EP1969155B1 - Procede de realisation d'un revetement a base d'une ceramique oxyde conforme a la geometrie d'un substrat presentant des motifs en relief - Google Patents

Procede de realisation d'un revetement a base d'une ceramique oxyde conforme a la geometrie d'un substrat presentant des motifs en relief Download PDF

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EP1969155B1
EP1969155B1 EP06819672A EP06819672A EP1969155B1 EP 1969155 B1 EP1969155 B1 EP 1969155B1 EP 06819672 A EP06819672 A EP 06819672A EP 06819672 A EP06819672 A EP 06819672A EP 1969155 B1 EP1969155 B1 EP 1969155B1
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solution
layer
sol
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Séverine LEBRETTE
Philippe Boy
Philippe Belleville
Yves Montouillout
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/1204—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
    • C23C18/1208—Oxides, e.g. ceramics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C18/1225—Deposition of multilayers of inorganic material
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    • C23C18/125—Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1254—Sol or sol-gel processing

Definitions

  • the subject of the present invention is a process for producing a coating based on an oxide ceramic conforming to the geometry of a substrate having raised patterns, in particular micron-sized patterns.
  • the general technical field of the invention can therefore be defined as that of ceramic coatings for subtrate.
  • the coatings have, for example, the function of modifying the properties of a substrate, such as the mechanical properties, the thermal properties, the electrical properties and the chemical properties, the optical properties.
  • Substrate coatings therefore find application in many fields such as microelectronics, optics or energy.
  • ceramic coatings must have a uniform thickness on the substrates on which they are deposited, so as to ensure uniformity of properties. brought by these coatings.
  • the oxide coating deposition processes can be classified into two categories: namely, dry processes and wet processes.
  • a more advantageous method may be to achieve physical vapor deposition coatings, such as evaporation, spraying and ablation.
  • evaporation consists simply to evaporate or sublimate the material to be deposited in a vacuum crucible by heating it at high temperature. The evaporated material is deposited by condensation on the substrate to be coated and a layer is formed on the substrate.
  • this method makes it possible to obtain denser layers, this method proves to be difficult to implement, because of the apparatus to be used, and of high cost, and does not ensure uniform layer thickness on substrates. with raised patterns.
  • the coatings on substrates having micron-size patterns obtained by these techniques do not have a uniform thickness over the entire deposition length and, in particular, have excess thicknesses at the edges. patterns in relief. This can cause, when the substrates thus coated are intended to be used as electronic components, capacity variations as well as risks of breakdown at the edges of the raised patterns.
  • miscible solvent means a solvent which can be mixed with the solvent comprising at least two -OH functions and, where appropriate, with the aliphatic monolalcohol, forming a homogeneous mixture, and this in all proportions at room temperature, that is, at a temperature of the surrounding atmosphere, generally between 20 and 25 ° C.
  • the method of the invention advantageously makes it possible to obtain coatings which comply with the geometry of the substrate, that is to say coatings having a substantially uniform thickness over the entire deposition length, in particular thanks to the stability properties of the sol-gel solution obtained prior to deposition.
  • the oxide ceramics constituting the coating may be chosen from oxides with perovskite structure such as lead zirconium titanate (known by the abbreviation PZT), barium titanate, barium titanate and strontium (known as BST), lead titanate, niobium and zinc (known as PZNT), zinc and lead niobate (known as PZN), magnesium niobate and lead (known as PMN), lead titanate (known as PT), potassium potassium niobate, bismuth potassium titanate (known as BKT), bismuth titanate and strontium (known by the abbreviation SBT), potassium tantalate (known as KLT), solid solutions of PMN and PT.
  • PZT lead zirconium titanate
  • BST barium titanate
  • BST barium titanate
  • PZNT niobium and zinc
  • PZN zinc and lead niobate
  • PMN magnesium niobate and
  • the oxide ceramics constituting the coating may also be chosen from simple oxides, such as SiO 2 , HfO 2 , ZrO 2 , Al 2 O 3 and Ta 2 O 5 .
  • the process of the invention comprises the preparation of a stable sol-gel solution.
  • This preparation comprises, in a first step, bringing into contact one or more molecular precursors of metals and / or metalloids intended to enter the constitution of the ceramic with a medium comprising a solvent comprising at least two -OH functions and optionally an aliphatic monoalcohol.
  • the metal may be selected from the group consisting of alkali metals, such as K, alkaline earth metals, such as Mg, transition metals, lanthanide metals and post-transition metals of columns IIIA and IVA of periodic classification of the elements.
  • the transition metals can be selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt.
  • the lanthanide metals can be selected from La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Yb.
  • the post-transition metals can be selected from Group IIIA elements A1, Ga, In and Tl and Group IVA elements Ge, Sn and Pb.
  • the metalloids can be selected from Si, Se, Te.
  • the molecular precursors of metal and / or metalloid may be in the form of inorganic metal or metalloid salts such as halides (fluorides, chlorides, bromides, iodides), nitrates or oxalates.
  • the molecular precursors of metal and / or metalloid may also be in the form of organometallic compounds of metal or metalloid, such as alkoxides having the formula (RO) n M, wherein M denotes the metal or metalloid, n represents the number of ligands bound to M, this number also corresponding to the valence of M and R represents a linear or branched alkyl group which may contain from 1 to 10 carbon atoms or an aromatic group comprising from 4 to 14 carbon atoms, such as a phenyl group.
  • organometallic compounds of metal or metalloid such as alkoxides having the formula (RO) n M, wherein M denotes the metal or metalloid, n represents the number of ligands bound to M, this number also corresponding to the valence of M and R represents a linear or branched alkyl group which may contain from 1 to 10 carbon atoms or an aromatic group comprising from 4 to 14 carbon atoms, such as a phenyl group.
  • the first solution of step a) may further contain one or more polymerizable compounds, such as ethylenic monomers, such as styrene.
  • the precursors are respectively lead molecular precursors, zirconium molecular precursors and titanium molecular precursors.
  • organic lead salts such as acetates
  • lead inorganic salts such as chlorides or organometallic compounds of lead such as alkoxides containing a number of carbon atoms
  • the lead precursor used is a hydrated organic salt such as lead acetate trihydrate.
  • This precursor has the advantage of being stable, very common and cheap.
  • the presence of water during the mixing of the sol-gel solutions with one another can lead to premature hydrolysis of the metal precursors followed by polymerization and thus to a sol-gel solution that is unstable over time.
  • the dehydration of the lead acetate trihydrate can be carried out by distillation of the latter in the solvent comprising at least two -OH functions used to effect the mixing of the sol-gel solutions.
  • the titanium precursors are alkoxides, such as titanium isopropoxide.
  • zirconium precursors are preferably alkoxides, such as zirconium n-propoxide.
  • the molecular precursors to be used for the preparation of the sol-gel solution are respectively molecular precursors of barium, molecular precursors of strontium and molecular precursors of titanium.
  • the molecular precursors to be used for the preparation of the sol-gel solution are respectively molecular precursors of lead, zirconium molecular precursors, molecular precursors of niobium and molecular precursors of titanium.
  • the molecular precursors to be used for the preparation of the sol-gel solution are respectively molecular precursors of lead, molecular precursors of magnesium, and molecular precursors of niobium.
  • the molecular precursors to be used for the preparation of the sol-gel solution are respectively molecular precursors of lead, molecular precursors of titanium.
  • the molecular precursors to be used for the preparation of the sol-gel solution are respectively molecular precursors of bismuth, molecular precursors of potassium, and titanium molecular precursors.
  • the molecular precursors to be used for the preparation of the sol-gel solution are respectively molecular precursors of strontium, molecular precursors of bismuth, molecular precursors of titanium.
  • the molecular precursors to be used for the preparation of the sol-gel solution are precursors, respectively. silicon, hafnium, tantalum, zirconium or aluminum.
  • the precursors as mentioned above are brought into contact with a medium comprising a solvent comprising at least two -OH functions and optionally an aliphatic monoalcohol.
  • the solvent comprising at least two -OH functions used in step a) and optionally c) may be an alkylene glycol having a number of carbon atoms ranging from 2 to 5. This type of solvent contributes to facilitating the solubilization of precursors and, in addition, acts as a stabilizing agent of the sol-gel solution.
