le de la st chiom trie du bon pouvoir de recouvrement d p t parfois d licat D p ts faible temp rature de d p t ioniques possibilit s de d poser de nombreux m taux alliages compos s r fractaires ou non conducteurs ou di lectriques bien adapt pour applications m caniques lectriques d p ts non uniformes en paisseur 23 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t C V D tr s grande puret des mat riaux d pos s d p ts de mat riaux sous forme poly et monocristalline production de compos s amorphes possibil
112. r une sonde lectrostatique tr s connue comme moyen de diagnostic c est la sonde de LANGMUIR Dans la seconde partie de ce travail des couches minces TiN ont t labor es par pulv risation magn tron technique PVD sur des substrats d acier et de Silicium Introduction L influence de diff rents param tres tels que la puissance appliqu e pour la d charge lectrique l paisseur de la couche la composition du plasma Ar N et le recuit thermique sous vide ont t corr l s avec la structure cristalline Les diff rentes couches obtenues ont t tudi es par diffraction de rayons X DRX microscopie lectronique balayage MEB Spectrom trie dispersion d nergie EDS calotest Interf rom trie et profilom trie La troisi me partie de cette tude est consacr e l application de rev tements classiques l usinage du bois Pour cela des couches minces de TiN ont t labor es sur des outils de coupe couteaux Dans un premier temps des tests d usure par abrasion au Calotest ont t effectu s sur des films d j d pos s sur des substrats d acier et de Silicium Puis une microd rouleuse instrument e a t utilis e afin d valuer l am lioration du comportement des outils par la modification de leur surface en contact avec le bois En fin Une tude comparative est pr sent e entre le TiN et le CrN Nitrure de Chrome Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Chap
113. re 4 nous montre que le pic observ du potentiel flottant correspond la zone de plasma intense de la cathode ce qui confirme que le taux d ionisation est tr s grand dans cette r gion o les lectrons sont confin s par la combinaison des deux champs magn tique et lectrique On remarque la m me chose par la superposition de ce sch ma avec la courbe du potentiel plasma de la temp rature lectronique de la densit ionique et du courant ionique Par ailleurs ces r sultats sont confirm s par la couronne d usure obtenue sur la cible de Ti 99 Chapitre III R sultats et discussions La zone de plasma intense PO UN n 0 1 2 8 415 6 7 8 9 10 La cible Figure 4 La superposition de la courbe du potentiel flottant sur le sch ma d une cathode magn tron plan circulaire conventionnel IL Rev tements r sistant l usure II 1 Etat de l art L usineur est encore confront aujourd hui au probl me de l usure des mat riaux Un choix appropri et l utilisation de lubrifiants ont d j pu partiellement att nuer ce ph nom ne Depuis quelques ann es des couches minces sont d pos es sur la surface des outils Il s agit principalement de films c ramiques de quelques microns d paisseur avec des caract ristiques propres comme une haute duret et une bonne stabilit chimique Le but des rev tements est moindre co t de rendre la surface de l outil plus r sistante l usure m caniq
114. rique form e par la surface de l chantillon et la lame Figure 11 Une frange sombre est observable chaque fois que la distance entre la lame et la couche v rifie la relation 8 O h R et le diam tre de l anneau sont reli s par la formule 9 9 62 Chapitre II Exp rimentation Les franges sont observ es l aide d un appareil photo num rique haute r solution et les photos sont ensuite transf r es et trait es l aide d un logiciel de traitement d images Analysis Les anneaux dans la majorit des cas avaient une forme elliptique une moyenne des quatre rayons mesur s a t calcul e Pour minimiser les erreurs de mesure on a trac la courbe de r gression lin aire et le rayon de courbure du film produit s exprime alors par la relation 10 Ad 42 Am 10 O m est l indice de l anneau D termination des contraintes r siduelles par Interf rom trie anneaux de Newton Formule de Stoney Mesure des moyens des anneaux Figure 11 Dispositif de mesure des rayons de courbure par la m thode des anneaux de Newton 63 Chapitre II Exp rimentation II 6 Calotest Le Calotest Figure 12 de marque CSEM est un instrument largement utilis pour analyser des rev tements dont l paisseur est comprise entre 0 1 et 50 um Ainsi ce dispositif rend possible l tude des rev tements CVD ou PVD des couches d oxydation anodiq
