Nous nous appuyons principalement sur deux techniques de dépôt physique en phase vapeur qui sont l’évaporation et la pulvérisation cathodique, pour proposer des métaux pour électrodes, contacts ohmiques, épaississements, collage direct de substrat, écoulement des charges au masqueur, des multicouches de matériaux magnétiques et multi-ferroïques nanostructurées, des nitrures de métaux de transition pour électrodes et électrodes capacitives, des isolants et des semiconducteurs. Les caractéristiques et propriétés de ces matériaux sont utilisées dans les domaines suivants :
-Le microstockage de l’énergie (microsupercondensateur pour l’IOT, microcondensateur hybride tout solide pour l’électronique haute tension, microbatterie)
-La micro et nanoélectronique, photonique THz et optoélectronique des filières IIIV, GaN ou Si
-Les MEMS/NEMS Si et GaN, les bioMEMS et la microfluidique
-La spintronique THz et les dispositifs magnéto-acoustiques
Grâce au CPER IMITECH et à l’EQUIPEX+ NANOFUTUR, l’activité PVD du pôle s’est renforcée avec une nouvelle machine de pulvérisation cathodique magnétron de 12 cathodes équipée de générateurs HIPIMS, DC pulsé et RF.
Expertise, savoir-faire
L’évaporation est réalisée avec un canon à électrons (PLASSYS MEB 550SL + 2 MEB 550S à 4 satellites) ou par effet joule (PLASSYS MEB 450S) sur une large gamme de métaux : Au, Ti, Ge, Al, Pt, Ni, Mo, Cr, Pd, Ag et In. Les options permettent de déposer en rotation planétaire pour améliorer l’uniformité, sous angle pour assurer la continuité de dépôt sur des marches et d’effectuer des décapages à l’Ar pour améliorer l’adhérence ou graver de très fines couches (quelques nm). Selon les équipements, les dépôts sont possibles sur des échantillons allant du morceau jusqu’à 150mm.
La pulvérisation cathodique magnétron est disponible sur 7 chambres de dépôt (ALLIANCE CONCEPT 2 DP650 + cluster CT200 3 chambres, ELETTRORAVA et LEYBOLD Z550 (contact N. Tiercelin)). Sur l’ensemble de notre parc, nous disposons d’une trentaine de cathodes planaires ou confocales du 50mm au 100mm, de gaz Ar, N2 et O2 pour les mélanges réactifs, de générateurs HIPIMS, DC pulsé et RF utilisables également en copulvérisation, de postes froids et chauds (450°C, 600°C et 800°C). Nous pouvons déposer sur des échantillons allant du morceau jusqu’à jusqu’à 100mm et nous possédons une centaine de cibles. Les matériaux déposés sont : Au, Al, Bi, Ti, Cr, Ni, W, Cu, Pt, Mo, TiN, VN, WN, RuN, TaN, Ta2O5, TiO2, Nb2O5, ITO… et des couches magnétiques telles que TbFe2, TbCo2, TbFeCo, FeCo, Fe, CoPt, FePt …
quelques exemples
– Film de RuN, de structure nanoplume, utilisé comme électrode dans les microsupercondensateurs. CV mesurée à 50mV/s dans un électrolyte aqueux.
1. Groupe CSAM, membre du RS2E, collaboration entre le CNRS, les universités de Lille, Nantes, Toulouse et de Califronie, et, le synchrotron Soleil. Nature materials 2024. Contact : C. Lethien
– Microcondensateurs électrolytiques à base de Tantale pour des applications à haute tension. Une étude comparative de deux empilements (Ta / Ta2O5 et TaN / Ta2O5) d’épaisseurs similaires (45 / 25 nm) agissant comme électrode de micro-condensateur électrolytique dans un électrolyte aqueux H2SO4 0,5M.
1. Groupe CSAM, membre du RS2E, collaboration entre le CNRS et l’université de Lille, Advanced materials 2024. Contact : C. Lethien
– Dépôt de couches magnétiques par pulvérisation cathodique
Deux bâtis de pulvérisation cathodique sont utilisés pour le dépôt de couches magnétiques métalliques : Un Leybold Z550 (RF, DC) ainsi que la chambre 1 du cluster Alliance Concept CT200 (RF, DC, DC-pulse). Les principaux matériaux déposés sont les métaux de transition (Fe, Co), alliages avec des terres rares (Tb, Sm, Gd) et combinaisons avec buffers non-magnétiques (Cu, Ru, Pt…). Un savoir-faire particulier existe sur le dépôt de couches magnétostrictives nanostructurées de type Nx[TbCo2 (x nm)/FeCo (y nm)] à anisotropie magnétique contrôlée. Ces empilements sont utilisés pour des applications de type contrôle de l’aimantation par effet magnétoélectrique ou couplage avec des ondes acoustiques de surface.
1. Exemple de multicouche magnéto-élastique utilisée dans un capteur de champ magnétique à ondes acoustiques de surface (SAW). Contact N. Tiercelin groupe Aiman-films
– (micro)stockage électrochimique de l’énergie: matériaux pour micro-batteries tout solide à ions lithium et pour micro-supercondensateurs (gamme d’épaisseur 0.1 à 20 µm selon l’application). Dans le volet micro-batterie à ions lithium, l’IEMN (groupe CSAM) possède une expertise reconnue sur:
- le dépot de barrière de diffusion au lithium en nitrure de titane (TiN, bati Alliance concept 4 » DP650, Journal of the Electrochemical Society 2015)
- la mise au point d’électrolyte solide de type LiPON (> 1 µm, cluster CT 200, Material Chemistry and Physics 2010)
- le développement d’électrode positive à haut potentiel en LiFePO4/C et LiMn1.5Ni0.5O4 (< 10 µm, cluster CT 200, Chem mat 2017 & ESM 2018)
- la mise au point d’électrode négative en Nb2O5 (< 3 µm, cluster CT 200)
-micro-supercondensateur (groupe CSAM), le savoir faire s’articule autour:
- de la mise au point de carbure métallique (TiC, < 20 µm, cluster CT 200, Science 2016, Electrochemica acta 2016, Journal of power sources 2016 & AFM 2017) pour micro-supercondensateur carbone / carbone
- du développement de nitrure de métal de transition VN ou WN (< 10 µm, Cluster CT 200, Advanced Materials Technologies 2018) comme électrode pseudocapacitive)
Contact: Jérémie Chaillou, Marc Dewitte, Carlos Moncasi-Luque, Isabelle Roch-Jeune – Pôle dépôt
Contact Leybold Z550 : Nicolas Tiercelin – Groupe AIMAN-FILMS
