La création de l’effet transistor dans les années 1947 a permis à la microélectronique de se développer très rapidement. Actuellement, elle se trouve dans différents secteurs comme l’automobile, l’informatique, les télécommunications voire la médecine. En outre, la microélectronique et l’industrie du logiciel ont contribué à réaliser de nombreuses innovations.
Maintenant qu’elle s’intéresse aux techniques de dépôt de couche mince, il est indispensable d’en apprendre davantage sur ce sujet. Découvrez alors ce qu’est le dépôt de couche mince et son importance. Ensuite, quels sont les différents types de technique et leur mode de fonctionnement. Puis, les avantages et les inconvénients procurés par ces dépôts de couches minces. Enfin, le mode d’utilisation du dépôt de couches minces dans l’industrie.
Qu'est-ce que le dépôt de couches minces et pourquoi est-il important ?
Le dépôt de couche mince peut se traduire comme un ensemble de procédés ayant pour objectif de mettre la couche mince ou film mince sur la surface substrat. En revanche, il existe certaines techniques qui permettent de déposer quelques nanomètres de couches en plus. Grâce à la technique de dépôt de couche mince, il est possible de créer plusieurs composés autrefois impossibles à réaliser. Cette fabrication de composés se rencontre dans :
- Le domaine de l’optique lorsqu’il est question de revêtement réfléchissant ou anti-reflet
- Le secteur de l’électronique par la mise en œuvre de couches d’isolants, conducteurs ou semi-conducteurs pour les circuits intégrés.
Types de techniques de dépôts de couches minces
Deux grandes catégories de techniques de dépôt de couches minces peuvent être observées :
- D’une part, le type de technique de dépôt chimique
- D’autre part, la méthode de dépôt physique de couche mince
La technique de dépôt chimique ou CVD
Lorsqu’un fluide précurseur est soumis à une réaction chimique, il laisse des traces de couches solides. Comme le fluide est posé sur une surface solide, cette dernière est entièrement recouverte. Voici quelques exemples de dépôt chimique de couche mince :
- Les revêtements
- Le procédé sol-gel
- L’enduction centrifuge ou spin-coating
- Le dépôt en phase vapeur…
La technique de dépôt physique de couche mince ou PVD
Cette deuxième catégorie de technique de dépôt de couche mince inclut dans son sillage des procédés mécaniques, électromécaniques, et même thermodynamiques. Cela a pour objectif la production et le dépôt de couche mince solide. Le substrat placé en dessus soutirera l’énergie des particules contenues dans le matériau. Le maintien de ce système dans une chambre sous vide est fait pour deux raisons :
- Tout d’abord, pour permettre un mouvement plus rapide des particules
- Puis, pour limiter la présence d’atomes ou de molécules dans l’environnement. Il y a donc soit une évaporation sous vide, soit une pulvérisation cathodique.
Comment fonctionne chaque technique de dépôt de couche mince ?
Un matériau est catégorisé parmi les couches minces lorsqu’il possède une épaisseur comprise entre les couches atomiques et les microns. La manière dont fonctionne chaque technique est différente. De ce fait, découvrez leur mode de fonctionnement respectif.
Le mode de fonctionnement via le dépôt chimique de couche mince ou CVD
Mettre en contact un composé volatile provenant d’un matériau avec un autre gaz fait partie des principales attributions de la technique de dépôt chimique. La rencontre entre le gaz et le composé volatile donnera lieu à une réaction chimique et créera par la suite un produit solide. Les énergies utilisées pour activer la réaction chimique sont diverses. Vous pourrez donc choisir entre :
- La CVD thermique qui utilise la température substrat pour pouvoir enclencher la réaction chimique. Cette température est obtenue soit par chauffage direct, soit par chauffage par induction ou bien par radiation thermique.
- L’organo-metallic CVD ou OMCVD qui permet la décomposition des divers composés précurseurs en utilisant une température basse.
- Le laser CVD (LCVD) qui peut être un faisceau continu ou pulsé et permet de stimuler les molécules. Ce procédé a pour but d’accroître la réactivité des espèces gazeuses.
