Les Capteurs

Les capteurs prennent également une place importante parmi les applications de l’électronique flexible. Les capteurs flexibles lesplus requis sont les capteurs biochimiques, la peau artificielle et d’autres capteurs de température, de pression, etc… Une équipe de chercheurs a fabriqué un capteur biomédical rapporté sur un substrat flexible [23]. Le capteur comporte tout un système d’alimentation, de mesure et de communication. Le capteur, placé sur la peau humaine, permet de détecter les signaux liés à l’activité cérébrale l’Électroencéphalogrammes EEG, du tissu musculaire l’Electromyogrammes EMG et du cœur l’Electrocardiogrammes ECG, figure (7.a). Un autre domaine d’application est la peau artificielle. Ainsi, une équipe de recherche à l’université de Tokyo est en train d’étudier la reconstitution d’une peau artificielle intégrant un grand nombre de capteurs permettant d’imiter la sensation du toucher. Le prototype consiste en une matrice de capteurs de pression 32 x 32. Ces capteurs sont commandés par un adressage matriciel à base de TFTs organiques [24], figure (7.b). Des capteurs de proximité (figure (7.c)) ou de détection d’irradiation thermique sont aussi en cours de développement. Ces capteurs seront utiles pour le domaine des peaux artificielles. Un capteur de proximité développé à Taiwan permet de détecter les radiations infrarouges et la présence d’objet chaud[25].

Les différents substrats flexibles

Le choix du type de substrat dépend de la nature de l’application. En effet, certaines applications telles que les écrans ont besoin d’une transparence élevée du substrat. Les écrans LCD ont en plus besoin d’une biréfringence minimale[26]. La pureté du substrat est aussi exigée, il est important que le substrat ne contamine pas l’électronique fabriquée et ne réagisse pas avec les solutions chimiques utilisées lors du process de fabrication. Par exemple les OLEDs exigent que le taux de perméabilité de la vapeur d’eau ne dépasse pas 10 -6 g/m 2 /jour et que le taux de perméabilité d’oxygène soit inférieur à 10 -3 à 10 -5 cm 3 /m 2 /jour [27]. Généralement, le succès d’une électronique flexible sur un tel substrat impose des critères de base sur le film. Ces critères sont lessuivants :
• La température maximale du process.
• Le faible pourcentage de déformation.
• La clarté.
• La résistance aux solvants.
• La résistance à l’humidité.
• La faible rugosité.
Ces critères sont détaillés dans le tableau (1) présenté par la suite.
Les substrats flexibles les plus utilisés sont les substrats métalliques comme les feuilles d’acier inoxydable, les substrats de verremince et les substrats plastiques. Il existe deux types de substrat plastiques, les polyesters comme le PEN (Polyethylene-Naphthalate) et le PET (Polyethylene-Terephthalate) et le polyimidecomme le Kapton.

Les substrats de verre mince

Les substrats de verre sont utilisés pour la fabrication des écrans LCD et OLED.
Lorsque l’épaisseur du verre est réduite à moins de100 µm, le substrat devient flexible [26]. Le verre peut être réduit à une épaisseur allant jus qu’à 30 µm [27]. Le substrat de verre flexible se caractérise par sa flexibilité et sa forte transparence, sa transmission optique supérieure à 91 %, avec un faible indice de réfraction 1,5230. Une température maximale de process relativement élevée, jusqu’à Tg = 557°C et jusqu’à 650°C pour d’autre fournisseur [28]. Il résiste à tout produit chimique et présente une faible rugosité de surface inférieure à0,5 nm. Il est également imperméable à l’humidité et à l’oxygène, et ne se déforme pas.

Les substrats métalliques

Les substrats flexibles métalliques sont des feuilles en acier inoxydable. L’épaisseur de ces feuilles est réduite à 125 µm [26] et peut m ême atteindre 25 µm [29] ce qui rajoute la flexibilité à ces substrats. Les substrats métalliques sont de bons candidats pour la fabrication de l’électronique flexible quand la transparence n’est pas exigée. Le substrat métallique flexible se caractérise par une température de process maximale élevée, jusqu’à 1000°C. Il ne se déforme pas. Il est imperméable à l’oxygène et àl’humidité [30]. Les défauts majeurs de ce substrat sont l’opacité, sa nature conductrice qui exige une encapsulation des deux faces et sa rugosité de la surface qui nécessite un polissage ou une planarisation. À noter que des substrats métalliques flexibles avec différentes tailles et épaisseurs et ayant une surface bien polie sont apparus sur le marché. La rugosité mentionnée est de 1 nm [30].

