Retour

L’évaporation sous vide fût l’une des premières méthodes mise au point dans la catégorie des dépôts physique en phase vapeur. Elle fût élaborée dans le but d’obtenir des couches minces et représente encore actuellement l’une des méthodes les plus couramment utilisée en industrie (même si elle tend à être remplacée par d’autres procédés tels que la pulvérisation cathodique magnétron, qui permet notamment un meilleur recouvrement de la surface des pièces et une meilleure adhérence).

Son principe repose sur l’évaporation, sous vide, d’un matériau source dont on souhaite revêtir une pièce. La présence d’un vide poussé au sein de l’enceinte est importante pour ce procédé car il permet une diminution de la température de sublimation de la matière. Celle-ci, soumise à une source d’énergie, est alors portée à sa pression de vapeur saturante et évaporée pour venir ensuite se déposer à la surface du substrat (trajectoire plus ou moins directe reliée au libre parcours moyen des espèces rendue possible à l’aide de la mise sous vide). Il est à noter que la notion de vide poussé est importante pour bon nombre de procédés de type PVD pour des raisons pouvant varier mais induisant un haut niveau de pureté de ces dépôts et permettant une trajectoire relativement rectiligne des éléments.

Différents moyens peuvent être employés pour apporter l’énergie nécessaire à la sublimation du matériau tels que le chauffage par : effet Joule (ou résistif), induction,  bombardement ionique ou laser, bombardement électronique (ou EBPVD) assisté ou non par faisceau d’ions.

De fait, cette technique permet de déposer une grande majorité des matériaux non alliés (difficultés dans le cas d’évaporation de matériaux alliés dont les constituants peuvent posséder des valeurs de pression de vapeur saturante très différentes) mais est limitée pour les matériaux les plus réfractaires. De plus, l’énergie relativement faible des particules évaporées a pour conséquences une absence de détérioration des substrats les plus sensibles (plastiques par exemple) mais aussi une adhérence moindre comparativement à d’autres procédés.

Exemples d’applications :

  • Utilisation dans le domaine de l’optique (filtres par exemple)
  • Dans l’industrie des d’emballage plastique (métallisation de plastiques)

La pulvérisation cathodique (ou « sputter deposition ») est l’un des nombreux procédés affilié à la famille des dépôts sous vide dits PVD. Elle regroupe d’ailleurs elle-même une série de sous-techniques dont quelques exemples sont ici listés :

  • Pulvérisation cathodique magnétron : contrôle de la répartition du plasma à la surface de la cible à l’aide du système appelé magnétron composé d’une série d’aimants. Le champ magnétique généré permet de donner une trajectoire hélicoïdale aux électrons à proximité de la cible et ainsi venir augmenter au sein de cette zone le nombre de collisions et par conséquent la densité du plasma.
  • Pulvérisation réactive : il s’agit d’un procédé dont le principe de fonctionnement est proche de celui de la PECVD. En effet, il s’agit là d’injecter en sus du gaz plasmagène un gaz réactif qui va venir réagir avec les espèces en présence et ainsi créer un troisième corps qui formera le dépôt voulu. Il peut s’agir par exemple d’azote ou d’un composé à base de carbone nécessaire à la formation de nitrures ou de carbures métalliques.
  • Pulvérisation magnétron à impulsion haute-puissance (ou « HIPIMS ») : le principe est proche de celui de la pulvérisation magnétron si ce n’est que les densités de puissance en présence sont bien supérieures (plusieurs MW) avec des pulses de quelques microsecondes (1 à 50 µs). Cette technique permet une forte ionisation des espèces (> 99 %) contrairement aux autres techniques (< 5 %). Elle permet ainsi un contrôle poussé de l’énergie et de la direction des espèces qui participent à la croissance de la couche.

Le principe de fonctionnement de la pulvérisation cathodique repose sur la création d’un plasma localisé autour de la cible du matériau à déposer grâce à une série d’aimants. Les ions du plasma ainsi créés et accélérés viennent bombarder la matière polarisée négativement et la pulvériser. Une fois vaporisée, cette dernière vient alors se condenser à la surface de la pièce à revêtir. Ainsi, comme précisé dans la partie introductive, les phénomènes mis en jeu pour l’obtention de la vapeur (hormis pour la pulvérisation réactive) sont essentiellement physiques.