  • a solvent comprising at least two -OH functions that can be used is ethylene glycol or even diethanolamine.
  • the medium of step a) may also comprise an aliphatic monoalcohol, which may, for example, comprise from 1 to 6 carbon atoms.
  • An aliphatic monoalcohol comprising from 1 to 6 carbon atoms can also be used as dilution solvent in step c).
  • an aliphatic monoalcohol mention may be made of n-propanol.
  • the contacting of the molecular precursors with the medium comprising a solvent comprising at least two -OH functions can be carried out in different ways and will depend on the nature of the precursors, the essential point being to obtain a sol-gel solution of homogeneous appearance. .
  • the contacting may consist in preparing a first sol-gel solution based on lead in a diol solvent, by dissolving a molecular precursor based on lead in this diol solvent, to which is added a second mixed sol-gel solution based on titanium and zirconium, said mixed sol-gel solution being prepared by dissolving a molecular precursor based on zirconium and a molecular precursor based on titanium in the same diol or in a solvent compatible with said diol, namely a solvent miscible with said diol, as is the case of aliphatic monoalcohols such as propanol.
  • the lead sol-gel solution is preferably initially in excess of 10% with respect to the stoichiometry.
  • the mixture of said sol-gel solutions can then be refluxed, with stirring, at a temperature close to the boiling temperature of the reaction mixture. Reflux makes it possible, advantageously, to homogenize the sol-gel solutions mixed with each other.
  • step b) is preferably carried out at room temperature, for example, for a period ranging from one week to 4 months.
  • step b) the precursors of solubilized metals and / or metalloids condense to a state of equilibrium. This condensation results in an increase in the viscosity of the sol-gel solution, until reaching a substantially constant value as a function of time, when the equilibrium state is reached.
  • the solution prepared in a) is placed at rest, generally at room temperature and in the absence of any heating.
  • the viscosity of the solution is measured at regular intervals. Once it has a substantially constant viscosity, usually reached after a period of 1 week to 4 months, the solution is diluted at a predetermined rate of dilution (step c).
  • This dilution rate will be chosen by those skilled in the art according to the envisaged use of the sol-gel solution, and in particular according to the desired coating thickness after deposition and treatment of such a solution on a substrate and also according to the technique. deposit.
  • This dilution may consist in diluting the sol-gel solution obtained at the end of step b) by a dilution factor ranging from 1 to 20.
  • the dilution solvent must be miscible with the solvent for preparing the solution of step a).
  • solvents comprising at least two possible OH functions are ethylene glycol and propylene glycol.
  • the solvent is chosen from solvents having a lower viscosity than that of the solvent used in step a).
  • Solvents corresponding to this specification are, for example, aliphatic monoalcohols comprising from 1 to 6 carbon atoms as defined above.
  • the sol-gel solution is deposited on a substrate in the form of a layer.
  • the substrate is immersed in the sol-gel solution prepared beforehand and then removed at a suitable speed to obtain a conformal deposit, as defined above.
  • the advantage of this technique is that several substrates can be processed at the same time, which allows a gain in productivity.
  • the substrate for depositing is a substrate comprising raised patterns, for example of micrometric size. It is specified that, by micrometric size patterns, is generally meant relief patterns having dimensions (such as height, width) ranging from 1 to 100 microns, these patterns being spaced equally by a distance of 1 at 100 ⁇ m.
  • These relief patterns may be in particular in the form of trenches, for example of parallelepipedal shape, having, for example, a depth, a height and a size spacing micrometric.
  • This substrate may be in the form of a silicon wafer, optionally covered with a metallization layer, when the application domain is microelectronics.
  • the method of the invention comprises a heat treatment of the layer or layers deposited, so as to transform them into the desired ceramic.
  • This heat treatment can take place in different ways, depending on whether the method of the invention comprises the deposition of one or more layers.
  • the heat treatment can be limited to a simple drying step, if it is sufficient to obtain a ceramization of the layer. This is particularly the case of single oxide layers, such as SiO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 or Al 2 O 3 .
  • the heat treatment generally requires a drying step, a pyrolysis step, a relaxation step and a densification step.
  • each deposited solution layer undergoes, according to the invention, a step consisting of a step of drying the deposited layer so as to ensure gelation of the layer.
  • This step is intended to ensure the evaporation of a part of the solvent of step a) and a part of the dilution solvent and optionally secondary products, such as esters, resulting from the reactions between the metal precursors.
  • the sol-gel solution deposited is transformed into a gel layer of constant thickness adhering to the surface of the substrate.
  • the temperature and time effective for gelation can be readily determined by those skilled in the art using, for example, UV-visible spectrometry techniques.
  • the drying step according to the invention can be carried out at ambient temperature for a duration ranging from 1 to 10 minutes.
  • this deposition step will consist in resting for a suitable duration the layer, just after the deposition, so that it dries.
  • This drying step can also be carried out at a temperature ranging from 40 to 80 ° C, for example, by making use of a heating plate. In this case, this step will be qualified, in the experimental part, of prepyrolysis step.
  • each layer After drying, each layer generally undergoes a pyrolysis step carried out at a temperature and time effective to completely remove organic compounds from the deposited layer and in particular the solvents for preparing and diluting the sol-gel solution and the compounds generated by the reaction of the molecular precursors with each other.
  • the effective temperature and time can be readily determined by those skilled in the art through techniques such as IR (infrared) spectroscopy.
  • the pyrolysis time for a given temperature corresponds to a duration that makes it possible to obtain a constant layer thickness.
  • the layer thickness is controlled, for example, by profilometry techniques.
  • the pyrolysis step is stopped to obtain a layer homogeneous in thickness and free of organic compounds.
  • this pyrolysis step may be carried out at a temperature ranging from about 300 to about 400 ° C., preferably from 350 to and 370 ° C, and for a time ranging from about 5 minutes to 10 minutes.
  • each deposited layer can be brought to undergo a relaxation step, in order to release the stresses generated during the shrinkage of the layer, in particular those accumulated at the level of the relief patterns.
  • shrinkage is meant the reduction of the dimensions of the deposited layer, after drying and optionally pyrolysis thereof.
  • This step can be carried out by maintaining the deposited layer at a temperature slightly higher than the pyrolysis temperature, for example greater than 10 to 30 ° C, for a period of time ranging from 10 to 30 minutes.
  • the relaxation temperature is 10 ° to 30 ° C. higher than the pyrolysis temperature but preferably should not exceed 400 ° C., so as to avoid formation. of a pyrochlore phase.
  • the deposited layer or all of the deposited layers may be subjected to a densification (or annealing) step at a time and a temperature effective to allow the crystallization of the deposited layer or of all the deposited layers.
  • the crystallization of the layer corresponds to obtaining a layer of stabilized thickness and crystallized structure, of the perovskite type.
  • the temperature and the annealing time are chosen so as to obtain this crystallization, easily verifiable by structural analysis, such as X-ray diffraction analysis.
  • the densification is carried out at a temperature of from about 500 to about 800 ° C for a time of between about 30 seconds and about 1 hour, particularly from 1 minute to 10 minutes.
  • the annealing can be performed by different techniques.
  • the annealing is carried out by a rapid heating mode, obtained, for example, with the technique of "rapid thermal annealing” (commonly referred to by the abbreviation RTA for "Rapid Thermal Annealing” or RTP for "Rapid Thermal Process” ).
  • RTA rapid thermal annealing
  • RTP Rapid Thermal Process
  • the thermal coatings are homogeneous, continuous, conform to the geometry of the substrate and strongly adhere to the substrate.
  • the compliance factor defined by the ratio of the thicknesses at the bottom of the patterns and at the top or on the flanks of the patterns, is close to 1. This result, added to the simplicity of implementation of the sol-gel technique, its cost and its productivity gain augurs favorably for the use of such a process in the industrial environment.
  • the deposition steps of the sol-gel solution and heat treatment can be repeated one or more times, until a coating having the desired thickness, for example a thickness ranging from 30 to 200 nm, is obtained.
  • This coating method finds its application in particular for the production of electronic components, such as capacities ranging from 100 nF / mm 2 to 1 ⁇ F / mm 2 .
  • the single figure illustrates a cross-section of a portion of a substrate having lined trench patterns and illustrating the magnitudes necessary to determine compliance factors.
