Laboratoire des Revêtements Fonctionnels et d'Ingénierie des Surfaces (LaRFIS)

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Laboratoire

Vous trouverez dans cette section une liste complète des systèmes de fabrication et de caractérisation que possède le Laboratoires des Revêtements Fonctionnels et d'Ingénierie de Surfaces.

LABORATOIRE DE MÉTROLOGIE OPTIQUE ET MÉCANIQUE
LABORATOIRE DE MÉTROLOGIE OPTIQUE ET MÉCANIQUE
 
Systèmes de fabrication
Plusieurs systèmes de fabrication de revêtements et de traitements de surfaces sont disponibles afin d'avancer les projets de recherche de nos étudiants et de stagiaires ainsi que de nombreux travaux contractuels. Nos principales techniques de dépôt sont :
  • Dépôt en vapeur chimique assisté par plasma (PECVD)
  • Pulvérisation magnétron (Magnetron sputtering)
  • Pulverisation par double faisceau d'ion (Dual ion beam sputtering)

Sélectionnez parmis la liste suivante afin d'obtenir plus d'information.

ALD

Le ALD150LX est un système ALD(Atomic Layer Deposition) acheté chez KJ Lesker Company en 2013. La technique ALD repose sur l’auto-limitation de réactions chimiques successives sur la surface d’un substrat afin d'assurer un dépôt ayant une hauteconformité et un contrôle de l'épaisseur à l'échelle atomique. Dans le système ALD150LX, l'échantillon est chargé à l’intérieur de la chambre à travers un orifice rectangulaire et positionnée où le dépôt sera effectué. Jusqu'à quatre précurseurs ou entrées de gaz sont introduits à travers la plaque supérieure. Une cinquième entrée est disponible via le port plasma(pas encore disponible).

Principales caractéristiques

  • Processus par défaut: dépôt de Al2O3(d'autres procédés et matériaux seront développés prochainement)
  • Substrats allant de petits morceaux irréguliers jusqu' à des gaufres de 6 pouces de diamètre
  • Suivit du dépôt en temps réel (ellipsomètre M2000 de J.A.Woollam)
  • Distribution de vapeur supérieure
  • Rideau de gaz permettant de minimiser la contamination des parois du réacteur et de réduire les réactions secondaires indésirables
  • Chauffage du substrat jusqu'à 500 °C

Pour plus d’information

DIBS

Le Dual Ion Beam Sputtering (DIBS) est un système de revêtement de qualité industrielle permettant la création de filtres optiques avec une précision et une uniformité exceptionnelles. Cet appareil étant destiné aux applications très exigeantes (e.g. télécommunications), il permet un contrôle très fin des différents paramètres de dépôt. Grâce à l'utilisation simultanée de deux faisceaux d'ions, il est possible de contrôler de façon indépendante le taux de dépôt et les propriétés microstructurales des couches.

Pouvant y installer trois cibles différentes, une grande variété de matériaux s'offre à l'utilisateur. Les cibles métalliques permettent de déposer une couche métallique ou diélectrique en y insérant les gaz appropriés. Nous possédons présentement quatre cibles: silice, niobium, tantale et titane. Il est possible d'insérer jusqu'à neuf substrats dans la chambre de dépôt. Mentionnons que le tout est contrôlé par un logiciel d'exploitation permettant une automatisation presque complète du processus.

Plusieurs types de filtres interférentiels peuvent être fabriqués grâce à cet appareil.  Mentionnons, les filtres astronomiques, les filtres décoratifs, les dispositifs de sécurité, etc.

CARACTÉRISTIQUES DU DIBS

  • Matériaux actuellement possible de déposer: SiO2, Nb, Nb2O5, Ta et Ta2O5
  • Porte-substrat: diamètre de 30,5 cm ET vitesse de rotation jusqu'à 3000 rpm
  • Température du substrat : 25 à 250 °C  
  • Sources d'ions: 16 cm de diamètre pour le faisceau de pulvérisation et 12 cm de diamètre pour le faisceau d'assistance (mode RF et présence de neutraliseurs en cathode creuse)
  • Énergie des ions:  0 à 1500 eV
  • Gaz disponibles: Ar, He, O2 et N2
HIPIMS

La pulvérisation magnétron pulsée haute puissance est une variation de la pulvérisation DC pulsée se caractérisant par une densité de puissance instantanée supérieure à 100 Wcm-2 couplée à un faible rapport cyclique limitant la charge thermique moyenne sur le magnétron. Cette configuration conduit à une décharge de haute densité, présentant un haut degré d'ionisation des particules pulvérisées. Cela rend la technologie HiPIMS attrayante pour le contrôle et l'optimisation des propriétés des couches déposées. Par exemple, il a été démontré que la présence d'un flux d'ions métalliques important dans le flux de particules déposées est bénéfique pour le prétraitement des substrats et la génération d'interfaces conduisant à une adhésion améliorée et lors de la fabrication de matériaux denses exempts de défauts et possédant une faible rugosité de surface. Le tableau 1 résume les principales différences entre les méthodes HiPIMS et les techniques classiques DCMS.

Tableau 1: Paramètres typiques d'une décharge HiPIMS et DCMS

  Voltage à la cathode Densité de courrant maximale Densité de puissance maximale Densité plasma maximale Degré d'ionisation
HiPIMS 600 - 2000 V 0.5-5 A/cm2 0.5-3 kW/cm2 1018 m-3 Jusqu'à 90%
DCMS 300 - 700 V < 0.1 A/cm2 < 50 W/cm2 1015 m-3 Jusqu'à  1%

Les différentes sources commercialement disponibles peuvent se ranger en deux principales catégories dépendamment de leur méthode de génération de pulse en terme de forme et caractéristiques courant-voltage : (i) des pulses unipolaires rectangulaires de grande tension (600V ≥ Vc) mais de courte durée ( (ton ≤ 200 µs), communément appelé HiPIMS en anglais pour : "High Power Impulse Magnetron Sputtering", et (ii) des impulsions modulées dans le temps de plus faible amplitude (Vc ≤ 600 V ) mais de plus longue durée (500 µs ≤ ton ≤ 2000 µs), communément appelé MPPMS en anglais pour : "Modulated Pulse Power Magnetron Sputtering". La forme des impulsions et la puissance instantanée appliquées sont illustrées dans la figure ci-dessous, avec une pulvérisation DC à puissance moyenne identique (300W) à titre de référence.


