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18janvier 2015
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TECHNOLOGIE DES COUCHES MINCES

notion de couche mince

introduction

Ainsi qu'il a été montré par ailleurs, les technologies basées sur l'exploitation des propriétés spécifiques des couches, dites minces, se sont fortement développées à la fin du 20ème siècle et sont devenues l'une des voies les plus importantes de progrès tant en ce qui concerne la compréhension théorique des propriétés de la matière condensée que la miniaturisation ou le développement de nouveaux capteurs, dont la réalisation ne pourrait se faire sans cette technologie. En conséquence, ce module est destiné à mieux appréhender les concepts à la base des réalisations de pointe, présentées en détail à l’occasion des monographies sur les capteurs de mesures physiques pour l’environnement. Il sera découpé en cinq grandes sections (technique du vide, techniques de préparation des couches minces, techniques de caractérisation, propriétés, applications), elles mêmes subdivisées parfois en sous-chapitres d'importances diverses.
L'une des principales difficultés d'emploi des couches minces concerne la reproductibilité de leurs caractéristiques. Aussi nous allons en premier lieu examiner comment fabriquer, puis caractériser une couche mince. Nous nous intéresserons ensuite aux propriétés spécifiques de ces couches susceptibles d’intérêt pour les applications capteurs, étant entendu que les couches minces trouvent de nombreuses autres applications pratiques dans divers domaines tels par exemple l'optique où la mécanique dont nous parlerons un peu ici, et nous pourrons alors mieux comprendre les réalisations de quelques capteurs typiques de grandeurs d'environnement utilisant avec profit la technologie couche mince en association avec le microprocesseur pour conduire à des réalisations dites "intelligentes".

notion de couche mince

Par principe, une couche mince d'un matériau donné est un élément de ce matériau dont l'une des dimensions, qu'on appelle l'épaisseur, a été fortement réduite, de telle sorte qu'elle s'exprimera habituellement en nanomètres. Cette très faible distance entre les deux surfaces limites (cette quasi bidimensionnalité) entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. La différence essentielle entre le matériau à l'état massif et à l'état de couche mince est en effet liée au fait que, dans l'état massif, on néglige, généralement avec raison, le rôle des limites dans les propriétés, tandis que, dans une couche mince, ce sont au contraire les effets liés aux surfaces limites qui peuvent être prépondérants. Il est assez évident que plus l'épaisseur sera faible et plus cet effet de bidimensionnalité sera exacerbé, et, qu'inversement, lorsque l'épaisseur d'une couche mince dépassera un certain seuil, l'effet d'épaisseur deviendra minime et le matériau retrouvera les propriétés bien connues du matériau massif.

La seconde caractéristique essentielle d'une couche mince est que, quelle que soit la procédure employée pour sa fabrication, une couche mince est toujours solidaire d'un support sur lequel elle est construite (même si, après coup, il arrive parfois que l'on puisse séparer le film mince dudit support). En conséquence, il sera impératif de tenir compte de ce fait majeur dans la conception, à savoir que le support influence très fortement les propriétés structurales de la couche qui y est déposée. Ainsi une couche mince d'un même matériau, de même épaisseur pourra avoir des propriétés physiques sensiblement différentes selon qu'elle sera déposée sur un substrat isolant amorphe tel le verre, ou un substrat monocristallin de silicium, par exemple.

Il faut aussi noter, qu'eu égard au procédé de fabrication employé, une couche mince est souvent fortement polluée lors de sa fabrication par les molécules gazeuses environnantes, à tel point que sa structure juste après formation s'apparente sensiblement à celle d'une éponge, et que cela va évidemment avoir aussi une influence sur les propriétés physiques. On sera généralement amené à faire subir à une couche mince un traitement post-déposition destiné à en améliorer la structure, c'est à dire à éliminer au mieux les gaz occlus qui, sauf exception, n'apportent aucune caractéristique intéressante au matériau. On imagine aisément que selon la procédure employée le résultat obtenu pourra donc être sensiblement différent.

Il résulte cependant de ces deux caractéristiques essentielles d'une couche mince (bidimensionnalité et présence d'un substrat support de fabrication sur lequel la couche est construite par empilement successif d'atomes) la conséquence suivante: une couche mince est anisotrope par construction.

Les méthodes de préparation de couches minces sont extrêmement nombreuses. Nous ne citerons ici que les plus couramment employées dans le domaine de l'électronique (ce qui tendrait à exclure quasiment toutes les applications et méthodes spécifiques de la chimie, la pharmacie, la biologie...Cependant en raison de leur importance économique nous avons consacré quelques paragraphes à ces domaines).

Les principales méthodologies de fabrication utilisées par les fabriquants de composants électroniques actifs ou passifs font appel à des procédures physiques de dépôt du matériau sur un substrat initialement dépourvu de dépôt. La couche mince va donc croître en épaisseur à partir de zéro. Il est à noter que bien que l'on dispose de procédés de décapage permettant d'araser angström par angström un matériau, on n'utilise pratiquement jamais ce moyen pour obtenir une couche mince d'épaisseur donnée.

En pratique on peut distinguer deux grandes familles de méthodes, celles qui font appel à un gaz porteur pour déplacer le matériau à déposer d'un récipient au substrat et qui s'apparentent aux techniques de diffusion utilisées dans la fabrication des composants actifs, et celles qui impliquent un environnement à pression très réduite et dans lesquelles le matériau à déposer sera véhiculé grâce à une impulsion initiale de nature thermique ou mécanique.

Quel que soit le procédé utilisé, il est intuitif qu'en deça d'une certaine épaisseur une couche mince ne sera pas continue mais constituée d'ilots plus ou moins étendus et plus ou moins proches les uns des autres. Dans cette plage d'épaisseur, les propriétés sont extrèmement perturbées et ces couches, si elles présentent pour les théoriciens quelque intérêt, n'en présentent aucun pour les applications dont nous parlons ici. Nous ne nous intéresserons donc qu'à des couches dites continues. Il convient de noter que l'épaisseur pour laquelle la continuité apparait, au sens électrique du terme, dépend à la fois du matériau et du procédé de fabrication, ainsi une couche mince d'or fabriquée sous certaines conditions sera continue dès 15 nm, tandis qu'avec de l'argent la continuité dans les mêmes conditions de fabrication n'apparaitra qu'à environ 30nm et qu'avec un alliage cuivre-nickel nous avons, toujours dans les mêmes conditions de préparation, obtenu la continuité dès 2nm, soit seulement une moyenne de 6 couches atomiques!

Afin de bien comprendre les processus mis en oeuvre lors de la préparation, il importe, en premier lieu, d'examiner l'environnement de fabrication d'une couche mince et le mode d'obtention de cet environnement, en un mot de parler de technique du vide. Ce sera l'objet du prochain chapitre.