  • the substrate is firstly cleaved after heat treatment along the desired line of observation and then the interface coating / substrate is observed by scanning electron microscopy.
  • the experimental protocol for the preparation of a precursor sol-gel solution of a lead zirconium titanate ceramic (PZT) is described, as well as the method of deposition by soaking-removal of this solution on metallized silicon wafers of which the surface has micrometric patterns in relief in order to obtain coatings perfectly in accordance with the geometry of the substrate.
  • the patterns used in this example are trenches 1 ⁇ m deep, 2 ⁇ m wide and spaced 2 ⁇ m apart.
  • a solution comprising a lead precursor is prepared.
  • 751 g (1.98 mol) of lead acetate trihydrate and 330.2 g of ethylene glycol are weighed into a flask surmounted by a distillation assembly.
  • the mixture is homogenized for 30 minutes at 70 ° C so as to allow complete dissolution of the lead acetate.
  • the temperature of the homogeneous solution is increased to dehydrate the lead precursor by distillation. During the distillation, the solution turns yellow.
  • the recovered distillate has a lead concentration of the order of 2.05 mol / kg.
  • a refrigerant surmounted by a desiccant is installed on the assembly.
  • the mixture is refluxed for 2 hours (101 ° C). After refluxing, the solution obtained has a concentration in mass equivalent PZT of the order of 26%.
  • the solution is then stored at room temperature during its ripening phase. It is diluted after one week of curing by addition of methanol, so as to obtain a solution having a concentration of 15% by mass equivalent PZT.
  • the viscosity then obtained is of the order of 3 mPa.s. Dilution stabilizes the viscosity of the solution for several months.
  • the substrate is a silicon wafer 6 inches in diameter, covered with a layer of silica obtained by thermal oxidation. It is metallized by sputtering with a platinum layer with a thickness of the order of 100 nm.
  • the surface of the wafer has relief patterns of the trench type, the depth of which is 1 ⁇ m and the width is of the order of one micrometer.
  • the deposition / substrate interface is observed by scanning electron microscopy. For this, the sample is cleaved after heat treatment along the desired line of observation.
  • the thickness of the coating was evaluated at 90 nm with compliance factors (b / a) equal to 1.4 and (b / c) equal to 1.3.
  • a solution comprising a lead precursor is prepared.
  • 751 g (1.98 mol) of lead acetate trihydrate and 330.2 g of ethylene glycol are weighed into a flask surmounted by a distillation assembly.
  • the mixture is homogenized for 30 minutes at 70 ° C so as to allow complete dissolution of the lead acetate.
  • the temperature of the homogeneous solution is increased to dehydrate the lead precursor by distillation. During the distillation, the solution turns yellow.
  • the recovered distillate has a lead concentration of the order of 2.05 mol / kg.
  • a refrigerant surmounted by a desiccant is installed on the assembly.
  • the mixture is refluxed for 2 hours (101 ° C). After refluxing, the solution obtained has a concentration in mass equivalent PZT of the order of 26%.
  • the solution is then stored at room temperature during its ripening phase. It is diluted after one week of curing by adding ethylene glycol, so as to obtain a solution having a concentration of 10% by mass equivalent PZT.
  • the viscosity then obtained is of the order of 25 mPa.s. Dilution stabilizes the viscosity of the solution for several months.
  • the substrate is a silicon wafer 6 inches in diameter, covered with a layer of silica obtained by thermal oxidation. It is metallized by sputtering with a platinum layer with a thickness of the order of 100 nm.
  • the surface of the wafer has relief patterns of the trench type, the depth of which is 1 ⁇ m and the width is of the order of one micrometer.
  • the deposition / substrate interface is observed by scanning electron microscopy. For this, the sample is cleaved after heat treatment along the desired line of observation.
  • the thickness of the coating was evaluated at 90 nm with compliance factors (b / a) equal to 1.4 and (b / c) equal to 1.3.

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Abstract

L'invention a trait à un procédé de réalisation de couches conformes en céramique oxyde sur des substrats présentant des motifs en relief comprenant : - une étape de dépôt sur ledit substrat d'une couche de solution sol-gel précurseur de ladite céramique ; - une étape de traitement thermique de ladite couche en vue de la transformer en la céramique ; lesdites étapes étant éventuellement répétées une ou plusieurs fois, caractérisé en ce que la solution sol-gel précurseur de ladite céramique est préparée par un procédé comprenant successivement les étapes suivantes : a) préparer une première solution par mise en contact du ou des précurseurs moléculaires des métaux destinés à entrer dans la constitution de la céramique avec un milieu comprenant un solvant diol et éventuellement un monoalcool aliphatique ; b) mettre au repos la solution obtenue en a) pendant un temps suffisant nécessaire à l'obtention d'une solution présentant une viscosité sensiblement constante ; c) diluer à un taux prédéterminé la solution obtenue en b) avec un solvant diol éventuellement identique à celui de l'étape a) ou un solvant miscible avec le solvant diol utilisé dans l'étape a).

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'un revêtement à base d'une céramique oxyde conforme à la géométrie d'un substrat présentant des motifs en relief, en particulier des motifs de taille micronique.
  • Le domaine technique général de l'invention peut donc être défini comme celui des revêtements en céramique pour subtrat.
  • Les revêtements ont, par exemple, pour fonction de modifier les propriétés d'un substrat, telles que les propriétés mécaniques, les propriétés thermiques, les propriétés électriques et les propriétés chimiques, les propriétés optiques.
  • Les revêtements de substrat trouvent donc leur application dans de nombreux domaines tels que la microélectronique, l'optique ou encore l'énergie.
  • Ainsi, dans le domaine de la microélectronique, la tendance est d'aller vers des systèmes de taille de plus en plus réduite, impliquant la mise en oeuvre de structures en relief pour augmenter notamment la surface active de ces structures. La réalisation de telles structures nécessite de savoir les revêtir par des couches minces céramiques, présentant généralement des propriétés diélectriques.
  • Dans le domaine de l'énergie, en particulier celui des piles à combustible, la tendance est d'aller vers des systèmes portatifs, dont l'encombrement est de quelques millimètres et comprenant des composants dont les dimensions critiques sont de l'ordre de 0,1 à 10 µm. Leur fabrication nécessite la réalisation de revêtements sur des substrats de géométrie complexe, tels que des revêtements en LiCoO2 faisant office de cathode.
  • Enfin, dans le domaine de l'optique, en particulier dans les systèmes photoniques, la tendance est également à la miniaturisation, notamment, des réseaux de diffraction. Ces réseaux de diffraction se présentent généralement, dans les systèmes photoniques, sous forme de tunnels présentant à leur surface des motifs de taille micronique. La réalisation de revêtements en céramique sur ces systèmes contribue généralement à apporter une meilleure résistance à ces systèmes optiques.
  • Que ce soit dans le domaine de la microélectronique, de l'énergie et de l'optique, les revêtements en céramique se doivent de présenter une épaisseur uniforme sur les substrats sur lesquels ils sont déposés, et ce de manière à assurer une uniformité des propriétés apportées par ces revêtements.
  • Les procédés de dépôt de revêtement · d'oxyde peuvent être classés en deux catégories : à savoir, d'une part, les procédés par voie sèche et, d'autre part, les procédés par voie humide.
  • Par voie sèche, on distingue principalement dans la littérature, pour les dépôts de revêtements sur des substrats à motifs microniques, le dépôt chimique en phase vapeur (connu sous l'abréviation CVD pour « Chemical Vapor Déposition »), le dépôt physique en phase vapeur (connu sous l'abréviation PVD pour « Physical Vapor Déposition ») dont une variante spécifique est l'implantation ionique.
  • Le dépôt chimique en phase vapeur est une méthode dans laquelle les composés volatils du matériau à déposer sont transformés en espèces réactives, telles que des radicaux générés par micro-ondes, par torches à plasma...etc, formant ainsi une phase vapeur, qui réagit avec le substrat chauffé, pour donner un revêtement. Les composés volatils du matériau à déposer sont éventuellement dilués dans un gaz porteur, tel que du dihydrogène. Cette méthode présente un certain nombre d'avantages parmi lesquels on peut citer une bonne sélectivité des dépôts, une bonne adaptabilité dans les chaînes de production. Toutefois, cette méthode présente les inconvénients suivants :
    • les revêtements obtenus sont peu denses ;
    • ils sont souvent contaminés par des gaz très réactifs issus de la réaction chimique (hydrogène, halogènes) ;
    • ils présentent une mauvaise adhérence au substrat ;
    • les revêtements présentent une mauvaise acuité au niveau des arêtes des motifs en relief.