Les gaz utilisés lors de ce type de procédé sont des gaz plasmagènes inertes dont le plus fréquemment employé reste l’argon (car facilement ionisable et pour des raisons économiques). Une fois le gaz injecté à très faible pression au sein de l’enceinte, la cible (cathode) est polarisée négativement permettant ainsi la circulation d’un champ électrique entre cette dernière et l’anode reliée à la masse. Ceci provoque alors l’ionisation de l’argon et par conséquent la création d’un plasma froid constitué d’électrons, d’ions, de photons et d’espèces neutres. Les ions Ar+ ainsi créés, sont attirés et accélérés vers la cible dans la gaine cathodique acquérant de l’énergie cinétique qu’ils libèrent en impactant la surface de la cathode. Cette dernière est alors pulvérisée  via un processus purement mécanique de transfert d’énergie cinétique. La matière ainsi éjectée vient alors se déposer sur le substrat en vis-à-vis selon une trajectoire unidirectionnelle liée au libre parcours moyen des espèces.

Avantages liés à cette technique

  • Possibilité de pulvériser des matériaux possédant de très hauts points de fusion.
  • Composition de la couche identique de celle de la cible servant de source de matériau à l’échelle du revêtement
  • Bonne adhérence des couches développées.
  • Large gamme de revêtements métalliques et céramiques possibles.
  • Accroissement de la densité des couches en croissance.
  • Elimination des impuretés et des espèces non suffisamment adhérentes.

Inconvénients de la technique

  • Contrôle de croissance en couche par couche difficile.
  • Vitesse de croissance limitée par rapport à l’évaporation.
  • Dégradation possible pour les substrats les plus sensibles.

Exemples d’applications :

  • Semi-conducteurs
  • Optique (anti-reflet)
  • Electronique
  • Mécanique (outils de coupe, usinage)
  • Chaine de production (moules, matrices)
  • Automobile, aéronautique (anti-usure, frottement)
  • Métallisation de plastiques

Les dépôts par arcs cathodiques (ou « cathodic arc deposition ») sont un type de procédé appartenant à la famille des dépôts physiques en phase vapeur. Un arc électrique est utilisé pour sublimer un matériau à partir d’une cible (cathode). De la même manière que pour l’ensemble des autres techniques dites PVD, le matériau vaporisé se condense ensuite à la surface de la pièce à revêtir formant ainsi une couche mince.

L’utilisation lors de ce procédé d’un arc électrique de forte puissance (haut courant et basse tension) dirigé sur le matériau cible permet de générer un plasma localisé (ou « cathode spot ») avec un taux élevé d’ionisation des espèces en présence (de 30 à 90 %). Il est alors possible d’atteindre des températures moyennes très élevées au sein du « cathode spot » pouvant aller jusqu’à 15 000 °C. De par les phénomènes mis en jeu, le matériau se sublime donc et est éjecté de la cible avec une certaine énergie permettant à la matière d’atteindre des vitesses de l’ordre de la dizaine de kilomètre heure. Une fois le matériau sublimé, le « spot » disparaît laissant derrière lui un cratère à la surface de la cible, puis l’arc se reforme à proximité et recrée un autre « spot ». Les cycles (de très courte durée) se répètent ainsi jusqu’à la réalisation complète du revêtement.

Ce procédé peut être adapté en y appliquant un champ électromagnétique permettant de diriger le point d’impact de l’arc et ainsi couvrir avec le temps l’ensemble de la surface de la cible afin de ne pas éroder une zone particulière du matériau uniquement. De plus, l’injection de gaz réactifs peut permettre la réalisation de revêtements composés.

Par exemple : l’injection d’azote lors de la sublimation de titane résulte en la réalisation d’un revêtement de nitrure de titane. En effet, les gaz ainsi injectés viennent réagir avec le matériau évaporé pour former le revêtement.

