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Les principaux procédés de revêtements en phase vapeur

Les dépôts en phase vapeur font partie de la catégorie dite de revêtement par voie sèche, au même titre que la projection thermique. Leur but est l’amélioration des propriétés des matériaux par une fonctionnalisation de leur surface pouvant augmenter :

  • Leur aspect esthétique : différents coloris possibles tels que le noir, gris métallique, gris-blanc, marron, jaune paille à dorée, etc. avec un aspect mat ou brillant.
  • Leur résistance à l’usure, leur comportement en frottement et de manière plus générale leur comportement tribologique.
  • Leur dureté ainsi que leur comportement mécanique dans l’ensemble.
  • Leur résistance à la corrosion et ainsi qu’aux sollicitations chimiques et environnementales.
  • Leurs propriétés électriques : conduction, isolation.
  • Leurs propriétés optiques : réflexion, transmission, détection de rayonnement.
  • Leur biocompatibilité, etc.

Ces types de procédés sont complémentaires vis-à-vis de la projection thermique dans le sens où en comparaison avec cette dernière permettant de produire des revêtements allant de quelques dizaines de microns à quelques millimètres, ils permettent la réalisation de dépôts dits couches minces d’une épaisseur allant de quelques dizaines de nanomètres à une dizaine de micromètre.

Tous les systèmes de dépôts en phase vapeur utilisent l’injection de gaz inertes et/ou plasmagènes en addition desquels peuvent être utilisés des gaz dits réactifs ou précurseurs (les précurseurs pouvant se présenter sous la forme de gaz ou de liquide entraîné par un gaz porteur tel que l’argon). De plus, ils sont utilisés pour majeure partie sous vide partiels ou poussés bien que l’utilisation de certaines sous catégories de ces techniques tende à se développer à pression atmosphérique.

Deux catégories principales sont à distinguer au sein des dépôts en phase vapeur :

  • la CVD (chemical vapor deposition) ou dépôt chimique en phase vapeur
  • et la PVD (physical vapor deposition) ou dépôt physique en phase vapeur

L’une comme l’autre technologie font appel à trois composantes essentielles qui sont : une source de matériau à déposer (pièce massive par exemple ou l’un des composants du futur revêtement tel qu’un précurseur), une pièce à revêtir ou substrat sur lequel va se condenser le dépôt issu de la source (après recombinaison ou non) et un milieu au sein duquel s’opère le transfert de matière (siège du phénomène physique ou chimique mis en jeu).

Ces deux méthodes de revêtements, bien qu’appartenant toute deux aux procédés de dépôt en phase vapeur, diffèrent énormément sur de nombreux points à commencer par le principe général du procédé. En effet, les phénomènes mis en jeu en CVD sont essentiellement de type chimique (création de vapeur par réaction entre deux molécules ou décomposition) alors que ceux lors d’un revêtement par PVD sont essentiellement physiques (évaporation et pulvérisation notamment d’un matériau). Il est cependant possible d’avoir à la fois la mise en œuvre de phénomènes chimiques et physiques lors de l’utilisation de certaines sous-catégories de procédés telles que la PVD dite réactive ou la PECVD (plasma enhanced chimical vapor deposition).

De manière schématique, concernant la CVD, des espèces gazeuses vont venir réagir en phase homogène ou hétérogène afin de former un troisième corps qui constituera le revêtement qui sera notamment lié chimiquement à la surface du substrat. Concernant la PVD en revanche, la matière qui formera le dépôt est initialement sous la forme d’une pièce massive de géométrie précise (cylindrique, filaire, etc.) appelée cible ou sous forme de billes, copeaux, etc. et de différentes natures possibles : métalliques, alliages, céramiques (carbure, nitrure, carbonitrure essentiellement), etc. Cette matière est alors bombardée par des ions résultant de la mise en place d’un plasma ou évaporée par chauffage notamment (d’autres moyens de sublimation de la matière peuvent être mises en œuvre) au sein de l’enceinte sous vide. Ainsi, des atomes sont arrachés de la cible consécutivement au bombardement ou évaporés et viennent se déposer en surface de la pièce à revêtir. Ce type de revêtement peut être assimilé à un phénomène de condensation à la surface de la pièce à revêtir.

Préparation de surface et masquage

Les pièces à revêtir sont préparées de façon à assurer la bonne tenue du dépôt : nécessité d’avoir un substrat vierge de toutes pollutions (graisses, résidus atmosphérique, etc.) et dans la majorité des cas vierge de toutes couches d’oxydes superficielles avec une finition de surface proche du poli-miroir.

Pour cela, les substrats sont tout d’abord nettoyés par immersion dans des solvants (éthanol, acétone, etc.) ou des lessives sous ultra-sons et/ou en température. Les pièces sont ensuite polies automatiquement à l’aide d’une polisseuse dédiée selon des gammes prédéfinis à l’avance dans le cas de géométries simples de type cylindrique (pièces d’essais notamment) ou par tribofinition (obtention d’un poli miroir pour des pièces à géométrie complexes).

Des procédés de masquage peuvent être mis au point à l’aide soit d’un feutre spécifique à l’utilisation sous vide secondaire et en température (pour le masquage de précision) soit par la réalisation d’un porte-substrat spécifique intégrant des zones de masquage. Ceci afin de permettre d’épargner certaines zones nécessitant l’absence de revêtement.

Outre ces spécifications, il est à noter que la structure et les propriétés des revêtements dépendent de multiples facteurs liés aux paramètres employés lors de la phase d’élaboration et à la nature des substrats et de la matière à déposer qui sont adaptés en fonction des éléments définis dans le cahier des charges.
Le choix entre les différents procédés de mise en œuvre repose sur de nombreux facteurs tels que la nature et les propriétés du revêtement souhaité, la nature des substrats employés, des épaisseurs voulues, etc.


Pour plus d’informations

Dépôts PVD Dépôts CVD