115. s La machine modifi e comporte deux cathodes convergentes vers un PS vertical et rotatif La figure 11 b montre l int rieur de la nouvelle enceinte Deux g n rateurs R F 6 coupl s deux adaptateurs d imp dance 7 permettent l alimentation des deux cathodes ind pendamment l une de l autre L 1 6 Cons quences li es aux modifications Les modifications effectu es sur le b ti magn tron taient importantes elles ont induit quelques probl mes de fonctionnement qu il nous a fallu r soudre I 1 6 a La d charge plasma Afin d obtenir une d charge plasma nous avons accord les adaptateurs d imp dance et contr l les masses lectriques et les isolations des diff rentes pi ces de la cathode Apr s de nombreux essais infructueux le taux de puissance r fl chie se maintenait 10096 nous avons constat que le probl me provenait du carter de cathode En effet ce dernier avait t remont avec des entretoises trop longues Une distance trop importante entre ce carter et la cible induisait la formation d un plasma entre ces deux pi ces Un usinage du carter a permis de supprimer les entretoises et de ramener le carter une position correcte Nous avons galement modifi la seconde cathode Ces modifications ont permit d obtenir un plasma avec un taux de puissance r fl chie tr s faible 47 Chapitre II Exp rimentation I 1 6 b Puissance r fl chie et extinction de la d charge Une a
116. s e par le bombardement des ions argon A Avant et apr s le nettoyage B Pendant le nettoyage Figure 23 Nettoyage de la sonde Principe de mesure La mesure par sonde de Langmuir revient r v ler le courant collect la sonde en fonction de la tension qui lui est appliqu e On obtient ainsi ce que l on appelle une caract ristique courant tension I V ou plus simplement caract ristique Le dispositif utilis pour r aliser une mesure par sonde de Langmuir comporte une alimentation r glable dispos e entre la sonde et l lectrode de r f rence habituellement connect e la terre Un amp rem tre et un voltm tre permettent de relever la caract ristique de sonde I V 75 Chapitre II Exp rimentation L allure g n rale d une caract ristique est repr sent e sur la figure 24 120 4 Courant I mA 40 Tension de polarisation de la sonde V V Figure 24 Caract ristique de sonde La caract ristique de sonde pr sente deux points particuliers le potentiel flottant et le potentiel plasma Le potentiel flottant est le potentiel auquel se fixe un objet isol plong dans le plasma Il est utilis comme le potentiel de r f rence dans la th orie et se d compose en trois comportements distincts la r gion de saturation ionique lorsque le potentiel plasma est fortement n gatif le champ lectrique qui s tablit au voisinage de la sonde repousse tous les
117. s 23 On constate que plus l paisseur des couches augmente mieux elles sont cristallis es LLE Intensit 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 z Oo A 650 50 nm 2 th ta 118 Chapitre III R sultats et discussions Intensit ELE 30 34 38 4 2 46 5 B 1250 100 Intensit 0 54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 2 th ta 9 LLE C 1850 100 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 2 th ta 119 Chapitre III R sultats et discussions LLE Intensit 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 82 86 90 2 th ta 9 D 2150 150 Figures 23 Diffractogrammes de rayons X de couches de TiN pour diff rents pourcentages d azote dans le plasma A pour une paisseur de 650 50 nm B pour une paisseur de 1250 100 nm C pour une paisseur de 1850 100 nm D pour une paisseur de 2150 150 nm Par ailleurs quelque soit l paisseur des couches on observe bien le changement d orientation cristalline avec le pourcentage d azote dans le plasma Figure 24 5 c est l orientation cristalline 311 qui est majoritaire entre 5 et 20 c est l orientation cristalline 111 qui est majoritaire 20 on a coexistence des orientations 200 et 111 50 seule l orientation cristalline 200 est pr sente 9 111 I lt 200 gt E 0 8 4 k 311