  • Une méthode plus avantageuse peut consister à réaliser les revêtements par dépôt physique en phase vapeur, tels que l'évaporation, la pulvérisation et l'ablation. Par exemple, l'évaporation consiste simplement à évaporer ou sublimer le matériau à déposer dans un creuset sous vide en le chauffant à haute température. Le matériau évaporé est déposé par condensation sur le substrat à recouvrir et une couche est formée sur le substrat. Bien que cette méthode permette d'obtenir des couches plus denses, cette méthode se révêle être difficile à mettre en oeuvre, de par l'appareillage à utiliser, et de coût élevé, et n'assure pas une épaisseur de couches uniforme sur des substrats présentant des motifs en relief.
  • En résumé, que ce soit par CVD ou PVD, les revêtements sur des substrats présentant des motifs de taille micronique obtenus par ces techniques ne présentent pas une épaisseur uniforme sur toute la longueur de dépôt et présentent, en particulier, des surépaisseurs au niveau des arêtes des motifs en relief. Ceci peut engendrer, lorsque les substrats ainsi revêtus sont destinés à être utilisés comme composants électroniques, des variations de capacité ainsi que des risques de claquage au niveau des arêtes des motifs en relief.
  • Certains auteurs ont utilisé le procédé sol-gel pour constituer des solutions de dépôt pour des substrats présentant des motifs en relief (Journal of the European Ceramic Society, 199, 18(3), p.255-260 [1] ; Journal of Materials Research, 2003, 18(5) ; p.1259-1265 [2]). Toutefois, il s'agit dans ces documents de réaliser des moulages (c'est-à-dire l'empreinte négative) du substrat et en aucun cas de réaliser un revêtement d'épaisseur uniforme épousant la forme du substrat.
  • Il existe ainsi un véritable besoin concernant un procédé de réalisation d'un revêtement conforme à la géométrie d'un substrat présentant des motifs en relief, qui ne présente pas les inconvénients rencontrés dans l'art antérieur avec les techniques par voie sèche.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • Le but de l'invention est atteint par un procédé de réalisation d'un revêtement en céramique oxyde conforme à la géométrie d'un substrat présentant des motifs en relief comprenant :
    • une étape de dépôt sur ledit substrat d'une couche de solution sol-gel précurseur de ladite céramique par trempage retrait;
    • une étape de traitement thermique de ladite couche en vue de la transformer en ladite céramique ;
    lesdites étapes étant éventuellement répétées une ou plusieurs fois, caractérisé en ce que la solution sol-gel précurseur de ladite céramique est préparée par un procédé comprenant successivement les étapes suivantes :
    1. a) préparer une première solution par mise en contact du ou des précurseurs moléculaires de métaux et/ou métalloïdes destinés à entrer dans la constitution de la céramique avec un milieu comprenant un solvant comprenant au moins deux fonctions -OH et éventuellement un monoalcool aliphatique ;
    2. b) mettre au repos la solution obtenue en a) pendant un temps suffisant nécessaire à l'obtention d'une solution présentant une viscosité sensiblement constante ;
    3. c) diluer à un taux prédéterminé la solution obtenue en b) avec un solvant présentant une viscosité plus faible que celle du solvant comprenant au moins deux fonctions-OH utilisé dans l'étape a).
  • Selon l'invention, par solvant miscible, on entend, un solvant qui peut se mélanger au solvant comprenant au moins deux fonctions -OH et le cas échéant au monolalcool aliphatique en formant un mélange homogène, et ceci en toutes proportions à température ambiante, c'est-à-dire à une température de l'atmosphère environnante, généralement comprise entre 20 et 25°C.
  • Le procédé de l'invention, mettant en oeuvre la technologie sol-gel pour constituer la solution de dépôt, présente les avantages suivants :
    • il permet de réaliser des revêtements sur des surfaces complexes de tailles diverses et sans nécessiter d'équipement lourd ;
    • il permet d'obtenir des dépôts homogènes en composition;
    • du fait que le mélange des espèces se déroule à l'échelle moléculaire, il est possible de réaliser facilement par ce procédé des oxydes complexes comportant, par exemple, trois éléments ou plus et de contrôler la stoechiométrie.
  • De plus, le procédé de l'invention permet avantageusement d'obtenir des revêtements conformes à la géométrie du substrat, c'est-à-dire des revêtements présentant une épaisseur sensiblement uniforme sur toute la longueur de dépôt grâce notamment aux propriétés de stabilité de la solution sol-gel obtenue préalablement au dépôt.
  • Selon l'invention, les céramiques oxydes constituant le revêtement peuvent être choisies parmi les oxydes à structure pérovskite tels que le zircono-titanate de plomb (connu sous l'abréviation PZT), le titanate de baryum, le titanate de baryum et de strontium (connu sous l'abréviation BST), le titanate de plomb, de niobium et de zinc (connu sous l'abréviation PZNT), le niobate de zinc et de plomb (connu sous l'abréviation PZN), le niobate de magnésium et de plomb (connu sous l'abréviation PMN), le titanate de plomb (connu sous l'abréviation PT), le niobate de potassium et de calcium, le titanate de bismuth et de potassium (connu sous l'abréviation BKT), le titanate de bismuth et de strontium (connu sous l'abréviation SBT), le tantalate de potassium (connu sous l'abréviation KLT), les solutions solides de PMN et PT.
  • Les céramiques oxydes constituant le revêtement peuvent être également choisies parmi les oxydes simples, tels que SiO2, HfO2, ZrO2, Al2O3 et Ta2O5.
  • Ainsi, le procédé de l'invention comprend, la préparation d'une solution sol-gel stable. Cette préparation comprend, dans un premier temps, la mise en contact d'un ou plusieurs précurseurs moléculaires de métaux et/ou métalloïdes destinés à entrer dans la constitution de la céramique avec un milieu comprenant un solvant comprenant au moins deux fonctions -OH et éventuellement un monoalcool aliphatique.
  • Le métal peut être choisi dans un groupe constitué par les métaux alcalins, tels que K, les métaux alcalino-terreux, tels que Mg, les métaux de transition, les métaux lanthanides et les métaux dits post-transitionnels des colonnes IIIA et IVA de la classification périodique des éléments. Les métaux de transition peuvent être choisis parmi Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt. Les métaux lanthanides peuvent être choisis parmi La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Yb. Les métaux post-transitionnels peuvent être choisis parmi les éléments du groupe IIIA A1, Ga, In et Tl et les éléments du groupe IVA Ge, Sn et Pb.
  • Les métalloïdes peuvent être choisis parmi Si, Se, Te.
  • Les précurseurs moléculaires de métal et/ou de métalloïde peuvent se présenter sous forme de sels inorganiques de métal ou métalloïde tels que des halogénures (fluorures, chlorures, bromures, iodures), des nitrates ou des oxalates.
  • Les précurseurs moléculaires de métal et/ou de métalloïde peuvent se présenter également sous forme de composés organométalliques de métal ou métalloïde, tels que des alcoxydes répondant à la formule (RO)nM, dans laquelle M désigne le métal ou le métalloïde, n représente le nombre de ligands liés à M, ce nombre correspondant également à la valence de M et R représente un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, pouvant comporter de 1 à 10 atomes de carbone ou un groupe aromatique comprenant de 4 à 14 atomes de carbone, tel qu'un groupe phényle.
  • Les précurseurs moléculaires de métal ou de métalloïde peuvent se présenter également sous forme de composés organométalliques de formule :

            XyR1 zM

    dans laquelle :
    • M représente un métal ou un métalloïde ;
    • X représente un groupe hydrolysable choisi parmi les groupes halogène, acrylate, acétoxy, acyle, OR' avec R' représentant un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, pouvant comporter de 1 à 10 atomes de carbone ou un groupe aromatique comprenant de 4 à 14 atomes de carbone, tel qu'un groupe phényle ;
    • R1 représente un groupe non hydrolysable choisi parmi les groupes alkyles, linéaires ou ramifiés, pouvant comprendre de 1 à 10 atomes de carbone, éventuellement perfluorés, les groupes aromatiques pouvant comprendre de 4 à 14 atomes de carbone ;
    • y et z sont des entiers choisis de manière à ce que (y+z) soit égale à la valence M.