- Le plasma-enhanced CVD (PECVD) et la phase gazeuse sont exposés à un champ haute-fréquence. Cette exposition va provoquer la formation d’espèces actives (ions et radicaux libres) d’un point de vue chimique.
Le fonctionnement de la technique de dépôt physique ou PVD
La technique de dépôt physique ou PVD tient compte de trois composants :
- La production de la vapeur peut se faire sous forme d’évaporation sous vide, de pulvérisation cathodique ou bien de procédés par ares. La première consiste à offrir une pureté extrême aux couches par effet joule, par induction de chaleur, par bombardement ionique, etc. La seconde se fait par ionisation de l’atmosphère en installant une tension électrique suffisante sur les deux électrodes. La dernière, quant à elle, est obtenue par l’érosion d’une ou de plusieurs cathodes avec l’utilisation d’arcs électriques ayant une forte intensité.
- L’état électrique du substrat pourra permettre l’accroissement de la densité relative de dépôt de couche mince. Cette augmentation est favorisée par la pulvérisation des atomes, quel que soit le procédé de mise en phase vapeur. Il peut même arriver que le substrat soit débarrassé de toutes impuretés avant l’enclenchement de la mise en phase vapeur.
- La nature du gaz qui constitue le milieu contribue fortement à la formation d’un bon composé. Il s’agit le plus souvent de dépôt de couches d’oxyde, de carbure ou de nitrure. L’introduction de ce type de couches dans l’enceinte d’un gaz réactif (oxygène, azote, méthane…) est un grand avantage.
Avantages et inconvénients de chaque technique
Chaque technique est différente.
La technique CVD
Les forces :
- L’obtention d’une meilleure conformité des films grâce à la réactivité de la surface du substrat
- L’amélioration du contrôle des diverses compositions
- La possibilité d’avoir des dépôts sélectifs sous certaines conditions
- La réduction des coûts de production grâce à une importante capacité de traitement
Les faiblesses :
- Inapproprié pour le fraisage en raison de la température très élevée utilisée par le CVD
- Le CVD est surpassé par le PVD en matière de revêtements céramiques et composites
- La température élevée du CVD peut provoquer des fissures sur les revêtements
- L’existence de contraintes résiduelles causées par la chaleur intense au moment du processus de refroidissement
La technique PVD
Atouts :
- La résistance à l’usure ainsi qu’une bonne stabilité chimique
- L’amélioration de la liaison entre couches minces et les matériaux de la matrice d’outil
- La création de la première génération de revêtement TIN qui est multi-composite (TIC, TICN, ZrN…)
- La possibilité d’offrir une bonne conductivité électrique et une excellente résistance à la réflexion
Faiblesses :
- La nécessité de recourir à l’utilisation de recuits
- L’utilisation de matériel sophistiqué et coûteux
- Les dépôts de métal entraînent la salissure de la machine
- Le PVD ne permet pas la déposition de tous les matériaux
Applications du dépôt de couches minces dans l'industrie
Les dépôts de couche mince en phase vapeur sont appliqués en industrie selon leur propriété. Cette dernière peut relever du domaine :
- Mécanique quand il est question de résistance contre l’érosion, l’abrasion et le frottement
- Optique lorsqu’il s’agit de réflexion, de détection et de transmission des rayonnements
- Électrique quand il est question de conduction et d’isolation
- Physico-chimique lorsqu’il s’agit de barrières de diffusion, de résistance à la corrosion ou bien encore de catalyse.
Les applications de dépôt de couche mince dans l’industrie se rapportent à la technique ALD ou Atomic Layer Deposition. Elle consiste plus particulièrement à accroître la mono-couche. Cela se produit grâce à la déposition successive des pulses du précurseur en métal sur la surface substrat. L’objectif de cette technique est de :
- Purger le réacteur de toutes les espèces n’ayant pas réagi après chaque dépôt de couches minces
- Se débarrasser des éventuels sous-produits qui n’ont pas réagi durant la chimisorption
Pour obtenir l’épaisseur souhaitée, il est tout à fait possible de réitérer cette action autant de fois que possible.
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