 Figure 1: Forme du pulse et puissance instantanée appliquée pour des dépôts HiPIMS, MPPMS et DCMS.
 

La figure 2 présente quant à elle le spectre d'émission optique moyen pour les trois modes d'application de puissance : HiPIMS, MPPMs et DCMS. Le spectre d'émission du plasma HiPIMS est dominé par les raies intenses de l'ion de niobium Nb+, ce qui indique un plus fort taux d'ionisation des particules pulvérisées dans ce plasma.


Figure 2: Spectres d'émission optique moyennés des plasmas HiPIMS, MPPMS et DCMS dans une décharge d'argon pur sur une cible de niobium.
 

Au LaRFIS, nous appliquons plusieurs de ces méthodes de pulvérisation haute densité (HiPIMS et MPPMS) afin de déposer des revêtements métalliques et diélectriques dans des réacteurs de tailles variées. Ces activités de dépôt sont complémentées par des méthodes de diagnostic électrique et optique in situ de la décharge plasma. En autre,nous effectuonsdes enquêtesapprofondies surles processusen phase gazeuselors d'impulsionsde forte puissance en utilisant la spectroscopied'émission optique, l'analyse de la densité du plasma, la spectrométrie de masse et en monitorant l'énergie des ions. Cette approchecomplexenous aide àmieux comprendre etàoptimiser les conditionsde déchargenécessairesafin de contrôlerjudicieusement nosprocédés de dépôt.

Voici quelques caractéristiques de nos systèmes de dépôt utilisant la technique HiPIMS:

  • Matériaux typiquement déposés: Cr, CrN, Ti, TiN, TiO2, Nb, Nb2O5, Ta2O5, SiO2, VO2, et autres
  • Tailles des réacteurs: 50 – 700 liters
  • Tailles des magnétrons : 5-10 cm de diamètre
  • Gaz: Ar, O2, N2
  • Porte substrats: 10-15 cm de diamètre, contrôlé en temperature de -20 °C à 400 °C et bias négatif allant jusqu'à 1kV induit par RF ou DC

Ci-dessous se trouve une vidéo du développement et de l'extinction d'une décharge HiPIMS unipolaire de 200 µs. Les deux enregistrements ont été réalisés à l'aide d'une caméra haute vitesse utilisant deux séries de filtres interférentiels passe-bande pour sélectionner les raies d'émission de l'argon et du chrome. (filtres déposés à l'aide de notre système DIBS). L'échelle temporelle est indiquée en haut de l'image sous la forme "Time of discharge", qui correspond au délai après l'initiation du pulse.

Cette vidéo accompagne l'article : M. Hala, N. Viau, O. Zabeida, J. E. Klemberg-Sapieha, L. Martinu, "Dynamics of reactive high power impulse magnetron sputtering discharge studied by time- and space-resolved optical emission spectroscopy and fast imaging", J. Appl. Phys., 107 (2010) 043305-1-9.

Pour plus d’informations, voir les articles ci-dessous portant sur l’imagerie plasma à travers l’utilisation de filtres interférentiels (fabriqués grâce à notre système de dépôt DIBS): 

  • M. Hala, O. Zabeida, B. Baloukas, J. E. Klemberg-Sapieha, and L. Martinu, "Time- and species-resolved plasma imaging as a new diagnostic approach for HiPIMS discharge characterization", IEEE Trans. Plasma Sci., 38(11) (2010) 3035-3039.
  • M. Hala, O. Zabeida, J.E. Klemberg-Sapieha, L. Martinu, "Dynamics of HiPIMS Discharge Operated in Oxygen," IEEE Transactions on Plasma Science, 39 (2011) 2582-2583.
Réacteurs PECVD

Nous développons, depuis des années, plusieurs approches de fabrication de couches minces et de revêtements. Les caractéristiques principales des systèmes PECVD sont comme suit :

Plasma micro-onde (2.45 GHz)
Applicateurs différent : guide en fente de fuite, structure d'onde lente, antenne symétrique.

Plasma radiofréquenciel  (13.56 MHz) : couplage capacitif, contrôle du bombardement ionique sur le porte-subsrat.

Plasma à fréquence mixte MW/RF ("dual-mode microwave/radio frequency plasma"): permet le contrôle sélectif de l'énergie et du flux d'ions.

Gaz utilisés :   Ar, CH4, H2, HMDSO, O2, N2,  NH3 SiCl4, SiH4, TiCl4, etc.

Système de pompage : pompes primaires et turbomoléculaires, protection chimique.

Portes-échantillons : diamètres 10-20 cm, température de –20 °C à 600 °C, polarisation DC négative induite par RF (bias) - jusqu’à 1kV.

Contrôle rétroactif  par ordinateur : interférométrie laser, refléctométrie,  éllipsométrie  spectroscopique in situ en temps réel, émission optique, etc.

Matériaux étudiés : a-Si :H, DLC, nano-composites (nc) Au/SiO2, nc-TiN/SiN1.3, nc-TiCxNy/SiCN, Si3N4,  SiO2, SiOxNy, SixTiyO2, TiO2, etc.

