Couche mince

Une couche mince (thin film) est un revêtement dont l’épaisseur peut varier de quelques couches atomiques (ALD) à une dizaine de micromètres. Ces revêtements modifient les propriétés du substrat sur lesquels ils sont déposés. Ils sont principalement utilisés :

• dans la fabrication de composés électroniques, cellules photovoltaïque : pour leurs propriétés isolantes ou conductrices ;
• dans la fabrication des outils coupants : propriétés mécaniques, de résistance à l’usure, à la corrosion, barrière thermique ;
• pour leur propriétés optiques : revêtement décoratif ou anti-reflet.

Fabrication d'une couche mince

• Revêtements Galvaniques :

La première méthode pour fabriquer des couches minces fut par voie humide : une réaction chimique entre une solution et le substrat. Un exemple célèbre est le miroir d'argent : réduction d'ions Ag⁺ (par exemple solution de nitrate d'argent AgNO₃) par des sucres.

• Dépôt par le procédé sol-gel.
• Dépôt sous vide :
  • Revêtements PVD (dépôt physique en phase vapeur) :

Les couches sont formées par la condensation de matière préalablement évaporée. L’évaporation de la matière source peut être d’origine thermique, dû à un bombardement d’électrons. Grâce à cette méthode, on peut déposer des métaux, des alliages ou des céramiques.

• • Revêtements CVD (dépôts chimique en phase vapeur) :

Les couches sont formées par la condensation de gaz qui réagissent ou se décomposent à la surface du substrat.

Caractérisation de la couche mince

Un des problèmes est d'estimer l'épaisseur de la couche mince. Si elle laisse passer la lumière, on peut utiliser des méthodes interférométriques (franges d'interférence entre les rayons réfléchis sur la surface de la couche et ceux réfléchis à l'interface couche mince-substrat).

Lorsque cela s'y prête, on peut utiliser les rayons X :

• par diffractométrie de rayons X :
  • méthode dite de « réflectométrie », similaire aux interférence des ondes lumineuses ; on voit des oscillations du signal lorsque l'on déplace le détecteur ;
  • méthode par incidence rasante : on fait balayer le détecteur autour d'un pic caractéristique du substrat (si celui-ci est cristallisé), pour une incidence des rayons X donnée ; on augmente l'incidence, et lorsque l'on voit apparaître le pic, la loi de Beer-Lambert permet d'estimer l'épaisseur de la couche ;
• par spectrométrie de fluorescence X : soit on mesure l'absorption d'une raie émise par le substrat, soit on mesure l'intensité d'une raie émise par la couche mince ; cette méthode peut aussi permettre de déterminer la composition chimique de la couche.

Pour avoir des informations sur la texture de la couche mince en surface, on peut utiliser la microscopie électronique à balayage. Cette technique permet d'avoir des images de la surface et de profil. On obtient ainsi l'épaisseur mais aussi des renseignements sur la micro-structure.

Toutes les autres propriétés physiques de la couche peuvent être utilisées : résistance, masse (on mesure la différence de masse entre le substrat nu et la pièce après dépôt)…

Dans le domaine photovoltaïque^[1]

La couche (isolante et/ou conductrice) peut varier de quelques atomes d'épaisseur à une dizaine de micromètres.
Elle modifie les propriétés du substrat sur lequel elle est déposée. Les couches minces offrent des rendements plus faibles que les cellules à base de silicium cristallin, elles sont plus difficiles à produire, mais diminuent fortement les coûts de fabrication (moindre consommation de métaux et d'énergie). En 2010, les couches minces dominant le marché étaient :

• le silicium (mono ou multi-cristallin et amorphe) ;
• le tellurure de cadmium (CdTe) ;
• le di-séléniure de cuivre-indium (CIS).

En France, ce sont l'INES, Solsia, Alliance Concept et quelques autres entreprises qui semblent porter les actions de recherche et développement sur ces thèmes.

Annexes

Articles connexes

Liens externes

• (en) Power from the Sun par William B. Stine et Michael Geyer, 2001
• Fabrication de couches minces

Bibliographie

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• (en) Bach, Hans and Dieter Krause (editors), Thin Films on Glass (2003) Springer-Verlag ISBN 3-540-58597-4
• (en) Birkholz, M., with contributions by Fewster, P. F. and Genzel, C., Thin Film Analysis by X-ray Scattering (2006) Wiley-VCH, Weinheim ISBN 3-527-31052-5
• (en) Bunshah, Roitan F. (editor), Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, second edition (1994)
• (en) Glaser, Hans Joachim, Large Area Glass Coating (2000) Von Ardenne Anlagentechnik GmbH ISBN 3-00-004953-3
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• (en) Mattox, Donald M. and Vivivenne Harwood Mattox (editors), 50 Years of Vacuum Coating Technology and the Growth of the Society of Vacuum Coaters (2007), Society of Vacuum Coaters ISBN 978-1-878068-27-9
• (en) Westwood, William D., Sputter Deposition, AVS Education Committee Book Series, Vol. 2 (2003) AVS ISBN 0-7354-0105-5
• (en) Willey, Ronald R., Practical Monitoring and Control of Optical Thin Films (2006) Willey Optical, Consultants (ISBN 978-06151-3760-5)
• (en) Willey, Ronald R., Practical Equipment, Materials, and Processes for Optical Thin Films (2007) Willey Optical, Consultants (ISBN 978-06151-4397-2)
• (en) Ohring, Milton, Materials Science of Thin Films: Deposition and Structure 2nd edition (2002) Elsevier, Inc. ISBN 978-0-12-524975-1

Références

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