Microstructure et propriétés électriques de l'oxyde de vanadium pour les microbolomètres

Les avancées technologiques dans le secteur des microsystèmes permettront dans un avenir rapproché la production à grande échelle de caméras infrarouges. La chute des prix engendrée par la production de masse des microbolomètres rendra possible leur application dans une gamme de nouveaux secteurs. L'oxyde de vanadium déposé par pulvérisation cathodique est le matériau actif de choix puisque de nombreux groupes de recherche ont réussi à en tirer des propriétés électriques permettant une bonne sensibilité des caméras infrarouges. Cependant, le nombre de phases possibles et la nature instable du dépôt par pulvérisation cathodique réactive entraînent de nombreuses contradictions dans la littérature quant à la structure souhaitée du matériau. Dans cette optique, des couches minces d'oxyde de vanadium ont été déposés et caractérisés afin d'identifier l'impact des paramètres de dépôt sur la microstructure et les propriétés électriques. L'état d'oxydation du système de dépôt, la polarisation du substrat, la pulsation à la cible, la température du substrat, l'épaisseur des couches et la puissance ont été variés de façon indépendante afin d'identifier leur impact sur la microstructure. Les couches déposées ont été caractérisées par diffraction des rayons X, spectroscopie par rétrodiffusion de Rutherford, spectrométrie des rayons X, microscopie électronique en balayage, microscopie électronique en transmission, microscopie à force atomique, réflectométrie spectrale, interférométrie optique et caractérisation électrique quatre pointes et Van Der Pauw. Les conditions du système de dépôt utilisé ne permettent pas de déposer les phases dont la composition se situe entre le V2O5 et le V7O3 à cause de l'instabilité de l'empoisonnement de la cible de pulvérisation. Puisque les couches déposées en mode oxydé avec une forte polarisation du substrat rendent les meilleures propriétés, leur mécanisme de croissance a été étudié plus en profondeur. Dans ces conditions, les ions incidents sont assez énergétiques pour déplacer les atomes de la couche, sans toutefois repulvériser celle-ci. Une relation complexe entre la microstructure, la température et l'épaisseur est observée. À travers l'épaisseur de la couche, le matériau est tout d'abord amorphe, puis une sous-couche quasi monocristalline germine, avant de céder à une sous-couche polycristalline comprenant du V3O7 lorsque déposé à haute température. Ces regerminations, également observées dans la littérature, peuvent être attribuées à une accumulation des centres de germination, à l'accumulation de contraintes, et au chauffage du substrat par le bombardement ionique.

Abstract

Recent technological breakthroughs in the fabrication of microsystems will soon allow the mass production of infrared cameras. Subsequent price cut will open many new sectors of application. Because of its electrical properties, sputtered vanadium oxide has already been identified as the leading candidate for the active material of microbolometers. However, the large number of different crystallographic phases, as well as the instable nature of reactive sputtering, have led to numerous contradictions in the existing literature. With the objective of understanding the impact of the deposition parameters on the microstructure, and of the microstructure on the electrical properties, vanadium oxide thin films have been deposited and characterised. In order to study their impact on the microstructure, oxidation state and pulse at the target, substrate bias and temperature, power, and film thickness were varied independently. The resulting thin films have been characterised by X-ray diffraction, Rutherford backscattering spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy, spectral reflectometry, optical interferometry as well as four-point probe and Van Der Pauw electrical measurements. Because of the instability of the poisoning regime, the actual system configuration forbids the deposition of phases with composition between V3O7 and V7O3. Films deposited under a strong bias in the poisoned regime having the best properties, their growth mechanism has been thoroughly investigated. Under those conditions, the bombarding ions are energetic enough to modify the structure of the underlying thin film without resputtering it. A complex relation linking temperature, thickness and microstructure is observed. As the thickness is increased, the structure changes from amorphous, to almost monocristalline V2O5 (001) oriented, to polycristalline. For higher deposition power, the polycristalline section contains V3O7 in addition to the multiple orientations of V2O5. Those germinations which have already been observed but not explained in literature can be attributed to the accumulation of germination centers, a stress buildup for the crystalline sections, and a substrate heating caused by the ions bombardment. This last effect is also suggested to be the cause of the amorphous phase crystallisation for the films with longer deposition times. Films deposited at different temperatures show the same microstructure transitions. Two different behavior regimes can be proposed as function of the adatoms' energy.