Dépôt sous vide

Le dépôt sous vide est une technique de fabrication de couche mince : on cherche à déposer une couche de métal (la plupart du temps) sur une lame de substrat solide (verre ou silicium par exemple)^[1].

On y utilise le principe physique qui veut que, à très basse pression, les molécules (généralement monoatomiques) de vapeur d'un métal se déplacent avec très peu de risque de collision avec d'autres molécules : le gaz métallique se trouve projeté sur le substrat sans être freiné par les phénomènes de diffusion, et sans risque d'oxydation^[2]. La couche obtenue est ainsi très pure et très régulière. Le métal est chauffé au-dessus de sa température de fusion, mais loin de sa température d'ébullition sous pression normale.

Le métal à déposer est placé dans un creuset en tungstène (dont la température de fusion est extrêmement élevée, 3 400 °C), lui-même placé sous la lame de substrat solide. Le tout est recouvert d'une cloche de verre à joint étanche, capable de résister aux grandes différences de pression.

Une pompe turbomoleculaire (dite turbo) permet d'atteindre des pressions infimes (de l'ordre du centième de pascal).

On fait alors circuler un courant électrique très intense dans le creuset (de l'ordre de la centaine d'ampères, variable selon la température désirée) ce qui a pour effet de chauffer le creuset (par effet Joule). Le métal fond, se vaporise, et se dépose sur la lame de substrat qui est à une température moins élevée. Un cristal piézoélectrique (éventuellement refroidi par un courant d'eau froide) permet de mesurer l'épaisseur de la couche déposée.

L'obtention d'un dépôt régulier suppose une surface initiale régulière. Les surfaces rugueuses ou accidentées sont souvent mal recouvertes. L'adhérence du dépôt sur le substrat est en général très bonne, mais suppose une propreté absolue de celui-ci, et donc un minimum de précautions de manipulation.

• Cette méthode permet de ne chauffer qu'à des températures raisonnables (millier de degrés) grâce au vide créé. Cette méthode est donc assez peu coûteuse en énergie.
• Le vide ambiant permet aussi d'assurer la pureté du dépôt.
• Elle permet d'obtenir des couches minces d'épaisseur minimale de l'ordre du nanomètre

L'inconvénient de cette méthode est qu'elle nécessite un matériel sophistiqué et coûteux, et que les dépôts de métal salissent les différentes pièces de la machine. Par ailleurs, cette méthode ne permet pas de déposer tous les matériaux : lorsque la tension de vapeur (aux températures que l'on peut atteindre) est trop faible, il faudra avoir recours à des méthodes plus gourmandes en énergie et bien plus complexes à mettre en œuvre (comme l'évaporation par faisceau d'électrons par exemple).

Parmi les matériaux pouvant être déposés par cette méthode on peut citer le chrome, l'or, l'argent, le nickel, l'aluminium …

L'aluminisation des miroirs par cette méthode permit d'améliorer à peu de frais les images obtenues par télescopes, en augmentant la lumière réfléchie, et en diminuant la lumière diffusée, ainsi qu'en permettant d'espacer les remétallisations, les couches d'argent utilisées précédemment ayant une durée de vie moindre. La métallisation par dépôt d'une couche d'or sur les mauvais conducteurs permet d'utiliser la microscopie électronique à balayage sur ceux-ci.

Un cristal piézoélectrique (éventuellement refroidi par un courant d'eau froide) permet de mesurer l'épaisseur de la couche déposée. Ce cristal est exposé de la même manière que le substrat solide à la vapeur de matériau à déposer. Sa fréquence de résonance varie lorsque sa masse varie, le dépôt s'accumulant à sa surface. La densité du matériau déposé permet alors d'obtenir l'épaisseur déposée. La précision de cette mesure diminue à mesure que le cristal est « alourdi », il faut donc le remplacer régulièrement.

• Dépôt chimique en phase vapeur
• Dépôt physique par phase vapeur

Lorsque la source de vapeur est un liquide ou un solide, le procédé est appelé dépôt physique en phase vapeur (PVD)^[3], qui est utilisé dans les dispositifs semi-conducteurs, les panneaux solaires à couches minces et les revêtements de verre^[4]. Lorsque la source est un précurseur chimique en phase vapeur, le procédé est appelé dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ce dernier comporte plusieurs variantes : dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) et CVD assisté par plasma (PACVD). Souvent, une combinaison de procédés PVD et CVD est utilisée dans les mêmes chambres de traitement ou dans des chambres reliées entre elles.

• Conduction électrique : films métalliques, résistances, oxydes conducteurs transparents (TCOs), films et revêtements supraconducteurs
• Dispositifs semi-conducteurs : films semi-conducteurs, films isolants électriques
• Cellules solaires
• Films optiques : revêtements antireflets, filtres optiques
• Revêtements réfléchissants : miroirs, miroirs chauds
• Revêtements tribologiques : revêtements durs, revêtements résistants à l’érosion, lubrifiants solides en film
• Conservation et production d’énergie : revêtements de verre à faible émissivité, revêtements absorbant le rayonnement solaire, miroirs, cellules photovoltaïques solaires à couches minces, films intelligents
• Films magnétiques : enregistrement magnétique
• Barrière de diffusion : barrières à la perméation des gaz, barrières à la perméation de vapeur, barrières de diffusion à l’état solide
• Protection contre la corrosion
• Applications automobiles : réflecteurs de lampes et applications décoratives
• Pressage de disques vinyles, fabrication de disques d’or et de platine

Une épaisseur inférieure à un micromètre est généralement appelée couche mince, tandis qu’une épaisseur supérieure à un micromètre est appelée revêtement.