Article

1 - PULVÉRISATION CATHODIQUE EN ATMOSPHÈRE NEUTRE

2 - PULVÉRISATION CATHODIQUE EN ATMOSPHÈRE RÉACTIVE

3 - APPLICATIONS ET PERSPECTIVES

Article de référence | Réf : M1654 v1

Pulvérisation cathodique magnétron

Auteur(s) : Alain BILLARD, Frédéric PERRY

Relu et validé le 04 juin 2024

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RÉSUMÉ

Cet article détaille le procédé de pulvérisation cathodique magnétron, procédé qui associe l’effet thermique et l’effet mécanique pour l’obtention de la vapeur métallique. Les relations entre les conditions d’élaboration des revêtements de métaux ou alliages et leurs caractéristiques métallurgiques sont établies. Les mécanismes qui prédominent le procédé de pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive sont ensuite explicités, notamment les difficultés ainsi que les solutions pour s’en affranchir. Pour illustrer, sont présentées deux méthodes spectroscopiques de diagnostic plasma et d’interférométrie optique autorisant le contrôle in situ du procédé.

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Auteur(s)

  • Alain BILLARD : Maître de Conférences à l’Université Henri Poincaré. Nancy I - Responsable de l’équipe « Dépôt Physique ». Laboratoire de Science et Génie des Surfaces

  • Frédéric PERRY : Docteur de l’Université Henri Poincaré - Directeur Maintenance et Développement. PVD co Sarl

INTRODUCTION

Les procédés de dépôt physique en phase vapeur (PVD Physical Vapour Deposition) constituent un ensemble de techniques de synthèse de revêtements métallurgiques ou de films céramiques trouvant leurs applications dans des domaines aussi divers que la mécanique, l’optique, l’électronique, les industries chimique et aéronautique, etc. D’un point de vue général, les revêtements sont réalisés sous atmosphère raréfiée (< 10 Pa) suivant trois étapes : la création d’une vapeur métallique à partir d’une source (ou cible), son transport au sein d’un réacteur et sa condensation à la surface d’un substrat à revêtir. Si l’appellation PVD regroupe une quantité importante de procédés, on peut avantageusement les classer en trois grandes catégories selon le mode d’obtention de la vapeur métallique : par effet thermique, on parle d’évaporation, tandis que par effet mécanique, c’est de pulvérisation qu’il s’agit. Le cas de l’arc cathodique sous basse pression allie les deux effets pour la génération de la vapeur métallique.

Un réacteur de dépôt physique assisté-plasma est constitué au minimum d’une chambre à vide secondaire, d’une source de vapeur métallique, d’un porte-substrat isolé du reste de l’installation, d’une centrale de débitmétrie et des générateurs nécessaires à la création de la décharge électrique et à la polarisation des substrats. Nous nous intéresserons ici spécifiquement à une technique qui connaît un essor industriel important, fruit des progrès considérables réalisés au cours de ces vingt à trente dernières années dans la compréhension des mécanismes qui la gouvernent : la pulvérisation cathodique magnétron.

La première partie sera consacrée à l’étude détaillée du procédé de pulvérisation cathodique magnétron. Après un rappel de ses mécanismes physiques, nous nous attacherons à décrire les différents moyens d’obtention des revêtements de métaux ou d’alliages métalliques en soulignant les relations entre les conditions d’élaboration et les caractéristiques métallurgiques des couches, ces dernières conditionnant leurs propriétés d’emploi.

Nous décrirons dans une seconde partie les phénomènes autorisant la synthèse de revêtements céramiques en présence d’une atmosphère réactive. Les principales difficultés inhérentes au procédé de pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive et les méthodes développées pour les contourner seront également présentées. C’est dans ce contexte que nous proposerons finalement deux méthodes spectroscopiques de diagnostic plasma et d’interférométrie optique autorisant le contrôle in situ du procédé.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m1654


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SIGMUND (P.) -   Theory of sputtering.  -  – Phys. Rev., 184 (1969), 383.

  • (2) - HOFFMAN (D.W.), THORNTON (J.A.) -   Internal stresses in sputtered chromium.  -  Thin Solid Films, 40 (1977), 355.

  • (3) - THORNTON (J.A.), TABOCK (J.), HOFFMAN (D.W.) -   Internal stresses in metallic films deposited by cylindrical magnetron sputtering.  -  Thin Solid Films, 64 (1979), 111.

  • (4) - HOFFMAN (D.W.), THORNTON (J.A) -   Internal stresses in Cr, Mo, Ta and Pt films deposited by sputtering from a planar magnetron source.  -  J. Vac. Sci. Technol., 20 (3) (1982), 355.

  • (5) - BILLARD (A.), FRANTZ (C.) -   Mécanismes de la pulvérisation cathodique magnétron des aciers inoxydables austénitiques dans des plasmas réactifs Ar-CH4, N2 ou O2.  -  Mém. Et. Sci. Rev. Mét., 11 (1992), 725.

  • (6) - GURVITCH (M.) -   Target...

1 Organismes

Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA)

Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)

Institut National Polytechnique de Lorraine (INPL)

Université de Paris Sud

Société Française du Vide (SFV)

HAUT DE PAGE

2 Constructeur – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Technique Surface – HEF

PVDco

Balzers

Teer Coatings

Alliance Concept

Méca-2000

HAUT DE PAGE

3 Thèses

BILLARD (A.) - Étude de la pulvérisation cathodique magnétron des aciers inoxydables austénitiques dans des plasmas réactifs Ar-CH4, N2 ou O2. Caractérisation chimique et structurale des dépôts réalisés. Propriétés des revêtements enrichis en carbone. - Thèse INPL, Nancy (1991).

STAUDER (B.) - Synthèse et caractérisation de films Al-O, Al-N et Zr-O préparés - par pulvérisation cathodique magnétron en condition réactive. Thèse INPL, Nancy (1994).

PERRY (F.) - Diagnostic d'un plasma de pulvérisation...

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