Les procédés de dépôts des couches minces

II.1.1 Les Procédés physiques II.1.1.1 Évaporation

Épitaxie par jet moléculaire (MBE): Cette technique consiste à évaporer une source sous vide par chauffage et le jet moléculaire ainsi créé est envoyé en direction du substrat. C’est une technique qui permet un contrôle de la croissance et des épaisseurs des couches, cependant lente et coûteuse. Ablation laser: Elle peut être directe et relative

Méthodes générales pour déposer une couche mince

Dépôt physique (PVD) Milieu plasma Pulvérisation cathodique Dépôt chimique et électrochimique Poudres Sérigraphie Coulage EPD Milieu de gaz CVD Laser CVD Plasma CVD Milieu liquide Sol- gel Spray Électrodéposition Milieu vide poussé

Évaporation Ablation laser

Le principe de la directe consiste à bombarder la cible avec des particules énergétiques et lorsque la densité de puissance est suffisamment élevée, une certaine quantité de matière est éjectée de la cible, perpendiculairement à la surface, et va se déposer sur le substrat chauffé placé en face. Le principe de la réactive consiste à vaporiser une cible en présence d'un gaz réactif avec un faisceau laser à impulsion de forte intensité. Le plasma laser qui se forme au-dessus de la cible est susceptible de réagir directement avec le milieu ambiant pour former des molécules et des espèces que l'on peut collecter sur un substrat adéquat.

L'ablation laser présente un certain nombre d'avantages dont sa simplicité de mise en œuvre. Elle permet d’avoir un transfert stœchiométrique des éléments métalliques de la cible vers le substrat même dans le cas de matériaux complexes, d'utiliser des pressions élevées d'oxygène, de réaliser des structures multicouches de matériaux différents. De plus, cette technique ne nécessite aucune source thermique polluante à l’intérieur de l’enceinte et offre aussi une bonne adhérence. Cependant son principal inconvénient est la formation de gouttelettes de dimension nuisant à l'état de surface des films, la formation d’une plume de plasma, une vitesse de dépôt faible ainsi que des problèmes d'uniformité en épaisseur [30].

II.1.1.2 Pulvérisation

Pulvérisation classique: Dans cette technique, le matériau à déposer (cible) est fixé à la cathode, et l’anode, servant aussi de porte substrat est disposée parallèlement à la cible. Un gaz neutre ou réactif est introduit dans l’enceinte de dépôt et est ionisé par l’application d’un champ électrique entre les deux électrodes; ainsi les ions négatifs sont attirés par l’anode et des ions positifs par la cible (cathode), la bombarde et des atomes du matériau seront éjectés pour se déposer sur le substrat [31]. Les paramètres influant sur la qualité du dépôt sont la pression du gaz dans l'enceinte, la puissance de l'alimentation qui va agir sur la vitesse de dépôt, et la température du substrat. Pulvérisation magnétron: Dans cette technique un champ magnétique est produit par des aimants afin de piéger des électrons dans des configurations de boucles fermées; en effet, les trajectoires électroniques s'enroulent autour des lignes de champ augmentant considérablement le taux

d’ionisation des atomes du gaz au voisinage de la cathode qui entraîne une vitesse de pulvérisation et donc un dépôt plus important. Cette technique provoque l’ionisation du gaz à une pression plus basse que celle de la pulvérisation classique; ce qui améliore la pureté des revêtements.

Pulvérisation à canon à électron: Cette technique consiste à apporter suffisamment d’énergie sur un matériau à l’aide d’un faisceau d’électrons créés par effet thermoélectrique. Sous l’action conjuguée d’une différence de potentiel électrique et d’un champ magnétique, la trajectoire du faisceau est focalisée sur la charge à vaporiser (cible). Les atomes pulvérisés sont déposés sur des substrats formant ainsi les couches minces désirées.