Les substrats plastiques

Les substrats plastiques offrent un degré de flexibilité plus important que celui du verre mince et meilleur que celui des substrats métalliques. Les polyesters comme le PEN et le PET ont l’avantage d’être transparents à plus de80% [31, 32]. Tandis que les polyimides comme le Kapton sont moins transparents, ce dernierest plutôt de couleur jaune-orangé. Un nouveau Kapton proche du transparent est en cours de développement par DuPont [33]. Les substrats transparents ont l’avantage d’être compatibles avec les écrans à émission et à réflexion de lumière ainsi que les deux modes d’émission de la technologie OLED, l’émission vers le bas et l’émission vers le haut [26].
Le Kapton se caractérise par une température maximale de process plus élevée que celle du PEN et du PET. La température maximale quepeut supporter le Kapton est de 400°C [34], contre 180°C pour le PEN et 150°C pour le PET[31, 32]. Les substrats plastiques se déforment au cours du process lorsqu’ils sont exposés à une température supérieure à la température de transition vitreuse (Tg). Le taux dedéformation est donné à titre indicatif en pourcentage et par unité de temps. Par exemple le PEN Q65FA produit par DuPont Teijin Film se déforme de 0,2% lorsqu’il est exposé à une température de 200°C pendant 10 minutes [31]. La déformation du substrat lors du process crée des erreurs sur l’alignement des différents niveaux de masquage et peut rendre celui-ci impossible en cas de forte déformation.
Les substrats plastiques sont perméables à l’oxygène et à la vapeur d’eau. Ils absorbent aussi l’humidité. Le Kapton absorbe 1,8% contre 0,14% dans le cas du PEN et du PET [26]. La perméabilité à l’oxygène et à l’eau sont très gênantes pour la technologie des OLEDs. Une encapsulation du substrat est alors nécessaire pour réduire les taux de perméabilité et les rendre compatibles avec la technologie des OLEDs.
Le tableau suivant résume les principales caractéristiques des trois types de substrats flexibles [26, 28, 31, 34] :

Silicium microcristallin

La structure du silicium microcristallin se situe entre celles du silicium polycristallin et du silicium amorphe. Il se caractérise par une structure cristalline située dans un tissu amorphe. Le silicium microcristallin est obtenu par dépôt à basse température souvent inférieure à 250°C, ce qui le rend un bon candidat pour la fabrication d’une électronique flexible directement sur un substrat flexible.
Il existe plusieurs techniques de dépôt du silicium microcristallin parmi lesquelles nous citons la pulvérisation cathodique d’une ciblede silicium monocristallin par un plasma d’argon et d’hydrogène, ou encore la décomposition chimique en phase vapeur CVD. La technique la plus utilisée est la PECVD (Plasma Enhanced Chimical Vapor Deposition). Cette technique est utilisée par l’industrie pour le dépôt de silicium amorphe.
Le silicium microcristallin se caractérise par des propriétés électriques intermédiaires entre celles du silicium amorphe et celles du silicium polycristallin. En effet, le silicium microcristallin offre une meilleure stabilité [64], et une mobilité plus élevée que celle du silicium amorphe [65, 66]. Les couches de silicium microcristallin sont favorables au dopage de type N et au dopage de type P [67, 68] ainsi il offre la possibilité de fabriquer une technologie complémentaire CMOS [26].
Le silicium microcristallin est l’un des principaux thèmes de recherche du Département Microélectronique et Micro-capteurs de l’Institut d’Électronique et de Télécommunications de Rennes (IETR). Différents sujets de thèses ont été élaborés au sein de ce laboratoire pour optimiser ce matériau que ce soit au niveau de la technique de dépôt, ou des propriétés électriques et de la réalisation de dispositif. Ces travaux ont mené au développement d’un matériau ayant des propriétés électriques relativement bonnes en termes de reproductibilité et stabilité. Ce matériau est déposé par PECVD à basse température< 200°C.
La thèse de Khalid Kandoussi a permis d’optimiser le dépôt des couches de silicium microcristallin à basse température < 200°C. Elle apermis de fabriquer des TFTs de type N stables avec une mobilité d’électrons de l’ordre de10 cm 2 /V.s. Des TFTs de type P ont aussi été réalisés [16].

