Brevet FR2283534A1 — publié le 19760326

La présente invention concerne une structure de condensateur comprenant au moins, supportées par un matériau substrat, une couche métallique, une couche diélectrique formée de molécules organiques, polaires, orientées, adhérant à ladite couche métallique, et une seconde couche métallique mince. Pour réaliser des condensateurs avec une capacité par unité de volume particulierement élevée, on utilise des armatures cons tituées par un dépôt métallique, évaporé sous vide par exemple, réduisant ainsi l'épaisseur d'une armature à quelquescentaines d'angstroms et on utilise aussi des diélectriques constitués par des dépôts de matériau isolant sur un support. Compte-tenu des caractéristiques des diélectriques existants, le volume d'un condensateur pour une capacité donnée reste encore trop important pour des applications dans le domaine des circuits microminiaturisés. Par ailleurs, la capacité du condensateur est fonction inverse de l'épaisseur du diélectrique et l'on ne peut diminuer celleci sans risques d'irrégularités, de percements, de fragilité excessive de la couche diélectrique.Par contre, les épaisseurs minimales de diélectrique utilisées jusqu'ici permettent des tensions de service que ne nécessitent pas les circuits microminiaturisés, qui pourraient se contenter de tensions de l'ordre de la dizaine de volts par exemple. Un condensateur comportant un diélectrique d'épaisseur minimale tendant à présenter un haut degré d'uniformité et de stabilité, a été proposé et décrit dans le brevet français i 367 780. Le diélectrique de ce condensateur est formé d'une couche monomoléculaire de molécules organiques polaires dites amphipathiques, ayant deux extrémités de polarités différentes. La couche monomoléculaire orientée est obtenue par dépôt sur un substrat rigide, a partir d'une couche étendue sur un liquide, selon la méthode dite de Langmuir-Blodgett. Mais le condensateur ainsi réalisé ne répond pas aux conditions requises pour des applications dans le domaine des circuits microminiaturisés actuels. En effet, si l'on envisage l'intégration des capacités selon la technique des circuits intégrés, és, les surfaces disponibles sur les cristaux mis en oeuvre dans cette technique sont trop faibles pour permettre les valeurs de capacité nécessaires. Si l'on envisage le domaine des composants- passifs discrets, les surfaces de tels condensateurs monocouches correspondant aux capacités et tensionshabituelles seraient trop importantes et entraîneraient un encombrement prohibitif. La tension de service possible correspondant à une couche monomoléculaire est par contre inférieure aux tensions habituellement nécessaires dans ces circuits. D'autre part, le mode de fabrication est difficilement industrialisable. En outre, une couche monomoléculaire, bien que présentant une certaine garantie d'homogénéité, constitue cependant une couche fragile dont la rigidité diélectrique dépend essentiellement de la nature et de la qualité de la surface du substrat, ce qui constitue une source d'aléas importante. L'invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients des condensateurs signalés ci-dessus et de fournir un condensateur constituant un composant passif discret de capacité maximale par unité de volume, permettant des niveaux de tensions de service correspondant aux valeurs rencontrées dans les circuits microminiaturisés, et de fabrication susceptible d'être industrialisée. Selon l'invention, le condensateur comprenant au moins, supportées par un matériau substrat, une couche métallique, une couche diélectrique formée de molécules organiques, polaires, orientées, adhérant à ladite couche métallique et une seconde couche métallique mince, est remarquable principalement en ce que, ledit matériau substrat étant constitué par une bande continue de matériau souple disposée en nappes successives superposées, ladite couche diélectrique est formée d'une pluralité de couches continues monomoléculaires orientées, d'une surface débordant, d'une part, celle d'une desdites couches métalliques, d'autre part, celle de l'autre couche métallique, des contacts métalliques étant appliqués sur les tranches de ladite bande. Le diélectrique du condensateur selon l'invention est constitué de plusieurs couches monomoléculaires superposées. Ces couches étant polaires et orientées sont adhérentes les unes aux autres et la tension de service obtenue avec cette superposition de couches est fonction du nombre de couches: elle peut être amenée à une valeur correspondant aux nécessités des circuits microminiaturisés dans lesquels les condensateurs peuvent être incorporés. Le nombre de couches monomoléculaires est choisi d'autre