Brevet FR2820510A1 — publié le 20020809

FILM FONCTIONNEL AUX PROPRIETES OPTIQUES ET ELECTRIQUES AMELIOREES ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION 1. Champ d'application de l'invention La présente invention se rapporte à un film fonctionnel, et plus particulièrement, à un film fonctionnel aux propriétés optiques et électriques réglables et à un procédé de fabrication dudit film. 2. Description de l'art antérieur On connaît un film fonctionnel présentant une conductivité électrique tout en réduisant le facteur de réflexion de la lumière extérieur. Ce film comporte toute une série d'applications, y compris les lunettes de soleil, les verres de protection contre la lumière extérieure, les matériaux de protection contre les UV et les matériaux isolants, ou encore les matériaux de protection électromagnétique. Un autre exemple de film fonctionnel est constitué par une matrice noire formée entre des couches de phosphore d'un dispositif d'affichage couleur, par exemple un tube cathodique couleur, pour absorber la lumière extérieure et la lumière de dispersion provenant de motifs de couches de phosphore adjacents. Si le facteur de réflexion de la lumière extérieure de l'écran d'un dispositif d'affichage augmente, l'image visible devient floue. Comme la lumière extérieure se réfléchit principalement au niveau d'une matrice noire de l'écran, les tentatives visant à améliorer la luminance et le contraste en augmentant l'absorbance des pixels entourant la matrice noire du dispositif d'affichage se sont multipliées. Ainsi, on obtient une matrice noire avec une structure à film stratifié contenant du chrome, composée d'une couche de chrome et d'une couche d'oxyde de chrome. Pour améliorer encore la capacité d'absorption de la matrice noire, on peut ajouter du carbone à la couche d'oxyde de chrome. Le brevet américain no. 5.976. 639 divulgue un procédé de formation d'une matrice noire pour un afficheur à cristaux liquides à l'aide d'un film stratifié comprenant une couche de transition et une couche de métal à la surface interne du panneau d'affichage. Selon ce brevet, le film stratifié comprend une couche de transition dans laquelle la teneur d'un élément constitutif tel que Cr, W, Ta, Ti, Fe, Ni ou Mo passe d'environ 0,5% à environ 20% pour 100 À au maximum dans la direction incidente de la lumière extérieure. La couche de transition peut inclure en outre un élément constitutif tel que l'oxygène (0), l'azote (N) ou le carbone (C). L'élément métallique est de préférence le chrome. La couche de transition est disposée entre une couche de faible teneur en métal et une couche de forte teneur en métal. La teneur en éléments métalliques de la couche de forte teneur en métal est comprise entre 50 et 100% en poids et la teneur en éléments métalliques de la couche de faible teneur en métal est comprise entre 10 et 50% en poids. Cependant, la matrice noire décrite dans le brevet américain no. 5.976. 639 fait appel à des matériaux nocifs pour l'environnement, par exemple le chrome. En outre, ce brevet ne décrit pas un film fonctionnel extrêmement efficace dont l'indice de réfraction et la conductivité électrique sont réglables. RESUME DE L'INVENTION Pour résoudre les problèmes décrits ci-dessus, la présente invention propose un film fonctionnel aux bonnes propriétés mécaniques, optiques et électriques grâce à un mélange de métal non toxique, autre que le chrome, et d'un matériau diélectrique. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, l'invention propose un film fonctionnel contenant une couche de transition comprenant un premier élément constitutif sélectionné parmi l'aluminium (Al) et le silicium (Si) et au moins un deuxième élément constitutif sélectionné parmi l'oxygène et l'azote, le premier et le deuxième éléments constitutifs ayant des gradients de teneur progressifs en fonction de l'épaisseur du film. De préférence, les gradients de teneur progressifs sont répartis de sorte que l'indice de réfraction augmente ou diminue progressivement dans la direction d'incidence de la lumière extérieure en fonction de l'épaisseur du film. De même, les gradients de teneur progressifs sont répartis de préférence de telle sorte que l'efficacité d'absorption de la lumière augmente progressivement dans la direction d'incidence de la lumière extérieure en fonction de l'épaisseur du film. Le premier élément constitutif est l'aluminium et les gradients de teneur progressifs sont répartis de préférence de telle sorte que la conductivité électrique augmente ou diminue progressivement en fonction de l'épaisseur du film. De préférence, les gradients de teneur progressifs sont répartis de telle sorte que la teneur du premier élément constitutif augmente progressivement et la teneur du deuxième élément constitutif diminue progressivement, dans la direction d'incidence de la lumière extérieure