Matériaux pour la technologie microcristallin

Evolution du silicium microcristallin au sein de l’IETR

Silicium microcristallin intrinsèque

Les couches de silicium microcristallin ont été déposées par PECVD dans un réacteur identique à celui utilisé pour le dépôt du silicium amorphe. Des TFTs de type N ont été réalisés pour la première fois en utilisant ces couches de silicium microcristallin. Ces couches de silicium microcristallin ont été optimisées au cours des travaux de thèse de K. Kandoussi au sein de l’IETR. Ces travaux de thèse ont porté sur l’étude de l’effet de l’argon Ar dans le mélange gazeux utilisé pour le dépôt, en plus d’une étude sur l’influence des paramètres de dépôt (pression, puissance, ratio de gaz). L’objectif de ces études a été d’élaborer une technologie en silicium microcristallin dédiée à l’électronique flexible fabriqué directement sur un substrat souple. Pour cela la température du dépôt par PECVD a été fixée dès le début à 165°C.
Le silicium microcristallin intrinsèque est déposé à partir de la décomposition du silane SiH 4dilué dans un gaz réactif l’hydrogène H 2 ou dans un gaz inerte l’argon Ar ou dans un mélange gazeux des deux (Ar-H 2 ). La cristallisation du silicium dépend de cette dilution, à faible dilution le matériau déposé est amorphe tandis que à forte dilution du silane le matériau déposé est cristallisé [4]. Partant de cette hypothèse, la dilution du silane SiH 4 a été fixée à 1% du mélange gazeux utilisé (hydrogène pur ou mélange argon-hydrogène).
L’étude de la variation de la puissance et de la pression de dépôt a montré que le matériau est mieux cristallisé à faible puissance et à haute pression. La puissance a donc été fixée à 15W et la pression à 0,9 mbar sachant qu’à forte pression il y a un risque de formation de poudre dans le réacteur.
Une étude systématique de l’effet de l’argon sur les couches de silicium microcristallin a été réalisée tout en restant dans les conditions de dépôt fixées auparavant (T = 165°C, p = 0,9 mbar, P = 15 W et la dilution SiH 4 = 1%). Pour cela, l’effet de la concentration de l’argon dans le mélange (Ar-H 2 ) a été étudié de 0% à 100%. Cette variation a montré que la cristallinité de la couche de silicium microcristallin déposé passe par un optimum pour un mélange de 50% d’argon et 50% d’hydrogène. La figure suivante (4) représente l’évolution de la cristallinité de la couche de silicium intrinsèque en fonction de la concentration de l’argon dans le mélange (Ar-H 2 ).