part pour se situer dans la partie la plus favorable de la courbe de la rigidité diélectrique en fonction du nombre de couches. En outre, s'il est nécessaire, la tension de charge en service peut être répartie entre plusieurs capacités en série, les couches métalliques formant armatures étant localisées en forme de bandes parallèles situées côte à côte séparées par la distance d'isolement nécessaire, ou suivant une autre disposition connue répondant à ce but. La superposition de couches monomoléculaires multiples assure à l'ensemble de ces couches une tenue meilleure qu'une couche unique, sans diminuer aucunement les qualités d'homogénéité et de régularité. Le nombre de couches monomoléculaires est avantageusement compris entre 3 et 25. Les contacts étant pris latéralement, le plus souvent par laquage au moyen d'un produit conducteur ou par application d'un métal fusible, par exemple projection d'aluminium, de zinc ou d'étain, le rapport entre 11 épaisseur des couches métalliques et l'épaisseur du diélectrique est plus favorable que dans les condensateurs connus, où l'épaisseur du diélectrique est suffisante pour provoquer une inertie thermique gênante. Dans un condensateur selon l'invention, l1épaisseur du diélectrique peut être plus faible que celle des couches métalliques, même si celles-ci ont l'épaisseur minimale réalisable pratiquement. Le substrat recevant les couches métalliques et les couches diélectriques étant une bande souple et continue permet par superposition de plusieurs nappes d'obtenir des surfaces importantes avec un encombrement réduit. Le support en bande souple permet une fabrication industrielle en continu du condensateur par défilement de la bande devant des postes de dépôt successifs. Dans une première forme de réalisation, le condensateur est constitué par un enroulement de la bande portant les couches métal liques et diélectriques, sur un mandrin en forme de cylindre à base circulaire ou autre. Dans une seconde forme de réalisation, le condensateur est constitué par un empilement de plusieurs nappes, obtenu par pliage alternatif de la bande continue, en accordéon. Il va de soi que le condensateur peut, dans ces deux formes de réalisation, comporter plusieurs bandes identiques superposées qui sont enroulées ou pliées conjointement. Dans les différentes formes de réalisation mentionnées cidessus, la bande continue comporte soit une capacité, soit plusieurs capacités en série obtenues par localisation des couches métalliques. La bande support peut également comporter des couches métalliques et diélectriques sur ses deux faces. Suivant la localisation des couches métalliques, des capacités en série et/ou en parallèle sont ainsi réalisées sur la même bande. La bande de matériau souple supportant les diverses couches est avantageusement une bande de matériau isolant, par exemple une bande de matière plastique telle que polystyrène, polycarbonate, polytéréphtalate d'éthylène glycol: matières utilisées couramment dans l'industrie des condensateurs, la surface des bandes étant au besoin traitée convenablement en vue de l'accrochage d'une couche monomoléculaire, notamment lorsqu'il s'agit de matériaux non polaires. Certains matériaux en bandes continues utilisés dans le domaine du conditionnement présentent également les qualités requises de support souple et isolant. La bande de matériau souple supportant les diverses couches peut être également une bande métallique, par exemple d'aluminium ou de zinc, dont la surface constitue la première couche métallique précitée. La première couche déposée sur la bande est dans ce cas la couche diélectrique formée de plusieurs couches monomoléculaires, sur laquelle est ensuite déposée la seconde couche métallique. Les couches métalliques sont avantageusement des couches d'aluminium ou de zinc, déposées par évaporation sous vide. Les couches monomoléculaires sont obtenues S partir de composés organiques choisis de préférence dans le groupe de sels d'acides gras comprenant notamment les stéarates, palmitates, behénates d'éléments tels que le calcium ou le baryum. La présente invention concerne également le procédé de réalisation de condensateurs décrits ci-dessus comportant une multipli côté de couches conductrices superposées séparées par des couches diélectriques, procédé faisant application de la méthode dite de Langmuir-Blodgett et selon lequel les couches conductrices sont obtenues par vaporisation sur une surface isolante et les couches diélectriques par dépôt au moins sur lesdites couches conductrices. Ce procédé est remarquable principalement en ce qu'un support au moins partiellement en forme de bande souple continue à surface/metallique est amené a défiler