Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé " substrat ". Le but de la couche mince est de donner des propriétés particulières à la surface de la pièce tout en bénéficiant des propriétés massives du substrat (en général : tenue mécanique), par exemple :
- conductivité électrique : métallisation de la surface, par exemple pour observer un échantillon isolant au microscope électronique à balayage
- optique : tain du miroir, traitement anti-reflet des objectifs d'appareil photo, nickelage des casques de pompiers pour réfléchir la chaleur (infra-rouges), dorure de leur visière pour éviter l'éblouissement
La première méthode pour fabriquer des couches minces fut par voie humide : une réaction chimique entre une solution et le substrat. Un exemple célèbre est le miroir d'argent : réduction d'ions Ag+ (par exemple solution de nitrate d'argent AgNO3) par des sucres.
On utilise maintenant principalement trois techniques :
- la déposition sous vide : le matériau à déposer est sublimé, ou fondu puis vaporisé, et il va se condenser sur le substrat ;
- la réaction en phase gazeuse : méthode similaire à la voie liquide, mais la réaction se fait entre un gaz et le substrat ;
- la projection plasma : une haute tension est établie dans un gaz ce qui crée un plasma ; les ions acélérés viennent arracher les atomes d'une cible, atomes qui se déposent sur le substrat en regard.
- l'ablation au laser
Caractérisation de la couche mince
Un des problèmes est d'estimer l'épaisseur de la couche mince. Si elle laisse passer la lumière, on peut utiliser des méthodes interférométriques (franges d'interférence entre les rayons réfléchis sur la surface de la couche et ceux réfléchis à l'interface couche mince-substrat).
Voir l'article détaillé Interférence par une couche mince.
Lorsque cela s'y prête, on peut utiliser les rayons X :
- par diffractométrie de rayons X :
- méthode dite de " réflectométrie ", similaire aux interférence des ondes lumineuses ; on voit des oscillations du signal lorsque l'on déplace le détecteur ;
- méthode par incidence rasante : on fait balayer le détecteur autour d'un pic caractéristique du substrat (si celui-ci est cristallisé), pour une incidence des rayons X donnée ; on augmente l'incidence, et lorsque l'on voit apparaître le pic, la loi de Beer-Lambert permet d'estimer l'épaisseur de la couche ;
- par spectrométrie de fluorescence X : soit on mesure l'absorption d'une raie émise par le substrat, soit on mesure l'intensité d'une raie émise par la couche mince ; cette méthode peut aussi permettre de déterminer la composition chimique de la couche
Pour avoir des informations sur la texture de la couche mince en surface, on peut utiliser la microscopie électronique à balayage. Cette technique permet d'avoir des images de la surface et de profil. On obtient ainsi l'épaisseur mais aussi des renseignements sur la micro-structure.
Toutes les autres propriétés physiques de la couche peuvent être utilisées : résistance, masse (on mesure la différence de masse entre le substrat nu et la pièce après défaut)…