Article

1 - CONTEXTE

2 - TOPOLOGIES DE CIRCUITS COMMUNÉMENT UTILISÉES POUR LA GÉNÉRATION D’IMPULSIONS DE HAUTE PUISSANCE

3 - GESTION DES ARCS DANS UN PROCÉDÉ HIPIMS

4 - EFFET DU CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE DE LA CATHODE SUR LES PROPRIÉTÉS DU PLASMA

5 - SYNTHÈSE DE FILMS DE TITANE ET DE DIOXYDE DE TITANE

6 - CONCLUSION

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : IN251 v1

Pulvérisation magnétron à impulsions bipolaires de haute puissance

Auteur(s) : Matthieu MICHIELS, Stephanos KONSTANTINIDIS, Dominique DECKERS

Date de publication : 10 sept. 2023

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RÉSUMÉ

La technologie HiPIMS bipolaire (bipolar High-Power Impulse Magnetron Sputtering) a récemment suscité un grand intérêt car elle permet de contrôler l’énergie des ions intervenant dans la formation de films minces fonctionnels. Cet article propose, premièrement, d’aborder les topologies de circuits électroniques communément utilisées dans un tel procédé ainsi que la problématique de la gestion des arcs électriques. Ensuite, l’effet du champ électromagnétique de la cathode sur les propriétés du plasma est étudié. Finalement, deux cas particuliers d’application sont abordés : la croissance de films de titane métallique sur substrats conducteurs et de dioxyde de titane sur substrats isolants.

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Auteur(s)

  • Matthieu MICHIELS : Maître-assistant, chercheur senior - Département des Sciences et Technologies, laboratoire d’électronique de puissance, Haute École en Hainaut, Mons, Belgique

  • Stephanos KONSTANTINIDIS : Maître de recherches du Fonds National de la Recherche Scientifique (FNRS) - Université de Mons, laboratoire de chimie des interactions Plasma Surface (ChiPS), Mons, Belgique

  • Dominique DECKERS : Professeur, directeur de Département - Département des Sciences et Technologies, Haute École en Hainaut, Mons, Belgique

INTRODUCTION

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.

Points clés

Domaine : physique des plasmas, science des matériaux, nanomatériaux (synthèse et élaboration)

Degré de diffusion de la technologie : croissance

Technologies impliquées : électronique de puissance

Domaines d’application : traitement de surface, dépôt de films minces (DLC, ITO, couches dures, revêtements barrières, etc.), applications optiques, applications tribologiques, etc.

Contact : [email protected]

https://www.estisim.be

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in251


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DEPLA (D.), MAHIEU (S.), DE GRYSE (R.) -   Depositing Aluminium Oxide: A Case Study of Reactive Magnetron Sputtering.  -  In : Reactive Sputter Deposition, édité par DEPLA (D.) et MAHIEU (S.), Springer Series in Materials Science, Springer, p. 153-197 (2008).

  • (2) - THORNTON (J.A.) -   Influence of apparatus geometry and deposition conditions on the structure and topography of thick sputtered coatings.  -  Journal of Vacuum Science & Technology A, 11, p. 666-670 (1974).

  • (3) - MATTOX (D.M.) -   Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing.  -  2nd edition, Elsevier, p. 195-235 (2010).

  • (4) - KELLY (P.J.), ARNELL (R.D.) -   Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications.  -  Vacuum, 56, p. 159-172 (2000).

  • (5) - CORMIER (P.-A.), BALHAMRI (A.), -THOMANN (A.-L.), DUSSART (R.), SEMMAR (N.), LECAS (T.), SNYDERS (R.), -KONSTANTINIDIS (S.) -   Titanium oxide thin film growth by magnetron sputtering: Total energy flux and its relationship with the phase constitution.  -  Surface...

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