les applications des couches minces

La mise en oeuvre de technologies de fabrication de couches minces a conduit à de nombreuses applications dans des domaines très divers. Nous citerons, sans prétendre être exhaustif, le domaine des composants électroniques, celui des transducteurs pour capteurs, l'optique, la décoration et la protection des surfaces et bien &videmment le domaine en forte expansion des nanotechnologies. Selon le type d'application les procédés de fabrication sont plus ou moins complexes mais ils relèvent tous des procédés décrits dans le chap_cm2.htm. Nous allons expliciter ci-dessous ces principaux domaines d'application en insistant évidemment un peu plus sur ceux liés à l'instrumentation.

couches minces dans les composants et dispositifs électroniques

l'interconnexion

Dès le début du développement des composants semiconducteurs intégrés les technologies couches minces se sont révélées d'un intérêt fondamental pour assurer les interconnexions entre éléments distants d'une même puce. Pour cela trois matériaux ont été principalement utilisés. En premier lieu, l'aluminium qui est facile à déposer par évaporation thermique, bon conducteur de l'électricité, facile à interconnecter à un fil de liaison en aluminium par soudure à ultra-sons et d'un coût modique. C'est le matériau type exploité dans des circuits tels les amplificateurs opérationnels.

ex d'ampli-op : en blanc les couches d'aluminium servant aux interconnexions

Typiquement on va l'utiliser sous forme de couches de 2 à 3µm d'épaisseur.

L'or qui présente l'avantage d'une meilleure conductibilité et aucun risque d'oxydation va être employé aussi, mais plus fréquemment pour assurer les interconnexions entre éléments discrets en technologie hybride. Dans ce cas il arrive qu'on interpose entre la céramique support et la couche d'or une sous-couche d'accrochage de chrome de < 30nm d'épaisseur. Les liaisons vers l'extérieur se font alors par thermocompression ce qui exige une surépaisseur d'or obtenue par galvanoplastie aux endroits concernés.

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circuits hybride avec liaisons par couches d'or

Depuis quelque temps on a commencé à exploiter des couches de cuivre comme matériau d'interconnexion car le cuivre présente l'avantage d'avoir la plus faible résistivité ce qui se révèle très important dans les dispositifs ultra miniaturisés fonctionnant à des fréquences très élevées tels les microprocesseurs à 1GHz et au delà

les couches techniques pour des dispositifs électroniques

Les couches minces servent aussi beaucoup à la réalisation de dispositifs techniques très employés telles les têtes de lecture des disques durs (couches magnétiques) de nos ordinateurs, mais aussi les têtes d'impression de nos imprimantes à jet d'encre et bien entendu les cellules solaires (constituées de couches de Si amorphe).

cibles de pulvérisation cathodique pour applications électroniques

technologies pour les capteurs

L'exploitation des technologies couches minces pour la réalisation de capteurs physiques ou chimiques est très importante. En pratique on va constater plusieurs catégories d'applications. On peut distinguer les applications impliquant le silicium comme substrat et les autres.

substrat silicium

Lorsqu'on utilise des couches sur support silicium, c'est qu'on associe toutes les technologies silicium (nanotechnologies) aux technologies couches minces. Le silicium va servir à la fois de support pour les couches minces, mais aussi de corps d'épreuve pour le capteur et de support pour les composants électroniques associés au capteur (conditionneur). Les couches minces pourront être en silicium (dépôt par épitaxie d'une couche de type P sur une couche N ou inversement), mais aussi de type monométalliques ou alliages (cas de divers capteurs de mesure physique : résistance, couche magnétique...). Il peut aussi s'agir de capteurs chimiques (couches d'oxydes métalliques).

substrat céramique

Dans un certain nombre de cas les couches sont déposées sur un substrat de céramique ou de verre spécial. Notons que pour un certain nombre d'applications capteurs, et tout particulièrement dans le domaine des capteurs chimiques on aura des empilements de couches. Une sous-couche d'adhérence en chrome est fréquemment employée, lui est strictement superposée une couche résistive qui jouera souvent un double rôle d'élément chauffant et de capteur de température. Puis on trouvera la couche active à proprement parler avec parfois une couche d'interface isolante entre l'élément chauffant et l'élément sensible. C'est dans ce type d'applications que les caractéristiques spécifiques (électriques et structurales) des couches minces sont véritablement le mieux exploitées.

substrat métallique

Parfois le support est métallique (membrane de capteur de pression par ex.) et ici encore on va retrouver un empilement sophistiqué de couches diélectriques assurant la liaison mécanique entre la membrane et l'élément sensible qui sera souvent une couche mince d'alliage.(voir par ex le chapitre capteurs de pression)

couches pour l'optique

En optique on va exploiter la technologie couche mince principalement pour deux types d'application, d'une part les couches réflectrices et, d'autre part, les couches au contraire anti reflet.

couches réflectrices

groupe de pompage industriel en phase de chargement

Dans le premier cas on va trouver les applications de type miroir plan ou non (par ex : miroirs astronomiques) et surtout réflecteurs complexes telles les optiques de phare de véhicules automobiles qui sont effectivement des dispositifs métallisés sous vide et comportant une couche d'aluminium. Cependant il faut noter que cette couche d'aluminium est relativement fragile et supporte mal des conditions d'environnement sévères. Aussi doit-on la protéger par une couche de silice, déposée par ion plating, immédiatement après le dépôt d'aluminium, c'est à dire dans le même cycle de vide. Notons que les réflecteurs automobile sont parfois en tôle et parfois en plastique avec éventuellement un vernis en sous-couche.