Réacteurs de pulvérisation réactive

Nous possédons également plusieurs réacteurs de pulvérisation réactive avec différentes configurations dont voici les caractéristiques les plus pertinentes :

  • Magnétrons en champ magnétique fermé: diamètre de 50, 75 et 100 mm
  • Mode d'excitation: DC, DC pulsé (5 – 350 kHz), RF (13.56 MHz)
  • Système en configuration magnétron double et quadruple
  • Pulvérisation réactive ainsi que non-réactive
  • Matériaux typiquement déposés: Al, Al2O3, Ag, Au, CrAlN, CrN, CrSiN, Cu, ITO, Nb2O5, SiO2, Ta2O5, Ti, TiO2, TiN, , TiSiCN, TiSiN, VO2, WO3, ZnO, etc.
Systèmes spéciaux de dépôt et de traitement

Au fil des années, le LaRFIS, à travers des collaborations avec l'industrie, a développé une expertise dans la conception de réacteurs adaptés au dépôt et traitement de divers produits.  En voici quelques exemples:

  • traitement en continu de bandes flexibles, fibres, fils, etc.
  • traitement et recouvrement de poudres
  • traitement et recouvrement de'objets tridimensionnel (3D)
  • système hybride PECVD/PVD
  • dépôt de nanotubes, diamant, polymères plasmas
  • contrôle du "bias", VUV, radicaux
Gas Flow Sputtering

La technique de dépôt gas flow sputtering repose sur le principe d’une décharge par cathode creuse et d’un flux de gaz porteur passant au travers. Une cathode creuse sert de cible pour la pulvérisation et un gaz, généralement de l’argon, transporte la matière pulvérisée à l’extérieur de la cathode jusqu’au substrat. La géométrie cylindrique de la cathode offre plusieurs avantages par rapport à une configuration ouverte. Au lieu d’être attiré en ligne droite par l’anode, les électrons, piégés au sein de la cathode creuse, effectuent des oscillations entre les parois allongeant ainsi leur trajet et augmentant le taux d’ionisation et de fait le taux de pulvérisation. Un autre avantage est la possibilité d’éviter la contamination de la cible par un gaz réactif puisque son introduction se fait à la sortie de la cathode; celui-ci ne pouvant se rendre à l’intérieur puisque repoussé par un flux de gaz porteur. Le gas flow sputtering est donc un processus de dépôt stable et reproductible en mode réactif.

Le gas flow sputtering est un système de dépôt versatile, permettant le dépôt d’un large éventail de couches minces aux propriétés optiques aussi bien que mécaniques intéressantes. Étant donné que les particules pulvérisées se thermalisent au contact du gaz porteur (à température ambiante), il est possible de traiter des substrats à basse température de fusion tel que des matières organiques ou plastiques, garantissant leur intégrité structurelle. Le gas flow sputtering permet aussi de contrôler la microstructure des couches minces en faisant varier les paramètres de dépôt tel que le débit de gaz ou encore la tension appliquée à la cathode. Nous travaillons en ce moment sur l’amélioration de l’uniformité des couches minces déposées sur des substrats à géométries complexes (tuyaux, pièces mécaniques), une autre possibilité très prometteuses du gas flow sputtering.

Instrumentation optique

Le développement de matériaux optiques étant l'un des deux grands axes de recherche du LaRFIS, nous possédons une panoplie d'appareils permettant leur caractérisation (transmission, réflexion, absorption, couleur, indice de réfraction n et coefficient d'extinction k, épaisseur, etc.).

Le développement de matériaux optiques étant l'un des deux grands axes de recherche du LaRFIS, nous possédons une panoplie d'appareils permettant leur caractérisation (transmission, réflexion, absorption, couleur, indice de réfraction n et coefficient d'extinction k, épaisseur, etc.). 

Voici les appareils en question :

  • Ellipsométre spectroscopique à angle variable (VASE) RC2 J.A. Woollam Co., Inc.
  • Ellipsomètre spectroscopique M-2000UI J. A. Woollam Co., Inc.
        Gamme de longueurs d'onde: 245 nm - 1700 nm
        Résolution: 1.6 nm (5 nm de largeur de bande) pour une longueur d'onde < 1000 nm
                               6.4 nm (12 nm de largeur de bande) pour une longueur d'onde > 1000 nm
        Configuration: compensateur rotatif
  • Ellipsomètre spectroscopique M44 J. A. Woollam Co., Inc.
        Gamme de longueurs d'onde: 423nm - 764 nm
        Résolution: 1.6 nm (5 nm de largeur de bande) pour une longueur d'onde < 1000 nm
                               6.4 nm (12 nm de largeur de bande) pour une longueur d'onde > 1000 nm
        Configuration: compensateur rotatif
  • Ellipsomètre spectroscopique IR à angle variable IR-VASE J.A. Woollam Co., Inc.
  • Spectrophotomètre Perkin-Elmer Lambda 19
  • Réflectomètre infrarouge
Spectromètre Cary-7000 avec accessoire UMA

Le LaRFIS est le tout premier laboratoire au monde équipé d'un Accessoire de Mesure Universel (UMA) d'Agilent Technologies! Installé sur un spectrophotomètre Cary 7000, ce système unique permet de mesurer la réflexion et la transmission pour des angles entre 6° et 85°, le tout sans devoir déplacer l'échantillon manuellement. Ainsi, contrairement à d'autres systèmes de mesure classiques, l'UMA assure que le même endroit sur l'échantillon est sondé et ce, avec les mêmes propriétés du faisceau de mesure. Par conséquent, des mesures d'absorption très précises peuvent maintenant être effectuées. La sélectivité angulaire de ce système permet également d'effectuer des mesures de diffusivité sur des échantillons diffusifs.

Pour plus d'information, veuillez cliquer ici.

