Variation des constantes diélectriques ou optiques des couches minces pulverisees en fonction de leur épaisseur

Thin Solid Films. ElsevierSequoia S.A., Lausanne - Printed in The Netherlands

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Short C o m m u n i c a t i o n Variation des c o n s t a n t e s di~lectriques ou o p t i q u e s des c o u c h e s m i n c e s pulverisees en fonction de leur 6paisseur

G. PERNY, L. LAVIELLEet J.-P. SANCIER Laboratoire de Physique Appliqu(e aux Couches Minces, 61, rue Albert Camus, 68-Mulhouse (France)

(Re~u le 11 novembre 1970)

On connaa't les anomalies apparaissant pour ceitaines ~paisseurs critiques dans la courbe de variation du coefficient d'absorption et de l'indice de r6fraction des couches minces d'iodure d'Argent 1,2 en fonction de leur ~paisseur; elles sont d~nomm~es "anomalies de premiere esp~ce". Une variation de m~me type est d'autre part observ~e pour la constante di~lectrique relative r~elle, er, de tels d6pSts 3. Nous avons voulu 6tendre cette ~tude ~ d'autres compos~s. Avec des couches minces d'oxyde de Titane ou d'oxyde de Cuivre, pour des f'dms d'6paisseurs inf6rieures d 2500 A, une &ude similaire de la constante di61ectrique a mis en 6vidence une variation cyclique de cette grandeur. Dans le cas lgarticulier des d6pSts d'oxyde de Titane, l'examen des propri6t~s di~lectrique a ~t~ compl6t~ par celui de l'indice de r6fraction et une loi de variation analogue est apparue. Une ~volution p6riodique de certaines propri6t6s physiques en fonction de l'~paisseur du d6pSt semble donc caract~ristique des couches minces pulv~ris6es. Conditions exp~rimentales Preparation des couches minces

Les couches d'oxyde de Titane, de formule TiO2, sont pr6par6es par pulv~risation cathodique rSactive du titane dans une atmosph6re d'oxyg6ne sous une pression de 4 x 10 -2 Torr; pour les couches d'oxyde de cuivre, de formule Cu~ O, la pulv~risation est effectu~e darts une m61ange d'Argon et d'Oxyg6ne, ~ 70% d'oxyg6ne, ~ la pression de 10"1 Torr. Mesures di~lectrique

Pour l'6tude de la constante di61ectrique, le d6pbt h base du compos6 choisi, est effectu6 entre deux languettes m6talliques servant d'61ectrodes: la languette inf6rieure est en Aluminium pulv6ris6, afin d'assurer une bonne adh6rence de l'dectrode sur le substrat, qui est une lame de silice fondue, la languette sup6rieure est en Aluminium 6vapor6. L'6vaporation est dans ce dernier cas pr6f6rable ~ la pulv6risation, proc6d6 trop 6nerg6tique, qui risquerait d'alt~rer le d~pbt d'oxyde. A partir de la Thin Solid Films, 6 (1970) R53-R56

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capacit~ du condensateur ainsi form6, d6termin6e pour la fr~quence de 1 kHz ~ l'aide d'un pont GRC-1650 A, la valeur de la constante di61ectrique apparente du d6pbt peut 8tre calcul6e.

Mesures optiques Les indices de r6fraction des d~pbts d'oxyde de Ti~;ane sont mesur~s par la m6thode d'Abel6s4 pour la longueur d'onde de 5100 A. Cette m6thode n'est valable en toute rigueur que pour des couches non absorbantes, mais Abel6s s admet que la technique reste valable pour les couches faiblement absorbantes. I1 est d61icat de fixer la limite a partir de laquelle une couche peut ~tre consid6r~e comme peu absorbante: n6anmoins, si le coefficient d'absorption k est nettement inf~rieur ~ 1, les couches peuvent 8tre consid~r6es comme telles. Pour les d6pbts &udi6s, nous avons calcul6 que k est compris entre 0,01 et 0,04 pour la longueur d'onde de 5100 A; il s'agit donc de couches peu absorbantes et l'emploi de la m~thode de l'angle de Brewster serait justifi6. Les ~paisseurs, e, des couches minces sont d6termin6es par la m6thode interf6rentielle de Tolansky 6 .

R~sultats Darts le cas des couches minces d'oxyde de Titane, pour le domaine des 6paisseurs comprises entre 500 et 2500 A, la constante di61ectrique relative r6elle, e 'r, ~volue de faqon cyclique avec une p~riode, qui semble 8tre voisine de 500 A (Fig.l). Une courbe d'allure semblable est obtenue pour la variation de l'indice de r~fraction, n, en fonction de l'@aisseur, e, (Fig.2); un minimum de la fonction de

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Fig, l . Variation de la constante di~lectrique relaUve reelle e r de couches minces d'oxyde de titane en fonction de leur ep~sseur.

