Nouveau procédé pour les couches minces piézoélectriques : Un bon timing pour une meilleure électronique
Dübendorf, 04.06.2025 — Quand des fractions de seconde sont décisives : Des chercheurs de l'Empa ont développé un procédé de couches minces high-tech dans lequel un timing sophistiqué permet d'obtenir des couches fonctionnelles de haute qualité à basse température. Les applications de cette nouvelle méthode se trouvent aussi bien dans l'industrie des semi-conducteurs que dans les futures technologies quantiques et photoniques.
L'électronique est tellement présente dans notre quotidien que nous n'en avons presque plus conscience. Lorsque l'on prend son smartphone en passant, on ne pense pas à la complexité d'un tel appareil. Des centaines de composants minuscules s'y côtoient, chacun d'entre eux étant un chef-d'œuvre d'ingénierie de haute précision.
Parmi ces composants à peine perceptibles figurent les filtres de fréquence. Ils garantissent qu'un appareil ne reçoit que les bons signaux, que ce soit via Wi-Fi ou via des réseaux mobiles. Chaque appareil qui communique sans fil contient de tels filtres. Ils sont souvent basés sur ce que l'on appelle des couches minces piézoélectriques. Les matériaux piézoélectriques ont une particularité : ils génèrent une tension électrique lorsqu'on les déforme et se déforment en retour lorsqu'on leur applique une tension électrique.
Outre les filtres de fréquence, les couches minces piézoélectriques sont utilisées pour de nombreux autres composants en microélectronique, qu'il s'agisse de capteurs, d'actionneurs ou de minuscules convertisseurs d'énergie. Des applications supplémentaires, par exemple pour les technologies quantiques, font actuellement l'objet de recherches. Une chose est cependant claire : pour que de telles couches minces puissent faire leur travail, elles doivent être d'une grande qualité. Selon la composition et la fonction de la couche mince, il faut pour cela différents procédés de fabrication.
Les chercheurs du laboratoire « Surface Science & Coating Technologies » de l'Empa ont développé un nouveau procédé de revêtement pour les couches minces piézoélectriques. La particularité de cette méthode est qu'elle permet de fabriquer des couches high-tech de très haute qualité sur des substrats isolants et à une température relativement basse – une nouveauté. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue spécialisée « Nature Communications » et ont déposé une demande de brevet pour leur procédé.
De nouveaux atouts pour un procédé connu
Les chercheurs se sont basés sur un procédé de revêtement courant appelé HiPIMS – abréviation de « high power impulse magnetron sputtering », en français « pulvérisation cathodique magnétron en régime d’impulsions de haute puissance ». La pulvérisation magnétron est un procédé de revêtement qui consiste à déposer du matériau à partir d'une matière première – la cible – sur un composant à revêtir – le substrat. Pour ce faire, un plasma de gaz de traitement est allumé sur la cible. Les ions du gaz de traitement – généralement de l'argon – sont alors projetés sur la cible, d'où ils éjectent des atomes qui atterrissent ensuite sur le substrat et forment la couche mince souhaitée. De nombreux matériaux entrent en ligne de compte comme cible. Pour les applications piézoélectriques, il s'agit souvent de métaux, avec lesquels il est possible de fabriquer des nitrures, par exemple du nitrure d'aluminium, en ajoutant de l'azote.
Le procédé HiPIMS se déroule en fait exactement de la même manière – à la différence près que le processus ne se déroule pas en continu, mais par impulsions courtes mais particulièrement énergiques. Cela n'a pas seulement pour effet d'accélérer le déplacement des atomes cibles expulsés. Beaucoup d'entre eux sont également ionisés à leur tour lors de leur passage dans le plasma. Cela rend le procédé passionnant pour la recherche. Contrairement aux atomes neutres, les ions peuvent être accélérés, par exemple en appliquant une tension négative au substrat. Depuis une vingtaine d'années, ce procédé est utilisé pour fabriquer des couches de matériaux durs. Dans ce cas, les énergies élevées permettent d'obtenir des couches particulièrement denses et résistantes.
Mais jusqu'à présent, ce procédé n'entrait pas en ligne de compte pour les couches minces piézoélectriques. En effet, lorsqu'une tension est appliquée au substrat, non seulement les ions cibles qui forment la couche sont accélérés sur le substrat, mais aussi les ions argon du gaz de traitement. Il convient d'éviter ce bombardement d'argon. « Les couches dures peuvent parfois contenir plusieurs pour cent d'argon », explique Sebastian Siol, chercheur à l'Empa, « et il faut souvent appliquer des tensions élevées à une couche mince piézoélectrique. Là, cela conduirait à un breakdown catastrophique ».