Ces différentes techniques ont l’avantage d’une grande popularité en milieu industriel par leur simplicité de mise en œuvre; elles permettent le dépôt de n’importe quel matériau solide à température ordinaire tels que les métaux et les diélectriques. Cependant ils sont moins performants que CVD par exemple au niveau du nombre de couches traitées simultanément et de la vitesse de dépôt. Aussi certains matériaux tels que les solides organiques (peu stables à cause de l’élévation de la température) et les polymères qui possèdent de très longues chaînes moléculaires ne peuvent pas être pulvérisés.

II.1.1.3 Dépôt par projection thermique

Le principe consiste à projeter sur un substrat, des particules fondues du matériau à déposer à l’aide d’un plasma thermique généré par RF ou par arc électrique [32].

II.1.2 Les procédés chimiques et électrochimiques II.1.2.1 Dépôt chimique en phase vapeur

Le CVD consiste à réaliser sur un substrat chauffé une couche par réaction chimique à partir d’espèces réactives en phase gazeuse (figure II-2). Son avantage est que les dépôts sont homogènes, denses, et présentent une bonne adhérence sur le substrat; les inconvénients sont la

présence de gaz corrosifs dans le réacteur, la nécessité de hautes températures et la faible vitesse de croissance de la couche [33].

Figure II-2: Schéma et photo de processus de CVD

II.1.2.2 Dépôt par couches atomiques

La technique de dépôt chimique en phase vapeur à flux alternés est appelée ALD (Atomic Layer Deposition) ou Atomic Layer Epitaxy (ALE). Elle peut être considérée comme une CVD

"séquentielle" car les précurseurs évaporés sont alternativement propulsés sur le substrat et non simultanément. Pour le choix du précurseur il faut tenir compte de la volatilité et la stabilité du précurseur à la température de dépôt [34]. Les molécules de précurseurs doivent présenter une affinité suffisante pour le substrat puis pour la couche en cours de formation. L’ALD est basée sur des réactions de saturation de surface (chimisorption entre le précurseur en phase gazeuse et le substrat). La croissance du film dépend de la pression partielle du précurseur, du temps de mise en contact entre le substrat et le précurseur et du nombre de sites réactionnels sur la surface.

II.1.2.3 Dépôt électrochimique en phase vapeur On distingue deux types de dépôt par EVD

Plasma d’oxygène

Injecteur Précurseur

L’électrolyse: Le substrat est pris comme électrode dans un électrolyseur et le dépôt se forme par réduction cathodique ou oxydation anodique de l’espèce dissoute.

Déplacement chimique redox: Dans cette technique, le substrat réduit l’espèce dissoute qui se dépose à sa surface. Ses inconvénients sont les hautes températures, la présence de gaz corrosifs tels que les vapeurs de précurseurs de type halogénures, les vitesses de croissance relativement faibles.

II.1.2.4 Le procédé sol-gel

Une solution contenant un mélange d’alkoxydes est placée sur la surface d’un substrat, hydrolysée et poly condensée par évaporation. Comme le montre la figure II-3, le procédé sol-gel peut se faire soit par trempage du substrat dans la solution (dip-coating) ou par projection par un disque tournant (tournette ou spin-coating). Ces procédés sont souvent utilisés pour la préparation des matériaux cathodiques et des matériaux envisageables pour les plaques d’interconnexion [35] [36].

Figure II-3: Les procédés sol-gel: disque tournant (a) et trempage (b).

II.1.2.5 Sérigraphie

Le principe de la sérigraphie (Screen printing) consiste à mélanger le matériau avec un diluant chimiquement inerte de viscosité convenable. Ce mélange présente alors des propriétés de thixotropie favorable au passage forcé à travers une grille très fine. Des parties recouvertes de résine étanche et des parties libres à travers lesquelles le mélange peut traverser sous l’effet d’une pression exercée par séchage (évaporation du solvant) sont prévues sur la grille. Après un recuit à

haute température, on obtient des couches épaisses et bien délimitées. Cette méthode permet de préparer des électrolytes d’une épaisseur comprise entre 10 et 200 µm avec un faible coût [37].