Utilisateur:Fabien Corneille/Brouillon1

Intro

La notion de couche mince fait référence à la présence d'un matériaux de faible épaisseur (de quelques µm à plusieurs centaines de µm) sur un substrat. Cette couche va permettre la modification des propriétés du matériaux. Il est ainsi possible de rendre un isolant conducteur en faisant un simple dépôt à sa surface. Il existe plusieurs techniques de dépôts de ces couches minces. Ces techniques vont de l'utilisation de courant électronique, jusqu'à la déposition de matériaux en phase vapeur. La déposition de couches minces est très utilisée dans le domaine optique afin de créer des matériaux réfléchissants ou au contraire pour leur donner des propriétés anti réfléchissantes. Les dépôts de couches minces se font suivant deux catégories, les dépôts physiques et les dépôts chimiques.

Techniques de déposition

Dépôts Physiques

• L'Évaporation sous vide se fait de la même manière que l'eau chauffée dans une casserole se condense sur le couvercle. En effet le dépôt sous forme liquide est chauffé jusqu'à la température d'évaporation. La matière à déposer va alors entre en phase vapeur et remonter dans l'autoclave vers la plaque où le dépôt doit être fait. La vapeur va alors se condenser sur le matériaux, pour former une couche mince. Cette technique implique que le dépôt doit être fait sur une pièce de forme simple, afin d'obtenir une couche d'épaisseur homogène sur la surface. L'évaporation doit se faire sous vide afin d'éviter toute collision entre la vapeur et toute molécule présente dans l'air, dans le cas contraire ceci entrainerait une épaisseur hétérogène. Le dépôt nécessite également la mise sous vide pour éviter toute réaction avec le milieu. La présence d'oxygène dans l'autoclave conduirait, dans la cas d'un dépôt d'aluminium, à la formation d'oxyde d'aluminium, ce qui empêcherait la formation de la couche mince.

• La Pulvérisation cathodique se fait dans une enceinte fermée. Une cathode (cible) et une anode sont soumises à des différences de potentiels élevés. La mise sous vide de cette enceinte va permettre la création d'un plasma froid, composé de particules chargées négativement et positivement. Du gaz, généralement l'argon (A+/A-) y est injecté en continu alors qu'une pompe fait le vide en continu dans l'enceinte. Le plasma étant soumit à une forte activité électrique va voir ses particules chargées négativement attirées par la cible et se déposer en surface de celle-ci. Un champ magnétique est également appliqué dans l'enceinte. Lorsque l'argon va émettre un électron, celui-ci va être retiré du "flux" des atomes arrachés de la première plaque pour aller jusqu'à la cible. Le champ magnétique évite donc les collisions entre ces électrons et les atomes qui formeront le dépôt, le champ magnétique augmente ainsi le rendement de dépôt.

Il existe différents types de pulvérisation cathodique:

1. La pulvérisation cathodique magnétron a l'avantage d'être contrôlée directement par un calculateur. En effet un quartz permet la mesure en temps réel du dépôt en faisant varier l'intensité du courant passant dans le creusé contenant le matériaux. Cette intensité va par effet joule chauffer le matériaux et l'évaporer (température allant jusqu'à 1000°C. Cependant le calculateur nécessite la connaissance de certains paramètres, comme l'inpédence acoustique du matériaux et sa densité.
2. La pulvérisation cathodique triode: en ajoutant un filament chaud jouant le rôle d’une cathode, on émet des électrons en impliquant une faible tension négative, évitant alors l'ajout d'un gaz en continue. Cette technique permet l'augmentation de la vitesse de dépôt.
3. La pulvérisation par cathode creuse.

Dépôts chimiques

• L'Enduction d'un matériaux correspond au dépôt d'un matériaux (généralement en phase liquide) sur un substrat. La couche mince peut être faite par un séchage ou encore par réticulation. Il existe différentes techniques.

1. L'enduction libre, où la pièce est immergée dans une cuve. L'épaisseur du dépôt est alors fonction du temps passé en immersion, de la viscosité du liquide, de la densité du fluide mais aussi de la tension de surface.
2. L'enduction centrifuge reprend le principe de l'enduction libre. La différence se situe dans l'immersion de la pièce. En effet ici le dépôt est plus contrôlé, puisque le liquide est déposé sur la pièce puis la centrifugeuse entre en action. Le liquide va alors se répartir sur l'ensemble de la surface. La couche peut alors atteindre des épaisseurs beaucoup plus fine.