en fonction de l'épaisseur du film. Le film est déposé de préférence sur un substrat présentant une différence d'indice de réfraction inférieure ou égale à 0,5 de l'indice de réfraction d'une face du film au contact du substrat. Selon un autre aspect de la présente invention, le film fonctionnel peut également inclure une couche conductrice composée d'au moins un élément constitutif de métal sélectionné parmi le groupe contenant le titane (Ti), l'aluminium (Al), l'argent (Ag), le cuivre (Cu), l'or (Au), le platine (Pt), le cobalt (Co), le fer (Fe) et l'oxyde d'étain indium (ITO). Le premier élément constitutif formant le film fonctionnel présentant la couche conductrice est, en Si ou Al, comme cela est décrit ci-dessus. L'emplacement de formation de la couche conductrice n'est pas spécifiquement restreint, mais compte tenu de la caractéristique de faible résistance du film, la couche conductrice est formée de préférence sur une face opposée à celle où le film vient au contact du substrat lorsque le film fonctionnel est utilisé dans des domaines demandant des caractéristiques de conductivité électrique, et le premier élément constitutif est en silicium et la teneur en Si augmente en fonction de l'épaisseur du film. Le film fonctionnel selon la présente invention peut s'utiliser avantageusement comme matrice noire d'un dispositif d'affichage. Si le film fonctionnel selon la présente invention comprend une couche conductrice, il peut également s'utiliser avantageusement pour réaliser les électrodes d'un dispositif d'affichage. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les buts et avantages ci-dessus de la présente invention apparaîtront plus clairement grâce à la description détaillée de modes de réalisation préférés, en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique illustrant la structure d'un film fonctionnel selon la présente invention ; La figure 2 est un schéma illustrant le principe d'un film fonctionnel selon la présente invention ; La figure 3 est un schéma illustrant un changement dans la répartition des éléments constitutifs que sont le silicium (Si) et l'oxygène (0) dans un film fonctionnel selon un mode de réalisation de la présente invention, et La figure 4 est un schéma illustrant un changement dans la répartition des éléments constitutifs que sont l'aluminium (Al) et l'oxygène (0) dans un film fonctionnel selon un autre mode de réalisation de la présente invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La présente invention est caractérisée en ce que l'on obtient un film stratifié comprenant un premier élément constitutif sélectionné parmi l'aluminium (Al) et le silicium (Si) et un deuxième élément constitutif sélectionné parmi l'oxygène (0) et l'azote (N), obtenu par un procédé de pulvérisation cathodique par réaction, pour former une couche de transition dans laquelle le premier et le deuxième éléments constitutifs présentent des gradients liés à l'épaisseur du film. Le facteur de réflexion (R) d'un film 20 déposé sur un substrat 10, comme le montre la figure 1, correspond au carré de la valeur absolue d'un coefficient de réflexion (r) généralement représenté par la formule (1) : où Ns et Nf représentent des indices complexes de réfraction, ns et nf représentent les indices de réfraction et kg et kf représentent les coefficients d'extinction, du substrat et du film, respectivement. Pour réduire le facteur de réflexion du film, on préfère une différence plus faible d'indice de réfraction entre le substrat et le film. En d'autres termes, si l'indice de réfraction du substrat et l'indice de réfraction du film sont égaux, il n'y a aucune réflexion. On peut obtenir un film dans lequel se produit uniquement l'absorption et aucune réflexion en modifiant progressivement (augmentation ou réduction) l'indice de réfraction dans la direction croissante de l'épaisseur du film. Sur la base du principe décrit ci-dessus, les inventeurs de la présente invention ont mis au point le film fonctionnel de la figure 2. Un premier élément constitutif sélectionné parmi Al et Si et un deuxième élément constitutif sélectionné parmi 0 et N sont déposés sur une partie adjacente au substrat par un procédé de pulvérisation cathodique par réaction tout en contrôlant les vitesses de dépôt du premier et du deuxième éléments constitutifs, de façon à déposer un matériau diélectrique à l'indice de réfraction similaire à celui du substrat sur une partie adjacente au substrat. Dans ce cas, on suppose que l'indice de réfraction et le coefficient d'extinction du substrat sont n, et kg, comme cela est noté ci-dessus et que l'indice de réfraction et le coefficient d'extinction du premier matériau sont ni et kl. Comme la différence d'indice de réfraction est faible entre le substrat et le premier matériau, on peut éviter presque complètement la réflexion de la lumière grâce au