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Les techniques de revêtement PVD utilisent des procédés physiques pour déposer des couches minces sur des surfaces.

Les techniques de revêtement PVD utilisent des procédés physiques pour déposer des couches minces sur des surfaces. Ces couches offrent un moyen extrêmement commode d’obtenir les caractéristiques de surface souhaitées sans devoir changer complètement le matériau d’un produit. Les couches peuvent être aussi fines que quelques millièmes de nanomètre et peuvent transformer tous les types de surfaces pour résister à la corrosion, réduire le frottement, augmenter la dureté, et bien plus encore.

Dans cet article, nous explorerons les deux méthodes de dépôt physique en phase vapeur les plus courantes pour appliquer des revêtements PVD : l’évaporation thermique et le dépôt par pulvérisation cathodique.

Méthode PVD n° 1 : l’évaporation thermique

L’énergie thermique sert à vaporiser le matériau cible afin qu’il puisse être utilisé pour déposer une couche mince sur le substrat. Les matériaux déposés peuvent comprendre des métaux purs, des non-métaux, des oxydes et des nitrures. Ce procédé offre un haut niveau de maîtrise des propriétés de la couche, comme l’épaisseur, l’adhérence, la contrainte et la structure des grains. Par rapport à d’autres techniques PVD et CVD, l’évaporation thermique offre l’une des vitesses de dépôt les plus élevées.

Un système d’évaporation thermique typique comprend les composants suivants :

- Substrat(s) et cible

- Source de chaleur

- Pompe à vide

- Régulateur de pression / vanne à tiroir

- Moniteur de vitesse de dépôt

- RGA (en option)

L’évaporation thermique exige un vide très poussé, d’environ (1×10-6 à 1×10-9 Torr). Le niveau de vide requis dépend des besoins de pureté et du libre parcours moyen requis. Bien qu’ils diffèrent par certains détails, comme le niveau de vide, les trois étapes suivantes sont communes à tous les montages d’évaporation thermique :

- Vaporisation : le matériau cible est d’abord placé dans un creuset au fond de la chambre à vide. Une source de chaleur (filament de tungstène ou faisceau d’électrons) sert ensuite à sublimer ou à faire bouillir le matériau cible pour le transformer en vapeur.

- Transport de la cible vers le substrat : le matériau cible vaporisé forme un panache de vapeur qui se dirige vers le substrat, installé directement au-dessus de la cible. Le maintien d’un niveau de vide poussé et stable garantit un environnement exempt de contamination, et un libre parcours moyen garantit un trajet quasiment sans collision des vapeurs de la cible vers le substrat.

- Dépôt et nucléation : comme la surface du substrat est à une température relativement basse, les vapeurs se condensent à son contact. La condensation est suivie de la nucléation, qui crée la première couche mince. Ce processus se poursuit jusqu’à ce que l’épaisseur de couche souhaitée soit atteinte.

Méthodes d’évaporation thermique

L’évaporation thermique comporte aussi des sous-types, qui se distinguent par la méthode de vaporisation du matériau cible. Les méthodes comprennent l’épitaxie par jets moléculaires (MBE), le dépôt par faisceau d’électrons, l’évaporation flash et l’évaporation résistive.

Applications courantes

L’évaporation thermique est le plus souvent utilisée pour déposer des couches métalliques électriquement conductrices sur des cellules solaires, des écrans OLED et des transistors en couches minces. Elle est aussi utilisée dans le procédé de fabrication des films PET aluminisés.

Méthode PVD n° 2 : le dépôt par pulvérisation cathodique

Le dépôt par pulvérisation cathodique est un procédé en ligne de visée comme l’évaporation thermique, mais il utilise des molécules de gaz énergisées pour déposer des couches minces sur le substrat et offre une meilleure couverture des marches. Cette méthode permet de déposer des métaux, des non-métaux, des alliages et des oxydes.

Un système de pulvérisation cathodique typique comprend les composants suivants :

- Substrat(s) et cible

- Cathode et anode

- Régulateurs de débit massique

- Régulateur de pression/vanne à tiroir

- Pompe à vide

- Cristal de quartz

La pulvérisation cathodique s’effectue à des vides relativement faibles, de 0 – 0,03 Torr, et l’argon est le gaz le plus couramment utilisé en raison de sa masse moléculaire élevée. Voici les trois étapes de base du dépôt par pulvérisation cathodique :

- Vaporisation : la cible est reliée à la cathode, ce qui fait accélérer les électrons libres en les éloignant d’elle. Ces électrons entrent ensuite en collision avec les molécules d’argon, arrachant des électrons des couches les plus externes et laissant des ions argon chargés positivement (responsables de la lueur du plasma). Lorsque les ions argon accélèrent vers la cathode et heurtent la cible, ils arrachent (pulvérisent) des molécules de la cible.

- Transport de la cible vers le substrat : les molécules de la cible absorbent une partie de l’énergie cinétique des ions argon, ce qui les propulse vers le substrat et forme un flux de vapeur. Un niveau de vide stable est crucial à ce stade pour garantir une couche mince de haute qualité.

- Croissance de la couche : les molécules de la cible pulvérisées adhèrent au substrat et forment le revêtement en couche mince. La vitesse de dépôt peut être optimisée en régulant le débit du gaz inerte.

Méthodes de pulvérisation cathodique

Différents procédés de pulvérisation, comme la radiofréquence, le courant continu, le courant continu pulsé et la pulvérisation magnétron, sont classés selon le type d’alimentation électrique utilisé. Une technique particulière appelée pulvérisation réactive est employée pour déposer des composés chimiques.

Applications courantes

La plus ancienne application de la pulvérisation cathodique est la production de disques durs d’ordinateur. La pulvérisation est aujourd’hui largement utilisée dans le traitement des circuits intégrés, la production de verre revêtu de films antireflets ou à forte émissivité, les revêtements d’outils de coupe et le revêtement des CD et des DVD.

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