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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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Lire l’articleINTRODUCTION
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 ).
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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2. Technologies
2.1 Techniques de réalisation et physique des couches minces
Il existe trois modes principaux de dépôt de couches, en général utilisables en électronique : sous vide, par dépôt chimique, par sérigraphie et cuisson. Seuls les deux premiers correspondent aux couches minces.
Il existe plusieurs méthodes de dépôt des couches minces, adaptées chacune à un type de couche. Pour un matériau donné, il peut exister plusieurs méthodes valables, et le choix parmi celles-ci peut dépendre des problèmes de compatibilité (possibilité de chauffer ou non le substrat, nature des couches sous-jacentes déjà déposées), ainsi que des coûts de dépôt et des performances souhaitées en termes de dérives dans le temps et en température.
Les principales méthodes disponibles sont :
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les méthodes de dépôt par voie physique ou PVD (physical vapor deposition), parmi lesquelles :
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l’évaporation sous vide,
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la pulvérisation cathodique,
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le canon à électrons,
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le dépôt laser pulsé (DLP) ;
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les méthodes de dépôt par voie chimique ou CD (chemical deposition), parmi lesquelles :
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le dépôt chimique en phase vapeur (CVD),
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le dépôt à basse pression (LPCVD),
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le dépôt assisté plasma (PECVD) [8],
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l’oxydation anodique,
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les dépôts par immersion dans un liquide (chimiques ou électrolytiques),
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les dépôts pyrolytiques ;
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les méthodes propres au dépôt de films organiques, mixtes, à la fois physiques et chimiques, dont on ne sait pas trop si elles sont du domaine des couches minces ou des couches épaisses, parmi lesquelles :
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le dépôt par aspersion,
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le dépôt par centrifugation (dit « à la tournette »),
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la polymérisation.
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