principe représenté par la formule (1). Ensuite, on dépose un deuxième matériau (indice de réfraction : n2, coefficient d'extinction : k2) présentant généralement le même indice de réfraction que le premier matériau, sur le premier matériau à l'aide du procédé de pulvérisation cathodique à réaction tout en ajustant le rapport entre la teneur du premier élément constitutif et la teneur du deuxième élément constitutif, réduisant ainsi le facteur de réflexion de la lumière selon le même principe que celui décrit ci-dessus. On peut déposer en continu un troisième matériau possédant un indice de réfraction n3, et un coefficient d'extinction k3, un quatrième matériau possédant un indice de réfraction n4, et un coefficient d'extinction k4, un cinquième matériau possédant un indice de réfraction n5, et un coefficient d'extinction kg, et ainsi de suite. On peut créer le gradient d'indice de réfraction de façon à augmenter ou réduire progressivement l'indice de réfraction. Pour réduire le facteur de réflexion de la lumière extérieure et pour augmenter l'efficacité d'absorption de lumière, le dépôt se déroule de préférence de manière à augmenter le coefficient d'extinction dans la direction d'incidence de la lumière extérieure. Laisser le coefficient d'extinction augmenter progressivement en fonction de l'épaisseur du film permet de réduire progressivement la quantité de lumière traversant le film jusqu'à ce que plus aucune lumière ne soit transmise lorsque l'épaisseur atteint un niveau prédéterminé. De même, on peut augmenter progressivement à la fois l'indice de réfraction et la conductivité électrique du film en fonction de son épaisseur avec Al comme premier élément constitutif et en augmentant la teneur en Al en fonction de l'épaisseur du film, réduisant ainsi le facteur de réflexion de la lumière extérieure et en réalisant une structure optique de conductivité électrique élevée. Une telle structure peut effectivement empêcher l'accumulation de la charge lorsqu'elle est appliquée comme matériau de protection électromagnétique ou matrice noire d'un dispositif d'affichage. Si le Si fait office de premier élément constitutif et que l'on augmente la teneur en Si en fonction de l'épaisseur du film, une couche conductrice se forme de préférence sur le film dans la perspective d'utilisation décrite ci-dessus. Ici, la couche conductrice se compose d'au moins un élément constitutif de métal sélectionné parmi le groupe contenant le titane (Ti), l'aluminium (Al), l'argent (Ag), le cuivre (Cu), l'or (Au), le platine (Pt), le cobalt (Co), le fer (Fe) et l'oxyde d'étain indium (ITO). Selon la présente invention, le film est déposé sur un substrat présentant une différence d'indice de réfraction inférieure ou égale à 0,5 par rapport à l'indice de réfraction d'une face du film au contact du substrat. Si cette différence est supérieure à 0,5, le facteur de réflexion du film augmente plus qu'il ne faudrait, comparé au substrat, surtout s'il s'agit d'un substrat de verre. Dans le film fonctionnel selon la présente invention, on utilise de préférence le silicium ou l'aluminium comme premier élément constitutif parce que son oxyde a une propriété similaire à celle du verre utilisé comme matériau de substrat. De même, dans le film fonctionnel selon la présente invention, on utilise de préférence l'oxygène ou l'azote comme deuxième élément constitutif en réaction avec le premier élément constitutif et soumis à une pulvérisation cathodique. En d'autres termes, on utilise de préférence l'oxyde de silicium, l'oxyde d'aluminium, le nitrure de silicium ou le nitrure d'aluminium. Le dépôt s'accompagne d'un changement progressif du rapport de composition des éléments constitutifs respectifs formant l'oxyde ou le nitrure. Le film fonctionnel selon la présente invention est fabriqué selon un procédé de pulvérisation cathodique par réaction de la manière suivante. La pulvérisation cathodique par réaction peut s'effectuer dans un appareil comprenant une chambre'à vide équipée d'un circuit de pompage, une cathode à magnétron placée dans la chambre à vide, une cible disposée sur la cathode à magnétron, par exemple Si ou Al, un premier système d'admission de gaz pour l'injection d'un gaz en vue de la décharge de magnétron, un deuxième système d'admission de gaz pour l'injection d'un gaz réactif, réagissant avec un élément de métal soumis à une pulvérisation cathodique, par exemple de l'oxygène ou de l'azote sous forme gazeuse, un convoyeur pour assurer le transfert d'un substrat pour le placer en face d'un espace de décharge. Les buses du premier et du deuxième systèmes d'admission de gaz sont en vis-à-vis dans l'espace de décharge. De même, les buses du premier et du deuxième systèmes d'admission de gaz sont en amont et en aval de la ligne de transfert du substrat, respectivement. Dans l'arrangement décrit ci-dessus, la