CARACTÉRISTIQUES DU CARY-7000

  • Gamme de longueurs d'onde: 175 nm - 3300 nm (2 détecteurs : PMT/PbS)
  • Résolution: 0.05 nm (UV et visible)
                       0.2 nm (NIR)
                       (8 unités d'absorbance en sensibilité)

CARACTÉRISTIQUES DU UMA 

  • Gamme de longueurs d'onde: 250 nm - 2500 nm 
  • Angles d'incidence: 0 à 85 degrés en transmission 
                                     6 à 85 degrés en réflexion
  • Contrôle de la polarisation: s et p
Ellipsométre spectroscopique à angle variable (VASE) RC2 J.A. Woollam Co., Inc.

L'ellipsométrie est une technique de caractérisation optique non-intrusive permettant, entre autres, de déterminer l'épaisseur et les propriétés optiques [(n,k) ou (ε12)] de couches minces. Le principe de cette technique repose sur l'observation du changement de l'état de polarisation d'un faisceau lumineux après réflexion sur la surface de l'échantillon. L'équation fondamentale de l'ellipsométrie est:

 

où rp et rs sont les coefficients de Fresnel complexes correspondant au système couche(s)-substrat, et Ψet Δ sont les paramètres mesurés par l’ellipsomètre, reliés respectivement à l’amplitude et à la phase de rpet rs. Après construction d’un modèle optique approprié (substrat, nombre de couches, épaisseur et constantes optiques pour chaque couche), les valeurs de Ψ et Δ fournies par le modèle sont comparées aux valeurs expérimentales et, par un processus itératif d’optimisation, les caractéristiques des couches sont determinées. La mesure de la phase (Δ) est particulièrement sensible à l’épaisseur des couches et permet de détecter des variations de l’ordre de l’angström. L’indice de réfraction peut être obtenu de manière absolue avec une précision de l’ordre de 10-3 et de manière relative avec une précision ≤10-4.

L'ellipsomètre RC2 est équipé de deux compensateurs rotatifs qui assurent une excellent précision de mesure (de l’ordre du centième de degré sur Ψ et Δ). Cette configuration permet également d’analyser les échantillons qui sont à la fois dépolarisant et anisotropes.  et différents modules peuvent être installés sur l’appareil : module de cartographie XY, cellule chauffante, cellule électrochimique, etc.

Pour en apprendre plus sur l'ellipsométrie: http://www.jawoollam.com/tutorial_1.html
 

CARACTÉRISTIQUES DU RC2

Gamme de longueurs d'onde: 200 à 1700 nm
Résolution:
Configuration: deux compensateurs  rotatifs

Ellipsomètre spectroscopique IR à angle variable (IR-VASE)

L’ellipsométrie IR-VASE (Infrared Variable Spectroscopic Ellipsometry) est une puissante technique de caractérisation non-destructive combinant les avantages de l’ellipsométrie et de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIRS). Ainsi, les épaisseurs et les constantes optiques (nk) de revêtements multicouches peuvent être déterminées, de même que les liens chimiques caractéristiques des matériaux analysés.

La détermination de n et k permet de s’affranchir des artefacts optiques présents sur les spectres en réflection (interférences et pics liées à la nature du substrat, à l’épaisseur de la couche ou à l’angle d’incidence) et ainsi d’obtenir les propriétés intrinsèques des matériaux. La sensibilité chimique du IR-VASE est supérieure à celle du FTIRS, offrant la possibilité de détecter des couches ultraminces (jusqu’à 5 nm) sur de nombreux types de substrats. Enfin, d’autres caractéristiques des couches telles que l’anisotropie, la non-uniformité, la nature des phonons (TO, LO) et la concentration en dopants peuvent être déterminées.

Pour en apprendre plus sur l'ellipsométrie
http://www.jawoollam.com/tutorial_1.html

CARACTÉRISTIQUES

Gamme de longueurs d'onde:  333 cm-1 - 5000 cm-1 (2 micron - 30 micron)
Résolution: 1 cm-1 - 128 cm-1
Configuration: compensateur rotatif

Spectrophotomètre Perkin-Elmer Lambda 1050

La spectrophotométrie est une technique de caractérisation simple et flexible qui a des applicationsdans différents domaines : (i) en chimie, cette technique permet par exemple de déterminer la concentration d’une substance liquide à partir d’un spectre d’absorbance en utilisant la loi de Beer-Lambert ; (ii) en colorimétrie, la spectrophotométrie permet de quantifier la couleur d’un objet dans un espace de couleur donné à partir d’un spectre de transmission ou réflexion; (iii) dans le domaine des filtres optiques, le spectrophotomètre évalue la performance optique des filtres en transmission ou réflexion, ainsi que d’autres paramètres tels que l’épaisseur et l’indice de réfraction des couches, de même que l’absorption et la diffusion des matériaux.

CARACTÉRISTIQUES DU PERKIN-ELMER LAMBDA 1050

Gamme de longueurs d'onde: 175 nm - 3300 nm (3 détecteurs : PMT/InGaAs/PbS)
Résolution: 0.05 nm - 5.00 nm (UV et visible)
                  0.2 nm (NIR)
                  (8 unités d'absorbance de sensibilité)

ACCESSOIRES

Accessoire de réflexion et transmission diffuse Labsphere: 

  • Gamme de longueurs d'onde: 250 nm - 2500 nm
  • Angle d'incidence:   transmission: 0 degré
                                 réflexion: 8 degrés
  • Module « Small Pot » pour focaliser le faisceau (1x1 mm).
  • Module « Light Trap » pour éliminer la réflexion spéculaire.
Réflectomètre Directionnel Hemisphérique SOC-100 HDR

Le SOC-100 HDR permet de réaliser des mesures de réflectance en lumière polarisée avec un angle d’incidence variant de 10 ° à 80 °. Couplé au FTIR Nicolet 6700 , le SOC-100 HDR opère sur toute la gamme spectrale du FTIR. Il permet de différencier la transmission/réflexion spéculaire et diffuse des échantillons grâce à un masque mobile qui bloque la composante spéculaire. À partir de ces mesures, d’autres paramètres peuvent être calculées : émissivité normale et directionnelle, emissivité directionnelle angulaire, émissivité hémisphérique totale, absorbance solaire, et constantes optiques (n et k).

