Dépôt des couches minces - BICTEL ULg

Ab actu ad potentiam
Chapitre III.
Fabrication du système en couches minces :
Application aux détecteurs SPR
Table des matières
Introduction 154
Dépôt des couches minces 155 Propriétés des couches minces réelles 155
Contraintes internes et leur origine 157
Inter- diffusion et réactions chimiques 160
Rugosité des couches minces 161 Technique de dépôt de couches minces 162
Évaporation thermique 163
Pulvérisation ionique 166
Résumé sur les techniques du dépôt sous vide 169
Dépôt par déformation d'une couche liquide 172
Technique du vide 173 Nettoyage et traitement du substrat 178
Gravure des couches minces 179 Gravure humide 183
Gravure humide d'une couche sacrificielle 183
Séchage 185 Gravure sèche 187
Dispositif expérimental de gravure en plasma. 189
Fabrication d'un détecteur micromécanique 190
Fabrication du gap par micro-usinage en surface 196
Gaufrette de départ 198
Aspects particuliers de fabrication 200
Description détaillée du procédé de micro-fabrication 213
Fabrication des réseaux de diffraction 219
Caractérisation des couches minces 221
Caractérisation durant le dépôt 221 Caractérisation après le dépôt 221 Dispositifs de caractérisation employés 223
Ellipsomètre spectroscopique. 224
Profilométrie interférométrique. 226
Conclusion 230
Abréviations, terminologie et notation 231
Table des illustrations 232
Bibliographie 234 Introduction Ce chapitre est consacré à la mise au point des séquences technologiques
de fabrication d'un détecteur micromécanique à effet SPR. Son orientation
est essentiellement qualitative, l'aspect quantitatif sera abordé dans les
chapitres consacrés au travail expérimental.
Dans une première partie, on expose brièvement les différents dispositifs
expérimentaux utilisés dans la fabrication des multicouches, en explicitant
leurs intérêts et défauts. On décrit les conditions physiques, sous
lesquelles les étapes essentielles de la fabrication doivent être
réalisées. On discute, de plus, les principales difficultés qu'on pourrait
rencontrer lors la fabrication d'un détecteur à effet SPR.
Notons que l'objectif essentiel de cette étape de l'élaboration du
concept est de démontrer sa faisabilité. Alors, on n'a recherché que des
solutions technologiques les plus faciles et les moins coûteuses. Par
conséquent, il s'agissait, tout d'abord, d'adapter à nos besoins les
processus de routine de technologies de micro-usinage existantes et,
surtout, étant disponibles au CSL, telles que l'évaporation thermique, la
pulvérisation ionique (angl., sputtering), la gravure (angl., etching)
sèche/humide.
Ensuite, nous allons présenter les méthodes de caractérisation des
couches mince. Cette étape est essentielle pour interpréter plus tard les
résultats expérimentaux.
Dépôt des couches minces
Propriétés des couches minces réelles Une couche dite mince est un objet dont l'une des dimensions géométriques
est très faible (de quelques dizaines nanomètres à quelques micromètres).
Cela explique un rôle essentiel des interactions surfaciques[1] dans
l'établissement des propriétés physiques de ces objets. D'ailleurs, c'est
la raison principale pour laquelle les propriétés physiques des couches
minces diffèrent de manière significative de celles des corps massiques.
L'aire totale de grains cristallins est supérieure à celle des deux faces
d'une couche mince. Par conséquent, généralement, l'effet de frontières de
grains cristallins sur les propriétés d'une couche mince prévaut sur celui
de ses faces. Ainsi, les propriétés physiques d'une couche mince[2]
dépendent essentiellement de sa morphologie interne.
En général, les couches minces utilisées dans les applications optiques
sont poly-cristallines ; leur état est métastable, hors de l'équilibre et
éloigné du minimum énergique. D'un point de vue microscopique, elles se
composent des grains cristallins enrichis par des défauts, qui sont séparés
par des zones enrichies par des impuretés (Fig.1). Les dimensions des
grains cristallins sont du même ordre de grandeur que l'épaisseur de la
couche mince, [1]. II ressort de l'étude bibliographique que les couches
minces présentent une micro structure en forme de colonnes de diamètres
variant de 10 à 30 nm[3]. L'orientation des grains cristallins varie en
fonction de l'angle entre le plan du substrat et le flux de molécules lors
du dépôt.
La microstructure des couches minces est extrêmement sensible aux
propriétés chimiques et physiques de tout matériau mis en jeu lors de sa
croissance, ainsi que des conditions physiques[4] de dépôt à chaque étape
d'évolution de la couche mince (Tableau 1). En particulier, les propriétés
d'une couche mince sont très sensibles à la nature du substrat, sur lequel
elle se situe. Cela explique, par exemple, pourquoi les couches d'un même
matériau et d'une même épaisseur peuvent présenter des propriétés physiques
essentiellement différentes sur les substrats de nature différente.
[pic]
Fig. 1. Structure des couches minces : a) théorique ; b) réelle.
Tableau 1. Évolution d'une couche mince lors du dépôt
|Étape |Processus |Structure |Épaisseur |
|Nucléation |Apparition sur la surface du substrat |[pic] |