pression partielle du gaz réactif dans l'espace de décharge diminue progressivement dans le sens de transfert du substrat. Si l'on utilise à la fois de l'oxygène et de l'azote comme gaz réactifs, la pression partielle d'un gaz réactif diminue progressivement tandis que la pression partielle de l'autre gaz augmente progressivement. Selon un mode de réalisation de la présente invention, on obtient un film fonctionnel comprenant de l'oxyde de Si (sioux) ou du nitrure de Si (SiNx). Si l'on dépose de l'oxyde de Si sur un substrat de verre à base de soude et de chaux, le Si fait office de cible et on utilise l'oxygène (02) comme deuxième gaz, qui est un gaz réactif. On règle la pression partielle du deuxième gaz pour déposer le SiO2 dont l'indice de réfraction est similaire à celui du substrat de verre à base de soude et de chaux, sur le substrat à un stade initial du dépôt, la pression partielle d'oxygène diminue progressivement avec l'intensification du dépôt, et seul le silicium va se déposer à un stade final du dépôt. La figure 3 est une représentation schématique d'un changement de composition avec une augmentation de l'épaisseur du film. Selon un autre aspect de la présente invention, on obtient un film fonctionnel d'une certaine conductivité en déposant une couche de silicium, puis en déposant une couche de métal avec au moins une cible métallique sélectionnée parmi le groupe contenant Ti, Al, Ag, Cu, Pt, Co, Fe et ITO ou des alliages de ces derniers comme cible de l'appareil à pulvérisation cathodique. Le film fonctionnel possédant une couche conductrice de métal peut être appliqué sur une électrode d'un panneau d'affichage au plasma (PDP), une matrice noire d'une grande variété de dispositifs d'affichage, etc. Alternativement, la présente invention propose un film fonctionnel avec de l'oxyde ou du nitrure d'aluminium. Si l'on dépose un oxyde d'aluminium, l'aluminium sert de cible et alors l'oxygène (02) ou l'azote (N2) fait office de deuxième gaz, qui est un gaz réactif. Le procédé de dépôt qui s'ensuit est le même que dans le cas du silicium. Si l'on utilise l'aluminium comme cible, on obtient une couche d'oxyde ou de nitrure d'aluminium à un stade initial, pour finalement donner une couche d'aluminium. Comme l'aluminium est déjà un métal, il peut s'utiliser pour toute une série d'applications dans lesquels un film conducteur est nécessaire, sans former de couche conductrice métallique séparée. La figure 4 est une représentation schématique d'un changement de composition avec une variation d'épaisseur du film dans le cas du dépôt d'oxyde d'aluminium. Avec le substrat à base de soude et de chaux, le rapport de teneur entre l'aluminium et l'oxygène est de préférence 2 : 3 pour que l'indice de réfraction du substrat et l'indice de réfraction du film au stade initial soient pratiquement le même. Les figures 3 et 4 montrent des cas dans lesquels la composition des cibles varie de façon linéaire, mais l'invention ne se limite pas là, et le dépôt peut s'effectuer avec un gradient échelonné. Si la fréquence radio (RF) ou l'alimentation en courant continu (CC) appliquée à chaque cible augmente ou diminue de façon linéaire, on obtient un gradient de teneur linéaire, comme le montrent les figures 3 et 4. Une autre solution consiste à obtenir un film fonctionnel avec un gradient échelonné en appliquant progressivement une fréquence radio ou une alimentation en courant continu à une cible. La présente invention sera décrite ci-dessous plus en détail grâce aux exemples suivants, mais sans s'y limiter. Exemple 1 On dépose du silicium (Si) comme cible et de l'oxygène (02) comme gaz réactif sur un substrat de verre à base de soude et de chaux à l'aide d'un appareil de pulvérisation cathodique par réaction, tout en diminuant progressivement la pression partielle de l'oxygène pour que le silicium et l'oxygène présentent des gradients de teneur en fonction de l'épaisseur d'un film. Le rapport atomique entre le silicium et l'oxygène est réglé à 1 : 2 à un stade initial de dépôt, puis la pression partielle de l'oxygène est réduite progressivement pour déposer uniquement du silicium lorsque l'épaisseur du film atteignit 1500 . Lorsque l'épaisseur totale du film atteint 2000 , une couche conductrice de 1000 À d'épaisseur est formée avec une cible en argent (Ag). Exemple 2 On fabrique un film fonctionnel de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près qu'un film utilisant à la fois l'oxygène et l'azote comme gaz de réaction est formé. Exemple 3 On fabrique un film fonctionnel de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près que l'on utilise une cible d'aluminium au lieu d'une cible de silicium et que l'on se dispense de l'étape séparée de formation d'une couche conductrice. De même, on corrige le rapport atomique de l'aluminium à l'oxyde pour obtenir environ 2 : 3 à un stade initial