  • En plus des précurseurs moléculaires susmentionnés, la première solution de l'étape a) peut contenir, en outre, un ou plusieurs composés polymérisables, tels que des monomères éthyléniques, comme le styrène.
  • Ainsi, lorsque le revêtement que l'on veut réaliser est un revêtement en PZT, les précurseurs moléculaires à utiliser pour la préparation des solutions sol-gel sont respectivement des précurseurs moléculaires de plomb, des précurseurs moléculaires de zirconium et des précurseurs moléculaires de titane.
  • A titre d'exemple, on peut utiliser comme précurseur de plomb des sels organiques de plomb tels que des acétates, des sels minéraux de plomb tels que des chlorures ou encore des composés organométalliques du plomb comme des alcoolates comportant un nombre d'atomes de carbone allant de 1 à 4. De préférence, le précurseur de plomb utilisé est un sel organique hydraté tel que l'acétate de plomb trihydraté. Ce précurseur présente l'avantage d'être stable, très courant et bon marché. Toutefois, lors de l'utilisation d'un tel précurseur hydraté, il est préférable de procéder à une déshydratation de ce dernier. En effet, la présence d'eau lors du mélange des solutions sol-gel entre eux peut entraîner une hydrolyse prématurée des précurseurs métalliques suivie d'une polymérisation et donc une solution sol-gel instable dans le temps.
  • Par exemple, la déshydratation de l'acétate de plomb trihydraté peut s'effectuer par distillation de ce dernier dans le solvant comprenant au moins deux fonctions -OH utilisé pour effectuer le mélange des solutions sol-gel.
  • De préférence, les précurseurs de titane sont des alcoxydes, tels que l'isopropoxyde de titane. De même, les précurseurs de zirconium sont préférablement des alcoxydes, tels que le n-propoxyde de zirconium.
  • Lorsque que le revêtement que l'on veut obtenir est un revêtement en BST, les précurseurs moléculaires à utiliser pour la préparation de la solution sol-gel sont respectivement des précurseurs moléculaires de baryum, des précurseurs moléculaires de strontium et des précurseurs moléculaires de titane.
  • Lorsque que le revêtement que l'on veut obtenir est un revêtement en PZNT, les précurseurs moléculaires à utiliser pour la préparation de la solution sol-gel sont respectivement des précurseurs moléculaires de plomb, des précurseurs moléculaires de zirconium, des précurseurs moléculaires de niobium et des précurseurs moléculaires de titane.
  • Lorsque que le revêtement que l'on veut obtenir est un revêtement en PMN, les précurseurs moléculaires à utiliser pour la préparation de la solution sol-gel sont respectivement des précurseurs moléculaires de plomb, des précurseurs moléculaires de magnésium, des précurseurs moléculaires de niobium.
  • Lorsque que le revêtement que l'on veut obtenir est un revêtement en PT, les précurseurs moléculaires à utiliser pour la préparation de la solution sol-gel sont respectivement des précurseurs moléculaires de plomb, des précurseurs moléculaires de titane.
  • Lorsque que le revêtement que l'on veut obtenir est un revêtement en BKT, les précurseurs moléculaires à utiliser pour la préparation de la solution sol-gel sont respectivement des précurseurs moléculaires de bismuth, des précurseurs moléculaires de potassium, des précurseurs moléculaires de titane.
  • Lorsque que le revêtement que l'on veut obtenir est un revêtement en SBT, les précurseurs moléculaires à utiliser pour la préparation de la solution sol-gel sont respectivement des précurseurs moléculaires de strontium, des précurseurs moléculaires de bismuth, des précurseurs moléculaires de titane.
  • Lorsque le revêtement que l'on veut obtenir est un revêtement en SiO2, HfO2, Ta2O5, ZrO2 ou Al2O3, les précurseurs moléculaires à utiliser pour la préparation de la solution sol-gel sont respectivement des précurseurs moléculaires de silicium, de hafnium, de tantale, de zirconium ou d'aluminium.
  • Les précurseurs tels que mentionnés ci-dessus sont mis en contact avec un milieu comprenant un solvant comprenant au moins deux fonctions -OH et éventuellement un monoalcool aliphatique.
  • Le solvant comprenant au moins deux fonctions -OH utilisé dans l'étape a) et éventuellement c) peut être un alkylène glycol, ayant un nombre d'atomes de carbone allant de 2 à 5. Ce type de solvant contribue à faciliter la solubilisation des précurseurs et, de plus, joue un rôle d'agent stabilisant de la solution sol-gel. Un solvant comprenant au moins deux fonctions -OH pouvant être utilisé est l'éthylène glycol ou encore la diéthanolamine.
  • En complément du solvant comprenant au moins deux fonctions -OH, le milieu de l'étape a) peut comprendre également un monoalcool aliphatique, pouvant, par exemple, comprendre de 1 à 6 atomes de carbone. Un monoalcool aliphatique comprenant de 1 à 6 atomes de carbone peut être également utilisé comme solvant de dilution dans l'étape c). A titre d'exemple de monoalcool aliphatique, on peut citer le n-propanol.
  • La mise en contact des précurseurs moléculaires avec le milieu comprenant un solvant comprenant au moins deux fonctions -OH peut se faire de différentes façons et dépendra de la nature des précurseurs, l'essentiel étant d'obtenir une solution sol-gel d'aspect homogène.
  • Par exemple, lorsque la solution sol-gel est précurseur d'une céramique PZT, la mise en contact peut consister à préparer une première solution sol-gel à base de plomb dans un solvant diol, par dissolution d'un précurseur moléculaire à base de plomb dans ce solvant diol, auquel on ajoute une deuxième solution sol-gel mixte à base de titane et de zirconium, ladite solution sol-gel mixte pouvant être préparée par dissolution d'un précurseur moléculaire à base de zirconium et d'un précurseur moléculaire à base de titane dans le même diol ou dans un solvant compatible avec ledit diol, à savoir un solvant miscible avec ledit diol, comme c'est le cas des monoalcools aliphatiques tels que le propanol. On précise, que la solution sol-gel à base de plomb est, de préférence, initialement en excès de 10 % par rapport à la stoechiométrie. Le mélange desdites solutions sol-gel peut être ensuite porté à reflux, sous agitation, à une température avoisinant la température d'ébullition du mélange réactionnel. Le reflux permet d'assurer, avantageusement, une homogénéisation des solutions sol-gel mélangés entre elles.
  • Une fois la solution sol-gel obtenue à l'issue de l'étape a), la solution sol-gel est mise au repos, conformément à l'invention, pendant un temps adéquat jusqu'à obtention d'une solution présentant une viscosité sensiblement constante. Généralement, l'étape b) est réalisée, de préférence, à température ambiante, par exemple, pendant une durée pouvant s'échelonner d'une semaine à 4 mois. Pendant cette phase dite de mûrissement, les précurseurs de métaux et/ou de métalloïdes solubilisés condensent jusqu'à un état d'équilibre. Cette condensation se traduit par une augmentation de la viscosité de la solution sol-gel, jusqu'à atteindre une valeur sensiblement constante en fonction du temps, lorsque l'état d'équilibre est atteint. En pratique, la solution préparée en a) est placée au repos, généralement, à température ambiante et en l'absence de tout chauffage. Parallèlement, la viscosité de la solution est mesurée à intervalles réguliers. Une fois que celle-ci présente une viscosité sensiblement constante, atteinte généralement au bout d'une période allant de 1 semaine à 4 mois, la solution est diluée selon un taux prédéterminé de dilution (étape c). Ce taux de dilution sera choisi par l'homme du métier selon l'utilisation envisagée de la solution sol-gel, et notamment selon l'épaisseur de revêtement souhaité après dépôt et traitement d'une telle solution sur un substrat et également selon la technique de dépôt.
  • Cette dilution peut consister à diluer la solution sol-gel obtenue à l'issue de l'étape b) par un facteur de dilution s'échelonnant de 1 à 20.
