Process technologique de réalisation des antennes grillagées a faible impact visuel

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Technologie multicouche OTC/Métal/OTC

Une attention croissante est accordée à l’amélioration des performances des électrodes conductrices transparentes pour les applications dans des dispositifs et affichages photovoltaïques de grandes surfaces. À ce jour, les oxydes transparents et conducteurs à base d’In2O3, ZnO ou SnO2 sont couramment utilisés, mais des résistivités toujours plus faibles sont recherchées avec des propriétés optiques supérieures à celles de la génération actuelle.
Les structures multicouches OTC/métal/OTC sont apparues comme une alternative intéressante car elles offrent des caractéristiques optiques et électriques globalement supérieures à celles atteignables avec un OTC monocouche et peuvent être déposées à basse température sur des substrats plastiques bon marché [1]. Elles ont une résistance par carré inférieure à celle des OTC. A titre d’exemple, une multicouche ITO/Cu/ITO présente une résistance ohmique de 4,7Ω/sq [1-7] qui reste inférieure à celle d’une couche ITO (Rs=8.6Ω/sq).
La résistance par carré Rs d’une multicouche est considérée comme la résistance équivalente des résistances des couches individuelles mises en parallèle, elle est donc calculée comme suit [1] : ( 1-8)

Technologie basée sur le graphène

Le graphène est la forme bidimensionnelle du carbone : c’est un maillage de cycles (cellules hexagonales) de 6 atomes de carbone (figure I-10). Il a été largement étudié en raison de sa conductivité électronique exceptionnelle (la mobilité électrique du graphène monocouche peut atteindre 250 000 cm2.V−1.s−1) [32], sa transparence optique, voire sa conductivité thermique, sa résistance mécanique (léger et rigide), etc [33] et a suscité l’intérêt pour de nombreuses applications potentielles (résonateurs à base de graphène, applications de détection, optoélectronique…) [32]. En raison de ses très bonnes propriétés électriques et optiques, au moins en théorie, cela peut donc être un matériau idéal pour la réalisation de films transparents conducteurs (TCF). Cependant, les propriétés électriques dépendent fortement de la qualité du graphène [34-35].

Technologie à base de nanofils conducteurs

Les nanofils conducteurs existent sous deux formes : les nanofils métalliques et les nanotubes de carbone. Bien que l’Argent soit plus cher que l’Indium, les nanofils d’Argent AgNWs permettent une technologie qui réduit considérablement le coût global de la production en série de films conducteurs transparents (TCF) [47].
A titre d’exemple, les TCF AgNWs sont utilisés comme capteurs tactiles pour ordinateurs [47]. Les électrodes transparentes AgNW présentent une excellente conductivité électrique car l’argent a la plus faible résistivité (de l’ordre de 1,59 × 10−6 cm) [49]. Une variété de dispositifs électriques déposés sur les électrodes AgNW ont été signalés, notamment des écrans tactiles [50], des cellules solaires organiques [51] et OLED [52-53]. Un film conducteur transparent obtenu à partir un réseau nanométrique de nanofils d’argent (AgNWs) par exemple, présente une résistance par carré de 20Ω/sq pour une transmittance de 95% selon [54]. Une optimisation de cette technologie a permis d’obtenir une résistance par carré de 2,9 Ω/sq avec une transmittance T = 89,2% [55]. Ils ont un facteur de mérite qui atteint 1000. Ces performances font que les nanofils métalliques sont en train de devenir une alternative efficace à l’ITO.
Bien que les électrodes AgNW aient plusieurs excellentes caractéristiques, il existe un problème qui empêche leur fabrication sur des substrats sensibles à la chaleur (plastiques par exemple) : un traitement thermique à environ 200°C est généralement nécessaire pour obtenir une conductivité électrique élevée [56]. Par conséquent, le traitement à basse température est souhaitable pour ces types de substrats [49].
La technologie des nanofils métalliques basée sur les nanofils de cuivre (CuNW) est en train de devenir une technologie de film transparent conducteur plus prometteuse, car le cuivre est 100 fois moins cher que l’argent. Les meilleurs TCF utilisant du CuNW présentent une résistance par carré et une transmittance plus élevées (100 Ω/carré pour 95%). Un des inconvénients de cette technologie est la stabilité des CuNW contre l’oxydation qui reste malgré tout un défi [54-57].
Les nanotubes de carbones (NTs) sont largement développés dans [58]. Ils possèdent les mêmes propriétés que le graphène mais sous forme tubulaire. En effet, ils sont souvent définis comme un ou plusieurs feuillets de graphène enroulés sur eux-mêmes formant un cylindre. Il existe donc deux types de NTs (figure 1.14) : les nanotubes de carbone mono-paroi, SWNT (single-walled carbon nanotubes) et les nanotubes de carbone multi-parois, MWNT(multi-walled carbon nanotubes) [59].