118. s affect le plasma I 2 Substrats et protocole de d p ts 2 1 Substrats Les d p ts ont t appliqu s sur un grand panel de substrats selon nos besoins N anmoins des substrats de silicium lt 100 gt polis deux faces ont t 49 Chapitre II Exp rimentation syst matiquement utilis s afin de disposer de surfaces propres et de s affranchir de l effet de la rugosit de surface Des chantillons de 10x10 mm ont t d coup s partir de wafers monocristallins paisseur de 380 um 20 um La d coupe par clivage a t r alis e minutieusement l aide d une pointe diamant de fa on ce que l on ne cr pas de substrats pr contraints avant d p t Des supports carr s d aciers 90CMV8 ont galement t pr par s Des dimensions de 10x10x1 mm ont t utilis es pour des analyses telles que la DRX et le Calotest Avant les d p ts un polissage au papier abrasif SiC 800 a permis de leur conf rer une rugosit de surface proche de celle des outils de coupe du bois Apr s optimisation des conditions de d p t des outils de coupe du bois ont t rev tus des couteaux en acier pour les tests de microd roulage de h tre et de MDF 1 2 2 Nettoyage des substrats I 2 2 a Nettoyage ex situ Quel que soient les substrats utilis s leur nettoyage fut identique Une succession de passages dans des bains de solvant permet d liminer toutes les impuret s quelle soit d
119. s al atoire sur certains d p ts effectu s sur substrats en silicium Figure 8 c Dans ce cas ce d p t a t refait a b c Figure 8 a Surface d un d p t de TiN 5 de N sur silicium b Trou d l enl vement d un morceau de rev tement c Ph nom ne d caillement d une couche de TiN 50 de N d pos e sur silicium Les observations effectu es au MEB montrent que les films obtenus sont homog nes sur toute la surface qui recouvre les substrats Figure 9 a et pr sentent une structure colonnaire Figure 9 b D apr s la litt rature les rev tements PVD se caract risent en g n ral par une microstructure colonnaire 8 x500 S8 m a Figure 9 a Observation en coupe transverse d une couche de TiN obtenue 5 de N 7 4 um b Structure colonnaire de la couche obtenue 103 Chapitre III R sultats et discussions II 2 2 Influence du pourcentage d azote On fait varier le pourcentage d azote contenu dans le plasma pour des temps de d p t de 30 minutes Afin de pouvoir comparer plus ais ment les chantillons on trace l paisseur d pos e en fonction du pourcentage d azote Figure 10 L paisseur des d p ts est mesur e une nouvelle fois avec un profilom tre Dektak 3030 palpeur m canique u p RRP 3 8 3 8 E 0 50 Epaisseur de la couche en um 0 00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pourcentage d azote Profilom
120. sion appliqu e la cible sont repr sent es sur les figures 1 C et 1 D On remarque que la temp rature lectronique augmente brusquement avec le pourcentage d azote jusqu 40 Au del elle devient quasiment constante pour une tension de polarisation de la cible de 300 volts alors qu elle diminue l g rement pour les deux autres tensions L augmentation de la temp rature lectronique avec le pourcentage d azote peut s expliquer par la pr sence de m tastables de l azote ceux ci pr sentent une 9 Chapitre III R sultats et discussions nergie de l ordre de 6 eV pouvant tre transf r e aux lectrons De plus la tension de polarisation semble avoir peu d influence sur la temp rature lectronique La densit lectronique diminue avec la tension de polarisation de la cible les variations tant plus importantes entre 5 et 20 d azote Par ailleurs elle diminue quand le pourcentage d azote dans le plasma augmente cette diminution tant importante entre 5 et 40 N et moins importante entre 40 et 75 N2 Cette volution s explique par la pr sence plus importante d argon faibles taux d azote donc d un bombardement plus intense de la cible d o plus d lectrons tendance qui s inverse lorsque l on augmente le taux d azote dans le plasma Comme pr vu on observe la m me volution pour la densit ionique des tensions de 400 et 500V Toutefois il n en est pas de m me pour une tension de 300V o