d'un mouvement uniforme entre un dispositif débiteur et un dispositif récepteur en passant sur des guides lui imposant un trajet comportant une succession, en alternance, d'immersions dans un bac contenant un liquide, et de sorties dudit liquide, une couche monomoléculaire orientée d'un diélectrique organique étant étendue sur la surface dudit liquide; des dispositifs guidés affleurant la surface exercent simultanément une poussée régulière déterminée sur ladite couche monomoléculaire en direction de ladite bande, et des écrans séparent les uns des autres les différents domaines de couche monomoléculaire étendue intéressant chaque immersion ou chaque sortie de ladite bande. Des procédés ont déjà été proposés pour la réalisation de dépôts de couches monomoléculaires de matériaux organiques isolants, mais ces procédés concernent seulement des couches diélectriques déposées sur des surfaces rigides de surface très limitée, le plus souvent des plaquettes de verre, et non des bandes continues sus eeptibles d'être enroulées ou pliées avec des armatures également d'épaisseur minimale. Les condensateurs réalisés selon l'invention trouvent leur application, en tant que composants discrets, dans le domaine de la microélectronique, leur volume étant du même ordre que celui des cristaux de composants actifs, transistors, diodes, circuits intégrés, utilisés dans ce domaine. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en perspective d'un condensateur selon l'invention, en forme de rouleau. La figure 2 est une coupe schématique du condensateur de la figure t. La figure 3 est une coupe schématique d'un condensateur comprenant deux capacités en série. La figure 4 est une coupe schématique d'un condensateur selon l'invention dans une variante d'exécution. La figure 5 est une coupe schématique longitudinale partielle d'un condensateur dans la seconde forme de réalisation. La figure 6 e-st une coupe schématique d'une bande dans le cas où le support est une bande de métal. La figure 7 représente schématiquement un dispositif de mise en oeuvre du procédé de réalisation de condensateurs selon l'invention. La figure 8 est une coupe selon AA du dispositif de la figure 7. Le condensateur représenté sur la figure 1 est un condensateur du type dit en rouleau; il comprend une bande support 1 sur laquelle sont déposées deux couches métalliques 3 séparées par une couche diélectrique (supposée transparente sur le dessin). Une couche métallique laisse une marge 4 non recouverte du côté d'un bord de la bande 1, l'autre couche métallique laisse une marge 5 non recouverte du côté de l'autre bord de la bande La bande est enroulée sur un mandrin 2. Des connexions sont prises par projection de métal sur les bases du rouleau en 7a et 7b, les couches métalliques affleurant chacune d'un côté. La couche diélectrique est formée de plusieurs couches monomoléculaires déposées à partir d'une couche monomoléculaire étendue sur un liquide.La bande constituant ce condensateur est vue en coupe sur la figure 2 où lton voit la couche diélectrique 6 entre les deux couches métalliques 3a et 3b, toutes trois déposées sur le support 2. Plusieurs capacités en série peuvent être formées sur la même bande support. Par exemple sur la coupe de la figure 3, on voit la bande support li sur laquelle est déposée une première couche métallique 13a, puis une couche diélectrique 16 formée de plusieurs couches monomoléculaires, puis une couche métallique comprenant deux aires isolées l'une de l'autre, 13b et 13c, séparées par une marge centrale 17. Au lieu de ne comporter des couches métalliques et diélectriques que sur une seule face, la bande support peut en comporter sur les deux faces comme sur le condensateur dont la bande est représentée en coupe sur la figure 4. La bande support 21 reçoit sur ces deux faces une première couche métallique 23a et 28a, puis une couche diélectrique formée de couches monomoléculaires 16 et 19a, puis une seconde couche métallique 23b et 28b. Une seconde couche diélectrique 19b est déposée sur une des deux faces pour assurer l'isolement et constituer, à 11 enroulement, une capacité supplémentaire entre les armatures 28b et 23b. Au lieu d'être enroulé, un condensateur formé à partir de la bande de la figure 2 ou à partir de la bande de la figure 3, peut être obtenu par pliage de la bande. Sur la figure 5, une bande support 31 est pliée en accordéon. Elle porte une première couche métallique 33a, une couche diélectrique 36, une seconde couche métallique 33b, les couches métalliques présentant les marges nécessaires à l'isolement et aux prises de contact sur les tranches de l'empilement obtenu par le pliage et la compression de l'ensemble. il va de