Technologie de maillage à pas micrométrique

Cette technologie part du même principe que le grillage métallique mais la largeur et le pas de maillage sont réduits pour que l’ensemble soit quasi-invisible et semble homogène à l’œil nu. Avec le design proposé en référence [69], la valeur de Rs est réduite, Rs = 0,022Ω/sq à T =81%, le facteur de mérite est alors de l’ordre de 69 000.
Pour définir les valeurs des paramètres du maillage métallique afin qu’il soit le plus transparent possible, on utilise les performances de l’œil humain. Le pas du maillage doit être plus petit que l’acuité visuelle humaine : l’angle sous lequel sont observés deux points doit être inférieur à θmin = 4,9 × 10 -4 rad [70] pour que l’œil ne soit plus capable de les discriminer (Figure 1-19). Ainsi, en fonction de la distance des personnes au maillage (la distance minimale étant
égale à celle de vision du point proche, ou Punctum Proximum, soit L = 25 cm en moyenne), la valeur du gap pour fabriquer ces antennes correspond à l’ouverture G séparant deux points et doit rester inférieure à : Gmax = L.tan(θmin) ≈ L.θmin (1-17)

Technologie de micro maillage métallique

Considéré comme une nouvelle technique, le micromaillage métallique est un film transparent conducteur à base de micro-métaux (MM) structuré autour de nanoparticules par autoassemblage (procédé par lequel un système désorganisé de composants élémentaires s’assemble et s’organise de façon spontanée et autonome, à la suite d’interactions spécifiques et locales entre ces composants). Avec des propriétés très remarquables, il a non seulement une transparence optique élevée, mais également une conductivité électrique élevée [73-72]. A titre d’exemple, une résistance par carré de 0,7 Ω/sq et une transmittance dans le visible de 75% ont pu être obtenues avec un micro maillage métallique d’argent [73-72]. Son facteur de mérite est d’environ 1800.

Conclusion sur les matériaux conducteurs transparents

Un certain nombre de solutions technologiques à faible impact visuel permettant malgré tout d’assurer des propriétés de conductivité électrique comparables à celles de conducteurs classiques a été présenté. Le film conducteur ultramince offre le facteur de mérite le plus faible parmi les MCT (inférieur à 10), il n’est donc pas conseillé pour des applications hyperfréquences. Les oxydes transparents conducteurs, notamment l’ITO historiquement utilisé comme MCT, présentent un bon compromis entre résistivité et transparence optique avec un facteur de mérite atteignant 1000. Par contre, la résistance électrique de l’ITO reste élevée, et son coût de mise en œuvre est trop élevé pour la réalisation de dispositifs peu coûteux. Par ailleurs, il souffre d’une faible flexibilité mécanique. Ces insuffisances sont améliorées grâce aux solutions multicouches OTC/métal/OTC. Le facteur de mérite augmente jusqu’à atteindre environ 1500 mais sa transparence n’est pas constante dans le spectre du visible. Les technologies prometteuses comme les nanofils et le graphène, avec des facteurs de mérite respectivement de l’ordre de 1080 et 230 présentent des résistances élevées. Au vu des caractéristiques et des performances des différentes solutions, le grillage métallique semble offrir le facteur de mérite le plus élevé (>100 000) avec une transmittance supérieure à 90% et une résistance par carré inférieure à 0,05 Ohm/sq. Il constitue donc une solution intéressante pour synthétiser des matériaux conducteurs optiquement transparents pour la conception d’antennes à faible impact visuel. Malgré tout, les grilles restent visibles à l’œil nu à cause de leur épaisseur. Pour que le dépôt apparaisse comme homogène, le maillage à pas micrométrique, avec des largeurs de grille plus fines, présente aussi un facteur de mérite important (>50 000). En tenant compte de certains critères tels que la technologie de dépôt disponible et mature, la non toxicité, la résistance mécanique des couches, la capacité d’adhérence, la température de dépôt, et le coût de fabrication, la technologie utilisant un grillage métallique est la solution retenue.