Néanmoins, les chercheurs autour de Sebastian Siol croyaient au potentiel de l'HiPIMS pour les couches minces piézoélectriques. La haute énergie avec laquelle les ions se dirigent vers le substrat est en effet extrêmement avantageuse. Si l'ion rebondit avec suffisamment d'énergie, il reste mobile sur le substrat pendant un court laps de temps et peut trouver une place optimale dans le réseau cristallin en croissance. Mais que faire contre les inclusions d'argon ?
Dans le cadre de sa thèse de doctorat, Jyotish Patidar a développé une solution astucieuse. Tous les ions n'arrivent pas en même temps à destination. La majorité des ions d'argon se trouvent dans le plasma avant la cible. Ils arrivent donc souvent plus vite sur le substrat que les ions de la cible, qui doivent d'abord être battus hors de la cible et doivent en outre effectuer tout le trajet. L'astuce de Jyotish Patidar a été le timing : « Si nous appliquons la tension au substrat exactement au bon moment, nous n'accélérons que les ions souhaités », explique Sebastian Siol. Les ions d'argon sont déjà passés à ce moment-là – sans l'accélération supplémentaire, ils ont trop peu d'énergie pour adhérer au substrat.
« Douche électronique » comme contrôleur aérien
Grâce à cette astuce, les chercheurs ont réussi à fabriquer pour la première fois des couches minces piézoélectriques de haute qualité par le procédé HiPIMS – de manière équivalente ou même meilleure qu'avec les méthodes traditionnelles. Le défi suivant a été relevé : selon l'application, la couche mince doit être fabriquée sur un support isolant, comme le verre ou le saphir. Mais si le substrat n'est pas conducteur, il n'est pas possible d'y appliquer une tension. Certes, il existe dans l'industrie une possibilité d'accélérer malgré tout les ions – mais elle aussi conduit souvent à des inclusions d'argon dans la couche.
C'est ici que les chercheurs de l'Empa ont réussi à faire une percée. Pour accélérer les ions sur le substrat isolant, ils utilisent l'impulsion du magnétron lui-même – la courte impulsion qui projette les ions du gaz de traitement sur la cible. En effet, le plasma dans la chambre ne contient pas seulement des ions, mais aussi des électrons. Chaque impulsion du magnétron accélère automatiquement ces particules élémentaires chargées négativement sur le substrat. Les minuscules électrons arrivent alors beaucoup plus vite que les ions sur la cible.
Normalement, cette « douche d'électrons » n'a pas d'incidence sur le processus HiPIMS. Mais lorsque les électrons arrivent sur le substrat, ils lui confèrent une charge négative pendant une fraction de seconde – suffisamment pour accélérer les ions. Si les chercheurs déclenchent une impulsion magnétron suivante à un intervalle de temps exactement correct, la douche d'électrons accélère les ions cibles qui se sont « envolés » lors de l'impulsion précédente. Et bien sûr, le timing peut également être réglé de manière à ce que seuls les bons ions atterrissent dans la couche mince.
Des puces aux qubits
Les résultats sont convaincants : « Avec notre méthode, nous avons pu produire des couches minces piézoélectriques aussi bonnes sur des substrats isolants que sur des substrats conducteurs », résume Sebastian Siol. Les chercheurs appellent ce procédé « Synchronized Floating Potential HiPIMS », en abrégé SFP-HiPIMS. Le grand avantage : le SFP-HiPIMS permet de produire des couches minces piézoélectriques de très haute qualité à basse température. Cela ouvre de nouvelles voies pour la fabrication de puces et de composants électroniques qui ne supportent souvent pas les températures extrêmes. Le procédé pour les substrats isolants est particulièrement important pour l'industrie des semi-conducteurs : « Les processus de fabrication des semi-conducteurs sont conçus de telle manière qu'il n'y a souvent aucune possibilité d'appliquer une tension électrique au substrat », sait Sebastian Siol.
Avec son groupe de recherche, il se consacrera ensuite à la fabrication de couches minces ferroélectriques – une autre technologie clé dans l'électronique d'aujourd'hui et de demain. En outre, forts de ce succès, les chercheurs de l'Empa lancent plusieurs projets avec d'autres institutions de recherche afin d'amener leurs couches minces dans des applications allant de la photonique aux technologies quantiques. Enfin, ils veulent encore optimiser ce procédé innovant à l'aide de l'apprentissage automatique et d'expériences à haut débit.
Littérature
J Patidar, O Pshyk, K Thorwarth, L Sommerhäuser, S Siol: Low temperature deposition of functional thin films on insulating substrates enabled by selective ion acceleration using synchronized floating potential HiPIMS; Nature Communications (2025); doi: 10.1038/s41467-025-59911-y
Informations
Dr. Sebastian Siol
Coating Technologies
Tél. +41 58 765 43 80
sebastian.siol@empa.ch