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Auteur(s)
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Sylvain AUDISIO : Docteur ès Sciences, Ingénieur Génie Physique de l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA) - Laboratoire de Physico-chimie Industrielle de l’INSA - Expert près la Cour d’Appel de Lyon
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Parmi les revêtements susceptibles de conférer des propriétés nouvelles aux surfaces qu’ils recouvrent, ceux obtenus par le procédé de dépôts chimiques à partir d’une phase gazeuse (Chemical Vapor Deposition : CVD) connaissent incontestablement un grand développement.
Ce procédé consiste à mettre un composé volatil du matériau à déposer en contact soit avec un autre gaz au voisinage de la surface à recouvrir, soit avec la surface en question, de façon à provoquer une réaction chimique donnant au moins un produit solide.
La température du substrat fournit l’énergie d’activation nécessaire pour déclencher la réaction chimique et favoriser, lorsqu’elle est suffisamment élevée (800 à 1 000 oC), la diffusion dans ce substrat des atomes apportés à la surface. Cette diffusion à l’état solide entraîne une modification des produits de la réaction et assure généralement une bonne adhérence au revêtement. Ce procédé permet d’obtenir des couches d’épaisseur variable de pratiquement tous les métaux, alliages ou composés métalliques, sur des matériaux conducteurs ou isolants. Il permet aussi d’obtenir, en plus des revêtements, des poudres fines ou des échantillons massifs.
L’appareillage pour l’obtention de ces dépôts varie considérablement suivant le type de dépôts que l’on désire (procédés isothermes, non isothermes, statiques, dynamiques, basse pression, etc.).
Les propriétés des revêtements (adhérence, porosité, stœchiométrie, pureté, etc.) sont généralement bonnes.
Les principaux domaines d’application du procédé CVD peuvent se classer en deux catégories suivant que le produit formé donne un revêtement (ou couche) sur un substrat, ou un produit solide indépendamment d’un substrat.
L’obtention d’un revêtement permet la protection contre l’usure mécanique (T iC, T iN, Al2O3 , etc.), la protection contre la corrosion et l’oxydation à haute température (Cr, Al, Si, etc.), la réalisation de composants pour la microélectronique (GaAs, Si, AlN, etc.).
La formation de produits solides conduit à des produits pulvérulents de grande pureté, à des monocristaux et permet de consolider des matériaux poreux ou frittés.
Les techniques CVD complètent et remplacent avantageusement d’autres modes de dépôts (évaporation sous vide, projection cathodique, électrodéposition, etc.). C’est pour cela qu’elles sont devenues prépondérantes dans des domaines industriels tels que l’aéronautique, l’électronique, la chimie, etc.
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Techniques de formation des dépôts chimiques en phase gazeuse1. Réactions chimiques
Lors d’un dépôt à partir d’une phase gazeuse, les réactions chimiques susceptibles de se produire sont de trois types. Elles sont indiquées dans le tableau 1, ainsi que les caractéristiques principales qui s’y rattachent.
La plupart des réactions sont endothermiques, aussi est-il nécessaire de fournir de l’énergie au substrat. Le choix de la méthode d’apport d’énergie dépend essentiellement du type de réaction, de la forme, des dimensions et de la composition des pièces, etc. Les méthodes les plus employées sont :
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chauffage direct du substrat par passage d’un courant électrique dans ce substrat : ce procédé est très souhaitable, par exemple pour les revêtements de fils ;
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chauffage par induction : ce procédé, comme le précédent, a l’avantage de ne chauffer que le substrat et, de ce fait, le contrôle du dépôt est plus aisé ;
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chauffage par radiation thermique : ce procédé est le plus employé car il s’applique à toutes sortes de substrats ; il présente, cependant, l’inconvénient de chauffer aussi bien le substrat que la chambre de réaction ; la réaction chimique peut alors s’amorcer en phase homogène loin du substrat, ce qui est peu favorable à un bon dépôt ;
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chauffage par photoradiation : le substrat est chauffé par des photons de grande intensité (laser, UV, etc.).
Une analyse complète de la réaction chimique peut être envisagée avant la réalisation pratique si l’on connaît :
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a ) la composition exacte des phases, gazeuses et (ou) déposées, dans les conditions expérimentales ;
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b ) les données thermodynamiques relatives aux différentes phases en présence ;
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c ) la grandeur et la nature des paramètres hydrodynamiques des fluides et les cinétiques des réactions.
La thermodynamique est une première approche de l’analyse fondamentale d’un système, même si le caractère décisif de ses prévisions est limité. L’étude des transferts de chaleur et de masse, des variations de composition de la phase gazeuse et de la cinétique des réactions est la deuxième étape importante pour la mise en œuvre, d’un point de vue pratique,...
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