Bibliographie & annexes
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En anglais
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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Bipolar High-Power Impulse Magnetron Sputtering recently emerged and become an attractive research topic as the energy of the ions involved in the growth of functional thin films can be tailored. First, this article addresses the electronic circuit topologies commonly used in such power supplies as well as the problem of electric arcs handling. Then, the effect of the electromagnetic field at the cathode on the plasma properties is studied. Finally, two applications are discussed: the growth of metallic titanium films on electrically conductive substrates and titanium dioxide on electrically insulating substrates.
Auteur(s)
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Matthieu MICHIELS : Maître-assistant, chercheur senior - Département des Sciences et Technologies, laboratoire d’électronique de puissance, Haute École en Hainaut, Mons, Belgique
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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.
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.
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KEYWORDS
thin films | power electronics | Bipolar HiPIMS | plasma source | arcs
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6. Conclusion
Le développement de procédés de dépôt permettant un contrôle fin des propriétés des films minces revêt une très grande importance. Entre autres, la pulvérisation magnétron en régime d’impulsions de haute puissance (HiPIMS) permet une forte ionisation des atomes métalliques pulvérisés. Or, le contrôle de l’énergie des ions atteignant le substrat est généralement réalisé en appliquant une polarisation du substrat.
Cette approche est judicieuse, mais elle est aussi difficilement industrialisable, surtout si l’on considère des substrats électriquement isolants. C’est pourquoi le régime HiPIMS bipolaire, dans lequel une impulsion de tension positive est appliquée à la cible après l’impulsion de tension négative de haute puissance, a été développé récemment et a permis plusieurs avancées.
Nous avons abordé dans cet article plusieurs aspects importants. Nous avons présenté :
-
deux topologies de circuits électroniques adéquates pour la génération d’impulsions bipolaires de haute puissance ;
-
la problématique de la gestion des arcs dans un procédé HiPIMS ;
-
l’effet du champ électromagnétique de la cathode sur les propriétés du plasma ;
-
certains effets observés dans le cas de dépôts de titane et de dioxyde de titane sur des substrats électriquement conducteurs et isolants.
En particulier, les fonctions de distribution en énergie des ions mettent en évidence des groupes d’ions d’énergies distinctes en régime HiPIMS bipolaire, alors que les fonctions de distribution en énergie sont fortement affectées par la modification de la configuration magnétique de la cathode.
Ensuite, des films de Ti et TiO2 ont été synthétisés en considérant des substrats électriquement conducteurs et électriquement isolants. Il en résulte que les deux principaux effets à considérer sont :
-
le régime HiPIMS bipolaire met en évidence des conditions de croissance de films métalliques sur substrats électriquement conducteurs similaires à celles obtenues avec une polarisation négative du substrat ;
-
si un niveau suffisant de bombardement ionique au substrat est obtenu en régime HiPIMS bipolaire, on peut contrôler la constitution cristalline des films de TiO2 synthétisés...
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Conclusion
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).
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(3) - MATTOX (D.M.) - Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing. - 2nd edition, Elsevier, p. 195-235 (2010).
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(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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