Pulvérisation magnétron à impulsions bipolaires de haute puissance

La pulvérisation cathodique magnétron est un procédé de dépôt de couches minces fondé sur la production d’un plasma froid à basse pression. Cette technologie, déjà implémentée à l’échelle industrielle depuis plusieurs décennies, a évolué au cours du temps afin d’offrir un contrôle toujours plus fin des propriétés physiques et chimiques des films déposés. Le plus récent de ces développements est la technologie HiPIMS (High-Power Impulse Magnetron Sputtering) en régime bipolaire, qui a suscité un grand intérêt car elle permet de contrôler l’énergie cinétique des ions métalliques intervenant dans la formation du film fonctionnel.

Dans ce type de décharge pulsée, une impulsion de tension négative de haute puissance est appliquée à la cathode (cible), et elle est suivie d’une impulsion de tension positive. En conséquence de l’application d’une impulsion négative de haute tension à la cathode, une grande partie du matériau pulvérisé arrive sur le substrat sous la forme d'ions positifs alors que, dans une décharge conventionnelle à courant continu, le flux de particules est essentiellement composé d’atomes neutres. Ce flux de dépôt ionisé présente l’avantage de pouvoir être contrôlé par des champs électriques et magnétiques. Contrôler le flux de particules chargées qui atteignent la surface du film en croissance, en particulier les ions simplement ou multiplement chargés, revêt une importance capitale, car ces derniers affectent la croissance et les propriétés des films.

En conséquence, les alimentations électriques permettant de générer une décharge HiPIMS ont été récemment modifiées pour fournir à la cathode une impulsion négative suivie d’une impulsion de tension positive dont la valeur peut être réglée typiquement de 0 à + 300 V. Ces impulsions sont synchronisées, et réglables en tension et en durée, ce qui fournit de nouveaux paramètres pour accélérer les ions vers le substrat et ajuster davantage les propriétés des films minces (densité, dureté, taille des grains, etc.). Les applications de ce nouveau régime de pulvérisation sont nombreuses : nettoyage et fonctionnalisation du substrat, dépôt de couches barrières, synthèse de revêtements durs, modifications des propriétés optiques du film, etc.

Cette avancée offre de nouvelles perspectives pour la croissance de films minces à haute valeur ajoutée. À cet égard, cet article propose : (i) d’introduire les topologies de circuits électroniques communément utilisées pour la génération d’impulsions de haute puissance en régime HiPIMS (bipolaire) ; (ii) d’aborder la problématique de la gestion des arcs dans un procédé HiPIMS classique ; (iii) de mettre en lumière l’effet du champ électromagnétique de la cathode sur les propriétés du plasma en régime HiPIMS bipolaire ; et (iv) d’analyser les propriétés, notamment structurales, de films de titane métallique déposés sur substrat électriquement conducteur, ainsi que les films de dioxyde de titane déposés sur verre.