Pulvérisation cathodique magnétron pour la synthèse de films minces
La pulvérisation cathodique magnétron en régime d’impulsions de haute puissance (HiPIMS)

2.1 Principe de base

La pulvérisation cathodique magnétron est une technique de dépôt de films minces métalliques (conducteurs) ou céramiques (isolants) utilisant un plasma.

Le plasma, souvent appelé « quatrième état de la matière », est un gaz constitué de particules neutres, d’ions positifs (et/ou négatifs) et d’électrons. Les aurores boréales, les éclairs, ou les flammes en sont autant de manifestations naturelles.

Dans les plasmas froids dont il est question ici – pour le traitement des matériaux – l’énergie des électrons est très supérieure à celle des ions et des atomes, molécules neutres. Cependant, macroscopiquement, le plasma reste globalement proche de la température ambiante. Les électrons cèdent leur énergie aux atomes et molécules du gaz qui deviennent ainsi ionisées, dissociées et excitées.

L’ionisation, et donc la formation des paires électrons/ions positifs, permet la conduction électrique alors que la dissociation moléculaire, si par exemple de l’oxygène est mélangé au gaz plasmagène (généralement de l’argon), est à l’origine de la grande réactivité chimique du milieu.

L’excitation, suivie de la désexcitation des espèces du plasma, est quant à elle à l’origine de l’émission d’un rayonnement électromagnétique.

En laboratoire, le plasma est créé au sein d’une enceinte sous vide.

Une enceinte de pulvérisation cathodique (physical vapor deposition) est constituée d’une cuve (figure 1) dans laquelle on réduit la pression pour atteindre un vide poussé (10⁻³ Pa). Par contre, les gammes habituelles de pression de travail, lorsque le gaz est introduit de manière contrôlée dans l’enceinte, s’étendent de 0,1 Pa à 5 Pa.

Dans le cas de la pulvérisation magnétron conventionnelle en régime continu, la polarisation négative, typiquement de 300 V à 600 V, d’une cathode (cible de pulvérisation et source de matière) permet l’établissement d’une décharge électrique diode. Les parois étant connectées à la masse, celles-ci font office d’anode. Afin d’augmenter la densité ionique au voisinage de la cible et donc le flux d’ions positifs susceptibles de bombarder la cathode...