soi que d'autres dispositions en plusieurs nappes superposées, d'une bande souple supportant des couches métalliques et diélectriques alternées, sur une face ou sur les deux faces, peuvent être envisagées, comme par exemple, l'empilement de sections planes ou incurvées, le pliage alternatif de part et d'autre d'une plaquette rigide ou tout autre disposition connue dans la technique des condensateurs réalisés à partir d'une bande souple et pliable. Dans le cas où la bande support est métallique, la première couche métallique n'a pas à être déposée. La figure 6 donne un exemple de bande constituant un condensateur selon l'invention à partir d'une bande continue métallique 51, recouverte d'une couche diélectrique 56 formée de couches monomoléculaires superposées, et d'une couche métallique localisée 53. Les bords de la bande métallique sont d'un côté isolés, de l'autre découverts pour une prise de contact. Le dispositif représenté sur la figure 8 est destiné au dépôt sur une bande souple des couches monomoléculaires formant le diélectrique des condensateurs selon l'invention. Ce dispositif comprend une cuve oblongue 101, maintenue à température constante, contenant un liquide 102 destiné à supporter la couche monomoléculaire devant être transférée sur la bande souple.La bande souple continue 103, provenant d'un dispositif débiteur, non représenté, et passant au besoin dans un dispositif de préparation de surface adéquat, est guidée par des poulies 104 à 113 lui imposant un trajet comprenant une succession de passages dans le liquide 102, chaque passage comprenant une immersion sensiblement à la verticale, et une sortie sensiblement à la verticale également, La bande est reçue par un dispositif enrouleur, non représenté, les dispo 'sitifs débiteur et récepteur étant réglés pour donner à la bande 103 un mouvement uniforme à vitesse réglable contrôlée et une tension constante également contrôlée assurant la planéité des parties verticales. Des ecrans 114 séparent les différents domaines de la surface 117 du liquide dans lesquels se produisent les passages de la bande à travers cette surface. En face de chaque passage de la bande à travers la surface du liquide 117, exception faite de la première immersion en 115, est placée une barrière 116 qui peut être animée d'un mouvement uniforme dans le plan de la surface du liquide, en direction de la partie de bande intéressée. I1 va de soi que le dispositif représenté avec cinq postes de dépôt peut en comporter un nombre impair quelconque, correspondant de préférence au nombre de couches monomoléculaires prévues pour constituer le diélectrique du condensateur. La couche monomoléculaire est déposée à la surface du liquide 102, le constituant de cette couche étant préalablement dissout dans un solvant adéquat qui est évaporé aussitôt après que la solution ait été déposée à la surface du liquide 102. La couche étendue sur la surface du liquide est ensuite comprimée au moyen des barrières 116, jusqu'à orienter et ranger les unes contre les autres les molécules de la couche, puis la bande est mise en mouvement en synchronisme avec la poursuite du mouvement de la barrière. Celui-ci est réglé pour exercer sur la couche monomoléculaire à déposer une poussée constante déterminée au préalable par des me- sures de la tension superficielle de cette couche sur le liquide 102.La vitesse de poussée de la barrière 116 doit être suffisante pour maintenir la couche monomoléculaire orientée cohérente et continue, et assez faible pour ne pas détruire l'orientation moléculaire. Les mouvements des barrières 116 sont commandés au moyen de systèmes vis 118 et écrous 119 prévus pour obtenir les directions de mouvement indiquées par les flèches 120. Après passage de la couche monomoléculaire du liquide sur la bande, les barrières 116 sont ramenées à leur position de départ et une nouvelle couche est étendue sur le liquide. Par exemple, des condensateurs selon l'invention sont réalisés de la façon suivante: on utilise comme support une bande de matière souple, connue sous le nom commercial de Mylar, d'épaisseur 6 micromètres, de largeur 1 cm, métallisée localement sur les deux faces par évaporation d'aluminium. Le diélectrique est obtenu à partir d'acide stéarique mis en solution dans du benzène et déposé à la surface du liquide contenu dans le bac d'un dispositif du type décrit en regard de la figure 7. Ce liquide est de l'eau distillée à laquelle sont ajoutés des sels de calcium de façon à obtenir une couche superficielle de stéarate de calcium, après que le dispositif ait été laissé au repos les quelques minutes nécessaires à l'évaporation du solvant. On aura mesuré auparavant la tension superficielle d'une