L’un des inconvénients des dépôts par arcs réside dans le fait que si l’un des « spot » est concentré trop longtemps sur une zone en particulier, il est possible que des macro-particules soient éjectées de la surface de la cible et ainsi déposées à la surface des pièces. Or, ce type de particule est relativement nuisible aux propriétés du revêtement. De plus, cela peut dans le pire des cas résulter en une détérioration importante du porte-cible ou de l’enceinte de dépôt.

Les dépôts par arcs cathodiques sont souvent utilisés pour la réalisation de films possédant une très grande dureté pour la protection des outils de coupe (permettant ainsi d’accroitre significativement leur durée de vie). Il est ainsi possible de réaliser une large palette de revêtement dur allant des revêtements classiques type nitrures ou carbures (TiN, TiAlN, CrN, TiC, CrC, TiAlSiN) aux revêtements nanostructurés en passant par les revêtements connus sous le nom de DLC (« diamond like carbon »).

La pulvérisation par faisceau d’ions (ou « ion beam sputtering ») est une technique PVD pour laquelle la vapeur de matériau à déposer est générée par interaction entre la cible et une source d’ions possédant une importante énergie cinétique.

La particularité de cette technique réside dans le fait que les ions ne sont pas générés à partir ou autour de la cible mais au sein d’un canon à ion. Ainsi, il est possible d’utiliser des ions plus énergétiques qu’en pulvérisation cathodique par exemple et de contrôler de manière indépendante leur énergie ainsi que leur flux.

En revanche, cela nécessite l’emploi d’une technologie plus complexe rendant ce procédé encore peu utilisé industriellement.

Les dépôts par pulses laser (ou « pulsed laser deposition ») possèdent le mécanisme général suivant : un laser de forte puissance vient ablater le matériau à déposer (sous forme de cible le plus souvent) au sein d’une enceinte sous vide poussé et ainsi le faire passer en phase vapeur afin qu’il vienne se condenser à la surface de la pièce à revêtir en vis à vis. Comparativement avec les autres techniques de PVD, ils permettent plus particulièrement la réalisation de couches minces à très minces.

Les dépôts obtenus peuvent être réalisés sous vide secondaire ou en présence d’un gaz à faible pression. Par exemple, il est possible d’utiliser de l’oxygène afin de former des couches minces d’oxydes. Il est à noter cependant que, bien que les paramètres standards de réalisation des dépôts soient plus simples à régler, les phénomènes mis en jeu lors de ce type de procédé sont beaucoup plus complexes que ceux des autres techniques de dépôts sous vide.

En effet, le faisceau laser pulsé est tout d’abord absorbé par le matériau. L’énergie ainsi acquise est alors convertie en plusieurs étapes : en excitation électronique, en énergie thermique puis chimique et enfin mécanique, permettant par la suite l’évaporation du matériau, son ablation ainsi que la formation d’un plasma.

Les espèces ainsi éjectées de la cible sont présentes sous de nombreuses formes allant de l’atome à des macro-particules fondues en passant par les électrons, les ions, les molécules et autres particules de petites tailles. Ces dernières viennent par la suite se déposer à la surface du substrat chauffé.

De manière générale, le déroulement d’un revêtement classique par ce type de procédé peut être divisé en quatre étapes majeures jouant toutes un rôle prépondérant pour les propriétés des revêtements (dont par exemple : la cristallinité, l’uniformité et la stœchiométrie) :

  • L’ablation du matériau cible par les pulses laser et la création du plasma
  • La dynamique du plasma
  • La migration des espèces pulvérisées vers la surface de la pièce à revêtir
  • Les phénomènes de nucléation et de croissance du film à la surface du substrat

Cette dernière étape dépend majoritairement des éléments suivants :

  • Paramètres du laser
  • Température du substrat
  • L’état de surface de la pièce à revêtir
  • La valeur de la pression au sein de l’enceinte

Il est à noter qu’il est possible d’obtenir différents modes de croissance par ce type de procédé :

  • Croissance par marche
  • Croissance en couche par couche
  • Croissance 3D