Caractéristiques

  • Gamme de longueur d’onde: 1.5-25.0 μm (séparateur KBr) et 1.8-45 μm (séparateur CsI)
  • Détecteurs: 1.5-45 μm (DTGS) ou 1.5-16.0 μm (MCT-A refroidit à N2)
  • Résolution spectrale maximale: 0.09 cm-1
  • Température maximale du porte échantillon: 500°C
  • Taille des échantillons requise: 1” x 1”

Accessoire

Smart SAGA (Specular Apertured Grazing Angle)

Le Smart SAGA est idéal pour l’analyse à angle rasant de couches sub-microniques sur des substrats métalliques. La réflectance à angle rasant est la technique de choix pour l’analyse de couches minces car l’angle d’incidence élevé augmente le chemin optique du faisceau infrarouge à travers le matériau d’intérêt, ce qui augmente la sensibilité de la mesure de façon significative. Cet accessoire opère à un angle de 80 degrés par rapport à la normale. L’analyse de couches de 10 Angstroms à 0.5 microns est possible. Un polariseur monté sur l’accessoire minimise la polarisation ‘S’ qui fournit peu d’information sur la surface, ce qui augmente la sensibilité et la vitesse de mesure. Les échantillons sont simplement installés horizontalement sur la surface de l’accessoire et la région à analyser peut être sélectionnée grâce à un masque mobile.

Microscope optique Zeiss Axioscope A1

Le Axioscope A1 est un microscope modulaire utilisé pour l’analyse de matériau.

Caractéristiques

  • Modes champ clair, champ sombre, contraste de phase (DIC), lumière polarisée en réflexion et transmission.
  • Source LED pour les mesures en réflexion et source halogène pour les mesures en transmission.
  • Caméra couleur 5 MP pour des images en haute résolution
  • Platine XYZ manuelle
  • Objectifs 5x, 10x, 20x EC Epiplan
  • Objectifs 50x, 100x, EC Epiplan Apochromatic
  • Hauteur maximale des échantillons: 4 cm
Instrumentation mécanique et tribomécanique

Le développement de matériaux ayant des propriétés mécaniques spécifiques étant l'un des deux grands axes de recherche du LaRFIS, nous possédons une panoplie d'appareils permettant leur caractérisation (durété, module de Young, coefficient de Poisson, adhérence, résistance à l'érosion, corrosion, frottement, etc.). 

Voici les appareils en question : 

Système de nano-indentation et nano-tribologie

Le Hysitron TriboIndenter® est un appareil de mesure nanomécanique à très faible charge conçu pour évaluer les propriétés nanomécaniques et nano tribologique de couches minces et de surfaces.  Par l’indentation résolue en profondeur, la dureté, le module d’élasticité (module d’Young), le recouvrement élastique, la résistance à l’usure et à la rayure peuvent être mesurés.  L’imagerie de surface peut aussi être effectuée. 

CARACTÉRISTIQUES

Charge appliquée: 10 µN – 10 mN
Résolution de la charge: 1 nN
Profondeur maximum: 20 µm
Résolution de déplacement: 0.04 nm
Dérive thermique: < 0.05 nm/sec
Pointe de type Berkovich

Système de microrayure

Micro Scratch Tester » (MST®), CSEM est utilisé pour caractériser les propriétés surfaciques micromécaniques et microtribologiques de revêtement et de couches minces, c’est-à-dire l’adhérence, la dureté, le coefficient de friction et la résistance à l’usure.  En effectuant une rayure à la surface de l’échantillon avec un stylet en diamant de type Rockwell C, le MST mesure l’émission acoustique, la force normale à l’échantillon, la force de frottement et la profondeur de pénétration.  Ces mesures jumelées à des observations optiques de la surface rayée forme une empreinte unique au système couche/substrat étudié. La dureté peut aussi être mesurée à l’aide d’une pointe d’indentation de type Vickers.

CARACTÉRISTIQUES

Charge: 0 à 30 N
Rayons des stylets de type Rockwell C: 50, 100 et 200 μm
Longueur de rayure: typiquement 5 à 15 mm
Vitesse de rayure: 0.01 à 16 mm/min

Tribomètre de type « Pin-On-Disc »

Le tribomètre est un appareil utilisé pour déterminer certaines propriétés tribologiques de couches minces, soit la résistance à l’usure et le coefficient de friction.  L’échantillon est place sur un disque tournant à une vitesse angulaire choisie.  Une bille fixée à une tige pouvant se déplacer verticalement est pesée sur la surface à étudier pour une quantité fixe de rotations du disque.  La force tangentielle et le coefficient de friction sont mesurés et le volume de matériau peut ensuite être évalué.

 

PARAMÈTRES CONTRÔLÉS

Force de frottement FT
Vitesse de glissement u: 0.01- 0.5 m/s
Charge F =  0.3 à 50 N

TYPES DE BILLES (DURETÉ)

  • sapphire (18 Gpa)
  • SiN1.3 (17 Gpa)
  • Al2O3 (15 Gpa)
  • Acier HS (0.9 Gpa)
    *Rayon ~ 3 et 6 mm
Slip/peel tester

Le  « Peel-Tester » est une méthode de mesure complémentaire au MST pour mesurer l’adhérence de revêtements et de couches minces.  Un ruban adhésif fixé au revêtement est tiré par une force grandissante (0 to 50 N) jusqu’à ce qu’une faillite survienne.  Plusieurs type de rupture peuvent alors être observées: cohésive, adhésive et rupture du substrat.

PARAMÈTRES CONTRÔLÉS

Force tangentielle: 0 – 50 N
Température du porte substrat: 0-200 °C.