Présentation et choix de plusieurs solutions de substrats optiquement transparents

Les solutions de substrats transparents regroupent deux grandes familles, les verres et les plastiques. Les principales caractéristiques à prendre en compte sont :
– La transparence optique dans le domaine du visible qui doit être la plus élevée possible, typiquement supérieure à 70%, ce qui correspond au niveau de transparence autorisé pour les vitres teintées en France ;
– Dans la mesure où l’application visée est la conception d’antennes, une constante diélectrique faible pour des antennes efficaces ou élevée pour des antennes miniatures et, dans les deux cas, la tangente de l’angle de pertes (tan δ) qui doit être la plus faible possible ;
– Le vieillissement, la tenue aux UV, les épaisseurs disponibles, le coût…

Verres ou substrats inorganiques

Verre sodocalcique

Le verre sodocalcique (« Soda-lime glass » en anglais) est un verre à bas coût, réalisé principalement à partir d’oxydes de silicium (SiO2), de calcium (CaO), de sodium (Na2O), de magnésium (MgO) ou d’aluminium (Al2O3), facilement accessibles [74]. On peut trouver facilement différentes dimensions et épaisseurs. La transparence est de plus de 90% dans la bande (400 – 700 nm) (figure 1-24) pour une constante diélectrique et une tangente de perte qui peuvent être relativement élevées, par exemple ɛr ≈ 7 et tanδ ≈ 3×10−2 à 10 GHz [74].
L’inconvénient majeur des verres sodocalciques est qu’ils n’ont pas de classification précise. Leurs caractéristiques diélectriques (permittivité diélectrique et tangente de pertes) ne sont pas souvent spécifiées et sont variables d’un verre à un autre de même nature. Ils sont également moins transparents que d’autres verres comme par exemple le verre Corning 7059 [75]. Ils ne sont donc pas conçus pour des applications à hautes fréquences.

Substrat monocristallin

Les substrats transparents monocristallins comme le saphir (Al2O3 : tanδ = 2.10−5 à 10 GHz avec ɛr =11) et l’oxyde de magnésium (MgO : tanδ = 1.6.10−5 à 10GHz avec ɛr =10) ont des caractéristiques optiques et diélectriques intéressantes, notamment du fait de leurs tangentes de pertes faibles. L’utilisation de ces matériaux permet de synthétiser des couches minces épitaxiées d’OTC dotées d’excellentes propriétés électriques (1120 S/cm pour un film de CdO pur et qui atteint un maximum 42 000 S/cm avec un dopage Sn, à 2,5 %) [76]. Ils sont donc utilisés en hyperfréquences pour réaliser des systèmes très efficaces et performants [77].
Cependant, l’utilisation des substrats monocristallins est limitée à cause de leur coût élevé. D’autre part, certains substrats comme le saphir peuvent présenter une anisotropie du fait de l’arrangement spécifique des atomes. Enfin, la constante diélectrique élevée ne favorise pas le rayonnement.

Verres électroniques

Les verres électroniques (ou verres technologiques), tels que le verre de référence 1737 chez Corning largement utilisé par la communauté scientifique, ou bien la Silice (ou quartz amorphe) présentent des propriétés optiques (transparence optique, tenue dans le temps et aux rayonnements ultra-violets …) similaires à celles des verres sodocalciques. La différence est la certification des principales caractéristiques hyperfréquences par les fabricants, leurs caractéristiques diélectriques sont ainsi maîtrisées.
La permittivité relative de ces verres peut varier de 3.8 à 7 à 10 GHz suivant les références et les tangentes de pertes peuvent atteindre 10-3, voire 10−4 pour la Silice.
L’inconvénient est que toutes les dimensions ne sont pas disponibles chez les fabricants. En particulier, le choix de l’épaisseur est limité et le coût nettement plus important comparativement à celui des verres sodocalciques. Par ailleurs, les couches conductrices d’épaisseur supérieure au micromètre adhèrent difficilement sur ces verres, elles nécessitent souvent une couche d’accrochage (titane, chrome…) afin d’assurer leur adhérence à la surface du substrat.

