Qu est ce qu un couche mince. Silicium Silicium

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Anne-Marie Dumas
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1 Qu est ce qu un couche mince Dépôt de quelques nm à quelques μm voir mm déposé sur un support appelé substrat Monocouche TiC multicouche Mo/Si TiC Silicium Silicium Si substrat

2 PLAN CHAPITRE 1 Qu est ce qu un couche mince Quelques définitions.. Les domaines d applications Une couche mince.pour quoi faire? Fonctions passives Fonctions actives Exemple : anti reflet sur un verre de lunette groupe essilor Télescope en lumière monochromatique X (SOHO) Mémoires ferroélectriques Substrat nature structurale Substrat Nettoyage de surface Définition d un Process d élaboration d une couche mince

3 Quelques définitions.. Monocouche Dépôt constitué d une seule couche de composition bien définie Multicouche Dépôt constitué d un empilement de couches de composition chimique différente Superréseaux Dépôt constitué d une répétition périodique d un empilement donné. Empilement 2 couches A + B période Λ = e A + e B rapport γ = e A / e B γ = 1 empilement symétrique γ différent de 1 empilement dissymétrique

4 Les domaines d applications optique mécanique chimique Microélectronique Couches minces biomédical Procédé qui consiste à déposer un matériau Y sur un matériau X avec pour objectif soit d apporter une nouvelle fonctionnalité au matériau Y ou de créer une fonctionnalité propre au matériau déposé

5 Une couche mince.pour quoi faire? Obtenir des propriétés inaccessibles et coûteuse avec un matériau massif Or (plaqué) couche de 3 μm pour la bijouterie couche de 5 μm pour l horlogerie Chrome très dur éclat métallique protection contre les UV Nouvelles fonctionnalités magnétorésistance Squid (magnétomètre à très haute résolution) Matériaux artificielles, impossible à élaborer sous forme massive

6 Fonctions passives Phénomène physique qui se propage onde électromagnétique onde acoustique courant électrique chaleur attaque chimique diffusion Exemple guide optique guide hyperfréquence métallisation barrière thermique barrière de diffusion

7 Fonctions actives Modification du phénomène physique par apport d énergie extérieur application d un champ apport thermique effet non linéaire Exemple déphaseur hyperfréquence modulateur optique électronique semiconducteur électronique supraconducteurs pyroélectricité ferroélectricité effets non linéaires

8 FONCTIONS OPTIQUES Optique classique optiques pour lasers (réflexion et transmission) couches sur verres pour immeubles miroirs et antireflets Optique intégrée guide d'onde passif ou actif parois guidante de faible indice FONCTIONS ELECTRONIQUES couches conductrices couches de contact en technologie microélectronique couches semiconductrices dopées pour la fabrication de circuits intégrés. couches diélectriques et isolantes FONCTIONS MECANIQUES couches lubrifiantes antifriction couches résistantes à l'érosion ou àl'usure FONCTIONS CHIMIQUES couches résistant à la corrosion dépôts sur pièces de moteurs barrières à la diffusion FONCTIONS BIOMEDICALES protection d'implants dans le corps humain FONCTIONS DECORATIVES bijouterie lunetterie horlogerie

9 Exemple : anti reflet sur un verre de lunette groupe essilor

10 Exemple : anti reflet sur un verre de lunette groupe essilor

11 Miroirs pour télescopes embarqués Schéma de principe du télescope EIT (satellite Soho)

12 Principe optique de la réflexion Indice optique des matériaux dans le domaine des X-UV n = 1- δ -iβ δ : puissance de dispersion du matériau β : absorption linéaire ou massique du matériau.

13 Forte chute de réflectivité due à n<1 Nécessité de créer un système interférentiel

14 Condition de réflexion: 2.d. sin θ = k.λ Rayons γ Rayons x U.V dur moyen mous 0,1Å 1Å 10Å 100 Å Distances inter-réticulaires: d= λ /2 pour θ=90 Ainsi pour les X-mous, 5 Å< d <50 Å. Or pour les cristaux massifs naturels: d<5 Å D où structure périodique artificielle avec le «d» approprié à la longueur d onde

15 Schéma de la réflexion d une multicouche Bore/Silicium d Addition des contributions de chaque couche.

16 Choix des paramètres des miroirs Contraste d indice entre les matériaux. Compromis entre absorption et réflexion de chaque composant de la bicouche. γ = 0.6 γ = 0.4

17 Choix du nombre de bicouches: Selon la réflectivité voulue Palier de réflectivité

18 Choix du nombre de bicouches: Selon la sélectivité de longueur d onde voulue.

19 Télescope en lumière monochromatique X (SOHO) Laboratoire Charles Fabry (IOTA) 304 Å 171 Å 195 Å Ritchey-Chretien telescope 284 Å He II / Si image Fe IX / X Fe XII Fe XV

20 Mémoires ferroélectriques

21 La nature structurale de la couche mince déterminera sa fonction Amorphe polycristalline épitaxiée Et généralement c est le substrat qui imposera la nature structurale

22 Substrat nature structurale Méplat <110> Caractéristiques physico-chimiques structurales amorphe (optique) cristallin (substrat actif ou couche mince active) orienté faces vicinales polycristallin Composition dopé n ou p Tranche de silicium monocristallin <100> obtenu par tirage clivé

23 SUBSTRAT silicium

24 Substrat : Etat de surface Etat de surface poli une face - deux faces procédure de nettoyage préparation epiready «prêt à emploi» couche d oxyde à désorber Epaisseur et surface 600 μm pour Si, diamètre 10 pouces 1 pouce = 2.54 mm Création de défauts (macle) Pollution du film Type de croissance Nucléation

25 Nettoyage de surface Couche chimisorbée ou physisorbée Exemple : le silicium Oxyde Zone écrouie et contaminée Nettoyage ultrason (acetone + trichloéthylène) espèces organiques et métalliques Attaque oxyde natif par HF 10 % Formation d un oxyde sacrificiel dans une solution de H 2 SO 4 : H 2 O 2 (1/1) Dissolution de l oxyde par HF immersion ou spin coating

26 Recuit in situ ou ex-situ Substrat monocristallin ex : le silicium Physique rupture de symétrie Recuit thermique formation de marches (surface vicinale) reconstruction de surface Rôle important sur la nucléation

27 Définition d un Process d élaboration d une couche mince Source flux transport uniformité dépôt Solide liquide vapeur gaz Fluide vide plasma Condition de croissance réactivité des espèces énergie chauffage Analyse Structure compostion propriétés Modification du process

28 Le vide..un outil indispensable

29 Du vide grossier...à l ultra-vide

30 Nombre de Knussen

31 Les différentes méthodes de dépôt de matériaux en films minces Méthodes Physiques Pulvérisation Cathodique (SM) Pulvérisation Ionique (IBD) Ablation Laser (PLD) Evaporation (MBE, e-beam) 1-10 ev ev ev 0,1-0,5 ev Méthodes Chimiques CVD Thermique PECVD Sol-Gel LPCVD C MOCVD C RF capacitif C H.D.P. (E.C.R.-I.C.P.) FT ev 1-10 ev

32 Gamme de pression utilisée PLD Evaporation MBE CVD Sputtering Pression (mbar)

33 Energie des espèces déposées IBD HDP RF PECVD Sputtering PLD CVD - MOCVD - MBE - Evaporation Energie des espèces

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