  • Selon l'invention, le solvant de dilution doit être miscible avec le solvant de préparation de la solution de l'étape a). Des exemples de solvants comprenant au moins deux fonctions -OH envisageables sont l'éthylène glycol, le propylène glycol.
  • Le solvant est choisi parmi les solvants présentant une viscosité plus faible que celle du solvant utilisée dans l'étape a). Des solvants répondant à cette spécification sont, par exemple, des monoalcools aliphatiques comprenant de 1 à 6 atomes de carbone tels que définis ci-dessus.
  • Une fois préparée, la solution sol-gel est déposée sur un substrat sous forme d'une couche.
  • . Les épaisseurs de couches minces
  • En ce qui concerne la technique de trempage-retrait, le substrat est plongé dans la solution sol-gel préparée préalablement puis retiré à une vitesse appropriée pour obtenir un dépôt conforme, tel que défini ci-dessus. L'avantage de cette technique est que plusieurs substrats peuvent être traités en même temps, ce qui permet un gain de productivité.
  • Selon l'invention, le substrat destiné au dépôt est un substrat comportant des motifs en relief, par exemple de taille micrométrique. On précise que, par motifs de taille micrométrique, on entend, généralement, des motifs en relief présentant des dimensions (telles que la hauteur, la largeur) allant de 1 à 100 µm, ces motifs étant espacées également d'une distance allant de 1 à 100 µm.
  • Ces motifs en relief peuvent se présenter notamment sous forme de tranchées, par exemple de forme parallélépipédique, présentant, par exemple, une profondeur, une hauteur et un espacement de taille micrométriques. Ce substrat peut se présenter sous forme d'une tranche (ou wafer) de silicium, recouverte éventuellement d'une couche de métallisation, lorsque le domaine d'application est la microélectronique.
  • Une fois que le dépôt de la solution sol-gel est effectué sur une face du substrat, le procédé de l'invention comprend un traitement thermique de la ou les couches déposées, de manière à les transformer en la céramique souhaitée. Ce traitement thermique peut se dérouler de différentes manières, selon que le procédé de l'invention comprend le dépôt d'une ou plusieurs couches.
  • De manière générale, ce traitement thermique comprend :
    • une étape de séchage de chaque couche déposée, de façon à gélifier la couche et éventuellement à éliminer une partie du solvant ;
    • éventuellement, une étape de pyrolyse de chaque couche déposée, de façon à éliminer les composés organiques de la couche ;
    • éventuellement, une étape de relaxation de chaque couche déposée, de façon à éliminer les contraintes générées lors du rétreint de la couche ;
    • éventuellement une étape de densification de la couche ou de l'ensemble des couches déposées.
  • Le traitement thermique peut se limiter à une simple étape de séchage, si celle-ci suffit pour obtenir une céramisation de la couche. C'est notamment le cas des couches en oxyde simple, tel que SiO2, HfO2, Ta2O5, ZrO2 ou Al2O3.
  • Pour les couches à base d'oxydes de structure pérovskite, le traitement thermique nécessite généralement une étape de séchage, une étape de pyrolyse, une étape de relaxation et une étape de densification.
  • Ainsi, chaque couche de solution déposée subit, selon l'invention, une étape consistant en une étape de séchage de la couche déposée de manière à assurer une gélification de la couche. Cette étape est destinée à assurer l'évaporation d'une partie du solvant de l'étape a) et d'une partie du solvant de dilution et éventuellement des produits secondaires, tels que des esters, issus des réactions entre les précurseurs métalliques. A l'issue de cette étape, la solution sol-gel déposée est transformée en une couche de gel d'épaisseur constante adhérant à la surface du substrat. La température et la durée efficaces pour assurer la gélification peuvent être déterminées aisément, par l'homme du métier, à l'aide, par exemple, de techniques de spectrométrie UV-visible.
  • Par exemple, l'étape de séchage, selon l'invention, peut être effectuée à température ambiante pour une durée allant de 1 à 10 minutes. En d'autres termes, cette étape de dépôt consistera à mettre au repos pendant une durée appropriée la couche, juste après le dépôt, pour qu'elle sèche. Cette étape de séchage peut être également effectuée à une température allant de 40 à 80°C, par exemple, en faisant usage d'une plaque chauffante. Dans ce cas, cette étape sera qualifiée, dans la partie expérimentale, d'étape de prépyrolyse.
  • Après séchage, chaque couche subit généralement une étape de pyrolyse effectuée à une température et une durée efficaces pour éliminer totalement des composés organiques de la couche déposée et en particulier les solvants de préparation et de dilution de la solution sol-gel et les composés générés par la réaction des précurseurs moléculaires entre eux. La température et durée efficaces peuvent être déterminées aisément par l'homme du métier grâce à des techniques telles que la spectroscopie IR (Infrarouge).
  • La durée de pyrolyse pour une température donnée, correspond à une durée permettant l'obtention d'une épaisseur de couche constante. L'épaisseur de couche est contrôlée, par exemple, par des techniques de profilométrie. L'étape de pyrolyse est arrêtée à l'obtention d'une couche homogène en épaisseur et exempt de composés organiques.
  • Par exemple, lorsque la couche déposée (ou l'ensemble des couches déposées) est précurseur d'une céramique PZT, cette étape de pyrolyse peut s'effectuer à une température allant d'environ 300 à environ 400°C, de préférence entre 350 et 370°C, et pour une durée allant d'environ 5 minutes à 10 minutes.
  • Après l'étape de pyrolyse, chaque couche déposée peut être amenée à subir une étape de relaxation, afin de libérer les contraintes générées lors du rétreint de la couche, en particulier celles accumulées au niveau des motifs en relief. On précise que, par rétreint, on entend la diminution des dimensions de la couche déposée, après séchage et éventuellement pyrolyse de celle-ci. Cette étape peut être mise en oeuvre en maintenant la couche déposée à une température légèrement supérieure à la température de pyrolyse, par exemple supérieure de 10 à 30°C, pendant une durée pouvant aller de 10 à 30 minutes.
  • Par exemple, lorsque la couche est précurseur d'une céramique PZT, la température de relaxation est supérieure de 10 à 30°C à la température de pyrolyse mais ne doit, de préférence, pas dépasser 400°C, de sorte à éviter la formation d'une phase pyrochlore.
  • Enfin, la couche déposée ou l'ensemble des couches déposées peut être soumis à une étape de densification (ou recuit) à une durée et une température efficaces pour permettre la cristallisation de la couche déposée ou de l'ensemble des couches déposées. La cristallisation de la couche correspond à l'obtention d'une couche d'épaisseur stabilisée et de structure cristallisée, du type pérovskite. La température et la durée de recuit sont choisies de manière à obtenir cette cristallisation, vérifiable aisément par analyse structurale, telle que l'analyse par diffraction des rayons X.
  • De préférence, la densification est effectuée à une température allant d'environ 500 à environ 800°C pour une durée comprise entre environ 30 secondes et environ 1 heure, en particulier de 1 minute à 10 minutes.
  • Le recuit peut être effectué par différentes techniques. De préférence, le recuit est réalisé par un mode de chauffage rapide, obtenu, par exemple, avec la technique du « recuit thermique rapide » (communément désigné par l'abréviation RTA pour « Rapid Thermal Annealing » ou RTP pour « Rapid Thermal Process »).
  • Après ce traitement thermique, les revêtements thermiques sont homogènes, continus, conformes à la géométrie du substrat et adhèrent fortement au substrat.
  • Le facteur de conformité, défini par le rapport des épaisseurs au fond des motifs et au sommet ou sur les flancs des motifs est proche de 1. Ce résultat, ajouté à la simplicité de mise en oeuvre de la technique sol-gel, son coût et son gain de productivité augure favorablement de l'utilisation d'un tel procédé dans le milieu industriel.
  • Les étapes de dépôt de la solution sol-gel et de traitement thermique peuvent être réitérées une ou plusieurs fois, jusqu'à l'obtention d'un revêtement présentant l'épaisseur désirée, par exemple, une épaisseur allant de 30 à 200 nm.
  • Ce procédé de revêtement trouve son application en particulier pour la réalisation de composants électroniques, tels que des capacités pouvant aller de 100 nF/mm2 à 1 µF/mm2.