Conclusion sur les substrats transparents

Il existe une grande variété de substrats optiquement transparents dans le spectre visible mais peu proposent à la fois de bonnes performances radioélectriques et des performances optiques constantes dans le temps. Les verres sodocalciques sont moins couteux mais présentent une tangente de perte élevée, et n’ont pas de classification et de stabilité des caractéristiques ce qui diminue les performances hyperfréquences d’un dispositif fabriqué à partir de ce verre. Quant aux substrats monocristallins, ils ont une faible tangente de perte mais leur coût est élevé et ils présentent parfois une anisotropie. Les substrats organiques ont pour principal intérêt leur flexibilité et leur coût, mais leurs performances optiques se dégradent dans le temps, à cause de l’exposition au rayonnement UV. Les verres électroniques résistent très bien aux conditions environnementales, mais ne sont pas très faciles à travailler. Toutes ces informations nous orientent malgré tout vers l’utilisation des verres électroniques. Parmi ces verres électroniques, le Borofloat 33 est facilement accessible, à faible coût et présente une faible permittivité et une faible tangente de perte diélectrique. Dans ces travaux, le substrat utilisé sera donc ce dernier.

Travaux de référence sur les antennes à faible impact visuel

Dans cette section, quelques exemples d’antennes à faible impact visuel réalisées à partir de certains des matériaux conducteurs transparents décrits ci-dessus sont présentés et discutés. Ils serviront de référence pour la suite des travaux.

Antenne à base de film ultramince métallique

Une première référence [16] sert de base à la conception d’antennes à faible impact visuel. L’objectif a d’abord été de comparer la transparence présentée par une couche de cuivre ultrafine de 1000nm d’épaisseur (Cu1) et une autre de 10nm (Cu2) déposées par pulvérisation radiofréquence sur du substrat de verre Corning 1737 de permittivité diélectrique 5.7 et de tangente de perte 2.10-4. La transparence obtenue est comprise entre 45% et 64% dans le visible [16] avec une résistance par carré l’ordre de de 8.3 Ω/sq pour la couche de 10nm. La couche de 1000nm est opaque donc sa transparence est nulle et sa résistance par carré de 0.01 Ω/sq.

Antennes en technologie de métal maillé

Une feuille de conducteur maillé est un matériau très économique pour concevoir des antennes à faible impact visuel [89]. Cependant, par rapport à ses homologues opaques, elle présente une résistance par carré plus élevée en raison d’une couverture de conducteur moins importante. Par conséquent, il est normal d’avoir des antennes à performances électromagnétiques inférieures pour une transparence optique accrue. Il est montré dans [95] que, pour une antenne patch à mailles rectangulaires, en optimisant le compromis ouverture/métallisation de la maille, l’efficacité de rayonnement de l’antenne peut être améliorée pour être comparable à celle d’un patch opaque.

Grillage épais

La référence [96] propose une étude des propriétés de rayonnement des antennes « transparentes » constituées de conducteurs maillés. En fixant les dimensions du patch, le maillage est modifié de façon à connaître l’influence de la transparence et des largeurs de grille (largeur des métallisations) sur les performances de l’antenne. Par exemple, sur la figure 1-43, une antenne opaque présente un gain de 7,7 dB, et un patch maillé de mêmes dimensions avec une transparence de 60% a un gain de 6,3 dB, avec un maillage de largeur 1 mm. En gardant la transparence à 60% et en affinant le maillage tel qu’il ait une largeur de grille de 0,5 mm, alors le gain peut être augmenté jusqu’à environ 7,1 dB.