Tencor FLX 2900

Le Tencor FLX 2900 est un instrument permettant de mesurer le stress dans les couches minces. Spécifiquement, le stress est obtenu en comparant le changement de courbure du substrat avec et sans couche mince en utilisant l’équation bien connue de Stoney. Le rayon de courbure est quant à lui obtenu en mesurant l’angle de déflection d’un rayon laser à la surface du substrat. Ainsi, le substrat et la couche mince doivent être suffisamment réfléchissants (non-diffusifs) à la longueur d’onde de mesure, soit 670 nm dans ce cas-ci.

Le Tencor FLX 2900 offre aussi la possibilité de mesurer le stress en fonction du temps et de la température dans une atmosphère contrôlée ; e.g. : sous azote, argon ou simplement à l’air.

Les caractéristiques principales du système sont les suivantes :

Taille du substrat: 1”-8 “ (2.5 cm à 20.3 cm)

Mesure en fonction du temps: 30 secondes à 300 heures

Bruit RMS: 0.0001 m-1 (rayon de 10 km)

Résolution: 0.00003 m-1

Pas minimum de scan: 0.02 mm

Nombre de points maximum par scan: 1250

Intervalle de température: 20- 900° C

Temps de scan: 5 s

Longueur d’onde du laser: 670 nm

Courbure minimum: 2.0 m

Erreur typique de répétabilité (1σ):

Si <100>     Épaisseur du substrat

Épaisseur de la couche mince

10 μm

1 μm

100 nm

10 nm

375 μm

50 kPa

0.5 MPa

5 MPa

50 MPa

525 μm

100 kPa

1.0 MPa

10 MPa

100 MPa

625 μm

140 kPa

1.4 MPa

14 MPa

140 MPa

675 μm

170 kPa

1.7 MPa

17 Mpa

170 MPa


Le programme WINFLX offre la possibilité de personnaliser des recettes de cyclage de température avec un taux de chauffage et de refroidissement contrôlé. 

De plus, en employant une méthode avec deux substrats, cet instrument offre la possibilité de déterminer le coefficient d’expansion thermique linéaire des couches minces. Par l’ajout de mesures de nanoindentation, il est également possible d’obtenir le coefficient de Poisson. Pour plus d’informations sur l’application de cette méthode à deux substrats pour différents matériaux, veuillez consulter notre article intitulé “Mechanical and thermo-elastic characteristics of optical thin films deposited by dual ion beam sputtering”

Des exemples de dynamique de stress pendant un cycle thermique pour des oxydes de niobium et de tantale sont montrés à la figure ci-dessous (Prises de  E. Çetinörgü-Goldenberg, J. E. Klemberg-Sapieha, and L. Martinu, "Effect of postdeposition annealing on the structure,composition, and the mechanical and optical characteristics of niobium and tantalum oxide films", Applied Optics 51 (27 / 20)  (2012) 6498-6507.)

Autres caractérisations

Dans cette section, les autres systèmes de caractérisation seront détaillés : 

Potentiostat et galvanostat

Le potentiostat/galvanostat PGSTAT302N de la compagnie Metrohm Autolab BV permet d'effectuer la caractérisation complète des propriétés électrochimiques des matériaux par l'application de recettes voltammétriques à voltage constant (potentiostatique) ou à courant constant (galvanostatique), de voltammétrie cyclique, etc. Un module de réponse fréquentielle (FRA32M) y est également inclus et permet des mesures de spectroscopie par impédance électrochimique (EIS).


Spécifications techniques du PGSTAT302N

  • Plage de tension : -10 V à 10 V
  • Courant maximal : -2 A à 2 A
  • Échelles de courants : 10 nA à 1 A
  • Précision du voltage : 3 μV
  • Précision du courant : 0.0003 % de l'échelle de courant utilisée
  • Interfaçage : USB
  • Logiciel de contrôle : NOVA 1.10

Exemples d'applications

En employant une cellule électrochimique à trois électrodes, il est possible de mesurer les propriétés de résistance à la corrosion des matériaux en appliquant les techniques de polarisation potentiostatique et potentiodynamique. Ces mesures permettent, entre autre, de quantifier l'effet d'une couche de passivation, mesurer le potentiel libre, mesurer des courants de corrosion, etc.

Une cellule à trois électrodes peut aussi être utilisée afin de caractériser des matériaux actifs. Par exemple, les matériaux électrochromiques (EC) tels que le WO3, le NiO, le V2O5 et autres oxydes semi-conducteurs voient leurs propriétés optiques changer via l'insertion combinée d'électrons et d'ions. La figure ci-dessous présente la signature voltammétrique d'une couche mince de WO3 amorphe, matériau électrochromique largement étudié au LaRFIS (voir article B. Baloukas et al.). En analysant une telle courbe, il est possible de déterminer la vitesse de diffusion des espèces ioniques à travers la couche, le ratio entre les charges insérées et extraites, les courants anodiques et cathodiques, déceler la présence de réactions secondaires, etc. De plus, en combinant avec des mesures de transmission in situ, il est possible d'obtenir l'efficacité de coloration du matériau, soit sa variation en transmission en fonction de la charge insérée. Finalement, par l'installation d'une cellule électrochimique sur notre ellipsomètre RC2, il est également possible d'obtenir les propriétés optiques intrinsèques de matériaux EC dans leurs états intercalés et ce, en fonction du temps. Ceci se révèle fort utile dans le cadre d'étude de durabilité (voir article de H. Camirand et al.).

Figure 1 : Voltammogramme d'une couche de 150 nm de WO3 amorphe déposée par pulvérisation magnétron RF à 20 mTorr (2.67 Pa). Mesure effectuée dans un électrolyte de H2SO4 0.1 M et avec une électrode de référence au calomel saturée en KCl.

Résistance de couche sans contact

Le système 737 de la compagnie Delcom Instruments permet de quantifier la résistance de couche (« sheet resistance »). Les mesures étant effectuées sans contact physique, l'intégrité de l'échantillon n'est pas compromise sans compter qu'il est également possible de quantifier la performance d'une couche intercalée entre des couches non-conductrices. Ces caractéristiques sont en contraste direct avec la technique de sonde à quatre pointes qui elle, nécessite un contact physique avec la couche conductrice et qui risque ainsi d'endommager l'échantillon.

