Généralités sur les couches minces 

Généralités sur les couches minces 

Définition d’une couche mince 

Par principe, une couche mince d’un matériau donné est un élément de ce matériau dont l’une des dimensions qu’on appelle l’épaisseur, a été fortement réduite, de telle sorte qu’elle varie de quelques nanomètres « nm » à quelques micromètres « μm. Cette très faible distance entre les deux surfaces limites entraîne une perturbation de la majorité des propriétés physiques. La différence essentielle entre le matériau à l’état massif et à l’état de couches minces est en effet liée au fait que, dans l’état massif, on néglige, généralement, le rôle des limites dans les propriétés, tandis que, dans une couche mince, ce sont au contraire les effets liés aux surfaces limites qui sont prépondérants. Il est assez évident que plus l’épaisseur sera faible et plus cet effet de bi dimensionnalité sera exacerbé, et qu’inversement lorsque l’épaisseur d’une couche mince dépassera un certain seuil l’effet des limites deviendra minime et le matériau retrouvera les propriétés bien connues du matériau massif.

Intérêt et caractéristiques des couches minces 

L’intérêt accordé aux couches minces provient essentiellement de l’utilisation économique des matériaux en rapport avec les propriétés physiques et de la simplicité des technologies mise en œuvre pour leur réalisation (élaboration facile, peu coûteuse…) . Une Grande variété de matériaux est utilisée pour produire ces couches minces, on peut citer les Métaux, alliages, oxydes, les polymères… . La seconde caractéristique essentielle d’une couche mince est quelle que soit la procédure employée pour sa fabrication, une couche mince est toujours solidaire d’un substrat sur lequel elle est construite. Ainsi une couche mince d’un même matériau, de même épaisseur pourra avoir des propriétés Physiques sensiblement différentes selon qu’elle sera déposée sur un substrat isolant amorphe tel le verre, ou un substrat monocristallin de silicium par exemple .

Mécanismes de croissance des couches minces 

 Tous les procédés d’élaboration de films minces se font en trois étapes : • La production des espèces ioniques, moléculaires, atomiques appropriées. • Le transport de ces espèces vers le substrat. •Condensation sur ce même substrat : la nucléation, coalescence puis la croissance. Les procédés de déposition de couches minces sont illustrés dans la figure suivante : 

Nucléation 

C’est le phénomène qui accompagne les changements d’état de la matière et qui consiste en l’apparition, au sein d’un milieu donné, de points de transformation à partir desquels se développe une nouvelle structure physique ou chimique. Les espèces pulvérisées arrivant sur le substrat ne Ne sont pas thermodynamiquement en équilibre avec le substrat et se déplacent sur toute la surface de celui-ci. Dans cet état, elles interagissent entre elles et forment ce que l’on appelle de « clusters ». Ces « clusters » appelés également nuclei ou îlots, sont instables et tendent à se désorber. Toutefois, si les paramètres de dépôt sont tels que les îlots entrent en collision les uns avec les autres, ils se développent dans les trois dimensions. Pour une certaine taille, les îlots deviennent thermodynamiquement stables, on dit alors que le seuil critique de nucléation a été franchi .

Coalescence 

Les nucleus croissent en taille mais aussi en nombre jusqu’à atteindre une densité maximale de nucléation. Celle-ci ainsi que la taille moyenne de ces nucleus aussi appelés îlots dépendent d’un certain nombre de paramètres tels que l’énergie des espèces pulvérisées, le taux de pulvérisation, l’énergie d’activation, d’adsorption, de désorption, de la diffusion thermique, de la température du substrat, de la topographie et de la nature chimique des substrats .

Croissance

La dernière étape dans le procédé de fabrication du film est l’étape de coalescence dans laquelle les îlots commencent à se regrouper. Cette tendance à former des îlots plus grands est améliorée par la croissance de la mobilité de surface des espèces adsorbées. Cette amélioration est obtenue en augmentant la température du substrat. Ces plus grands îlots croissent encore, en laissant des canaux et des trous sur le substrat. La structure du film dans cette étape change passant d’un type d’îlots discontinus en un type de réseaux poreux. Un film continu est formé en remplissant les canaux et les trous.