de dépôt. On évalue les propriétés électriques et optiques des matrices noires fabriquées aux exemples 1 à 3, le tableau 1 récapitulant les résultats de l'évaluation. Dans le tableau 1, l'indice de réflexion et la densité optique ont été mesurés à une longueur d'onde de 550 nm avec un spectromètre à rayons UV visibles, et la résistance Rs de couche a été mesurée par un procédé de sonde à 4 points. Tableau 1 Eléments Rs Facteur de Densité Epaisseur constitutifs (mQ/D) réflexion optique (À) (550 nm, %) Exemple 1 Si/O/Ag 240 0,05 4,5 3000 Exemple 2 Si/N/O/Ag 210 0,2 4,2 3300 Exemple 3 Alla 352 0, 5 4, 6 3500 Il ressort du tableau 1 que les films fonctionnels selon les exemples 1 à 3 présentent un bon facteur de réflexion, une bonne résistance de couche et une bonne densité optique, c'est-à-dire que les films fonctionnels ont une résistance de couche comprise entre 200 et 350 mD/D, un facteur de réflexion inférieur ou égal à 0, 5 et une densité optique supérieure ou égale à 0,4. Dans le film fonctionnel selon la présente invention, afin de réduire nettement le facteur de réflexion du film, l'indice de réfraction du film peut facilement être réglé pour être sensiblement identique à celui du substrat. De même, tout en modifiant progressivement l'indice de réfraction du film, on peut obtenir un film aux propriétés électriques désirées, pour que ce dernier possède à la fois une couche d'absorption de la lumière et une couche conductrice. C'est la raison pour laquelle le film fonctionnel selon la présente invention peut servir dans toute une série d'applications exigeant à la fois des propriétés optiques et des propriétés électriques. Bien que cette invention ait été présentée dans des modes de réalisation particuliers, et décrite en référence ces derniers, l'homme de l'art comprendra parfaitement que diverses modifications de forme et de détail peuvent être apportées sans trahir l'esprit ni la portée de l'invention définis par les revendications annexées. Revendications 1. Film fonctionnel contenant une couche de transition comprenant un premier élément constitutif sélectionné parmi l'aluminium et le silicium et au moins un deuxième élément constitutif sélectionné parmi l'oxygène et l'azote, le premier et le deuxième éléments constitutifs ayant des gradients de teneur progressifs en fonction de l'épaisseur du film. 2. Film fonctionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gradients de teneur progressifs sont répartis de sorte que l'indice de réfraction augmente ou diminue progressivement dans la direction d'incidence de la lumière extérieure en fonction de l'épaisseur du film. 3. Film fonctionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gradients de teneur progressifs sont répartis de telle sorte que l'efficacité d'absorption de la lumière augmente progressivement dans la direction d'incidence de la lumière extérieure en fonction de l'épaisseur du film. 4. Film fonctionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément constitutif est l'aluminium et que les gradients de teneur progressifs sont répartis de telle sorte que la conductivité électrique augmente ou diminue progressivement en fonction de l'épaisseur du film. 5. Film fonctionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gradients de teneur progressifs sont répartis de telle sorte que la teneur du premier élément constitutif augmente progressivement et la teneur du deuxième élément constitutif diminue progressivement, dans la direction d'incidence de la lumière extérieure en fonction de l'épaisseur du film. 6. Film fonctionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film est déposé sur un substrat présentant une différence d'indice de réfraction inférieure ou égale à 0,5 par rapport à l'indice de réfraction d'une face du film au contact du substrat. 7. Film fonctionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film comprend également une couche conductrice composée d'au moins un élément constitutif de métal sélectionné parmi le groupe contenant le titane, l'aluminium, l'argent, le cuivre, l'or, le platine, le cobalt, le fer et l'oxyde d'étain indium. 8. Film fonctionnel selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier élément constitutif est le silicium et que la couche conductrice est formée sur une face opposée à celle où le film vient au contact du substrat. 9. Le film fonctionnel selon la revendication 6, comprend en outre une couche conductrice composée d'au moins un élément constitutif de métal sélectionné parmi le groupe contenant le titane, l'aluminium, l'argent, le cuivre, l'or, le platine, le cobalt, le fer et'l'oxyde d'étain indium. 10. Film fonctionnel selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier élément constitutif est le silicium et que la couche conductrice est formée sur une face opposée à celle où le film vient au contact du substrat.