Innovations récentes relatives à la technique de pulvérisation cathodique magnétron

Au cours de ces quinze dernières années, une nette évolution de la technique de pulvérisation cathodique magnétron est perceptible. Notamment, par l’addition d’un plasma secondaire qui contribue à la décharge primaire afin de provoquer une ionisation partielle des espèce neutres de la vapeur permettant de produire des espèces plus énergétiques et surtout de guider les ions à la surface du substrat. Cette technique particulièrement intéressante est l’IPVD (Ionized Physical Vapour Deposition) ou la RF-IPVD dans la mesure où le second plasma est créé par une décharge radio-fréquence (RF).

Une autre évolution significative concerne le développement de la technique High Power

Impulse Magnetron Sputtering (HIPIMS), basée sur l’utilisation d’un régime pulsé particulier,

utilisant une très forte puissance impulsionnelle servant à ioniser la vapeur.

L’intérêt principal des procédés IPVD/RF-IPVD et HIPIMS pour le dépôt de couches minces est l’amélioration du pouvoir de pénétration engendrant une diminution des défauts au sein de la couche mince et une densification de la couche du fait de l’énergie importante des ions pulvérisés. Ces procédés permettent également l’augmentation de l’adhérence des films aux substrats ainsi que la possibilité de revêtir des substrats à surfaces complexes.

Toutefois, à ma connaissance, ces nouvelles techniques n’ont pas été expérimentées sur des cibles polymères. D’ailleurs, l’obligation de travailler à de faibles puissances de décharge avec des cibles organiques n’est pas réellement compatible avec ces dispositifs innovants.

L’innovation la plus récente dans le domaine du dépôt physique en phase vapeur concerne la pulvérisation de cibles polymère et plus particulièrement celle de PTFE . Cette nouvelle technique, utilisée par l’équipe du Professeur Hynek Biederman^102,103,104, basée sur l’utilisation d’une source d’agrégats par pulvérisation cathodique en phase gazeuse, plus communément appelée « cluster source », et développée initialement par l’équipe du Dr. Haberland, de l’université de Freiburg¹⁰⁵. Un schéma du dispositif est présenté sur la figure 29. Dans une telle source à condensation gazeuse, la vapeur atomique est obtenue par un dispositif magnétron fonctionnant à pression élevée (jusqu’à 0,2 mbar). Plus la pression est élevée, plus le nombre de collisions des espèces pulvérisées de la cible sera important, ce qui va engendrer la création de

germes d’agrégats ainsi que la thermalisation rapide de ces germes qui vont croître jusqu’à parvenir à atteindre une taille finale correspondant à des agrégats thermiquement stables. Ces agrégats sont transférés, par le biais d’un gaz inerte, à travers un orifice pour finalement venir se condenser à la surface du substrat situé dans la chambre de dépôt, au sein de laquelle règne un niveau de vide plus important.

Les principaux avantages de ces nouveaux dispositifs sont bien entendu la possibilité de déposer des nano-clusters de nature variée (métaux, semi-conducteurs, polymères,…) sur de nombreux substrats avec une rugosité contrôlée par la taille des clusters. Ces sources se démarquent aussi par leur grande flexibilité et leur facilité d’utilisation. Le haut flux de particules permet également d’atteindre des vitesses de dépôts élevées.

Figure 29 : Représentation schématique du principe de fonctionnement d’une source d’agrégats par pulvérisation cathodique en phase gazeuse.

1.6. Intérêt de développer des techniques de pulvérisation hybrides

Comme nous venons de le détailler, de nouvelles avancées technologiques ont vu le jour récemment concernant les techniques de dépôt par pulvérisation magnétron. Il est vrai que cette technique, énormément employée pour la métallisation de nombreux substrats, peine à s’imposer dans des secteurs plus spécifiques. Ceci est du au manque de contrôle au niveau du mode de croissance, ainsi qu’au niveau des vitesses de dépôt et plus généralement des propriétés

1- gauge de pression 2- buse conique 3- orifice

4- refroidissement à circulation d’eau 5- introduction de gaz 6- tête magnétron 7- cible 8- refroidissement du magnétron 9- plasma 10- clusters 11- substrat 12- système de pompage

intrinsèques de la couche mince formée. La dégradation des substrats sensibles lors du dépôt représente également un point faible de la technique.

L’usage de cibles polymères en mode RF permet de palier à certaines de ces lacunes. En effet, les contraintes liées à l’utilisation de ces cibles, et en particulier le fait de devoir employer de très faibles puissances de dépôt, engendre de très faibles vitesses de dépôt et va, de ce fait, permettre de bénéficier d’un meilleur contrôle sur la qualité des dépôts ainsi que sur les modes de croissance des couches.

Dans ce contexte, le développement de techniques de pulvérisation hybrides doit permettre, non seulement d’étendre les domaines d’application, mais également de permettre un accroissement des performances des couches minces réalisées.

Le prototype développé au sein du département AMS, dans le cadre de cette thèse, s’inscrit parfaitement dans cette démarche. Le couplage du laser Nd :YAG avec le dispositif de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron a été initialement pensé pour réaliser un traitement thermique localisé du substrat simultanément au dépôt d’oxydes métalliques sur des substrats présentant de faibles stabilités thermiques. Des essais concluants ont notamment été obtenus dans le domaine des TCO (Transparent Conductive Oxides) lors du dépôt de ZnO :Al sur des substrats poly(ethylene terephtalate) (PET) ne pouvant subir de traitements ou post-traitement thermiques. De meilleures performances en termes de propriétés électriques et structurales ont été évaluées pour les échantillons élaborés par pulvérisation cathodique magnétron réactive à partir d’une cible de Zn dopée Al en mode DC. Ces dépôts ont été réalisés sous une irradiation laser réalisée simultanément au dépôt, à une longueur d’onde de 355 nm et pour une fluence supérieure à 25 mJ/cm². L’effet de l’irradiation laser dans ce cas, bien que différente au niveau des processus physiques, est comparable en terme d’efficacité à celle d’un traitement thermique conventionnel réalisé sur ces types de couches minces, correspondant généralement à plusieurs centaines de degrés. Cette étude est encore en cours de traitement. Toutefois, nous avons remarqué que l’effet du laser sur les propriétés du TCO est significatif, notamment concernant les conditions de dopage et son contrôle. De plus, l’irradiation est suffisamment localisée pour ne pas endommager le substrat et nuire aux propriétés optiques de l’ensemble substrat (PET) /

couche mince (ZnO:Al)¹⁰⁶. Au cours de cette étude, l’intérêt d’utiliser une technique hybride pour réaliser des couches minces présentant des propriétés intéressantes sur des substrats de nature sensible a clairement été démontré.

Le second aspect séduisant de cette technique hybride est la possibilité d’utiliser l’interaction laser/matière pour contrôler la topographie des substrats ou éventuellement d’en modifier la composition chimique afin d’adapter les conditions interfaciales et d’accroître les performances finales des couches minces déposées. C’est ce second aspect qui a été traité en détail au cours de ces travaux de thèse.

2. Développement instrumental relatif à la technique « Laser-Assisted