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Auteur(s)
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Michel MASSÉNAT : Docteur en physique de l’université de Bordeaux - Expert auprès de la Commission européenne - Consultant
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La principale ambiguïté attachée à la technologie des couches minces est contenue dans son nom, à savoir la notion de couche mince comparée à celle de couche épaisse. La notion d’épaisseur est-elle suffisante pour distinguer l’une de l’autre ? Certainement pas, tant les différents auteurs sont partagés sur le sujet. Je lui préfère quant à moi les notions de propriétés électriques et physiques, de matériaux déposés et de procédés de dépôt.
Les couches minces sont utilisées depuis plusieurs décennies dans un grand nombre d’applications. Les plus anciennes et encore les plus répandues sont probablement les applications optiques. La métallurgie et la photographie ont également utilisé les couches minces mais dans les applications les plus modernes, on rencontre maintenant la chimie, la biochimie et la médecine, autour de capteurs de toutes sortes, de gaz mais aussi d’ADN (les biopuces).
Dès les années 1960, le besoin d’intégrer les fonctions électroniques a conduit à utiliser la technologie des couches minces pour la réalisation des tout premiers circuits intégrés, les circuits intégrés hybrides ou CIH, en concurrence avec les technologies d’intégration monolithiques sur silicium.
Au début des années 1980, les technologies à couches épaisses détrônent les premières, handicapées par leur coût de réalisation et certaines difficultés techniques à réaliser des multicouches. Seules des applications très spécifiques comme les réseaux de haute précision, les circuits hyperfréquences, certains capteurs, subsistent alors en couches minces.
La notion de « multichip module » (MCM ou module multipuce) apparaît vers 1985 et, grâce à certaines innovations techniques, redonne un certain intérêt aux couches minces, qui retrouvent dans ces applications l’opportunité d’exploiter entièrement leurs capacités d’intégration (voir l’article suivant Circuits en couches minces- MCM et techniques connexes).
Mais l’histoire ne fait que se répéter. L’intégration monolithique ne cesse d’évoluer et de gagner du terrain sur l’intégration hétérolithique, la poussant à évoluer à son tour. Si les MCM sont la réponse (hétérolithique) d’aujourd’hui aux limitations rencontrées par les ASIC (monolithique), les SOP (hétérolithique) seront la réponse de demain aux SOC (monolithique) qui tentent de prendre aujourd’hui la place des MCM. Il est certain que dans les SOP, super hybrides comprenant à la fois interconnexion de haute densité, électrique et optique, composants actifs et composants passifs, dispositifs de refroidissement et, pourquoi pas, microsystèmes électromécaniques, les couches minces électroniques prendront, plus que jamais, une place de choix.
L’auteur tient à remercier monsieur Thierry Lemoine, chef de département Céramique et Packaging à Thalès TRT, responsable du laboratoire commun LABCOM BGCC/TRT, ainsi que monsieur Sylvain Schmitt, ingénieur CNRS/IN2P3, pour l’aide qu’ils lui ont apportée dans la rédaction et la correction de ce document.
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4. Conclusion
Les couches minces sont présentes partout. Sans elles, il n’y aurait bien sûr pas de circuits intégrés monolithiques car il ne serait pas possible d’interconnecter les milliers, sinon les millions, de transistors que les techniques de diffusion permettent aujourd’hui d’intégrer sur quelques centimètres carrés de silicium.
Mais au-delà de l’électronique monolithique et des circuits intégrés, toute l’électronique est concernée. Une majorité de capteurs, de senseurs, aujourd’hui en couches minces, sont le point de départ de nombreuses fonctions électroniques, en délivrant un signal analogique représentatif du paramètre mesuré : température, pression, déformation, flux, lumière, champ magnétique, phénomène chimique, etc.
Comme on l’a vu, les couches minces interviennent encore une fois dans la conversion de ce signal analogique en un signal numérique, lequel est ensuite traité dans un calculateur monolithique.
Dans bien des cas, en particulier lorsque la fréquence de fonctionnement est élevée (domaines des radiofréquences et des hyperfréquences), le circuit électronique en éléments discrets nécessite des composants passifs : résistance, condensateur, inductance, etc., dotés d’une grande stabilité, d’une très haute précision et d’un coefficient de température faible, sinon parfaitement connu et maîtrisé. Ce sont encore les couches minces qui permettent de réaliser de tels composants.
Toutes ces fonctions ont de tous temps été l’apanage des techniques en couches minces et aucune autre technique n’a vraiment tenté de concurrencer ces dernières sur ce terrain. Aujourd’hui, nous pouvons même considérer que nous avons tous dans notre poche, du moins tous les possesseurs d’un téléphone cellulaire, un composant en couche mince, le filtre à ondes acoustiques de surface qui assure la fonction de filtrage de cet appareil.
La nouveauté des couches minces réside dans l’interconnexion de haute densité. Les couches minces ont tenu le terrain de l’interconnexion, principalement dans le cas des hybrides à puces nues, pendant de nombreuses années, jusqu’à ce que les couches épaisses, plus faciles à mettre en œuvre et moins coûteuses, apparaissent début 1980 et s’emparent de ce domaine. Mais cette perte d’influence n’aura duré qu’une dizaine d’années, ce qui est très court à l’échelle...
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