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1 - RÉACTIONS CHIMIQUES

2 - TECHNIQUES DE FORMATION DES CVD

3 - CARACTÉRISTIQUES DES DÉPÔTS OBTENUS

4 - CVD FACE AUX AUTRES PROCÉDÉS DE DÉPÔT

5 - DOMAINES D’APPLICATION. PERSPECTIVES D’AVENIR

Article de référence | Réf : M1660 v2

Caractéristiques des dépôts obtenus
Dépôts chimiques à partir d’une phase gazeuse

Auteur(s) : Thierry BELMONTE

Date de publication : 10 sept. 2010

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RÉSUMÉ

Le procédé de dépôts chimiques à partir d’une phase gazeuse a connu, depuis son développement originel, bien des variantes. Les températures d’élaboration ont été abaissées avec l’utilisation de plasma et de lasers comme sources d’énergie. Les rendements de dépôt suite à des techniques de spray ont été augmentés. Les procédés se sont multipliés, isothermes, statiques, dynamiques, basse pression… Au final, les propriétés d’adhérence, de porosité, de pureté permettent de nos jours un bon nombre d’applications industrielles, protection contre l’usure mécanique, la corrosion, et l’oxydation à haute température.

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ABSTRACT

The method of chemical deposition from the gas phase has known many variants since its original development. The temperatures have been lowered due to the use of plasma and lasers as energy sources. Deposition yields have been increased via spraying techniques. Processes have multiplied: isotherm, static, dynamic, low pressure, etc. As a consequence, the adhesion, porosity and purity properties currently allow for a large number of industrial applications, including protection against mechanical wear, corrosion, and high temperature oxidation.

Auteur(s)

  • Thierry BELMONTE : Institut Jean Lamour, Équipe ESPRITS (201), Département CP2S, École des Mines de Nancy - Cette édition est une mise à jour de l’article de Sylvain AUDISIO de même titre et publié en 1985

INTRODUCTION

Parmi les revêtements susceptibles de conférer des propriétés nouvelles aux surfaces qu’ils recouvrent, ceux obtenus par le procédé de dépôts chimiques à partir d’une phase gazeuse (Chemical Vapor Deposition : CVD) connaissent incontestablement un grand développement.

Ce procédé consiste à mettre un composé volatil du matériau à déposer en contact soit avec un autre gaz au voisinage de la surface à recouvrir, soit avec la surface en question, de façon à provoquer une réaction chimique donnant au moins un produit solide.

Originellement, la température du substrat fournit l’énergie d’activation nécessaire pour déclencher la réaction chimique et favoriser, lorsqu’elle est suffisamment élevée (800 à 1 000 °C), la diffusion dans ce substrat des atomes apportés à la surface. Cette diffusion à l’état solide entraîne une modification des produits de la réaction et assure généralement une bonne adhérence au revêtement. Ce procédé permet d’obtenir des couches d’épaisseur variable de pratiquement tous les métaux, alliages ou composés métalliques, sur des matériaux conducteurs ou isolants. Il permet aussi d’obtenir, en plus des revêtements, des poudres fines ou des échantillons massifs.

Depuis ce procédé originel, bien des variantes ont été développées, visant, soit à décroître les températures d’élaboration en recourant à des sources d’énergie non thermiques comme les plasmas, les lasers, ou à des précurseurs labiles comme les organométalliques, soit à accroître les rendements de dépôt en utilisant des techniques de spray par exemple, soit encore à travailler de manière « localisée », c’est-à-dire sur des surfaces suffisamment petites pour considérer les dépôts comme des points pouvant servir d’unités de base à la construction de micro-objets bi- ou tridimensionnels.

L’appareillage pour l’obtention de ces dépôts varie considérablement suivant le type de dépôts que l’on désire (procédés isothermes, non isothermes, statiques, dynamiques, basse pression, etc.).

Les propriétés des revêtements (adhérence, porosité, stœchiométrie, pureté, etc.) sont généralement suffisamment satisfaisantes pour s’ouvrir à des applications industrielles.

Les principaux domaines d’application du procédé CVD peuvent se classer en deux catégories suivant que le produit formé donne un revêtement (ou couche) sur un substrat, ou un produit solide indépendamment d’un substrat.

