X. CASTEL / RF & HYPER 2011
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1
Matériaux innovants pour applications
antennaires.Exemples des
matériaux optiquement transparents
X.Castel, F. Colombel, M. Himdi
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films minces transparents et conducteurs pour application ‘‘antennes planaires’’
Contexte de l’étude
Couches minces transparentes et conductrices : 4 solutions
Technique de dépôt et propriétés physico-chimiques
Mesures et performances en hyperfréquences
Exemples d’antennes optiquement transparentes
Plan
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Introduction
transparent ⇔⇔⇔⇔ domaine visible
conducteur ⇔⇔⇔⇔ R = ρ/e < 10 Ω/
Antenne réalisée à partir d’un matériauen couche mince
Antenne transparente fonctionnant dans la bande centimétrique
4 solutions étudiées :
Film ITO
Film Cu ultramince Hétérostructure ITO/Cu/ITO Film Ag maillé
Substrat verre
Couche mince
Applications : circuits électroniques en hyperfréquences
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4
Dépôt par pulvérisation RF
AlimentationRF (13,56 MHz)
Ar
Cible
Anode
Circuit d'adaptation d'impédance
Pompe turbo.
Chambre à vide
Masse
Isolant
"load"
eau
"tune"
Substrat
O2
Débit-mètres
Schéma de principe
Composition de l’atmosphère de dépôt :
% O2 dans Ar(g) (ITO)
Ar(g ) pur (Cu et Ag) pression totale (Ptot) puissance RF (PRF)
distance inter-électrodes
température du substrat (Ts)
Principaux paramètres de dépôt
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Dépôt par pulvérisation RF
Enceinte de dépôt multicible- cible ITO- cible Cu- cible Ag
Dépôt de multicouche en 1 seul ‘‘run’’
Epaisseur film contrôlée par temps de dépôt
étalonnage de la vitesse de dépôt
Couche mince d’épaisseur homogène
50 x 50 mm2
Substrat verre Corning 1737 εr = 5,7 ; tgδ = 0,006 @ 1 GHz
Ag Cu
ITO
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1ère solution : film ITO
k
ħωωωω
Eg,0
Ef
Semiconducteur de type n à large bande interdite
double caractéristique
In2O3 dopé à l’étain
conducteur (ρ ≈ 0,2 mΩ.cm) transparent dans le visible
ρCu massif = 1,7 µΩ.cm @ 20°C
ITO ∈ famille OTC : Oxydes Transparents Conducteurs
Eg ≈ 3,8 eV
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Structure ITO
In 1
In 2
O
In2O3 semiconducteur
par dopage : Sn4+ en substitution à In3+
par création de lacunes d’oxygène : VÖ
O → VÖ + 2ē + ½ O2(g)
⇒⇒⇒⇒ matériau ITO
Structure de In203 → In3+ : réseau CFC (coordinence 6)
→ O2- : 6/8 des sites tétraédriques (coordinence 4)
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0,1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
0 0,05 0,1 0,15% O2
ρρ ρρ (m
ΩΩ ΩΩ.c
m)
Paramètres de dépôt
Ts = 25°C
% O2 = 0,051
PRF = 38 W
Ptot = 0,012 mbar
ρ = 0,49 mΩ.cm
T = I/I0 > 73 % pour 400 nm < λ < 800 nm
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200λλλλ (nm)
T (
%)
Corning
R = 8,6 Ω/ ; eITO = 1010 nm
R = 26,2 Ω/ ; eITO = 190 nmx5
1ère solution : film ITO
G. Legeay, X. Castel, R. Benzerga, J. Pinel –Phys. Stat. Sol. C, Vol.5 (2008) 3246-3254
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phase amorphe Coexistence de deux microstructures
phase polycristalline
Etat structural
Dépôt ITO à température ambiante
Si eITO alors phase polycristalline
densité de joints de grains
R lim = ρ/e ≈ 8 Ω/
0
100
200
300
400
500
10 20 30 40 50 602θ (°)
Inte
nsité
(u.
a.)