Le principe de fonctionnement de la plupart des méthodes sans contact est basé sur l'induction de courants de Foucault dans la couche conductrice par l'intermédiaire d'un champ magnétique oscillant (voir l'article de Krupka, 2013). Les courants ainsi générés au sein de l'échantillon génèrent un champ magnétique opposé au champs appliqué et l'appareil est alors en mesure de quantifier cet effet afin d'obtenir la résistance de surface (voir l'article de Miller et al., 1976). Il est en effet possible de démontrer qu'à une fréquence donnée, la puissance absorbée par la génération des courants de Foucault est proportionnelle à la conductivité de la couche mince. La calibration de l'appareil est donc effectuée en exposant celui-ci à un échantillon d'épaisseur et de conductivité connue. La plage de mesure ainsi que la précision de notre système sont données au tableau suivant :

Tableau 1: Plage de résistances de surface mesurables et précision du 737 de Delcom Instruments (tableau pris du manuel de l'appareil).

Une représentation schématique d'un système de mesure de résistance de surface sans contact est présentée à la Figure 1.

Figure 1: Système de mesure de résistance de surface sans contact. Pris de Miller et al., 1976.

Caméra Ultra-rapide

L'imagerie plasma par camera haute vitesse est une technique d'analyse de plasma complémentaire à la spectroscopie d'émission optique. À l'aide d'une caméra CCD amplifiée à haute vitesse d'obturation, cette technique permet d'observer la dynamique d'émission de la lumière par des espèces excitées dans un plasma résolues dans le temps et dans l'espace. Les développements récents, lors la dernière décennie, de revêtements intensifieurs et de camera CCD haute performance a permis de grandement d'améliorer les résolutions spatiale et temporelle.

Au sein du LaRFIS, nous avons également ajouté une résolution en énergie de la dynamique des espèces du plasma à l'aide de filtres interférentiels à bande passante afin de séparer les raies d'émission des espèces neutres du gaz (argon, oxygène dans la bande 750-900 nm) et des espèces ionisées et métalliques du plasma (bande 400-450 nm) tel que publié dans notre article : M. Hala, N. Viau, O. Zabeida, J. E. Klemberg-Sapieha, L. Martinu, Dynamics of reactive high power impulse magnetron sputtering discharge studied by time- and space-resolved optical emission spectroscopy and fast imaging", J. Appl. Phys., 107 (2010) 043305-1-9. Il est a noter, que ces filtres ont été spécialement conçus au LaRFIS grâce au logiciel OpenFilters et fabriqués à l'aide de notre système DIBS.

CARACTÉRISTIQUES DU SPECTROMETRE ACTON SPECTRA PRO

Princeton Instruments Pi-Max:1300 avec photo-sensibilateur Unigen II :

  • Capteur CCD : 1250x1250 pixels.
  • Gamme de longueurs d'onde : 150-900 nm.
  • Vitesse d'acquisition d'image : 0.6 image par seconde.
  • Résolution temporelle : <7 ns.
  • Générateur de délais minimum : 10 ns à 21 s.
Spectroscopie d'émission optique

La spectroscopie d'émission optique est une méthode de caractérisation des plasmas non intrusive et non perturbatrice. Elle repose sur la collecte des photons émis lors de la désexcitation des particules énergétiques du plasma. Puisque les transitions énergétiques de désexcitation ont des temps caractéristiques très courts, avec un équipement suffisamment sensible, il est possible d'obtenir une résolution temporelle jusqu'à quelques nano-secondes.


PRÉCISION


Lors de la mise en application de la spectroscopie d'émission optique, la lumière émise par les particules est captée par un dispositif optique (tel qu'une fibre ou une lentille pour collimater la lumière) et dirigée vers un spectromètre. Le volume sondé est alors égale à l'espace « perçu » en vision directe par le dispositif optique. Compte tenu de la faible ouverture numérique d'une fibre optique, le volume sondé dans ce cas particulier est de quelques µm3. Le spectromètre sépare ensuite la lumière captée en raies spectrales habituellement grâce à un réseau de diffraction .

L'intensité de la lumière diffractée est alors évaluée par un détecteur, soit un analyseur CCD soit un photomultiplicateur. Les analyseurs de type barrette CCD ont l'avantage de mesurer toute la plage de longueurs d'onde simultanément, mais possèdent un contraste d'intensité fixe. Au contraire, les photomultiplicateurs mesurent quant à eux, une seule longueur d'onde à la fois mais possèdent un meilleur contraste puisqu'il est possible d'ajuster l'intensité collectée.

Les données obtenues par spectroscopie d'émission optique contiennent un grand nombre d'information. Chaque transition optique est précisément caractérisée par des transitions électroniques radiatives autorisées auxquels s'ajoutent les vibrations pour les particules polyatomiques. Le positionnement de chaque raie donne donc des informations importantes sur la composition chimique du plasma alors que les intensités relatives donnent de l'information sur la répartition de l'énergie entre les espèces du plasma.

