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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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Technologies
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1. Généralités
Un tableau des sigles et abréviations peut être consulté à la fin de l’article.
1.1 Définitions
En microélectronique, deux tendances majeures s’affrontent : le monolithique et l’hétérolithique. Ces deux tendances se distinguent essentiellement par la nature et par les propriétés de leur substrat.
Un circuit intégré monolithique se caractérise par un substrat de type semi-conducteur, lequel participe à la fonction « active » par ses propriétés intrinsèques. Cela n’exclut pas que des éléments puissent être rapportés sur le substrat, en particulier un réseau d’interconnexions en couches minces.
Un circuit intégré hétérolithique (ou hybride) se caractérise par un substrat isolant, ou rendu isolant, sur lequel l’ensemble des fonctions passives et actives est reporté, y inclus les fonctions d’interconnexion sous forme de réseau filaire, plaqué ou déposé, en couches minces ou épaisses.
Comme rien n’est simple, il apparaît qu’aujourd’hui, un substrat isolant peut aussi contenir des composants enfouis ou enterrés à l’intérieur du matériau. Il apparaît aussi que le substrat peut être de type semi-conducteur isolé et que dans certains cas même, il peut participer à la fonction active de l’ensemble. Il devient alors de plus en plus difficile de distinguer s’il s’agit d’un circuit intégré monolithique ou d’un circuit intégré hybride.
Parlant de circuits en couches minces, nous nous attacherons néanmoins plus particulièrement à la notion de circuit hybride, dans laquelle la couche déposée peut être aussi bien conductrice qu’isolante, mais aussi composant passif.
Cela n’ayant pas encore levé le doute sur la comparaison couche mince/couche épaisse, essayons d’y voir plus clair. Selon les métallurgistes [1], mais aussi certains électroniciens [2], les couches minces en électronique vont de quelques couches atomiques (soit ~ 10 Å) à plusieurs dizaines de micromètres (jusqu’à 100 µm). Les couches épaisses se situeraient au-delà. Cependant, la recherche de hautes performances à coûts faibles a conduit à travailler les couches épaisses dans le sens d’une augmentation de leur densité donc de la réduction de leur épaisseur...
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