couche identique placée dans les mêmes conditions et on exerce sur la couche une poussée horizontale déterminée d'après cette mesure, cette poussée étant de l'ordre des dizaines de dynes par cm au maximum. Lorsque la couche est ainsi comprimée, les molécules de la couche se trouvent orientées et serrées les unes contre les autres; la couche est ensuite poussée vers la bande à une vitesse constante de 0,1 à 0,5 mm par seconde; le bac ayant une largeur utile de 20 cm, la bande défile dans ce cas à une vitesse uniforme de 1 à 5 mm par seconde, la couche se déposant sur les deux faces de la bande. La barrière de poussée de la couche monomoléculaire étant à environ 40 cm de la bande au moment où celle-ci est mise en mouvement, les 800 cm2 de couche de stéarate de calcium permettent de couvrir environ 4 m de bande. Le dispositif comporte 7 postes de dépôt permettant de déposer 7 monocouches successives d'une épais o seur totale de 150 à 200 A. il va de soi qu'après passage des 4 m de bande devant les différents postes de dépôt, les barrières de poussée peuvent être ramenées au point de départ, une nouvelle couche est étendue à la surface du liquide puis comprimée, et une nouvelle longueur de bande est recouverte. La bande reçoit ensuite une métallisation localisée. La constante diélectrique des couches de stéarate de calcium étant de l'ordre de 2,5 , les 4 m de bande obtenus permettent de réaliser un ensemble de condensateurs d'une capacité totale de l'ordre de 120 microfarads, par enroulement ou empilement en plusieurs nappes. Ainsi un millier de condensateurs, chacun d'une capacité de 0,12 pF et d'un volume de 11 ordre du millimètre cube, sont réalisés à partir de 4 mètres de la bande ainsi traitée. - REVENDICATIONS 1.- Condensateur comprenant au moins, supportées par un matériau substrat, une couche métallique, une couche diélectrique for- mée de molécules organiques, polaires, orientées, adhérant à ladite couche métallique, et une seconde couche métallique mince, caractérisé en ce que, ledit matériau substrat étant constitué par une bande continue de matériau souple disposée en nappes successives superposées, ladite couche diélectrique est formée d'une pluralité de couches continues monomoléculaires orientées, d'une surface débordant d'un côté celle d'une desdites couches métalliques, et du côté opposé, celle de la autre couche métallique, des contacts métalliques étant appliqués sur les tranches de ladite bande. 2.- Condensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de couches monomoléculaires du diélectrique est compris entre 3 et 25. 3.- Condensateur selon l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un enroulement sur un mandrin de ladite bande supportant les couches métalliques et la couche diélectrique formée de couches monomoléculaires. 4.- Condensateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un empilement de ladite bande, pliée, supportant les couches métalliques et la couche diélectrique formée de couches monomoléculaires. 5.- Condensateur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des couches métalliques et des couches bande. monomoléculaires formant diélectrique, sur les deux faces de la/ 6.- Condensateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bande support est une bande de matière plastique choisie dans le groupe comprenant le polycarbonate, le polystyrène, le polytéréphtalate d'éthylène glycol. 7.- Condensateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la bande support est une bande métallique dont la surface constitue ladite première couche métallique. 8.- Condensateur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les couches monomoléculaires sont des couches de sels d'acide gras choisis dans le groupe comprenant les stéarates, les palmitates, les béhénates de calcium et de baryum. 9.- Procédé de réalisation de condensateurs conformes à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un support en forme de bande souple continue à surface métallique est amené à défiler d'un mouvement uniforme entre un dispositif débiteur et un dispositif récepteur en passant sur des guides lui imposant un trajet comportant une succession, en alternance, d'immersions dans un bac contenant un liquide, et de sorties dudit liquide, une couche monomoléculaire orientée d'un diélectrique organique étant étendue sur la surface dudit liquide, des dispositifs guidés, affleurant ladite surface, exerçent simultanément une poussée régulière determinée sur ladite couche monomoléculaire en direction de ladite bande, et des écrans séparent les uns des autres les différents domaines de couche monomoléculaire étendue intéressant chaque immersion et chaque sortie de ladite bande.