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RÉSUMÉ
Les procédés de dépôt sous vide par procédés plasma ont connu un essor important au cours des décennies passées : au niveau technologique avec l'introduction de plusieurs nouvelles sources et au niveau applicatif avec un chiffre d'affaires qui a bondi ces dernières décennies dans le domaine des applications mécaniques. Dans cet article, sont traités les différentes configurations plasma, les méthodes de mise en vapeur sous plasma, et leurs impacts sur les caractéristiques structurales des dépôts.
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Erich BERGMANN : Professeur HEPIA - Consultant scientifique - Bestcoating Sarl Genève, Suisse
INTRODUCTION
Les techniques de dépôt sous vide par procédés plasma ont connu un essor important au cours des décennies passées, aussi bien sur le plan technologique, avec l’introduction de plusieurs nouvelles sources, que du point de vue des applications, où le chiffre d’affaires dans les secteurs de la mécanique est passé de 20 millions € en 1985 à 3 milliards aujourd’hui. Depuis les années 1970, les procédés plasma ont remplacé les dépôts sous vide sans plasma dans la plupart des applications, notamment la décoration et les revêtements destinés aux domaines de l’optique. Les revêtements pour les applications mécaniques et la fabrication d’outils en particulier ne sont devenus envisageables qu’avec les procédés plasmas qui assurent le respect de deux exigences incontournables de ces applications : l’adhérence sur le substrat et une absence de porosité qui diminuerait la ténacité.
On distingue deux familles de procédés de dépôt à partir de la phase vapeur : le dépôt par voie physique (ou PVD pour Physical Vapor Deposition) et le dépôt par voie chimique (ou CVD pour Chemical Vapor Deposition). Dans le cas du PVD, le matériau est mis en vapeur sous vide à partir d’une source, qui se trouve dans l’enceinte de dépôt ; dans le cas du CVD, des vapeurs sont admises dans l’enceinte et réagissent avec les surfaces des pièces à revêtir pour former un dépôt. Les méthodes décrites dans cet article sont les suivantes :
-
le dépôt par voie chimique assisté par plasma (PECVD) ;
-
les méthodes de PVD suivantes :
• le plaquage ionique,
• le dépôt par arc cathodique (CAD) dans sa version non filtrée, (FCAD) dans sa version filtrée, (LARC) guidée par laser,
• la pulvérisation cathodique (sputtering) (MS) dans sa version magnétron, (HiPIMS) dans sa version magnétron déséquilibré et alimentation à impulsion de forte puissance,
• l'évaporation à la cathode d'un arc (CAE).
Cet article traite des différentes configurations de procédés plasma (source, transport, méthodes de dépôt), des différentes techniques de mise en vapeur sous plasma, des options de conception pour les équipements, de l’impact des différentes configurations et du choix des sources sur les caractéristiques structurales des dépôts.
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MOTS-CLÉS
plasma dépôts sous vide traitements de surface industries automobile, horlogère et mécanique procédés plasma pulvérisation cathodique PACVD
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- Version archivée 1 de janv. 1986 par Jean MACHET
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3. Méthodes de mise en plasma de la matière
3.1 Évaporation
Toute matière – solide ou liquide – se mettra en équilibre avec sa phase gazeuse en évaporant ou condensant des atomes ou molécules [M 1 655]. Cet équilibre est gouverné par la loi de Clausius-Clapeyron.
( 8 )
avec :
- ps :
- pression de la vapeur de l’élément dans la phase gazeuse en équilibre avec la matière,
- HV :
- enthalpie molaire d’évaporation,
- C0 :
- constante caractéristique de l’élément,
- p0 :
- pression saturante de référence à la température T0, pour laquelle HV/kNAT0 = C0.
La figure 8 est un exemple des pressions d’équilibre en fonction de la température de la matière pour quelques éléments.
Dans la pratique, on placera la matière dans un creuset, que l'on chauffera à une température assurant un taux d’évaporation suffisant. On peut ainsi régler la pression d’équilibre de la vapeur en faisant varier la température dans le creuset. La gamme de travail est néanmoins limitée par la température d’ébullition.
Les professionnels de l’évaporation ont l’habitude de lire la figure 8 dans l’autre sens. Ils partent du principe que la température dans le creuset devra rester en-dessous de la température d’ébullition et que pour un taux d’évaporation important la pression totale dans l’enceinte devra se situer aux alentours de la pression saturante de la vapeur du métal à cette température. Les courbes leur permettent donc de choisir la pression utile maximale de travail.
La cinétique...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PULKER (K.H.) et al - * - . – Wear and corrosion resistant coatings by CVD and PVD – expert Verlag (1989).
-
(2) - THORNTON (J.A.) - Plasma assisted deposition processes : theory, mechanisms and applications - Thin solid films 107 3 (1983).
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(3) - MARTIN (P.M.) - Handbook of deposition technologies for films and coatings - Elsevier Corp (3rd edition 2010).
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(4) - BUNSHAH (R.F.) - Handbook of deposition technologies for films and coatings - 2nd edition – Noyes publications (2001).
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(5) - VOSSEN (J.L.), KERN (W.) - Thin film processes - Academic press (1991).
-
(6) - MATTOX (D.) - * - . – Handbook of physical vapor deposition (PVD) processing (2nd ed. 2010).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Société française du vide
American vacuum society
EUREKA
A3TS
École des mines Nantes
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ICMCTF International Conference Metallurgical Coatings and Thin Films ; conférence annuelle à San Diego, États-Unis
http://www2.avs.org/conferences/icmctf/
PSE Plasma Surface Engineering ; conférence biannuelle à Garmisch-Partenkirchen
De nombreuses conférences sur les technologies de détail dans différents pays, comme celles organisés par A3TS, AVS et MRS
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