121. substrat recouvrir Les principales techniques se diff rencient par le mode de chauffage du mat riau II 1 1 Evaporation par bombardement lectronique Figure 1 1 Blament 2 aimant 3 Faisceau d lectrons 4 p le magn tique 5 eab riau vaporer 6 lectro aimant 7 circuit de refroicissement du creuset Figure 1 Principe de fonctionnement d une source d vaporation par bombardement d lectrons 2 Ici le mat riau vaporer est plac dans un creuset en cuivre refroidi par eau et bombard par un faisceau d lectrons de 1 10 keV Les sources d vaporation par bombardement lectronique les plus couramment utilis es comportent un filament de tungst ne chauff haute temp rature de 2500 2800 C et qui de ce fait met des lectrons Ces lectrons sont acc l r s par un champ lectrique de quelques kV cm cr e par une anode plac e devant et perc e d un trou pour laisser chapper le faisceau d lectrons La d flexion du faisceau est contr l e gr ce des bobines magn tiques qui permettent un balayage de toute la surface du creuset II 1 2 Evaporation par effet Joule ou par r sistance L l ment chauffant peut tre un filament une nacelle ou un creuset plus ou moins compliqu Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Une variante de ce proc d est l vaporation Flash Ici l l ment chauffant est constitu d une
122. tal pour l utilisateur de connaitre ces param tres qui peuvent varier de plusieurs ordres de grandeurs selon le type de d charge L emploi de sondes lectrostatiques est une des principales m thodes de mesure des param tres d un plasma potentiel plasma potentiel flottant densit lectronique temp rature lectronique et distribution en nergie des lectrons Cette technique a t d velopp e en 1924 par Langmuir Une sonde de Langmuir est constitu e d une lectrode m tallique de petite dimension de forme cylindrique plane ou sph rique habituellement c est un fil de tungst ne et d une partie isolante servant essentiellement de support La sonde introduite au sein d un plasma est connect e une alimentation dont on peut faire varier la tension et ainsi porter l lectrode des potentiels n gatifs et positifs par rapport au potentiel du plasma Le dispositif de mesure est repr sent sur la figure 20 T2 Chapitre II Exp rimentation gating ie bescci nenas For bowcmr moim acguish on electronics ADD power supply matching metesonrk auto linear rive Larsgrmnair peno bue Figure 20 Dispositif de mesure par sonde de Langmuir La mesure de l intensit du courant parcourant le circuit ainsi r alis permet d obtenir des informations sur l tat physique du plasma consid r Une sp cificit int ressante de plasmas r side dans le fait que dans la
123. tantes Les couches obtenues avec 10 et 20 96 d azote dans le plasma ont des comportements similaires Pour des paisseurs sup rieures 1 5 um ce sont les couches obtenues 20 d azote qui s usent le moins alors que celles obtenues 50 96 s usent toujours le plus Il aurait t int ressant de pouvoir comparer les couches d paisseur sup rieure 1 5 um obtenues 10 et 20 d azote 130 Chapitre III R sultats et discussions III 2 Microd roulage d outils rev tus de TiN Les conditions de microd roulage et les dimensions des rondelles de MDF utilis es sont r sum es dans le tableau 3 Angle de Rondelles de M Vitesse lin aire de paisseur du gt NEM e ai par d pouille du Diam tre Epaisseur d roulage m s plaquage mm couteau mm mm nm i Tableau 3 Conditions de d roulage et dimensions des rondelles utilis es La figure 35 repr sente l usure des outils de coupe en fonction de la longueur usin e D apr s ce graphique nous constatons que le couteau non rev tu t moin pr sente la valeur d usure la plus lev e apr s 1400 m de d roulage TiN 5 E TiN 10 TiN 20 X TiN 50 X Couteau non rev tu 120 X x D 100 amp n d Q amp 80 k XM S 3 60 s 40 r 20 j 0 X 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Longueur de coupe m Figure 35 Usure en fonction de la distance de microd roulage des coutea
