Applications de la technologie de revêtement sous vide PVD

Royal Technology-Dépôt sous vide de couches minces

Applications du revêtement sous vide

------------par Donald M. Mattox, directeur technique du SVC

Introduction

Le vide est un environnement où la pression du gaz est inférieure à la pression ambiante. Un plasma est un environnement gazeux dans lequel il y a suffisamment d'ions et d'électrons pour que la conductivité électrique soit appréciable. Le revêtement sous vide est le dépôt d'un film ou d'un revêtement dans un environnement sous vide (ou plasma basse pression). Généralement, le terme s'applique aux procédés qui déposent des atomes (ou des molécules) un à la fois, comme les procédés de dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LP-CVD) ou les CVD améliorés par plasma (PECVD). Dans les procédés PVD, le matériau déposé provient de la vaporisation d'une surface solide ou liquide. Dans les procédés de dépôt chimique en phase vapeur, le matériau déposé provient d'une espèce chimique précurseur de vapeur qui est décomposée par réduction ou décomposition thermique, principalement sur une surface chaude.

Dans certains cas, le matériau déposé réagit avec l'environnement gazeux ou une espèce codéposée pour former un film d'un matériau composé tel qu'un oxyde, un nitrure, un carbure ou un carbonitrure. Dans le traitement CVD, l'utilisation d'un plasma pour fragmenter le précurseur chimique en phase vapeur permet aux processus de décomposition ou de réduction de se dérouler à des températures inférieures à celles de l'activation thermique seule. Le PECVD peut être réalisé à des pressions aussi basses que celles utilisées dans le traitement PVD (PECVD basse pression, LP-PECVD), où la vapeur du précurseur est décomposée principalement dans le plasma. Dans certains cas, un procédé de dépôt hybride de PVD et LP-PECVD est utilisé pour déposer des alliages, composites ou composés. Un exemple est celui des carbonitrures métalliques où le carbone provient d'un précurseur de vapeur chimique comme l'acétylène ; l'azote provient d'un gaz ; et le métal provient de l'évaporation, de la pulvérisation ou de la vaporisation par arc d'une surface solide ou liquide.

Films électroconducteurs

Les films métalliques sont les films conducteurs électriques les plus courants. Les films métalliques peuvent être utilisés comme métallisations "en nappe" ou peuvent être formés en lignes conductrices discrètes ("bandes") en masquant le substrat pendant le dépôt ou par des procédés ultérieurs de gravure photolithographique. Les lignes conductrices sont utilisées dans la technologie des microcircuits hybrides et dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs. Souvent, les conducteurs électriques sont des films multicouches (piles) où chaque couche a une fonction. Par exemple, la pile de films conducteurs peut avoir la composition suivante : verre-Ti-Pd-Cu-Au. Le titane (Ti) est la couche "colle", le palladium (Pd) assure la résistance à la corrosion, le cuivre (Cu) est conducteur électrique et l'or (Au) la protection contre la corrosion. Les conducteurs métalliques déposés dans les "vias" sont utilisés pour établir des contacts électriques entre différentes couches dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs. La métallisation en nappe est utilisée pour fournir un blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences radioélectriques (RFI) sur des structures telles que les boîtiers en plastique pour téléphones cellulaires, les électrodes pour électrodes de condensateurs rigides et flexibles, et les surfaces pour "paillettes" radar

Les films de nitrure métallique, de carbure et de siliciure sont généralement électriquement conducteurs (Si3N4 et AlN sont des exceptions importantes). Dans certaines applications, des films de ces matériaux réfractaires sont utilisés pour fournir des barrières de diffusion entre les matériaux. Par exemple, dans la métallisation des semi-conducteurs, le matériau des électrodes en aluminium ou en or se diffuse dans le silicium pendant le traitement à haute température. Un film de nitrure de titane électriquement conducteur déposé sur la surface du silicium avant le dépôt de l'électrode métallique empêchera la diffusion. La production de contacts métalliques semi-conducteurs stables, électriquement conducteurs, non redresseurs et non redresseurs de métaux ou de composés métal-siliciure est un aspect important de la fabrication de dispositifs semi-conducteurs. Les nitrures métalliques tels que le nitrure de tantale (TaN) sont utilisés comme matériaux de résistance en couche mince. Les oxydes non transparents électriquement conducteurs tels que le trioxyde de chrome (Cr2O3), l'oxyde de plomb (PbO) et l'oxygène du ruthénium (RuO) sont utilisés comme électrodes dans les atmosphères oxydantes à haute température.