Définition des zones de source, de drain et du cana l du TFT

Une première photolithographie est nécessaire pour définir la zone de la source et du drain. La couche de silicium microcristallin dopée N est gravée par voie sèche jusqu’à arriver au niveau de la couche non dopée qui forme le canaldu TFT, figure (14). La gravure sèche de la couche dopée est réalisée à l’aide d’un réacteurRIE (Reactive Ion Etching) Nextral NE110.
La gravure de la couche de silicium est assurée à l’aide d’un plasma de gaz réactif l’hexafluorure de soufre (SF6). Le plasma est créé entre deux électrodes alimentées par une source radiofréquence RF à 13,56 MHz. Un système de pompage permet l’évacuation des composés formés lors de la gravure tels que le SiF.
Il est à noter que la gravure RIE est isotrope, mais vue les faibles épaisseurs des couches à graver, la gravure latérale est négligeable. Étant donné les faibles épaisseurs des couches de silicium, la gravure de la couche dopée (N ou P) est contrôlée à chaque fois par un test de résistivité. La gravure est arrêtée quand le courant mesuré de la couche gravée baisse à quelques dizaines de pico-ampères.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1. Électronique Flexible : Applications etTechnologies
I. Introduction
II. Les applications de l’électronique flexible
II.1. Les étiquettes RFID
II.2. Les écrans flexibles
a. Technologie LCD
b. Technologie OLED
c. Écran électrophorétique
II.3. Les Capteurs
III. Les différents substrats flexibles
III.1. Les substrats de verre mince
III.2. Les substrats métalliques
III.3. Les substrats plastiques
IV. Électroniques flexibles rapportées sur un substrat flexible
IV.1. Silicium monocristallin
IV.2. Silicium polycristallin
V. Électroniques flexibles fabriquées directement sur un substrat flexible
V.1. Technologie organique
V.2. Technologie des oxydes métalliques
V.3. Technologie silicium
A. Silicium polycristallin
B. Silicium amorphe
C. Silicium microcristallin
VI. Conclusion
Références
Chapitre 2. Technologie de Fabrication des TFTs en Silicium Microcristallin
I. Introduction
II. Technique de dépôt et de caractérisation des couches minces
II.1. Description du système de dépôt par PECVD
II.2. Caractérisation des couches minces
a. Mesure d’épaisseur par profilomètre
b. Microscope à Force Atomique (AFM)
c. Microscope électronique à balayage (MEB)
d. Mesure de la conductivité électrique
e. Mesure de la cristallinité des couches de silicium par Spectroscopie Raman
III. Matériaux pour la technologie microcristallin
III.1. Évolution du silicium microcristallin au sein de l’IETR
A. Silicium microcristallin intrinsèque
B. Silicium microcristallin dopé N
C. Silicium microcristallin dopé P
III.2. Isolant de grille
A. Le dioxyde de silicium
B. Le nitrure de silicium
IV. TFTs en technologie silicium microcristallin
IV.1. Structure des TFTs
IV.2. Procédure de fabrication des TFTs sur un substrat en verre
a. Dépôt de la couche intrinsèque et dopée
b. Définition des zones de source, de drain et du canal du TFT
c. Isolation des transistors
d. Dépôt de l’isolant de grille
e. Ouverture des contacts de la source et du drain
f. Dépôt d’aluminium et définition des contacts source, drain et grille
IV.3. Fonctionnement et caractérisations des TFTs
A. Fonctionnement des TFTs
B. Caractérisations électriques des TFTs
a. Tension de seuil VTH
b. Transconductance gm
c. Mobilité d’effet de champ µFE
d. Pente sous le seuil S
e. Rapport ION/IOFF
IV.4. TFTs de type N fabriqués en technologie silicium microcristallin
A. TFTs de type N utilisant l’oxyde comme isolant de grille
B. TFTs de type N utilisant le nitrure de silicium comme isolant de grille
C. Bilan entre TFTs en oxyde de silicium et TFTs ennitrure de silicium
IV.5. TFTs de type P fabriqués en technologie silicium microcristallin
V. Conclusion
Références .
Chapitre 3. Technologie de Fabrication de µc-Si TFTs sur un substrat en PEN 
I. Introduction
II. Optimisation du procédé de fabrication des µc-S i TFTs sur un substrat en PEN
II.1. Caractérisation du PEN : Analyse AFM du PEN
II.2. Étapes de fabrication des TFTs sur PEN et problèmes rencontrés
A. Glissement et Déformation du substrat
B. Encapsulation du substrat
C. Dilatation du substrat et désalignement au niveau des étapes de photolithographies
D. Limitation technologique : Effet du recuit finalà 180° C
III. TFTs de type N sur PEN
III.1. Fabrication des N-TFTs sur PEN
III.2. Caractérisation électrique des N-TFTs
A. Caractérisation de 16 TFTs appartenant à 16 cellules différentes
B. Caractérisations de 19 TFTs appartenant à une même cellule
C. Comparaison entre process sur PEN et process surVerre
D. Commentaire sur les performances électriques desTFTs sur PEN
IV. TFTs de type P sur PEN
IV.1. Fabrication et caractérisation de P-TFTs
A. Fabrication de TFTs de type P sur PEN
B. Caractérisation électrique des P-TFTs
IV.2. Réalisation de TFTs de type P en utilisant des couches actives de silicium microcristallin déposées à 120°C
V. Conclusion
Références
Chapitre 4. Étude de stabilité des TFTs fabriqués sur PEN 
I. Introduction
II. Stress électrique
II.1. Stabilité des N-TFTs
II.2. Stabilité des P-TFTs
III. Stress mécanique
III.1. Stress mécanique en tension
A. Stress mécanique en tension appliqué sur des N-TFTs
B. Stress mécanique en tension appliqué sur des TFTs de type P
III.2. Stress mécanique en compression
A. Stress mécanique en compression appliqué sur desN-TFTs
B. Stress mécanique en compression appliqué sur desP-TFTs
III.3. Bilan du comportement des TFTs soumis à un stress mécanique
A. Limite de fonctionnement des TFTs pour des rayons de courbure inférieurs à 1,5cm
B. Comportement du PEN et des couches de silicium et de nitrure de silicium soumis à des contraintes en tension
C. Commentaires sur la variation des paramètres desTFTs soumis à des contraintes mécaniques
IV. Conclusion
Références
Conclusion