Matériaux innovants pour applications antennaires

X. CASTEL / RF & HYPER 2011

INSTITUT D’ÉLECTRONIQUE ET DE TÉLÉCOMMUNICATIONS DE RENNES

1

Matériaux innovants pour applications

antennaires.Exemples des

matériaux optiquement transparents

X.Castel, F. Colombel, M. Himdi



2

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



3

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



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



5

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



6

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



7

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)



8

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


G. Legeay, X. Castel, R. Benzerga, J. Pinel –Phys. Stat. Sol. C, Vol.5 (2008) 3246-3254



9

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




10

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/



11

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



12

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)



13

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



14

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



15

a

t.a

a t.a

Film métallique maillé

a = pas du maillage

t = ouverture de la maille (0 < t < 1)


T(%) = t2 x 0,962 x 100

Résistance par carré

R’ maillé ≈ R continuVue de dessus

Pertes de fresnel

t-1

1


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



16


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/



17


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 ???



18

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




19

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


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)


Visible

J. Hautcoeur, F. Colombel, X. Castel, M. Himdi, E. Motta-Cruz - Electron. Lett. Vol.45 (2009) 1014-1015



20

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



21

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



22

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)



23

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 =



24

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



25

PRIR CAPTIV (2006-2009)

PRIR CAPTIVProg. Rech. d’Initiative Régionale

Route du futur

Porteur Projet :Equipe R2D2



26

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



27

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



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



29

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

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



30

Diagrammes de rayonnement à 2,45 GHz

Accès 1

Accès 2

Simulation antenne monopole losange

Alimentation via un coupleur 3dB/90°

z’

x’

y’



31

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



32

Antennes + coupleur

Réseau d’antennes monopole losange + coupleur



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



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,

[email protected]@[email protected]@univ----rennes1.frrennes1.frrennes1.frrennes1.fr

www.ietr.frwww.ietr.frwww.ietr.frwww.ietr.fr

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