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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. Leur but est l’amélioration des propriétés des matériaux par une fonctionnalisation de leur surface pouvant améliorer :

  • Leur aspect esthétique : différent coloris possibles tels que le noir, gris, marron,  jaune clair à doré, avec un aspect mat ou brillant
  • Leurs propriétés mécaniques : résistance à l’usure, comportement en frottement et  dureté
  • Leur résistance à la corrosion
  • Leurs propriétés électriques : conduction, isolation.
  • Leurs propriétés optiques : réflexion, transmission, détection de rayonnement.
  • Leur biocompatibilité

Ces types de procédés sont complémentaires vis-à-vis de la projection thermique dans le sens où, ils permettent la réalisation de dépôts dits couches minces d’une épaisseur allant de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres.

Tous les systèmes de dépôts en phase vapeur utilisent l’injection de gaz plasmagènes (sauf cas de l’évaporation) en addition desquels peuvent être utilisés des gaz dits réactifs (N2, O2) ou précurseurs (les précurseurs sont souvent des hydrocarbures comme C2H2, CH4, C6H6, C7H8 ou des liquides entraînés par un gaz porteur tel que de l’argon comme le TMA et le TMS). De plus, ces procédés sont utilisés en majeure partie sous vide partiel ou poussé bien que l’utilisation de certaines sous catégories de ces techniques tend à se développer à pression atmosphérique.

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

Ces deux technologies font appel à trois composantes essentielles : une source de matériau à déposer (cible métallique ou céramique ainsi que précurseurs contenant les éléments à déposer), une pièce à revêtir sur laquelle 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, diffèrent énormément sur de nombreux points. L’obtention de la vapeur en CVD est essentiellement de type chimique alors que lors d’un revêtement par PVD elle est essentiellement physique (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).

Concernant la CVD, des espèces gazeuses vont venir réagir après décomposition thermique en phase homogène ou hétérogène afin de former un troisième corps qui constituera le revêtement qui sera 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) appelée cible ou sous forme de billes, copeaux, etc. et de différentes natures possibles : métalliques, alliages, céramiques (carbure, nitrure, carbonitrure essentiellement). Cette matière est alors bombardée par des ions résultant de la mise en place d’un plasma ou évaporée par chauffage (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 atmosphériques) et vierge de toutes couches d’oxydes superficielles.

Certaines applications nécessitent une finition de surface spécifique. Pour cela, les pièces sont polies à l’aide d’une polisseuse dédiée selon des gammes spécifiques dans le cas de géométries simples (pièces d’essais notamment) ou par tribofinition (obtention d’un poli miroir) pour des pièces de géométries complexes.

Avant de procéder au dépôt, les substrats sont tout d’abord nettoyés à l’aide de solvants (éthanol, acétone) ou de lessives sous ultrasons  avec ou sans température. Puis, une phase de chauffage et de décapage est généralement utilisée pendant le procédé afin de nettoyer les différentes surfaces.

Des procédés de masquage peuvent être mis au point à l’aide soit d’adhésifs spécifiques à l’utilisation sous vide secondaire et en température 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.

La structure et les propriétés des revêtements dépendent : des paramètres employés lors de la phase d’élaboration qui sont adaptés en fonction des éléments définis dans le cahier des charges, ainsi que de la nature des substrats.

Le choix entre les différents procédés repose sur de nombreux critères tels que la composition et les propriétés du revêtement souhaité, la nature des substrats employés, des épaisseurs voulues.