  • L'invention va maintenant être décrite par rapport aux exemples suivants donnés à titre illustratif et non limitatif.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La figure unique illustre une coupe transversale d'une partie d'un substrat présentant des motifs sous forme de tranchées muni d'un revêtement et illustrant les grandeurs nécessaires à la détermination des facteurs de conformité.
    • EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • Les exemples qui suivent illustrent, dans un premier temps, la préparation de solutions sol-gel utilisées pour la réalisation de revêtements conformes, puis dans un deuxième temps, la réalisation de revêtements conformes sur des substrats présentant des motifs en relief sous forme de tranchées.
  • La conformité du revêtement par rapport à la géométrie du substrat est déterminée par les facteurs de conformité (b/a) et (b/c), pour lesquels :
    • a correspond à l'épaisseur du revêtement au sommet de la tranchée ;
    • b correspond à l'épaisseur du revêtement au fond de la tranchée ;
    • c correspond à l'épaisseur du revêtement à mi-hauteur sur le flanc de la tranchée.
  • Ces grandeurs a, b et c sont représentées sur la figure 1. Plus les facteurs de conformité (b/a) et (b/c) s'approchent de 1, plus la conformité du revêtement est considérée comme idéale.
  • De manière pratique, pour déterminer ces facteurs de conformité, le substrat est, dans un premier temps, clivé après traitement thermique selon la ligne d'observation voulue puis l'interface revêtement/substrat est observée par microscopie électronique à balayage.
    • EXEMPLE 1
  • Dans cet exemple est décrit le protocole expérimental de préparation d'une solution sol-gel précurseur d'une céramique zircono-titanate de plomb (PZT) ainsi que le procédé de dépôt par trempage-retrait de cette solution sur des wafers de silicium métallisés dont la surface présente des motifs micrométriques en relief dans le but d'obtenir des revêtements parfaitement conformes à la géométrie du substrat. Les motifs utilisés dans cet exemple sont des tranchées de 1 µm de profondeur, 2 µm de large et espacées de 2 µm.
    • a) Préparation de la solution sol-gel à composition nominale PbZr 0,52 Ti 0,48 O 3
  • Dans un premier temps, il est procédé à la préparation d'une solution comprenant un précurseur de plomb. Pour ce faire, dans un ballon surmonté d'un montage de distillation, on pèse 751 g (1,98 mol) d'acétate de plomb trihydraté et 330,2 g d'éthylène glycol. Le mélange est homogénéisé pendant 30 minutes à 70°C de manière à permettre une dissolution complète de l'acétate de plomb. Puis la température de la solution homogène est augmentée pour déshydrater le précurseur de plomb par distillation. Au cours de la distillation, la solution jaunit. Le distillat récupéré a une concentration en plomb de l'ordre de 2,05 mol/kg.
  • Sous balayage d'argon et sous agitation, 225,1 g (0,792 mol) d'isopropoxyde de titane sont agités à 264 g de 1-propanol. Toujours dans les mêmes conditions, sont ensuite ajoutés 401,5 g (0,858 mol) de propoxyde de zirconium à 70% dans du 1-propanol puis 458,7 g d'éthylène glycol. Le mélange est laissé sous agitation pendant 20 minutes à température ambiante. Dans un tricol, on verse 883 g (1,815 mol) de la solution d'alcoxyde de plomb préalablement préparée, soit un excès de 10 % pour pallier la perte en oxyde de plomb lors du traitement thermique. Sous courant d'argon, la solution Ti/Zr est rapidement ajoutée dans le tricol sous forte agitation (600 tours/min). A la fin d'addition, un réfrigérant surmonté d'une garde dessicante est installé sur le montage. Le mélange est mis à reflux pendant 2 heures (101°C). Après reflux, la solution obtenue présente une concentration en équivalent massique PZT de l'ordre de 26%.
  • La solution est ensuite conservée à température ambiante pendant sa phase de mûrissement. Elle est diluée au bout d'une semaine de mûrissement par ajout de méthanol, de manière à obtenir une solution présentant une concentration de 15% en équivalent massique PZT. La viscosité alors obtenue est de l'ordre de 3 mPa.s. La dilution permet de stabiliser la viscosité de la solution pendant plusieurs mois.
    • b) Dépôt d'un revêtement conforme sur le substrat.
  • Le substrat est un wafer de silicium de 6 pouces de diamètre, recouvert d'une couche de silice obtenue par oxydation thermique. Il est métallisé par pulvérisation avec une couche de platine d'une épaisseur de l'ordre de 100 nm. La surface du wafer présente des motifs en relief du type tranchées, dont la profondeur est de 1 µm et la largeur est de l'ordre du micromètre.
  • La solution diluée préparée préalablement est déposée par trempage-retrait sur le wafer.
    Plus précisément, le wafer, dont la face arrière a été protégée par un film adhésif, est placé une minute dans la solution sol-gel puis retiré à une vitesse de retrait ajustée entre 2 et 10 cm.min-1. Une fois que le wafer est retiré du bain de traitement, il est soumis à un traitement thermique. Ce traitement thermique comprend les étapes suivantes :
    • une première étape dite de « prépyrolyse », consistant à chauffer le wafer sur plaque chauffante pendant une durée allant de 2 à 10 min à une température de 50°C, cette étape étant destinée à réduire le temps de séchage par rapport à un séchage classique à température ambiante ;
    • une étape de pyrolyse à une température de 360°C pendant 5 à 10 minutes, cette étape étant destinée à éliminer les résidus de composés organiques et à amorcer la phase de cristallisation sans piéger de résidus ;
    • une étape de relaxation à une température de 390°C pendant une durée allant de 10 à 20 minutes destinée à permettre un relâchement des contraintes générées lors du retrait du film PZT ;
    • une étape de densification à une température de 600°C pendant une durée allant de 5 à 10 minutes destinée à cristalliser le film dans une phase pérovskite.
  • Pour caractériser la conformité du dépôt à la surface du wafer, l'interface dépôt/substrat est observée par microscopie électronique à balayage. Pour cela, l'échantillon est clivé après traitement thermique selon la ligne d'observation voulue.
  • L'épaisseur du revêtement a été évaluée à 90 nm avec des facteurs de conformité (b/a) égal à 1,4 et (b/c) égal à 1,3.
    • EXEMPLE 2
  • Dans cet exemple est décrit le protocole expérimental de préparation d'une solution sol-gel précurseur d'une céramique zircono-titanate de plomb (PZT) ainsi que le procédé (non-conforme à l'invention) de dépôt par enduction centrifuge de cette solution sur des wafers de silicium métallisés dont la surface présente des motifs micrométriques en 3 dimensions dans le but d'obtenir des revêtements parfaitement conformes à la géométrie du substrat. Les motifs utilisés dans cet exemple sont des tranchées de 1 µm de profondeur, 2 µm de large et espacées de 2 µm.
    • a) Préparation de la solution sol-gel à composition nominale PbZr 0,52 Ti 0,48 O 3
  • Dans un premier temps, il est procédé à la préparation d'une solution comprenant un précurseur de plomb. Pour ce faire, dans un ballon surmonté d'un montage de distillation, on pèse 751 g (1,98 mol) d'acétate de plomb trihydraté et 330,2 g d'éthylène glycol. Le mélange est homogénéisé pendant 30 minutes à 70°C de manière à permettre une dissolution complète de l'acétate de plomb. Puis la température de la solution homogène est augmentée pour déshydrater le précurseur de plomb par distillation. Au cours de la distillation, la solution jaunit. Le distillat récupéré a une concentration en plomb de l'ordre de 2,05 mol/kg.
  • Sous balayage d'argon et sous agitation, 225,1 g (0,792 mol) d'isopropoxyde de titane sont ajoutés à 264 g de 1-propanol. Toujours dans les mêmes conditions, sont ensuite ajoutés 401,5 g (0,858 mol) de propoxyde de zirconium à 70% dans du 1-propanol puis 458,7 g d'éthylène glycol. Le mélange est laissé sous agitation pendant 20 minutes à température ambiante. Dans un tricol, on verse 883 g (1,815 mol) de la solution d'alcoxyde de plomb préalablement préparée, soit un excès de 10 % pour pallier la perte en oxyde de plomb lors du traitement thermique. Sous courant d'argon, la solution Ti/Zr est rapidement ajoutée dans le tricol sous forte agitation (600 tours/min). A la fin d'addition, un réfrigérant surmonté d'une garde dessicante est installé sur le montage. Le mélange est mis à reflux pendant 2 heures (101°C). Après reflux, la solution obtenue présente une concentration en équivalent massique PZT de l'ordre de 26%.