124. tillon Figure 5 3 En r ponse l chantillon examin renvoie plusieurs rayonnements sp cifiques qui sont d tect s et analys s selon la technique choisie faisceau g canon lectrons d lectrons 3 i anode T Lentilles magn tiques TV scanner bobines d flectrices S d tecteur Le d lectrons pU d tecteur d lectrons r trodiffus s s secondaires chantillon Figure 5 MEB 52 Chapitre II Exp rimentation Le principe de fonctionnement du MEB est bas sur l interaction rayonnement mati re 4 En effet quand un faisceau d lectrons incident interagit avec la surface de l objet analyser divers ph nom nes se produisent diffusion et diffraction d lectrons mission d lectrons secondaires d lectrons r trodiffus s d lectrons Auger de photons X Si on associe chaque type d mission le d tecteur correspondant une grande diversit d informations sur l chantillon peut tre obtenue L optique lectronique et la courte longueur d onde du faisceau permettent l obtention des images avec une grande r solution ordre de grandeur 4 nm et une bonne profondeur de champ 2 Fonctionnement d un MEB La production du faisceau d lectrons se fait dans un canon lectrons par effet thermo lectronique partir d un filament de tungst ne port une temp rature de l ordre de 3000 C Les lectrons produits sont acc l r s gr
125. tion de couleur ou bien cette volution de l tat de surface peut s expliquer par une transformation de phase dans la structure cristalline des ces couches Cette couleur est cuivr e fonc a temp rature ambiante et elle tend vers le jaune dor a 1000 C Cette couleur qui est l une des caract ristiques d une surface de film TiN stoechiom trique a b c d Figure 31 Couleur des couches minces de TiN en fonction de la temp rature du recuit a 27 c b 600 c c 800 c et d 1000 c Echelle 2 mm 126 Chapitre III R sultats et discussions Pour les couches de TiN le traitement thermique peut entrain m me un d collement de la couche provoqu par une fissuration excessive Apr s le recuit les raies de diffraction caract ristiques de la phase de TiN composition stoechim trique sont devenues plus troites Ceci s explique par une limination parteille des d fauts internes une l g re augmentation de la taille des cristallites et par une relaxation des contraintes dans la couche L ouverture et la forme des fissures observ es semblent tre associ es principalement une relaxation des contraintes internes et aussi une contribution de l effet de densification limination des d fauts internes L limination des micro pores provoque une fissuration tr s ouverte alors que l limination des lacunes conduit une fissuration plus irr guli re Lors du traitement thermique l lim
126. tre II Exp rimentation II 7 2 1 G om trie des outils de coupe et mat riaux usin s Les outils que nous avons utilis s sont du type monobloc La g om trie est repr sent e sur la figure 17 Avant d p t tous les outils ont t polis au papier abrasif SiC 800 afin de leur conf rer une rugosit de surface proche de celle des couteaux de d roulage industriel apr s aff tage Dans la majorit des cas le rev tement a t appliqu sur les deux faces de l outil face d attaque et face de d pouille avec une paisseur de 1 3um Des tests ont t galement men s avec des outils rev tus sur une face g n ralement la plus sollicit e lors de la coupe face en contact avec le copeau face d attaque Figure 17 G om trie d un outil de microd roulage I faut signaler que l outil est positionn inversement sur notre machine d exp rimentation En effet en d roulage traditionnel la face en contact du copeau est bien la face plane alors que dans le cas de la microd rouleuse cette derni re est en contact avec la rondelle pour des raisons d encombrement de la machine En ce qui concerne le mat riau usin une grande partie de nos essais a t r alis e sur du h tre Fagus silvatica 69 Chapitre II Exp rimentation Notre choix d utiliser du h tre est principalement bas sur le fait que c est une essence avec une structure homog ne et tr s d roul e en Eur