Les supraconducteurs sont des matériaux qui ont une résistivité électrique proche de zéro en dessous d'une certaine température critique (Tc). Les supraconducteurs à faible Tc (moins de[<] 10 Kelvin[K]) sont souvent des métaux. Un matériau supraconducteur à Tc élevé typique (supérieur à[>] 50 K) est un mélange d'oxydes (oxydes d'yttrium-bismuth-cuivre[Y-Bi-Cu], YBCO). Les couches minces supraconductrices à haute Tc sont souvent déposées par ablation laser dans le vide.

Conducteurs électriques transparents

Les films d'oxyde conducteur transparent (TCO), tels que le trioxyde d'indium (In2O3), le dioxyde d'étain (SnO2), l'oxyde de zinc (ZnO) et un alliage d'oxyde d'indium et d'oxyde d'étain (ITO), ont de nombreuses applications telles que le chauffage des fenêtres pour décongeler, les revêtements antistatiques des écrans, les électrodes des écrans plats et des dispositifs électrochromiques, et les électrodes d'écran tactile souple (écran résistant) ou fixe (écran capacitif). La résistivité électrique des films TCO peut varier de plus de 1 000 ohms par "carré" à moins de 10 ohms par carré avec une bonne transmission optique.

Isolateurs électriques

Les films électriquement isolants sont utilisés pour isoler électriquement les composants conducteurs dans les dispositifs semi-conducteurs et comme diélectriques dans les condensateurs. Les matériaux de film isolant courants sont le dioxyde de silicium (SiO2), le trioxyde d'aluminium (Al2O3), le pentoxyde de tantale (Ta2O5), le nitrure de silicium (Si3N4) et le nitrure d'aluminium (AlN). L'interposition d'un film d'oxyde mince entre un film métallique et un semi-conducteur permet la formation d'un dispositif métal-oxyde-semi-conducteur (MOS) d'importance technologique. Les couches épaisses de SiO2, avec son faible coefficient de dilatation thermique, peuvent être déposées par pulvérisation cathodique RF. Des couches isolantes de SiO2, de nitrure de silicium (Si2N3) et de verre sont déposées par PECVD pour l'encapsulation et les couches isolantes dans le traitement des semi-conducteurs.

Films optiques

Les films optiques, généralement des films multicouches ("piles"), sont des films qui affectent la transmission optique ou la réflexion d'une surface. Il s'agit généralement de couches alternées de matériaux ayant des indices de réfraction élevés (germanium[Ge], Si, TiO2, dioxyde de zirconium[ZrO2], SiO, dioxyde de cérium[CeO2]) et faibles (fluorure de magnésium[MgF2], SiO2). Une application majeure est le traitement antireflet (AR) des verres. Les piles de films optiques peuvent être utilisées comme filtres optiques. Les filtres à densité neutre ou filtres gris réduisent l'intensité lumineuse de la même manière pour toutes les longueurs d'onde ; les filtres à large bande affectent la transmission du rayonnement sur une large gamme de longueurs d'onde, tandis que les filtres étroits ou monochromatiques affectent la transmission sur une région très étroite. Un exemple de filtre à large bande est un "filtre de bord" qui "coupe" l'ultraviolet (UV) émis par une lampe à vapeur de mercure. Les filtres couleur utilisés en photographie et dans les projecteurs sont des exemples de filtres à bande étroite.

Certaines piles de films sont un type spécial de film optique dont la couleur est liée à l'angle d'observation (OVID). Ces films permettent une imagerie de type holographique. Ces films OVID sont utilisés comme dispositifs de sécurité pour prévenir la contrefaçon. Ces films sont une conséquence des films de couleur interférentielle utilisés pour les films décoratifs et, lorsqu'ils sont pulvérisés, comme pigments.

