Couches minces diélectriques avec des inclusions de nanoparticules d’argent réalisées par voie plasma

Intérêt d’utilisation des couches minces diélectriques 

L’intérêt pour l’utilisation des couches minces diélectriques concerne de nombreux domaines industriels, notamment la micro-électronique, l’optique et la photonique, les télécommunications, et ce plus particulièrement depuis les années 1970, suite au développement des matériaux semi-conducteurs. Avec l’essor des couches minces diélectriques plusieurs dispositifs ont pu être améliorés, tels que les lasers, les scintillateurs, les guides d’ondes ou encore les amplificateurs optiques. Les couches minces diélectriques ont aussi naturellement permis la fonctionnalisation de surface. La réalisation de couches d’une épaisseur comprise entre le nanomètre et le micromètre suit la demande de miniaturisation des équipements en réponse à l’augmentation des besoins, mais aussi permet d’exploiter des phénomènes physiques spécifiques à cette échelle, tels les forces de Casimir, Van Der Waals, l’effet tunnel, etc. Cependant, en micro-électronique, ce passage à l’échelle nanométrique soulève entre autres le problème de dissipation de la chaleur [15]. Dans le secteur spatial les couches minces diélectriques sont un enjeu fondamental, où la course à la légèreté est en compétition avec la nécessité d’une résistance mécanique importante ainsi que d’une bonne longévité. Un exemple de dépôts minces siliciés utilisés dans l’aérospatial est la silice renforcée de fibres de silice SiO2f/SiO2 [16], autant pour leurs propriétés thermiques que mécaniques, leur faible densité et leur faible constante diélectrique.Leurs structures les rendent pourtant difficiles à souder aux métaux, en cause leur coefficient d’expansion thermique trop différents ainsi qu’une texture trop souple. La solution est d’utiliser un traitement par procédé plasma pour modifier l’état de surface et ainsi faciliter les jointures avec les alliages de brasage. De plus, le traitement par plasma (dans un mélange des gaz CH4/Ar) peut faciliter la pénétration de l’alliage de brasage au sein des SiO2f/SiO2, réduisant les contraintes mécaniques et renforçant l’ensemble des soudures (résistant à une pression 11 fois supérieure au cas sans traitement plasma). A travers des couches minces diélectriques qui font sujet de ces travaux de thèse nous allons aborder un autre problème des parties diélectriques des systèmes dans l’environnement spatial : leur soumission à une irradiation engendrant une accumulation de charges électriques importante. Le champ électrique qui en résulte influence le transport des charges ou encore l’irradiation, mais applique aussi un stress aux matériaux alentours. Cette accumulation de charges pouvant élever la tension à plusieurs milliers de volt, il est important d’évaluer l’influence des champs électriques sur les couches minces diélectriques. Les travaux de Gulyaev, Goldman et Chucheva [17] montrent que les couches très minces de SiO2 d’épaisseurs inférieures à 4,0nm sont plus facilement détériorées par des champs électriques intenses de l’ordre de 106V/cm, mais leur régénération est davantage facilitée à température ambiante en comparaison avec une couche épaisse. Les claquages de couches minces diélectriques d’épaisseurs supérieures à 10nm proviennent généralement d’une accumulation de charges aux interfaces une fois les pièges du volume comblés, ce qui augmente la conductivité du matériau. 

 Elaboration des couches minces diélectriques de silice SiO2 

De règle générale, les couches minces peuvent être réalisées par différentes méthodes. D’un côté les procédés top-down (= de haut en bas) par réduction d’échelle : ceux-ci comprennent entre autre les techniques de lithographie, gravure chimique, gravure ionique, etc. Un matériau massif est érodé de différentes façons jusqu’à obtenir une couche mince. De l’autre côté les procédés bottom-up (= de bas en haut), avec par exemple la nano-impression (via un moule), l’évaporation sous vide, l’épitaxie par jet moléculaire, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), la pulvérisation cathodique, l’ablation laser, les méthodes sol-gel pour les couches amorphes, etc. Les procédés bottom-up ont l’avantage de minimiser la quantité de matériaux jetée, mais aussi de pouvoir croître sur un relief non planaire. Ces procédés sont privilégiés dans le cas de couches très minces. L’oxyde de silicium (SiO2) en couches minces fait partie des matériaux très fréquemment utilisés dans l’industrie de la micro-électronique en raison de sa bonne  compatibilité avec le silicium. La silice est un excellent isolant avec une énergie de gap de 9,0eV. Son faible coût de production permet des utilisations extrêmement variées. Parmi les applications majeures en micro-électronique, on retrouve ce matériau comme isolant de grille dans les transistors à film mince (TFT pour Thin Film Transistor) et aussi dans les transistors à effet de champ Métal/Oxyde/semi-conducteur (MOSFET) qui sont les plus exigeants au niveau des qualités électriques [18]. Il existe deux grandes techniques de fabrication de la silice : par oxydation thermique du silicium ou par voie de plasma : Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) ou Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD). La particularité de la PECVD réside essentiellement dans la possibilité d’opérer à des températures relativement basses (<450°C) contrairement à la LPCVD (700-800°C) et à l’oxydation thermique (1000°C). Ce faible coût énergétique est à l’origine de l’intérêt que suscite la PECVD pour les applications micro-électroniques [19]. La matrice diélectrique sera de composition SiO2 dont les propriétés peuvent légèrement varier selon la méthode d’élaboration. L’oxydation thermique qui se fait à l’équilibre thermodynamique (température très élevée) permet d’atteindre la stœchiométrie du matériau. Ainsi l’organisation des tétraèdres (OSiO) dans la matrice suit les unités de base montrées sur la Figure 1-2.