127. turation lectronique V gt gt V En effet le carr du courant lectronique dans cette r gion est une fonction lin aire du potentiel 20 2v s eU esr um Bn 20 I 2ar len A partir de la pente de la courbe 7 V on d duit la densit lectronique 21 m z mp 2e 1 y CD 80 Chapitre II Exp rimentation La densit ionique est d termin e par la m me m thode pour la branche de forte saturation ionique 22 1 2 _ _TM p 28 Qa y 22 la longueur de Debye Xp la gaine n gative qui se d veloppe autour de la sonde a une longueur d finie comme la longueur de Debye qui est calcul e partir de la temp rature lectronique en utilisant l quation 23 EXT A C na 23 Le plasma est un gaz conducteur la diff rence des gaz proprement dits mais globalement lectriquement neutre Dans ce globalement il faut comprendre que l on s int resse une somme statistique des charges positive pour le noyau n gative pour les lectrons S1 on regarde localement cette neutralit n est pas garantie C est l qu intervient la longueur de Debye si on consid re un point dans le plasma on peut d crire une sph re dans laquelle on va trouver suffisamment d l ments pour assurer la neutralit Le rayon de cette sph re est la longueur de Debye cette longueur d pend de la nature du ou des gaz du taux d ionisation de la pression de la temp rature Dans l esp
128. ue des surfaces trait es par pulv risation ionique Figure 12 Calotest Le Calotest est constitu d une bille d acier de diam tre 12 7 mm recouverte d une pr paration base de diamant de granulom trie 1 4 um Figure 13 Elle est mise en rotation sur l chantillon l aide d un moteur Echantillon Support Figure 13 Sch ma de principe Figure 14 Observation optique du Calotest d un crat re obtenu par Calotest Ce dispositif permet de r aliser des crat res sur les diff rents types d chantillons Les crat res sont ensuite tudi s l aide d un microscope optique muni d un logiciel d acquisition Figure 14 15 64 Chapitre II Exp rimentation En mesurant les param tres x et y l paisseur de la couche t peut tre calcul e par une simple application math matique 11 2 11 2R avec R rayon de la bille 6 35 mm De plus ce test d abrasion sph rique permet de d terminer le volume d usure V d une couche d fini par la relation 12 45 TOW P 12 II 7 Test d usinage du bois ILI 7 1 Le d roulage A l inverse de la majorit des proc d s d usinage o l on cherche liminer le plus rapidement possible de la mati re en copeaux ou en sciures afin d obtenir une pi ce finie le d roulage est un processus de premi re transformation du bois sans enl vement de copeaux D tach s du billon tron on de tronc d arbre en feuilles de dif
129. ue autour de la sonde repousse alors tous les ions Il se forme une gaine lectronique Le courant est purement lectronique I L La diff rence en amplitude et en forme entre la zone de saturation ionique et la zone de saturation lectronique est due la diff rence de mobilit et de masse entre lectrons et ions II 8 2 Th orie de Langmuir conditions d utilisation et expressions des courants La th orie de Langmuir qui permet de d terminer les caract ristiques lectriques du plasma partir de l expression des courants de la caract ristique th orique de sonde pr suppose certaines hypoth ses concernant le plasma 21 la neutralit du plasma n n la pression est suffisamment faible pour qu il n y ait pas de collisions dans la gaine les porteurs de charges sont enti rement neutralis s sur la sonde aucune charge n est mise ou r fl chie de la sonde Le mat riau constituant la sonde doit avoir un faible coefficient d mission secondaire avoir une temp rature Yi Chapitre II Exp rimentation de fusion lev e tre r sistant la pulv risation ionique ou lectronique et tre r sistant aux attaques chimiques dans le cas de plasma r actif la perturbation apport e par la sonde est limit e une gaine de charge d espace autour de la sonde L paisseur de cette gaine quelques longueurs de Debye est petite devant les dimensions de la sonde A4 lt lt r rayon de la