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2.5

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i 1500

2C~OQ e(A)

Fig.2. Variation de l'indice de r6fracUon n de couches minces d'oxyde de titane en fonction de leur @aisseur. corr61ation (n, e) correspondant a un extremum de la fonction de correlation (e'r, e). De mSme pour la variation de la constante di~lectrique des couches minces d'oxyde de cuivre, aux 6paisseurs comprises entre 500 et 1500 A, des oscillations apparaissent aussi (Fig.3), avec une p6riode de 250 A. I1 semble donc que les constantes di~lectriques ou optiques des couches minces pulv6ds6es pr6sentent des variations p~riodiques, et ceci quel que soit le compos6 chimique constitutif du d6pbt di61ectrique. Discussion

Les variations observ6es caract6riseraient ainsi le compos6 a l'&at de couche mince, par opposition au corps ~ l'6tat massif. En ce qui concerne la constante di61ectrique, pour les couches amorphes d'oxyde de Titane, les valeurs obtenues pr6par6es sont tantbt inf6rieures, tantGt sup6rieures h celles de l'oxyde monocristallin, qui valent 88 dans la direction de l'axe a, 113 dans la direction de l'axe c, pour la varie't6 allotropique rutile 48 pour la forme anatase 8 . Pour les couches minces d'oxyde de Cuivre, elles sont toujours sup~rieures a celles due monocristal. Quant aux indices de r~fraction de l'oxyde de Titane, les valeurs sont syst6matiquement inf6fieures a celles de l'oxyde massif; ceci est l'expression de l'inhomog6n6it6 de la couche et est observ~ fr~quemment darts le cas de films minces ~vapor6s 9. On sait par ailleurs que la texture des couches est variable avec leur 6paisseur et fortement conditionn6e par le substrat 7. A la lueur de nos exp6riences, nous 6mettons l'hypoth6se que les variations des propri6t6s, que nous avons d6crites, sont li~es a l'6volution de la texture des couches; cette ~volution ne serait en fait que le reflet d'un mode de croissance particulier, se faisant par strates successives 1°, qui expliquerait la p~riodicit& L'influence du substrat pourrait 8tre illustr6e par les valeurs diff~rentes des ~paisseurs correspondant aus maximums des courbes n = f(e) et e 'r = f(e): en effet, pour Thin Solid Films, 6 (1970) R53-R56

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Fig.3. Variation de la constante di61ectriquerelative r6elle e r de couches minces d'oxyde de cuivre, Cu20, en fonetion de leur ~paisseur. les mesures de capacit4, t'oxyde de Titane est d4pos4 sur l'Aluminium, alors que pour les mesures d'indices, le d6pbt est effectu4 sur la silice; il s'agit donc de substrats diff6rants, qui entrainent l'existence d'une zone de passage particuli6re, entre le substrat et la couche mince, dans chaque cas. Une interpr4tation des variations p~riodiques observ4es pourrait 6tre recherch4e dans l'6volution de la texture superficielle des couches en fonction de leur 4paisseur. BIBLIOGRAPHIE 1 G. Perny, M. Brendle et R. Lorang, Compt. Rend. Acad. ScL Paris, 250 (1960) 1618. G. Perny et R. Lorang, Compt. Rend. Acad. ScL Paris, 252 (1961) 4137; ibid.,253 (1961) 1659. 2 G. Perny, Compt. Rend. Acad. ScL Paris, 259 (1964) 131. 3 G. Perny et L. Lavielle, Compt. Rend. Acad. ScL Paris, 267(1968) 1271. 4 F. Abel,s, Compt. Rend. Acad. Sci Paris, 228 (1949) 553. 5 F. Abel,s, Optics of thin films. Chap. 5 in Advanced Optical Technique~ North-Holland Publ. Co., Amsterdam, 1967. 6 S. Tolansky, Surface Microphotography, Interscience, New York, 1960. 7 B. Laville Saint Martin, Th~se, Strasbourg, 1969. 8 Gmelin's Handbuch der A norganischen Chemie, Titan, Weinheim, 8 Aufl., 1959, p.41. 9 C. Weaver, Advan. Phy&, 11 (1962) 41. 10 B. Laville Saint Martin, Thin Solid Films, 5 (1970) 169. T M n Solid Films, 6 (1970) R53-R56