Elaboration Des Couches Minces HL 19 [PDF]

Zitiervorschau

Elaboration de matériaux en couches minces

Introduction : Utilisées dans de nombreuses applications des revêtements protecteurs aux composants de la micro et optoélectronique. Couche mince : réduction d’une dimension (3D→2D)  gain en matière et réduction de la distance entre 2 surfaces limites. Cet aspect quasi bidimensionnel entraîne la perturbation de la majorité des propriétés physiques (les effets de bords deviennent prépondérant, anisotropie du matériau, rupture de la symétrie). Les CM sont à l’état amorphe/polycristallin/monocristallin selon la nature du substrat et la température du dépôt.

Intérêts : • Réduction de matière et taille → réduction du coût. • Structure planaire : (1) miniaturisation et intégration de composants sous haute densité, (2) possibilité de réaliser des structures multicouches qui apportent des propriétés nouvelles liées à l’effet d’interface ou aux interférences. Ex : multicouches A/B n fois. Si A et B ne sont pas habituellement compatibles on peut les forcer à cohabiter et en obtenir des propriétés inhabituelles aux interfaces. • Développement de structures nouvelles (homo-hétérostructures). Les propriétés physiques (optiques, magnétiques, électriques, …) des couches minces dépendent de la nature (métallique, SC, isolant) et aussi de la microstructure du matériau utilisé. Les couches minces ont des propriétés différentes des matériaux massifs (densité, conductivité électrique…).

Les applications dépendent des fonctions envisagées : • Couches minces optiques : miroirs antireflets, verres teintés, conversion de l’énergie solaire • Couches minces électriques • Couches minces électroniques (diodes, affichage en couleur) • Couches minces mécaniques : résistance à l’usure mécanique ou couches dures, barrière de diffusion • Couches minces chimiques ou alimentaires : résistance chimique, couches catalytiques

Dépôts de couches minces Il existe de nombreuses techniques de dépôts de couches minces, les 2 principales : - Dépôt en phase vapeur par voie chimique (CVD) - Dépôt en phase vapeur par voie physique (PVD, physical vapor deposition) • CVD : dépôt chimique en phase vapeur

Le Dépôt Chimique en phase Vapeur (CVD), est le procédé de dépôt par évaporation chimique, qui permet d’obtenir des couches faiblement contrainte du fait d’une réaction chimique induite thermiquement. Le matériau du revêtement est apporté dans l’enceinte sous la forme d’un gaz précurseur. La vapeur se décompose alors ou réagit avec d’autres précurseurs supplémentaires, produisant ainsi un film sur le substrat. Les précurseurs sont introduits en continu dans la zone de réaction tandis que les produits résiduels sont éliminés. Les procédés CVD peuvent être réalisés sous vide ou à pression atmosphérique.

- Matériaux de départ volatils : hydrures, halogénures (M+(fluor, chlore, brome, iode, astate)), organométalliques mélangés à température convenable - Le chauffage fournit l’énergie nécessaire pour initier la réaction, dépôt, solidification. Avantages : taux de dépôts élevés (~10 nm/min), technique peu coûteuse (bâti très simple). 2 voies : CVD HT (900~1000°C) et MT (600~800°C) Inconvénients : diffusion à l’interface

Le procédé de dépôt peut se décomposer de la façon suivante : 1. Convection du réactif gazeux (flux dynamique) 2. Diffusion du réactif vers le substrat 3. Adsorption du réactif sur le substrat 4. Migration des espèces adsorbées et réaction chimique en surface => Film (couche mince) 5. Désorption des produits de réactions 6. Diffusion de ces produits à travers la couche limite 7. Évacuation

Dépôt chimique en phase vapeur A titre d'exemple, le dépôt d'un film de tungstène très réfractaire peut se faire à l'aide d'une méthode décrite par l'équation suivante :

Cette formule implique que si l'on mélange deux gaz WF et H2, une couche de tungstène peut être obtenue. Avec la méthode CVD, il est possible de déposer des matériaux métalliques, diélectriques et composites.

• PVD : physical vapor deposition : On peut classer les techniques physiques selon le vide utilisé : • Vide poussé ou ultra-vide :