130. ue et chimique 1 Les proc d s de d p ts physiques en phase vapeur permettent de r aliser des rev tements effectu s sous pression r duite et basse temp rature Cette derni re facilite le d p t sur des outils en acier rapide et vite les reprises en trempe sous vide 100 Chapitre III R sultats et discussions Actuellement on estime 90 le pourcentage d outils carbure de type plaquette et 10 des fraises forets tarauds en acier rapide trait s 2 Figure 5 Figure 5 Fraises tarauds et forets rev tus 3 II 2 D p t de TIN Nous avons cherch optimiser les conditions de d p ts magn tron de couches de TiN en faisant varier diff rents param tres La duret et les propri t s de protection contre l usure de TiN sont directement affect es par ces param tres 4 Dans un premier temps nous avons fait varier le pourcentage d azote contenu dans le plasma le temps de d p t et la pression totale du m lange de gaz Ar N afin de montrer l influence de ces param tres exp rimentaux sur la structure et la vitesse de d p ts 5 IL2 1 Analyses EDS La figure 6 repr sente le spectre EDS d une couche de TiN obtenue avec 25 N2 dans le plasma Ce spectre ne r v le pas la pr sence d oxyg ne ni celle d autres l ments chimiques tels que le carbone ce qui indique que l enceinte de d p t ne contenait pas d impuret s susceptibles de polluer les couches labor es On constate qu
131. ugmentation de la puissance r fl chie en cours de d p t a t observ e Ce ph nom ne est d essentiellement l usure de la cible et l encrassement des cathodes En effet du fait de leur position les cathodes sont sujettes l encrassement Leur proximit favorise la pollution de l une par l autre notamment pendant les phases de nettoyage de la cible De plus l inclinaison de la cathode basse et la position de son cache favorisent la chute de fragments de d p ts d laminage des d p ts sur les caches entre la cible et le carter de cathode Ceci cr e des courts circuits entre la cible polaris e et le carter la masse Le plasma s interrompt alors sans qu il soit possible de le r amorcer Pour viter que ce ph nom ne ne se manifeste souvent nous proc dons au nettoyage syst matique de la cible chaque remise l air 1 1 6 c Vide r siduel 102Pa Apr s la modification du b ti il nous tait impossible de retrouver les performances en vide du syst me d o une forte probabilit de l existence d une fuite au niveau de l enceinte ou du joint tournant du PS Afin de d tecter cette fuite nous avons utilis une m thode de ressuage Elle consiste r pandre de l alcool pression de vapeur saturante lev e sur certaines zones du b ti et l infiltrer dans les d fauts d bouchants en s aidant d un jet d air comprim Une introduction de vapeur d alcool se traduit par la remont e de la pression contr
132. upart des mat riaux connus ont t tudi es et sont r pertori es dans des bases de donn es La comparaison d un diffractogramme exp rimental avec ces donn es permet de retrouver la nature de chaque phase constitutive de l chantillon Dans le cas o la repr sentation des orientations de cristallites n est pas identique dans toutes les directions de l espace les intensit s relatives des raies de diffraction 56 Chapitre II Exp rimentation peuvent s carter des valeurs donn es par la structure cristalline L tude des intensit s des raies d un chantillon polycristallin de structure cristalline d termin e permet dans ce cas d tudier la distribution des orientations des cristallites texture au sein de l chantillon Largeur mi hauteur L analyse du profil des raies de diffraction permet d acc der la taille des grains par la formule de Debye Scherrer 3 0 9A B cos0 3 o p est la largeur mi hauteur de la raie de diffraction consid r e en la longueur de la raie utilis e comme source et 0 l angle de Bragg Pour les besoins de la pr sente tude nous avons utilis deux configurations d analyse la configuration Bragg Brentano et la configuration Seeman Bohlin Configuration Bragg Brentano En configuration Bragg Brentano appel e aussi 0 20 l angle d incidence 0 s parant le faisceau incident de rayons X et la surface de l chantillon est gale l angle
