Pulvérisation cathodique magnétron pour la synthèse de films minces
Pulvérisation cathodique magnétron à haute puissance (HiPIMS)

Le monde industriel est en perpétuelle recherche de nouveaux produits, de nouveaux marchés ou de nouvelles technologies. C’est dans cette optique que le développement de nouveaux matériaux en couches minces, micro ou nanométriques, déposés par différents procédés sur des substrats de nature et de formes parfois complexes, confère de nouvelles propriétés ou fonctions, et, par conséquent, une grande valeur ajoutée. Ainsi, dans le cas du verre ou de l’acier, on peut citer, parmi d’autres, les propriétés photo catalytiques pour l’autonettoyage ou la dépollution, les propriétés antibactériennes, et les propriétés de protection contre la corrosion.

Pour obtenir ces couches minces, plusieurs méthodes de synthèse sont couramment utilisées : les dépôts électrochimiques, les procédés par immersion, le dépôt physique en phase vapeur (PVD) , le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [M 1 660] ou encore, les procédés sol-gel. Pour l’industriel, le choix du procédé dépend principalement de la facilité d’utilisation et d’implémentation, de la compatibilité du procédé avec le type du substrat (ex. : polymères), de son coût, de son impact environnemental et des installations existantes. Dans ce contexte, la technologie plasma est reconnue comme une technologie « verte » permettant d’obtenir un contrôle élevé des propriétés physico-chimiques des revêtements déposés (densité, rugosité, cristallinité, composition chimique, etc.).

Lorsque l’on utilise les procédés conventionnels de pulvérisation à courant continu, la majorité des particules pulvérisées restent globalement neutres, ce qui empêche de contrôler l’énergie et la direction des espèces participant à la croissance du film. Or, pour bon nombre d’applications, il est intéressant de maîtriser cet aspect, pour permettre aux espèces de se déposer majoritairement sur la surface du substrat et éviter, de cette manière, la pulvérisation sur les parois du réacteur. Dans le cas de la fabrication de circuits intégrés, par exemple, il est préférable d’obtenir un flux de particules, en provenance du plasma, perpendiculaire à la surface du substrat, ce qui favorise la croissance de films structurés. Les substrats de formes complexes sont aussi recouverts uniformément grâce au contrôle de la direction, par un champ magnétique bien étudié, et de l’énergie des espèces chargées. La qualité des films est aussi fortement dépendante de l’énergie fournie aux espèces participant à la croissance du film. Il est donc intéressant de produire un plasma fortement ionisé .

À l’heure actuelle, plusieurs techniques permettent de produire des plasmas comprenant une fraction importante d’espèces ionisées. Une de ces techniques est l’évaporation par arcs, connue pour produire des revêtements denses. La principale difficulté de l’évaporation par arcs réside dans la formation de microgouttelettes, qui réduisent la qualité des films. D’autres sources permettent d’ioniser le plasma de manière plus importante (typiquement quelques dizaines de pour cent) par rapport à une décharge magnétron classique à courant continu (inférieur à 1 %). C’est le cas, par exemple, des décharges magnétron assistées par boucle RF ou micro-ondes .

Dans un procédé de pulvérisation conventionnel, la densité du plasma est accrue par l’augmentation de la puissance moyenne appliquée à la cible. Cela provoque cependant un échauffement considérable de la cible, et limite l’augmentation de la densité du plasma. Ce problème peut être résolu par l'utilisation d’impulsions de haute puissance à faible rapport cyclique. Lorsque cette technique est appliquée à une cathode magnétron, des taux d’ionisation significatifs peuvent être atteints, souvent supérieurs à 50 %, caractéristiques des régimes pulsés tels que la pulvérisation magnétron impulsionnelle.

Cet article traite des dépôts physiques en phase vapeur de films minces fonctionnels réalisés en régime de forte ionisation. Cette voie de synthèse est plus couramment appelée par son acronyme anglo-saxon IPVD pour Ionized Physical Vapor Deposition. Cette catégorie regroupe plusieurs techniques dont la technologie HiPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering), aussi parfois appelée HPPMS (High Power Pulsed Magnetron Sputtering).