(211
)
(411
)
(431
)
(611
)
(222
)
(400
)
(440
)
(622
)
eITO = 190 nm
eITO = 1010 nm
1ère solution : film ITO
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2ème solution : film Cu ultramince
Etalonnage R = f(eCu)
1,E-01
1,E+00
1,E+01
1,E+02
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
1,E+08
1,E+09
1,E+10
0 10 20 30 40 50 60
Epaisseur de Cu (nm)
R (
ΩΩ ΩΩ/
)
ρfilm Cu > ρCu massif
Mobilité des électrons limitée par
joints de grains
dispersion spéculaire
dispersion diffuse
Film ultramince de Cu
e = 10 nm ⇔ R = 8,3 Ω/
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0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200λλλλ (nm)
T (
%)
Corning
R = 8,3 Ω/ ; eCu = 10 nm
R = 1,9 Ω/ ; eCu = 26 nm
Transparence optique
T ≤ 64%
T ≤ 28%
2ème solution : film Cu ultramince
Compromis T(%) ⇔⇔⇔⇔ R
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3ème solution : ITO/Cu/ITO
En régime continu :
ITO[]Cu[]ITO[][] R1
R1
R1
R1 ++=
avec Rthéo = 4,8 Ω/
Rexp = 4,7 Ω/
Dépôt à température ambiante :- multicouche ITO/métal/…
interdiffusion délamination fissuration
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
10 20 30 40 50 602θ (°)
Inte
nsité
(u.
a.)
ITO
(21
1)
ITO
(22
2)
ITO
(33
2)
ITO
(62
2)
ITO
(63
1)
Cu
(111
)0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200λλλλ (nm)
T (
%)
Corning
Tricouche : ITO(85nm) / Cu(13nm) / ITO(85nm)
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3ème solution : ITO/Cu/ITO
Tricouche : ITO(85nm) / Cu(eCU) / ITO(85nm)
0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200
T (
%)
λλλλ (nm)
Corning
R = 11,2 Ω/ ; eCu = 6 nm
R = 6,9 Ω/ ; eCu = 10 nm
R = 4,7 Ω/ ; eCu = 13 nm
Compromis T(%) ⇔⇔⇔⇔ R
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4ème solution : film métallique maillé
Verre
Métal
Métalemétal
Verre
Vue de coupe
MulticoucheITO/métal/ITO
Verre
Monocouchemétal
Film métalliquemaillé
Film métallique maillé épaisseur film métallique ⇔⇔⇔⇔ R
+ ouvertures = film transparent et conducteur
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a
t.a
a t.a
Film métallique maillé
a = pas du maillage
t = ouverture de la maille (0 < t < 1)
Transparence optique
T(%) = t2 x 0,962 x 100
Résistance par carré
R’ maillé ≈ R continuVue de dessus
Pertes de fresnel
t-1
1
4ème solution : film métallique maillé
Compromis T(%) ⇔⇔⇔⇔ R ???
X. Castel, G. Legeay, J. Pinel - Patent WO2009/000747 J. Hautcoeur, X. Castel, F. Colombel, R. Benzerga, M. Himdi, G. Legeay, E. Motta Cruz – Thin Solid Films, Vol.519 (2011) 3851-358
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4ème solution : film métallique maillé
Verre
Métal
Métal
emétal
Verre
Monocouchemétal
Film métalliquemaillé
Indépendance T(%) ⇔⇔⇔⇔ R
Verre Verre
eAg = 1 µm & t = 0
T = 0% R = 0,016 Ω/
eAg = 1 µm & t = 0,9
T = 74,5% R’ = 0,16 Ω/
eAg = 3 µm & t = 0,9
T = 74,5% R’ = 0,053 Ω/
eAg = 6 µm & t = 0,9
T = 74,5% R’ = 0,026 Ω/
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4ème solution : film métallique maillé
a θθθθ
a
Acuité visuelle : séparation de 2 objets distants de a
θ > θmin ∼ 4,8.10-4 rad
J.P. Pérez, Optique – Fondements et applications, Ed. Masson, Paris (1996)
Punctum proximum : distance d’observation de 25 cm
Tg θmin = a/25.10-2 a ∼ 100 µm
Film mince maillé apparait comme homogène
Dimensionnement du maillage ???