Revêtements de contrôle thermique

La composition des revêtements de contrôle thermique sur les fenêtres diffère selon le résultat final souhaité. Si l'objectif est d'empêcher le rayonnement solaire de pénétrer par la fenêtre, on peut utiliser un film multicouche de verre TiO2-Cr-TiO2 (revêtement de contrôle solaire). Si l'objectif est de conserver la chaleur dans la pièce, une fine couche d'argent peut être utilisée pour réfléchir 85 à 95 % du rayonnement infrarouge à basse température dans la pièce (revêtement à faible émissivité). Le verre ZnO-Ag-(Ti)-ZnO-Ag-(Ti)-ZnO-Ag-(Ti)-ZnO-TiO2 est l'un de ces revêtements "double-E". Le ZnO offre un revêtement antireflet.

D'autres types de revêtements de contrôle thermique sont utilisés pour absorber le rayonnement solaire (absorbeurs solaires), adsorber sélectivement le rayonnement solaire et ne pas émettre de rayonnement infrarouge (absorbeurs solaires sélectifs), ou pour avoir une émissivité élevée pour améliorer le refroidissement par rayonnement. Les revêtements de barrière thermique sont utilisés pour réduire le transport thermique d'un environnement chaud vers le substrat. L'oxyde de zirconium (ZrO2) stabilisé avec de l'oxyde de calcium (CaO), du MgO ou du Y2O3 est utilisé comme revêtement de barrière thermique sur les aubes de turbine des moteurs d'avion.

Revêtements réflecteurs

Les films métalliques sont largement utilisés pour les surfaces réfléchissantes. L'argent est souvent utilisé lorsque la corrosion n'est pas un problème, comme pour les rétroviseurs. L'aluminium peut être utilisé comme réflecteur de face avant ou de face arrière. Souvent, les réflecteurs avant aluminisés, comme les réflecteurs de phares, sont recouverts d'un film polymère protecteur (couche de finition). Le chrome est utilisé sur les réflecteurs de surface avant lorsque la corrosion est un problème même si sa réflectivité dans le visible (60%) est inférieure à celle de l'aluminium (> 90%). Les films réflecteurs sont utilisés dans de nombreuses applications courantes, comme les disques compacts pour le stockage de vidéos et de musique, les réflecteurs de lampes et les miroirs visuels comme les rétroviseurs de voitures. Dans certains cas, des films multicouches, similaires aux films optiques multicouches, sont utilisés pour réfléchir sélectivement certaines longueurs d'onde et pas d'autres. Par exemple, les "miroirs froids" qui reflètent le rayonnement visible mais pas les longueurs d'onde infrarouges et les "miroirs thermiques" qui reflètent l'infrarouge mais pas le visible. Les miroirs thermiques sont utilisés pour augmenter la température interne des lampes halogènes. Des miroirs froids sont utilisés pour réduire la chaleur de l'éclairage de scène sur les acteurs.

Emballage

Les revêtements barrières sont utilisés sur les films polymères souples et le papier d'emballage alimentaire pour réduire le taux de transmission de vapeur d'eau (WVTR) et le taux de transmission d'oxygène (OTR) à travers le papier ou le film polymère. Le matériau de revêtement barrière le plus courant est l'aluminium, qui est déposé sur des rouleaux de film polymère (bande), puis fourni aux "transformateurs" qui fabriquent l'emballage. Dans certains cas, les revêtements métalliques sont déposés sur une surface puis "transférés" sur le film d'emballage. Des revêtements barrières transparents sont souhaitables dans de nombreux cas. Des couches de SiO2-x, par évaporation réactive et des revêtements PECVD et composites de SiO2:30% Al2O3 par co-évaporation par faisceau d'électrons sont utilisés pour former des couches barrières transparentes. Le matériau de revêtement composite est plus dense et plus flexible que le SiO2 ou l'Al2O3 seul. Des films d'aluminium sont utilisés sur les ballons remplis d'hélium polymère pour réduire la perte d'hélium.

Revêtements décoratifs et décoratifs/vêtements d'usure

La métallisation à des fins strictement décoratives est un marché important. Les applications vont du revêtement de toiles de polymère - qui sont ensuite converties à des fins décoratives comme les ballons et les étiquettes - à la métallisation d'articles tridimensionnels comme les trophées de sport, le moulage sous pression de zinc et les accessoires décoratifs en polymère moulé, et les contenants cosmétiques. Souvent, ces revêtements sont constitués d'un revêtement d'aluminium réfléchissant qui est déposé sur une couche de base lisse, puis recouvert d'une laque teintée pour donner au revêtement la couleur et la texture désirées ainsi que la résistance à la corrosion et à l'usure.