Table des matières

Introduction générale
Contexte et motivation
Objectifs et contribution
Organisation du document
Chapitre 1 Etat de l’art sur les matériaux conducteurs et diélectrique à faible impact visuel
1.1. Présentation des principales solutions technologiques permettant de synthétiser des matériaux conducteurs transparents et choix
1.1.1. Technologie à base d’oxydes transparents conducteurs (OTC)
1.1.2. Technologie à base de film ultramince métallique
1.1.3. Technologie multicouche OTC/Métal/OTC
1.1.4. Technologie basée sur le graphène
1.1.5. Technologie à base de nanofils conducteurs
1.1.6. Technologie utilisant un grillage métallique
1.1.7. Technologie de maillage à pas micrométrique
1.1.8. Technologie de micro maillage métallique
1.1.9. Conclusion sur les matériaux conducteurs transparents
1.2. Présentation et choix de plusieurs solutions de substrats optiquement transparents
1.2.1 Verres ou substrats inorganiques
1.2.1.1. Verre sodocalcique
1.2.1.2. Substrat monocristallin
1.2.1.3. Verres électroniques
1.2.2. Substrats organiques
1.2.3. Conclusion sur les substrats transparents
1.3. Travaux de référence sur les antennes à faible impact visuel
1.3.1. Antenne à base de film ultramince métallique
1.3.2. Antenne en ITO
1.3.3. Antenne en multicouche
1.3.4. Antenne en graphène
1.3.5. Antenne à base de nanofils conducteurs
1.3.6. Antennes en technologie de métal maillé
1.3.6.1. Grillage épais
1.3.6.2. Maillage à pas micrométrique
1.3.6.3. Antenne en technologie micromaillage métallique
1.3.7. Conclusion sur les antennes à faible impact visuel
1.4. Bilan
Chapitre 2 Techniques de caractérisation diélectrique des substrats et caractérisation du substrat utilisé
2.1. Techniques de caractérisation diélectrique des substrats
2.1.1. Méthodes non résonantes
2.1.1.1. La méthode par capacité plan métal-isolant-métal (MIM)
En Basse Fréquence (MIM-BF)
En Haute fréquence (MIM-HF)
2.1.1.2. Méthode de la ligne de transmission / réflexion
2.1.1.3. Méthode par sonde diélectrique (Coaxial probe)
2.1.1.4. Méthode en espace libre
2.1.2. Méthodes résonantes
2.1.2.1. Méthode utilisant une cavité résonante
2.1.2.2. Méthode utilisant une cellule triplaque à base de résonateurs
2.1.2.3. Méthode utilisant un Té résonant
2.1.3. Conclusion et choix
2.2. Caractérisation diélectrique de la technologie microruban sur Borofloat retenue pour la conception d’antenne à faible impact visuel
2.2.1. Caractérisation de la technologie microruban métallisations pleines
2.2.2. Caractérisation de la technologie microruban à métallisations grillagées
2.3. Conclusion
Chapitre 3 Process technologique de réalisation des antennes grillagées a faible impact visuel
3.1. Démarche de réalisation
3.2. Nettoyage des échantillons
3.3. Processus de dépôt de couche mince conductrice
3.3.1. Procédé physique de pulvérisation cathodique
3.3.1.1. Généralités
3.3.1.2. Les différents types de pulvérisations cathodiques
3.3.1.3. Les différents types de sources d’alimentation de pulvérisation cathodique
Conclusion et choix
3.3.1.4. Dépôt de couches minces de cuivre/titane par pulvérisation cathodique magnétron
3.4. Procédé chimique d’épaississement de la couche métallique par électrodéposition
3.4.1.1. Principe
3.4.1.2. Montage et cellule expérimentale
3.5. Mise en forme des antennes grillagées : Réalisation du maillage par photolithographie et gravure chimique par voie humide
3.5.1. La photolithographie
3.5.1.1. Principe et grandes étapes
3.5.1.2. Etapes pratiques de réalisation des antennes
3.5.2. Gravure chimique
3.5.2.1. Généralités
3.5.2.2. Étapes pratiques
3.6. Mesures d’épaisseur de la couche de cuivre par profilométrie
3.7. Soudure des connecteurs sur le patch
3.8. Conclusion
Chapitre 4 Mesure et modélisation de prototypes d’antennes patch
4.1. Description et dimensionnement des antennes
4.1.1. Caractéristiques de réalisation de l’antenne opaque
4.1.2. Les antennes à faible impact visuel
4.2. Simulation d’antenne grillagée à partir d’antenne pleine sur HFSS
4.3. Méthodes et moyens de mesure des échantillons réalisés
4.3.1. Méthode de mesure de la résistivité et de la résistance par carré
4.3.2. Transparence optique ou transmittance
4.3.3. Mesure des paramètres S
4.3.4. Mesure du diagramme de rayonnement
4.4. Performances électriques et optiques des antennes
4.4.1. Mesure de la transparence optique des antennes grillagées
4.4.2. Resistance par carré
4.4.3. Mesure du coefficient de réflexion des antennes
4.4.4. Mesure du rayonnement des antennes (Gain et diagramme de rayonnement)
4.5. Conclusion
Conclusion Générale et Perspectives

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