L’obtention d’un revêtement permet la protection contre l’usure mécanique (TiC, TiN, Al2O3, etc.), la protection contre la corrosion et l’oxydation à haute température (Cr, Al, Si, etc.), la réalisation de composants pour la microélectronique (GaAs, Si, AlN, etc.).

La formation de produits solides conduit à des produits pulvérulents de grande pureté, à des monocristaux et permet de consolider des matériaux poreux ou frittés.

Les techniques CVD complètent avantageusement d’autres modes de dépôts (évaporation sous vide, projection cathodique, électrodéposition, etc.). C’est pour cela qu’elles sont devenues prépondérantes dans des domaines industriels tels que l’aéronautique, l’électronique, la chimie, etc.

Elles nécessitent toutefois une maîtrise approfondie de la dynamique des fluides qui gouverne les transports des précurseurs, jusqu’à la surface réactionnelle.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m1660


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3. Caractéristiques des dépôts obtenus

3.1 Nature

Elle dépend du mode d’élaboration et des réactions chimiques qui interviennent selon que le dépôt se forme :

  • directement à partir de la phase gazeuse (réactions homogènes), sans réaction du dépôt avec le substrat ni diffusion à l’état solide, il se compose d’une couche, suivant le cas, de métaux, nitrures, siliciures, borures, carbures, oxydes, etc. (figure 5 ;

  • par réactions hétérogènes et (ou) s’il y a diffusion à l’état solide, il peut être la juxtaposition de plusieurs couches de compositions différentes : solutions solides, composés métalliques, composés semi-métalliques, etc. (figure 6).

Les conditions expérimentales : température, pression partielle du composé volatil, durée de séjour des gaz dans la zone réactionnelle, géométrie de l’enceinte réactionnelle, etc., peuvent influer sur la pureté et la stœchiométrie des matériaux déposés, mais ces paramètres influent également sur la cristallisation, la vitesse (figure 7), l’homogénéité, l’uniformité et l’adhérence des dépôts.

La température, pour le dépôt d’un matériau donné, est, semble-t-il, le paramètre le plus important.

De basses températures favorisent généralement une fine cristallisation, tandis que des températures élevées prédisposent à la formation de gros cristaux.

La pression partielle du composé volatil influe aussi sur la cristallisation. Plus la pression est basse, plus la cristallisation du dépôt est grossière et inversement. Le degré de sursaturation qui existe à l’endroit où se fait la précipitation affecte la forme du produit déposé. De faibles sursaturations...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GUIRALDENG (P.) -   La diffusion intermétallique chap. III. Monographie. La lutte contre la corrosion et l’usure, les dépôts chimiques à partir d’une phase gazeuse  -  Coordonateur de la publication S. AUDISIO, Masson (1970).

  • (2) - LASSUS (M.) -   Sur la cémentation en phase gazeuse du fer et des aciers par le fluorure de chrome  -  Thèse Docteur ès Sciences Lyon (1967).

  • (3) - PAPAPIETRO (M.) -   Sur la cémentation du fer par le chrome, étude de l’interaction surface métallique phase gazeuse (fer, chlorure de chrome, hydrogène, azote)  -  Thèse Docteur ès Sciences Lyon (1967).

  • (4) - DURET (C.), MEVREL (R.), PICHOIR (R.) -   Évolution des revêtements protecteurs liée aux développements récents des superalliages pour aubes de turbine  -  Mém. Sci. Rev. Métallurgie (F), p. 488 (sept. 1983).

  • (5) - KOCH (W.) -   Preparation of diffusion coatings on metals  -  US Patent 2 887 407 (1959).

  • ...

1 Annuaires

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1.1 Constructeurs. Fournisseurs

Les entreprises travaillant dans le secteur des dépôts chimiques en phase vapeur peuvent être contactées en consultant l'annuaire des entreprises Kompass avec pour mots-clés : « dépôt chimique en phase vapeur ».

http://fr.kompass.com

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1.2 Organismes

La liste des principaux organismes universitaires français et de leurs laboratoires officiant dans le domaine des dépôts chimiques en phase vapeur peut être aisément obtenue à partir d'un moteur de recherche en tapant les mots-clés « dépôt chimique en phase vapeur ».

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