Fig.1 - Évolution temporelle d'une décharge HiPIMS avec un voltage appliqué à la cathode de -900V au dessus d'une cible de chrome opérée dans un mélange N2/Ar 1:1 à 1.3 Pa. Les trois phases de développement du plasma y sont présentées : la phase d'allumage, la phase dominé par l'émission métallique et la phase de transition vers une décharge DC. (a) Courant et tension de décharge (b) Intensité des ions de chrome (c) Intensité des ions de gaz

CARACTÉRISTIQUES DU SPECTROMETRE ACTON SPECTRA PRO

  • Gamme de longueurs d'onde: 200 nm - 1050nm (3 réseaux de diffraction :120/1200UV/2400)
  • Résolution: 0.393nm @763nm (120g), 0.033nm@763nm(1200g) and 0.017 nm@440nm (2400g
  • Détecteur : CCD amplifié Pi-MAX II, 1024x1024 pixels sur 16 bits ( Contraste maximal 65535:1)
  • Résolution temporelle du CCD : 5 ns
  • Delai de synchronisation : 150 ps- ms

CARACTÉRISTIQUES DU SPECTROMETRE OCEAN OPTICS USB 2000

  • Gamme de longueurs d'onde: 200 nm - 850 nm (réseau de diffraction fixe : 600)
  • Résolution: 1.5 nm
  • Détecteur : CCD linéaire 2048 pixels ( Contraste maximal 1300:1)
  • Résolution temporel : 1 ms
  • Aucune synchronisation disponible

CARACTÉRISTIQUES DU SPECTROMETRE OCEAN OPTICS USB 4000

  • Gamme de longueurs d'onde: 350 nm - 1000 nm (réseau de diffraction fixe : 600)
  • Résolution: 1.5-2.3nm
  • Détecteur : CCD linéaire 3648 pixels ( Contraste maximal 1300:1)
  • Résolution temporel : 3.8 ms
  • Aucune synchronisation disponible

Consultez notre section HiPIMS pour plus d'exemples de spectres d'émission.

Spectroscopie de masse

La spectrométrie de masse résolue en énergie est une technique avancée d'analyse physico-chimique des gaz. Cette technique repose sur la séparation de particules chargées selon leurs énergies et le ratio entre leur masse et leur charge m/z. Les particules neutres peuvent également être ionisées par bombardement électronique à l'entrée du spectromètre.


Dans le cadre de l'étude des plasmas, la spectrométrie de masse peut être utilisée selon trois modes d'analyse : RGA (Residual Gaz Analysis) pour l'analyse de la composition des particules neutres, SIMS+ et SIMS- (Secondary Ion Mass Spectrometry) pour l'analyse d'énergie et de composition des ions positifs et négatifs. Elle permet alors de connaître la composition du plasma et la distribution énergétique des ions qui arrivent sur la surface exposée. De plus, l'instrument permet d'effectuer des mesures résolues dans le temps pour évaluer la dynamique des espèces neutres et chargées. Cette fonction est particulièrement utile pour l'analyse de décharges pulsées. (Pour un exemple concultez notre article : O. Zabeida, A. Hallil, M. R. Wertheimer, and L. Martinu, "Time Resolved Measurements of Ion Energy Distributions in Dual-mode Pulsed Microwave/Radiofrequency Plasma", J. Appl. Phys., 88 (2000) 635.)


CARACTÉRISTIQUES TECHNIQUES

  • Spectromètre de masse EQP-1000 Hiden Analytical :
  • Analyseur de masse par quadripôle, 0.2 à 500 amu.
  • Analyseur d'énergie jusqu'à 1000 eV.
  • Détecteur par multiplicateur d'électron jusqu'à 107 c/s.

CHAMBRE À POMPAGE DIFFÉRENTIELLE:

  • Pression de travail 0-50 mTorr (extracteur 100 µm) ou 50-300 mTorr (extracteur 50 µm).
  • Extraction à travers une électrode polarisable (RF ou DC).
  • Analyse des plasmas (pulvérisation, décharge capacitive).
  • Étude de fragmentation (RGA ou plasma capacitif).

Fig.1 - Un exemple de la distribution d'énergie d' ions N2+ et N+ provenant des plasma micro-ondes (gauche) et radio-fréquence (droite). Les ions N+ subissent moins de collision dans la gaine, ce qui fait en sorte que leur énergie moyenne est plus grande que celle des ions N2+. Image provenant de : A. Hallil, O. Zabeida, M.R. Wertheimer, and L. Martinu, "Mass-resolved Ion Energy Distributions in Continuous Dual Mode Microwave/Radiofrequency Plasmas in Argon and Nitrogen", J. Vac. Sci. Technol A, 18 (2000) 882-890.

Sonde de Langmuir

Le diagnostique plasma par sonde de Langmuir est une méthode permettant de mesurer les paramètres du plasma tel que la température électronique, les densités électronique et ionique, la distribution en énergie des électrons ainsi que le potentiel du plasma. La méthode consiste à enregistrer le courant traversant une sonde électrostatique insérée au sein du plasma en fonction du potentiel appliqué sur cette dernière. La modélisation du comportement de la gaine en fonction de la chute de potentiel, proposé par Irving Langmuir permet alors d'extraire les paramètres du plasma.

Le système ESPion de Hiden Analytical automatise la prise de mesure en fournissant une rampe de tension programmable et un déplacement axial motorisé. Il est alors possible de mesurer les variations dynamiques et spatiales du plasma au sein de la chambre. Le traitement des données est intégré au sein du logiciel ESPionSoft ou analytiquement dans le cadre de plasma déviant des conditions optimales de mesure. La modélisation du comportement de la gaine de Debye dépend de l'état de la surface de la sonde et du comportement des électrons dans le plasma. Il est donc difficile de l'appliquer dans des systèmes où les conditions de surface de la sonde ou la gamme dynamique de mesure varie plus vite que la mesure (modification de la surface de la sonde ou présence de champs magnétiques).

CARACTÉRISTIQUES DE L'ANNALYSEUR ESPION

Contrôleur :

  • Voltage : -200 V à +100 V.
  • Courant 20 µA à 1 A encodé sur 12 bits (4095).
  • Acquisition : 69000 points/s.
  • Fréquence maximale d'acquisition : 1 MHz.
  • Synchronisable pour mesure résolues dans le temps.

Sonde :

  • Longueur : 10 mm.
  • Diamètre : 0.15mm.
  • Matériaux : Tungstène, tantale ou molybdène.
  • Déplacement : 60 cm.