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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Une nouvelle technologie pour réaliser des films minces à haut débit et faible coût

L’atomic layer deposition est une technique de dépôt de couches atomiques qui permet d’obtenir des couches ultra-minces sur un substrat. Son utilisation industrielle reste encore limitée en raison de sa relative lenteur. Des chercheurs du Laboratoire des matériaux et du génie physique (CNRS / Grenoble INP / Minatec) ont développé un nouveau procédé beaucoup plus rapide et moins coûteux, qui ouvre de nouveaux champs d'applications industriels pour les substrats flexibles et de grande taille (OLEDs, écrans plats, cellules photovoltaïques…).

 

Le principe de l’atomic layer deposition (ALD) consiste à exposer une surface à des flux successifs d’éléments gazeux. Ces « précurseurs » vont réagir à la surface du substrat et former une couche mince(1)).Cette technique de dépôt de couches atomiques a été développée dans les années 70 afin d'obtenir des couches ultra-minces d’une épaisseur allant de 1 à 100 nm. Elle prend toute son importance avec l'avènement des nanotechnologies puisqu'elle permet de contrôler très précisément les épaisseurs et l'homogénéité des couches, de maîtriser les états de surface et les interfaces, même sur une grande surface.

L'énorme avantage de l'ALD sur d'autres techniques de dépôt comme la CVD (chemical vapor deposition) est un excellent recouvrement de surface y compris sur un substrat structuré présentant un très fort rapport d'aspect (substrat avec des creux "profonds" ressemblant à des puits). Malgré cet atout, l'utilisation industrielle du dépôt de couches minces par ALD reste limitée en raison de la relative lenteur de la technique.

Des chercheurs du Laboratoire des matériaux et du génie physique sont en train de développer un nouveau procédé, l'ALD spatiale (SALD), qui gagne en rapidité en séparant les réactions chimiques dans l'espace plutôt que dans le temps. Dans l'ALD classique, les gaz précurseurs sont en effet injectés séquentiellement dans le temps, le substrat restant fixe et le système devant être purgé à chaque injection d’un nouveau gaz (souvent en faisant le vide). Dans l'ALD spatiale, les précurseurs sont injectés de manière continue sur des zones physiquement différentes du substrat qui cette fois se déplace (linéairement ou en rotation).

Le gain de temps réalisé est essentiellement dû à la suppression des purges. Pour une couche de 100nm d'épaisseur, on aura besoin d'une journée en ALD conventionnel mais de quelques minutes seulement en ALD spatiale. Cette technique présente également d’autres avantages. Elle est plus simple à mettre en œuvre car il n’est plus nécessaire de purger la machine avant chaque nouvelle injection. Enfin, elle est plus versatile car il est facile de l’adapter à différents types de substrats (nature du matériau, taille, forme, etc.). Pour toutes ces raisons, la technique SALD a un coût beaucoup plus faible que l’ALD conventionnelle. Elle ouvre également de nouveaux champs d'applications pour les substrats flexibles et de grande taille (écrans, OLED, cellules solaires, …). Un prototype est actuellement en cours de fabrication.

Quelques verrous restent encore à lever. Il est par exemple important de développer un système d'injection permettant d'utiliser des précurseurs peu volatiles (une des limites des systèmes actuels). Il faut également pouvoir garantir une homogénéité d'épaisseur équivalente à ce qu’on peut obtenir avec l’ALD classique, et ce même avec des motifs complexes (puits profonds),  ce qui n’est pas encore le cas.

 

(1) Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé " substrat ".

 

Référence

David Muñoz-Rojas and Judith MacManus-Driscoll

Spatial atmospheric atomic layer deposition: a new laboratory and industrial tool for low-cost photovoltaics

Mater. Horiz. 6 février 2014
DOI: 10.1039/C3MH00136A

 

Contact chercheur 

David Muñoz-Rojas, Laboratoire des matériaux et du génie physique – Grenoble

Courriel : david.munoz-rojas@grenoble-inp.fr

Tél. : 04 56 52 93 54

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

25 juin 2014

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