Dans certaines applications, en plus des aspects décoratifs du revêtement, celui-ci doit résister à l'usure. Par exemple, le nitrure de titane (TiN) est de couleur or, et le carbonitrure de titane (TiCxNy) peut varier en couleur de l'or au violet au noir selon la composition. Le nitrure de zirconium (ZrN) a la couleur du laiton et est beaucoup plus résistant à l'usure et aux rayures que le laiton. Les revêtements décoratifs et anti-usure sont utilisés sur la quincaillerie de porte, les accessoires de plomberie, les articles de mode, la quincaillerie marine et d'autres applications semblables.

Revêtements durs et résistants à l'usure

Les revêtements durs sont souvent appelés revêtements métallurgiques et sont un type de revêtement tribologique. Les revêtements durs sont utilisés pour augmenter l'efficacité de coupe et la durée de vie des outils de coupe et pour maintenir les tolérances dimensionnelles des composants utilisés dans les applications où l'usure peut se produire, comme les moules à injection. De plus, les revêtements peuvent agir comme barrière de diffusion lorsque des températures élevées sont générées par le mouvement entre les surfaces ou la protection contre la corrosion dans des environnements agressifs. Il existe différentes classes de matériaux de revêtement durs. Ils comprennent : les oxydes métalliques liés ioniquement (Al2O3, ZrO2 et TiO2), les matériaux liés par covalence (SiC, carbone de bore[B4C], diamant, carbone de type diamant[DLC], TiC, AlN, CrC, alliages composés de carbure mixte, nitrure et carbonitrure, et nitrure de bore cubique) et certains alliages métalliques (cobalt chrome aluminium-yttrium[CoCrAlY], NiAl, NiCrBSi). Dans certains cas, les revêtements peuvent être stratifiés pour combiner leurs propriétés.

Les revêtements durs sont également utilisés pour minimiser l'usure par fatigue, comme on en trouve dans les roulements à billes. Des revêtements résistants à l'usure peuvent également être appliqués sur des surfaces où il y a une charge légère ou périodique. Par exemple, des revêtements durs sont déposés sur les plastiques pour améliorer la résistance aux rayures. Les applications sont sur les lentilles en plastique moulé et les auvents d'avion en plastique. Dans certains cas, des revêtements d'usure, tels que SiO2 ou Al2O3, peuvent être appliqués sur des surfaces déjà dures, comme le verre, pour augmenter la résistance aux rayures.

Films électriquement actifs

Les films de silicium dopés sont utilisés dans les dispositifs semi-conducteurs, et ces films sont souvent déposés par une technique très sophistiquée d'évaporation PVD appelée épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) ou une technique CVD d'épitaxie en phase vapeur (VPE). Le silicium amorphe pour cellules solaires est déposé par PECVD sur des bandes et substrats rigides. Les films électrochromiques, qui modifient la transmission optique lors de l'application d'une tension, dépendent de la diffusion d'une espèce mobile dans le film sous un champ électrique. Les films d'un matériau tel que le sélénium peuvent se charger électriquement lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Ces films sont utilisés pour maintenir le toner dans les photocopieuses.

Supports de stockage magnétiques

Les matériaux magnétiques sont classés comme "durs" ou "doux" selon qu'il est difficile de magnétiser, démagnétiser ou "commuter" le champ magnétique. Les matériaux magnétiques doux, tels que les Permalloys (fer[Fe]:40 à 80% Ni) et Y2Fe5O12 (grenat) sont utilisés dans les dispositifs de stockage de mémoire où les données sont souvent modifiées. Les matériaux magnétiques durs tels que Fe3O4, Co:Ni:tungstène[W], Co:rhénium[Re], gadolinium[Gd]:Co, et Gd:terbium[Tb]:Fe sont utilisés dans les supports d'enregistrement plus permanents comme les bandes audio. Diverses techniques sont utilisées pour définir les domaines magnétiques qui servent de sites de stockage.