  • La solution est ensuite conservée à température ambiante pendant sa phase de mûrissement. Elle est diluée au bout d'une semaine de mûrissement par ajout d'éthylène glycol, de manière à obtenir une solution présentant une concentration de 10% en équivalent massique PZT. La viscosité alors obtenue est de l'ordre de 25 mPa.s. La dilution permet de stabiliser la viscosité de la solution pendant plusieurs mois.
    • b) Dépôt (non-conforme à l'invention) d'un revêtement conforme sur le substrat
  • Le substrat est un wafer de silicium de 6 pouces de diamètre, recouvert d'une couche de silice obtenue par oxydation thermique. Il est métallisé par pulvérisation avec une couche de platine d'une épaisseur de l'ordre de 100 nm. La surface du wafer présente des motifs en relief du type tranchées, dont la profondeur est de 1 µm et la largeur est de l'ordre du micromètre.
  • La solution diluée préparée préalablement est filtrée à 0,2 µm et est déposée par enduction centrifuge sur le wafer. La vitesse de rotation est réglée à 4500 tr.min-1. Après dépôt, la couche subit le traitement thermique suivant :
    • une première étape dite de « prépyrolyse », consistant à chauffer le wafer sur plaque chauffante pendant une durée allant de 2 à 10 min à une température de 50°C, cette étape étant destinée à réduire le temps de séchage par rapport à un séchage classique à température ambiante ;
    • une étape de pyrolyse à une température de 360°C pendant 5 à 10 minutes, cette étape étant destinée à éliminer les résidus de composés organiques et à amorcer la phase de cristallisation sans piéger de résidus.
  • Le dépôt suivi d'un traitement thermique tel que mentionné ci-dessus est réitéré 6 fois.
  • Le wafer revêtu de 6 couches subit un traitement thermique final comprenant :
    • une étape de relaxation à une température de 390°C pendant une durée allant de 10 à 20 minutes, cette étape étant destinée à permettre un relâchement des contraintes générées lors du rétreint du film PZT ;
    • une étape de densification à une température de 600°C pendant 5 à 10 minutes destinée à cristalliser le film dans une phase pérovskite.
  • Pour caractériser la conformité du dépôt à la surface du wafer, l'interface dépôt/substrat est observée par microscopie électronique à balayage. Pour cela, l'échantillon est clivé après traitement thermique selon la ligne d'observation voulue.
  • L'épaisseur du revêtement a été évaluée à 90 nm avec des facteurs de conformité (b/a) égal à 1,4 et (b/c) égal à 1, 3.

Claims (20)

  1. Procédé de réalisation d'un revêtement en céramique oxyde conforme à la géométrie d'un substrat présentant des motifs en relief comprenant :
    - une étape de dépôt sur ledit substrat d'une couche de solution sol-gel précurseur de ladite céramique par trempage retrait ;
    - une étape de traitement thermique de ladite couche en vue de la transformer en ladite céramique ;
    lesdites étapes étant éventuellement répétées une ou plusieurs fois, caractérisé en ce que la solution sol-gel précurseur de ladite céramique est préparée par un procédé comprenant successivement les étapes suivants :
    a) préparer une première solution par mise en contact du ou des précurseurs moléculaires des métaux et/ou métalloïdes destinés à entrer dans la constitution de la céramique avec un milieu comprenant un solvant comprenant au moins deux fonctions -OH et éventuellement un monoalcool aliphatique ;
    b) mettre au repos la solution obtenue en a) pendant un temps suffisant nécessaire à l'obtention d'une solution présentant une viscosité sensiblement constante ;
    c) diluer à un taux prédéterminé la solution obtenue en b) avec un solvant présentant une viscosité plus faible que celle du solvant comprenant au moins deux fonctions -OH utilisé dans l'étape a).
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la céramique oxyde est choisie parmi le zircono-titanate de plomb (connu sous l'abréviation PZT), le titanate de baryum, le titanate de baryum et de strontium (connu sous l'abréviation BST), le titanate de plomb, de niobium et de zinc (connu sous l'abréviation PZNT), le niobate de zinc et de plomb (connu sous l'abréviation PZN), le niobate de magnésium et de plomb (connu sous l'abréviation PMN), le titanate de plomb (connu sous l'abréviation PT), le niobate de potassium et de calcium, le titanate de bismuth et de potassium (connu sous l'abréviation BKT), le titanate de bismuth et de strontium (connu sous l'abréviation SBT), le tantalate de potassium (connu sous l'abréviation KLT), les solutions solides de PMN et PT.
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la céramique oxyde est choisie parmi SiO2, HfO2, ZrO2, Al2O3, Ta2O5.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le précurseur moléculaire de métal ou métalloïde est un sel inorganique de métal ou métalloïde.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le précurseur moléculaire de métal ou de métalloïde est un composé organométallique de métal ou métalloïde.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le composé organométallique de métal ou métalloïde est un alcoxyde répondant à la formule (RO)nM, dans laquelle M désigne le métal ou le métalloïde, n représente le nombre de ligands liés à M, ce nombre correspondant également à la valence de M et R représente un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, pouvant comporter de 1 à 10 atomes de carbone ou un groupe aromatique comprenant de 4 à 14 atomes de carbone.
  7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le composé organométallique de métal ou métalloïde est un composé organométallique de formule :

            XyR1 zM

    dans laquelle :
    - M représente un métal ou un métalloïde ;
    - X représente un groupe hydrolysable choisi parmi les groupes halogène, acrylate, acétoxy, acyle, OR' avec R' représentant un groupe alkyle, linéaire ou ramifié, pouvant comporter de 1 à 10 atomes de carbone ou un groupe aromatique comprenant de 4 à 14 atomes de carbone;
    - R1 représente un groupe non hydrolysable choisi parmi les groupes alkyles, linéaires ou ramifiés, pouvant comprendre de 1 à 10 atomes de carbone, éventuellement perfluorés, les groupes aromatiques pouvant comprendre de 4 à 14 atomes de carbone ;
    - y et z sont des entiers choisis de manière à ce que (y+z) soit égale à la valence M.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la première solution de l'étape a) comprend, en outre, un ou plusieurs composés polymérisables, tels que des monomères éthyléniques.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le solvant comprenant au moins deux fonctions -OH utilisé dans l'étape a) est un alkylène glycol, ayant un nombre d'atomes de carbone allant de 2 à 5.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l'éventuel monoalcool aliphatique de l'étape a) comprend de 1 à 6 atomes de carbone.
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la solution sol-gel préparée à l'étape a) est mise au repos, dans le cadre de l'étape b), pendant une durée allant de 1 semaine à 4 mois.
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le solvant de dilution est un monoalcool aliphatique comprenant de 1 à 6 atomes de carbone.
  13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la céramique oxyde est du zircono-titanate de plomb (PZT).
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le traitement thermique comprend :
    - une étape de séchage de la (les) couche(s) déposée(s), de façon à gélifier la (les) couche(s) ;
    - éventuellement, une étape de pyrolyse de la (les) couche(s) déposée(s), de façon à éliminer les composés organiques de la (les) couche(s) ;
    - éventuellement, une étape de relaxation de la (les) couche(s) déposée(s), de façon à éliminer les contraintes générées lors du rétreint de la(les) couche(s) ;
    - éventuellement, une étape de densification de la(les) couche(s) déposées.
  15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de séchage est effectuée à température ambiante pour une durée allant de 1 à 10 minutes.
  16. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de pyrolyse est effectuée à une température allant d'environ 300 à environ 400°C et pour une durée allant d'environ 5 minutes à 10 minutes.
  17. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de relaxation est réalisée à une température supérieure de 10 à 30°C à la température de pyrolyse pendant une durée pouvant aller de 10 à 30 minutes.
  18. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape de densification est réalisée à une température allant de 500 à 800°C pendant une durée allant de minute à 10 minutes.
  19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, dans lequel le revêtement présente une épaisseur allant de 30 à 200 nm.
  20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, dans lequel le substrat présente des motifs de taille micrométrique.
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