Introduction du dépôt cathodique d'arc

Le dépôt à l'arc cathodique est un procédé à l'échelle industrielle largement utilisé pour l'application de revêtements en couches minces de haute qualité. Le procédé est basé sur la physique de l'arc cathodique à basse tension et courant élevé qui produit un plasma dense et fortement ionisé. Le dépôt d'arc cathodique est caractérisé par un plasma de dépôt ionisé à près de 100% avec des ions de dépôt à énergie relativement élevée.

Le dépôt d'arc cathodique fonctionne sous vide en utilisant des têtes de dépôt spécialement conçues. Le dépôt d'arc cathodique peut être exploité en modes continu ou pulsé. Dans les deux cas, une alimentation électrique applique une tension qui produit une décharge d'arc entre une anode et une cathode. Le courant d'arc est concentré sur une petite surface sur la cathode, ce qui crée une densité de courant extrêmement élevée (~ 1012 A / m2) à ce que l'on appelle généralement des "points cathodiques".

Cette densité de courant élevée est associée à une densité de puissance extrêmement élevée (~ 1013 W / m2) qui produit une transformation de phase localisée de la cible solide (le matériau de la cathode) en un plasma de dépôt presque entièrement ionisé. Le plasma se dilate rapidement dans le vide ambiant vers le substrat.

Au moment du dépôt sur le substrat, le plasma a des vitesses ioniques avec des énergies cinétiques d'environ 20 eV pour les éléments légers et de 200 eV pour les éléments lourds. Cela peut être comparé à la pulvérisation cathodique, où l'énergie est de quelques eV tout au plus.  

Il y a un certain nombre d'avantages aux énergies ioniques supérieures associées au dépôt d'arc cathodique. Par exemple, les films de dépôt à l'arc cathodique ont tendance à être plus denses et ont de meilleures caractéristiques d'adhérence que les films produits en utilisant d'autres procédés. Les atomes déposés pénètrent dans la surface, bloquant le revêtement à la surface avec une forte adhérence.

Les ions énergétiques créés par le dépôt cathodique d'arc permettent également l'utilisation de températures de substrat inférieures à celles d'autres procédés. Ceci est dû au fait que les ions cathodiques de dépôt d'arc transportent suffisamment d'énergie pour former des films compacts et denses sans avoir besoin d'une énergie thermique supplémentaire fournie par le substrat.

La fraction d'ionisation élevée du dépôt d'arc cathodique permet de contrôler le matériau de dépôt. Par exemple, en polarisant le substrat, l'énergie d'impact des ions sur le substrat peut être augmentée. Le flux de plasma peut également être tramé en utilisant des champs magnétiques, ce qui permet de déplacer le matériau de dépôt autour de la surface, en faisant la moyenne du revêtement sans déplacer le substrat.

Pour le dépôt réactif, le dépôt cathodique à l'arc permet de produire des films chimiquement précis sur une large gamme de pressions de gaz. Cela facilite la nécessité d'un contrôle précis de la pression, ce qui augmente le rendement et réduit les reprises, réduisant ainsi le coût du revêtement. Au contraire, la pulvérisation cathodique réactive souffre couramment d'une «intoxication par la cible», dans laquelle l'oxygène frappe la surface de la cible et forme des oxydes, influençant la vitesse de pulvérisation. Cela crée des problèmes d'uniformité avec le revêtement. En raison de l'énergie associée aux processus de dépôt de l'arc cathodique, l'empoisonnement de la cible ne se produit pas aussi facilement, produisant des films plus uniformes avec moins de problèmes.

Le processus de dépôt d'arc cathodique produit ce que l'on appelle des «macro-particules» (ou gouttelettes) avec le plasma de dépôt. Les particules macroscopiques ont une taille allant de moins d'un micromètre à environ 10 micromètres de diamètre. Pour de nombreuses applications de revêtement (revêtements d'outils par exemple), les macroparticules ne sont pas nuisibles et aucune mesure n'est prise pour les éliminer. Cependant, pour certaines applications (par exemple les revêtements optiques), les macros dégradent suffisamment le revêtement pour les retirer. Ceci est généralement accompli en utilisant des filtres magnétiques à 90 degrés qui guident le plasma de dépôt loin des trajectoires en ligne droite des macros. À l'aide d'un filtre, plus de 99% des macros sont éliminées, produisant des revêtements de haute qualité et sans particules.