Revêtements de protection contre la corrosion

La protection contre un environnement chimique agressif peut se faire de plusieurs façons. La surface peut être revêtue d'un matériau inerte ou d'un matériau qui forme une surface protectrice après réaction avec l'environnement ou d'un matériau qui sera enlevé de façon sacrificielle pour protéger le matériau sous-jacent. Le tantale, le platine et le carbone sont inertes dans de nombreux environnements chimiques. Par exemple, les revêtements de carbone sont utilisés sur les métaux qui sont implantés dans le corps humain pour assurer la compatibilité. Dans l'industrie aérospatiale, les pièces sont revêtues d'aluminium par le procédé PVD de dépôt ionique en phase vapeur (IVD) afin d'éviter la corrosion galvanique de matériaux différents en contact.

Le chrome, l'aluminium, le silicium et les alliages MCrAlY (où M est Ni, Co, Fe) réagiront avec l'oxygène pour former une couche d'oxyde protectrice cohérente à la surface. Si les ions métalliques (Fe, Cu) diffusent plus rapidement que l'oxygène à travers l'oxyde, un oxyde épais se forme à la surface. Si l'oxygène se diffuse plus rapidement à travers l'oxyde que les ions métalliques (Al, Si, Ti, Zr - les métaux "valves"), une oxydation se produit à l'interface et un oxyde fin se forme. Les revêtements en alliage MCrAlY sont utilisés comme revêtements protecteurs sur les aubes de turbine des moteurs d'avion. Le cadmium, l'aluminium et les alliages Al:Zn sont utilisés comme revêtements sacrificiels galvaniques sur l'acier. Le cadmiage sous vide ("vac cadmium") présente l'avantage par rapport au cadmium galvanique de ne pas pouvoir fragiliser par l'hydrogène l'acier à haute limite d'élasticité lorsqu'on utilise un procédé de dépôt sous vide.

Lubrifiants à couche solide / Revêtements à faible coefficient de frottement

La NASA a été la première à utiliser des lubrifiants solides à couche mince déposés sous vide. Les lubrifiants sont de deux types : les lubrifiants métalliques à faible cisaillement - comme l'argent et le plomb - et les matériaux composites à cisaillement laminaire - comme le disulfure de molybdène (MoS2). Les lubrifiants métalliques à faible cisaillement sont utilisés dans des applications à couple élevé, comme les anodes rotatives dans les tubes à rayons X. Les matériaux composites à faible cisaillement sont utilisés dans les applications de roulements mécaniques sous vide et là où le "fluage" du lubrifiant peut poser un problème. Étant donné que seule une couche très mince est nécessaire pour la lubrification, l'application de la couche de lubrifiant n'entraîne pas de changements de dimensions importants. Les revêtements à faible frottement en carbone contenant du métal (Me-C) sont utilisés pour réduire l'usure dans les applications de contact mécanique

Structures autoportantes

Les structures autoportantes peuvent être réalisées en déposant un revêtement sur une surface (mandrin), puis en séparant le revêtement de la surface du mandrin ou en dissolvant ce dernier. Cette technique est utile pour fabriquer des structures très minces, des surfaces complexes ou des feuilles ou des feuilles de matériaux qui sont difficiles à déformer par laminage. Les fenêtres en béryllium utilisées pour la transmission des rayons X, les cônes à paroi mince en bore pour les haut-parleurs audio haute fréquence et les feuilles en alliage métallique Ti-V-Al en sont des exemples. Une application relativement nouvelle est la production de systèmes microélectromécaniques (MEMS) où de très petites structures sont fabriquées par dépôt et gravure.

Couches de base pour galvanoplastie

Les matériaux difficiles à électrodéposer en raison de la formation rapide d'oxyde peuvent avoir une couche de base adhérente appliquée par des procédés PVD, puis le revêtement se forme par électrodéposition. Par exemple, le placage du titane, de l'uranium et du zirconium, où une couche de base d'un matériau comme le nickel ou le cuivre est appliquée par un procédé PVD avant que le revêtement galvanique ne se forme.

Films polymères

Il existe un intérêt croissant pour le dépôt de films polymères organiques et inorganiques sous vide. Ces films peuvent être formés par condensation d'un monomère suivie d'un durcissement par faisceau d'électrons ou UV pour polymériser le monomère ou par polymérisation plasma du monomère. Le précurseur du monomère peut produire un matériau polymère à base de carbone, de silicium ou de bore contenant souvent de l'hydrogène, du chlore ou du fluor. Les films contenant du fluor sont utilisés pour former des surfaces hydrophobes.