• Le dépôt chimique en phase vapeur aussi appelé CVD consiste à rendre volatile un composé qui sera ensuite fixé par réaction chimique sur le substrat. Pour activer cette réaction, il faut un apport énergétique. C'est pourquoi il existe plusieurs types de CVD où l'apport énergétique se fait de différentes facons:
  

La CVD thermique, apporte l'énergie nécessaire sous forme calorifique par chauffage, soit par effet joule (passage d'un courant dans le creuset), chauffage par application d'un champ à haute fréquence ou alors par radiation thermique.
La CVD laser, apporte l'énergie nécessaire en irradiant localement le substrat ou la phase vapeur pour provoquer l'excitation des molécules augmentant alors leur réactivité.

Il existe également la MOCVD (organo métalliques). Cette CVD se fait grâce à des précurseurs organos métalliques qui ont dans leur structure des liaisons caractéristiques. Leur instabilité thermique conduit à la décomposition du matériaux à déposer et leur réaction à basse température rendant la technique moins coûteuse. Seulement la technique est peu précise car des impuretés sont présentes en surface et la toxicité des précurseurs rendent la technique difficile à mettre en place.

Il existe également l'ALD (dépôt en couche atomique). Dans la plupart des techniques CVD les précurseurs gazeux sont apportés en continu. Concernant la technique ALD les gaz sont ajoutés l'un après l'autre. Après chaque injection de gaz, l'enceinte est purgée pour retirer toutes les molécules de gaz n'ayant pas réagis issu de la précédente réaction.

• L'épitaxie consiste à faire croître le réseau cristallin de manière orientée. Il existe deux grands types d'épitaxie:
  

L'épitaxie par phase vapeur fait réagir deux espèce gazeuse en chauffant les creuset par effet joule. Le contrôle de l'épaisseur se fait ainsi en faisant varier le courant dans ces creusets. Cette technique est très utilisée dans l'industrie en raison de sa température très faible pour Si dans le cas d'un dépôt de GaAs.
L'épitaxie par jet moléculaire se fait quant à elle en ultra-vide à basse température, environ 850K pour GaAs. Ces couches sont ici très fines, de l'ordre de 10 à 50 Angströms. Ce procédé très précis, est également très coûteux est ne possède pas une cinétique de dépôt très élevé.
L'épitaxie en phase liquide se fait en plongeant un substrat dans un liquide. Ce liquide va alors réagir en surface du substrat pour ainsi former un couche de faible épaisseur. Cette technique bien que rapide et peu coûteuse est très approximative et ne permet pas un bon contrôle de l'épaisseur.

• L'électrodéposition se fait uniquement sur des pièces métalliques. Une anode (par exemple du cuivre) est placé dans une solution dite électrolytique(doit permettre le transfert des électrons). Cette solution contient également les ions à fixer sur la pièce métallique. Un courant électrique est alors appliqué à l'anode de cuivre et la cathode (pièce où le dépôt doit se faire). Lors de l'application d'un courant l'oxydant va perdre un électron (oxydation) et le réducteur va gagner un électron (réduction).

Exemple de la réduction de l'eau:

                                                   H2O ⇔ H+ + OH−
                                                 2 H+ + 2 e− ——> H2

On va alors avoir à l'anode une oxydation et une réduction à la cathode. Une couche va ainsi ce former ce le substrat par arrachage des électrons au matériaux à déposer, où les atomes vont alors migrer puis se lier aux atomes de surface du substrat pour se stabiliser électroniquement.

Différents matériaux

ZnO

L'oxyde de zinc très réducteur possède une structure hexagonale et une bande interdite de 3.37eV, ce qui lui confère une transition dans les UV. Le zinc est notamment utilisé pour la galvanisation des aciers. Son dépôt en couche mince peut se faire par CVD. Cette technique pose des problèmes de montage car le gaz utilisé est extrêmement toxique. La voie sol-gel est la méthode la plus utilisée. En effet un gel contenant un solvant et ZnO est étalé sur le substrat. Vient ensuite un traitement thermique pour réaliser la cristallisation de Zn en surface et faire évaporer le solvant.

SrTiO3

Cet oxyde possède une structure dite pérovskyte. Très connu dans le domaine de l'électronique pour la réalisation de transistor MOS (Métal Oxyde Semi-conducteur) ou encore MOSFET (Field effect transistor). On réalise le dépôt de SrTiO3 principalement par épitaxie sur un substrat de Silicium qui est semi-conducteur.