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Photolithographie + gravure humide standard
(1) Enduction de résine photosensible(2) Exposition UV au travers d’un masque(3) Développement de la résine(4) Gravure par voie humide
Corning 1737
Réserve
a=300 µm
Vue de dessus
4ème solution : film métallique maillé
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0
20
40
60
80
100
0 200 400 600 800 1000 1200
T (
%)
λ (nm)
Corning
Résistance par carré
Echantillon : bicouche Ag (6 µm) / Titane (5 nm)
(Titane = couche d’accrochage)
Paramètres du maillage
a = 300 µm
largeur ligne= 20 µm
Transparence optique
T = 79,8 % (théorie)
R continu = 0,0025 Ω/R’ maillé = 0,038 Ω/ (théorie)
t = 0,93
T = 81,3 % (mesure)
R’ maillé = 0,054 Ω/ (mesure)
4ème solution : film métallique maillé
Visible
J. Hautcoeur, F. Colombel, X. Castel, M. Himdi, E. Motta-Cruz - Electron. Lett. Vol.45 (2009) 1014-1015
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Impact visuel
R = 8,6 Ω/
Tmax = 86,1%
R = 8,3 Ω/
Tmax = 64,3%
R = 4,7 Ω/
Tmax = 60,0%
Film ITO (1,01 µm) Couche Cu ultramince (10 nm)
Multicouche ITO/Cu/ITO (183 nm) Film Ag maillé (6µm)
R = 0,054 Ω/ Tmax = 81,3%
F. Colombel, X. Castel, M. Himdi, G. Legeay, S. Vigneron, E. Motta-Cruz- IET Sci. Meas. Technol. Vol.3 (2009) 229-234
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Mesures hyperfréquences
plan de masse
antenne monopôle
connecteur coaxial
plan de masse
antenne monopôle
connecteur coaxial
Antenne monopôle losange alimentée en coin
Analyseur de réseaux (HP8510C)
Calibration SOLT
Echantillon brut de dépôt
performances hyperfréquences du film transparent et conducteur
Gravure
Antenne = 50 x 50 mm2
Fréquence de résonance ≈ 850 MHz
Mesure impédances d’entrée Mesure gain
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Verre Corning 1737
es = 0,7 mmεr = 5,7 ; tgδ = 0,006
Film ITO (1,01 µm) Film ITO/Cu/ITO (183 nm)
Ag maillé (6µm) & film Ag (6 µm)
Impédances d’entrée
500 MHz < F < 1300 MHz
Rray = 11 Ω
Rray = 45 Ω
Rray = 49 Ω
Rray = 31 Ω
Film Cu (10 nm)
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Discussion
Film Epaisseur Gain (dBi)
Ag [référence] 6 µm 2,29
Cu 10 nm -4,80
ITO 1,01 µm -4,10
ITO/Cu/ITO 183 nm -1,96
Ag maillé 6 µm 2,24
Epaisseur de peau :
Théorème de Poynting :
e/δδδδ R (ΩΩΩΩ/)
0,4 0,01
2.10-4 8,3
0,02 8,6
0,01 4,7
2,76 0,054
σ ω µ
2 δ
0
=
Pertes dans le conducteur
Résultats à 850 MHz
2hfss H R
21
P =
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Antenne microruban
Application à 5,8 GHz antenne sur pare-brise ⇔⇔⇔⇔ borne de télépéage
5,6 5,7 5,8 5,9 6,0-6
-4
-2
0
2
4
6
ant. Aluminium (e = 2 µm)
ant. ITO (e = 1,85 µm)
Ga
in (
dB
)
Fréquence (GHz)
Motif rayonnant à contact pénétrant
Film ITO R = 2,4 Ω/ ρ = 0,45 mΩ.cm
Ligne microruban
N. Outaleb, J. Pinel, M. Drissi, O. Bonnaud, MOTL Vol.24 (2000) 3-7
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PRIR CAPTIV (2006-2009)
PRIR CAPTIVProg. Rech. d’Initiative Régionale
Route du futur
Porteur Projet :Equipe R2D2