133. ux non trait s et trait s TIN 131 Chapitre III R sultats et discussions Le couteau rev tu d une couche de TiN obtenue 50 de Nz dans le plasma poss de une valeur d usure sensiblement inf rieure celle du couteau t moin mais un comportement similaire M me si le rev tement de cet outil a pr sent une bonne r sistance l usure durant les tests par Calotest il ne semble pas avoir les m mes capacit s r sister l usure une fois d pos sur outil de coupe Ce comportement est peut tre d au faible taux de cristallisation de la couche observ en DRX et surtout sa faible adh rence Par ailleurs les couteaux rev tus 5 10 et 20 d azote dans le plasma poss dent un comportement tr s proche Il existe ainsi un niveau de pression partielle d azote dans le plasma partir duquel les performances du rev tement deviennent m diocres suite un changement de structure contraintes duret adh rence Les tests concernant les couches obtenues 5 10 et 20 de N ont t v rifi s une seconde fois Les r sultats concordent parfaitement et confirment les pr c dents Gr ce de faibles contraintes internes autrement dit une bonne adh rence sur substrats mais aussi un bon niveau de cristallisation des couches ces rev tements permettent d usiner plus qu avec des outils conventionnels Cependant il faut consid rer que ce test r alis sur seulement 1400 m de microd roulage d un mat riau qui
134. viron 5 W cm et une pression dans l enceinte autour de 1 3 Pa on peut esp rer obtenir une vitesse de d p t de 2 nm s La temp rature du substrat d pend essentiellement de la vitesse de d p t donc de la densit du plasma Le substrat peut atteindre des temp ratures de l ordre de 300 500 C Toutefois pour certains types de d p ts on peut tre amen chauffer le substrat 3 Parmi les applications types de la pulv risation aux d p ts de couches minces on peut citer les m tallisations pour la production de semi conducteurs les couches transparentes conductrices pour les crans lectroluminescents lesr sistances couches minces les couches optiques longue dur e de vie telles que les miroirs pour gyroscopes lasers les couches dures pour les outils les d p ts en continu sur des rouleaux de films plastiques pour des applications architecturales contr les thermiques maisons solaires II 2 2 Proc d diode Figure 3 Le plasma est cr par d charge lectrique dans un gaz l argon par exemple maintenu une pression pouvant aller de 1 3 10 0 13 Pa au moyen de deux lectrodes une cathode appel e la cible car c est elle qui attire les ions positifs une 11 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t anode qui peut tre le porte substrats plac e en face de la cible ou tout autre accessoire au potentiel de la masse La tension ap
135. voir un rev tement qui poss de une bonne protection contre l usure adh sive et corrosive G n ralement ce mat riau est employ pour rev tir les moules pour l injection des plastiques et les matrices pour le formage des m taux 20 De r centes tudes indiquent que le CrN poss de une haute r sistance l oxydation un faible coefficient de frottement et une haute t nacit 21 Bien que ce rev tement pr sente une duret inf rieure la majorit des rev tements durs Rodriguez et al 13 ont montr que le CrN compar TICN TIN ZrN ou AITIN poss de la vitesse d usure la plus faible lors de tests effectu s par Calowear avec une bille en acier 100Cr6 Par ailleurs ces derni res ann es CrN attire de plus en plus l attention des chercheurs pour son application contre l usure et la corrosion des outils de coupe On trouve aujourd hui sur le march des outils rev tus CrN 20 Quand TiC il montre des propri t s similaires au TIN 17 Le BN nitrure de bore a prouv sa capacit augmenter la dur e de vie de certains composants expos s des environnements corrosifs et rosifs utilis s en industrie des polym res 15 31 Chapitre I Couches minces et techniques de d p t Le nitrure d aluminium AIN a t d velopp vers la fin des ann es 1960 Il a t obtenu par m thode CVD Ce rev tement poss de une bonne stabilit thermique et chimique une grande r sistivit lectrique et un gra

Chapitre I : Couches minces et techniques de dépôt

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