système de métallisation de phares (détail)

films anti-reflets

Les couches anti-reflets et/ou anti-UV sont réellement des couches minces et souvent même très minces (<10nm) constituées d'empilement de divers matériaux. On les trouve sur toutes les optiques photographiques, certains verres de lunettes, quelques pare-brises de voiture...

couches de protection

Les dépôts en couche mince peuvent aussi être employés, lorsqu'il s'agit de matériaux inaltérables pour protéger ou renforcer une surface métallique.

couches anti-corrosion

On peut citer dans cette famille d'applications les pare chocs nickelés (et non chromés comme le veut le vocabulaire populaire) : acier recouvert d'une couche d'accrochage de chrome de quelques dizaines de nanomètres (qui est mate) recouverte d'une couche de nickel (brillant). Le nickelage est obtenu par galvanoplastie en général, mais il arrive que pour des pièces nickelées destinées à des dispositifs à hautes performances techniques (satellites par ex.) on exploite la technique de pulvérisation cathodique.

surfaces dures

On va aussi trouver des applications de dépôt en surface pour assurer non seulement une protection contre la corrosion, mais aussi un renforcement de la dureté de la surface, c'est par exemple le cas des lames de rasoir dont la surface est recouverte d'une microcouche : soit de platine, soit de titane. Certains forets sont ainsi recouverts d'une couche de titane qui leur confère une bien plus grande dureté avec un coût de fabrication bien moindre que s'ils étaient usinés intégralement en titane. Les outils de tour sont ainsi recouverts d'une couche de l'ordre du micron de nitrure de molybdène ou de titane obtenues par dépôts en phase vapeur (LPCVD).

surfaces de frottement

Inversement dans le domaine de la tribologie les techniques d'évaporation réactive ou d'ion plating sont susceptibles de conduire à des états de surface améliorés garants d'une diminution des frottements et donc d'une augmentation de la durée de vie de dispositifs en état de frottement permanent tels des engrenages.

éléments pour la décoration

Un autre aspect de la technologie couche mince est son emploi dans l'industrie de luxe pour des applications de décoration. Nous citerons les dépôts de couches minces d'or sur les bouchons de certains flacons de parfum et de nombreux dispositifs similaires, tels les bijoux. L'intérêt est évidemment ici d'utiliser une quantité minimale du matériau pour obtenir un effet visuel donné, via un process de pulvérisation cathodique. En pratique on aura aussi le plus souvent une sous couche de chrome pour assurer l'adhérence de l'or sur le plastique du bouchon, prédéposée elle aussi par pulvérisation cathodique.

nanotechnologies

Un domaine issu à la fois des technologies couches minces pour la microélectronique et de la recherche pharmaceutique, et permis grâce aux recherches sur la microscopie en particulier la microscopie à effet tunnel qui permet la visualisation unitaire des atomes, est celui des nanotechnologies. L'idée de base des nanotechnologies repose sur l'organisation de la matière atome par atome. Les technologies couches minces se prêtent par principe à la réalisation de dispositifs conçus par superposition de couches monoatomiques à partir de sources multiples.Dès lors qu'on dispose d'un microscope permettant de suivre monocouche par monocouche la réalisation d'un dispositif, il n'existe quasimentt plus de limites à des réalisations diverses s'appliquant à de nombreux domaines.

Initialement c'est la microélectronique qui a été le premier domaine d'application, et c'est pour le développement de ce domaine qu'ont été mis aux points les outils permettant de manipuler les atomes un à un.

Ensuite l'industrie pharmaceutique s'est appropriée ces outils et les a utilisés à la conception de molécules organiques par empilement contrôlé d'atomes dans l'optique de réaliser des médicaments hyperactifs.

Vers 1990, une équipe de chercheurs découvrit qu'on pouvait à l'aide de ces outils empiler des atomes de carbone et réaliser ce qu'on appelle des nanotubes, structure connue depuis fort longtemps mais dont on ne savait pas contrôler la réalisation, et dont les applications pratiques se sont révélées multiples. Les nanotubes de carbone suscitent un énorme intérêt dans le monde de la recherche autant fondamentale qu'appliquée car leurs propriétés sont exceptionnelles à bien des égards.
D'un point de vue mécanique, par exemple, ils possédent une rigidité équivalente à celle de l'acier à celle de l'acier, tout en étant beaucoup plus légers. Les nanotubes monofeuillets ont en plus la particularité de pouvoir être soit métalliques soit semi-conducteurs en fonction de leur géométrie (diamètre des tubes et courbure) ce qui est évidemment très original. Ainsi on pourrait imaginer remplacer les métaux dans la carlingue des avions ce qui à solidité équivalente permettrait des économies de carburant conséquentes. Bien évidemment ces nanotubes peuvent être remplis de diverses molécules en particulier organiques pour de multiples applications potentielles. Par exemple, on envisage de remplacer le filament des ampoules électriques, normalement en tungstène par un nano-ruban qui à température égale aurait un rendement lumineux supérieur à celui du tungstène car en plus de l'émission lumineuse due à l'effet de corps noir se rajoute un effet de luminescence. La cosmétique est aussi très intéressée par ces nanostructures.
Il convient cependant de noter leur toxicité tant vis à vis du personnel lors de leur fabrication, que pour les usagers lors de leur utilisation en raison de leur petitesse et de leur facilité à s'introduire dans diverses cellules du corps humain avec des conséquences imprévisibles.

	Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	6 pages à l'impression			version initiale 2002
	INFORMATION				dernière mise à jour 25 mars 2015

dispositifs électroniques	l'interconnexion
technologies pour les capteurs	une multitude d'applications
couches pour l'optique	les filtres interférentiels
couches de protection	l'outillage
éléments pour la décoration	les flacons
nanotechnologies	un avenirr faramineux
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