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50,80 mm25,4
0 m
m
7,53 mm
24,50 mm13,15 mm
Fréquence de fonctionnement à 2,45 GHz
Géométrie des antennes
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Gravure par ablation laser
15 cm
30 cm
5 cm
45 cm
M
A
A’
H
P
Z
table
platine
miroirs
laser
M=0
Z=0
P=0
L 0
D
H'
Laser : caractéristiques
Laser pulsé à excimères
KrF (248 nm) Energie max. par tir : 200 mJ Fréquence de tir max. : 200 Hz Platine à déplacement µm Amplitude : 100 x 100 mm2
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28
0
20
40
60
80
100
200 400 600 800 1000λλλλ (nm)
% T
rans
mitt
ance
Corning nuITO (0,68µm)ITO/Cu/ITO (0,18µm)
248 nm
Gravure Laser
Gravure Laser : monocouche ITO
Détail gravure
(F = 1 J/cm2)
Photolithogravure humide
- Masque
- Résine photosensible
- Gravure chimique
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0
20
40
60
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100
200 400 600 800 1000λλλλ (nm)
% T
rans
mitt
ance
Corning nuITO (0,68µm)ITO/Cu/ITO (0,18µm)
248 nm
Gravure Laser
2 antennes monopôles
Fr = 2,45 GHz
Détail gravure
(F = 1 J/cm2)
20 µm
ITO / Cu / ITO
Verre
Gravure Laser tricouche ITO/Cu/ITO
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Diagrammes de rayonnement à 2,45 GHz
Accès 1
Accès 2
Simulation antenne monopole losange
Alimentation via un coupleur 3dB/90°
z’
x’
y’
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Mesures hyperfréquences
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
-90 -60 -30 0 30 60 90
theta
dB
Diagramme de rayonnement mesuré à 2,45 GHz
Gain = +1dB
z’
Portée = 70 m
+
O. Berder, P. Quémerais, O. Sentieys, J. Astier, T.D. Nguyen, J. Ménard, G. Le Mestre, Y. Le Roux, Y. Kokar, G. Zaharia, R. Benzerga, X. Castel, M. Himdi, G. El Zein, S. Jégou, P. Cosquer, M. Bernard - Communications ITS 2008 + ITST 2008
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Antennes + coupleur
Réseau d’antennes monopole losange + coupleur
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33
Conclusion
Antenne Cu ultramince ⇔⇔⇔⇔ transparence optique moyenne pertes ohmiques + pertes par effet de peau fragilité mécanique + chimique
Antenne ITO ⇔⇔⇔⇔ excellente transparence optique pertes ohmiques forte résistance mécanique et chimique
Antenne ITO/Cu/ITO ⇔⇔⇔⇔ meilleur compromis si revêtement continu
excellente transparence optique Antenne Ag maillé ⇔⇔⇔⇔ très faible résistance par carré
pertes ohmiques + pertes par effet de peau négligeablesperformances radioélectriques = antenne métallique opaque
Antennes transparentes dans bande centimétrique
J. Hautcoeur, E. Motta-Cruz, M. Himdi, F. Colombel, X. Castel - Patent FR1056089 E. Motta-Cruz, J. Hautcoeur, M. Himdi, F. Colombel, X. Castel - Patent EP2011/050828
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34
Merci…
18 rue Henri Wallon18 rue Henri Wallon18 rue Henri Wallon18 rue Henri Wallon22004 SAINT BRIEUC cedex 1, 22004 SAINT BRIEUC cedex 1, 22004 SAINT BRIEUC cedex 1, 22004 SAINT BRIEUC cedex 1,
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