thumb|Pulvérisation cathodique magnétron en cours de dépôt de couche mince La pulvérisation cathodique (ou sputtering) est un phénomène dans lequel des particules sont arrachées à une cathode dans une atmosphère raréfiée. Elle est une des causes du vieillissement des anciens tubes électroniques, mais est également mise à profit comme méthode de dépôt de couche mince. Il s'agit dans ce cas d'une technique qui autorise la synthèse de plusieurs matériaux à partir de la condensation d’une vapeur métallique issue d’une source solide (cible) sur un substrat.
Principe L’application d’une différence de potentiel entre la cible et les parois du réacteur au sein d’une atmosphère raréfiée permet la création d’un plasma froid, composé d’électrons, d’ions, de photons et de neutrons dans un état fondamental ou excité. Sous l’effet du champ électrique, les espèces positives du plasma se trouvent attirées par la cathode (cible) et entrent en collision avec cette dernière. Elles communiquent alors leur quantité de mouvement, provoquant ainsi la pulvérisation des atomes sous forme de particules neutres qui se condensent sur le substrat. La formation du film s’effectue selon plusieurs mécanismes qui dépendent des forces d'interactions entre le substrat et le film.
La décharge est autoentretenue par les électrons secondaires émis de la cible. En effet, ceux-ci, lors de collisions inélastiques, transfèrent une partie de leur énergie cinétique en énergie potentielle aux atomes du gaz présent dans l'enceinte qui peuvent s’ioniser.
Synthèse de films céramiques Afin de réaliser des films céramiques (oxydes, nitrures, etc.), une espèce réactive, l’oxygène pour les oxydes, l’azote pour les nitrures, est ajoutée au gaz porteur, généralement de l’argon. La stœchiométrie des couches est en relation directe avec la pression partielle de gaz réactif introduit. La synthèse d’un revêtement stœchiométrique nécessite, souvent, la formation du composé à la surface de la cible. Le gaz réactif réagit avec les différentes surfaces présentes dans l’enceinte (cible, substrat, parois) et participe à la pulvérisation en modifiant les caractéristiques électriques de la décharge. Ceci peut se traduire par des phénomènes d’instabilité électrique et du régime de pulvérisation.
Instabilité électrique Le gaz réactif recouvre partiellement la surface de la cible pour former une couche isolante. Les ions argons qui viennent la frapper ne peuvent plus s’évacuer, engendrant une accumulation de charges positives dans les zones où le processus de pulvérisation est le plus faible. Ces charges s’éliminent par claquage du diélectrique provoquant l’éjection de microgouttelettes qui endommagent la qualité du revêtement.
Instabilité de régime de pulvérisation La présence d’une instabilité du régime de pulvérisation est représentée par une hystérésis sur la courbe de suivi de la pression de gaz réactif en fonction de la quantité de gaz réactif introduit. Pour les faibles débits de gaz réactif, l’évolution de la pression partielle d’oxygène reste faible et la cible est essentiellement métallique. Le système se trouve en régime de pulvérisation élémentaire (RPE). La vitesse de dépôt est importante mais ne conduit pas à la formation de composés stœchiométriques. Le phénomène d'instabilité correspond à une transition entre le régime RPE et le régime pour lequel la cible est totalement recouverte d'un couche de composé (RPC : Régime de Pulvérisation du Composé). Cette transition est provoquée par un emballement du système : la réduction de la quantité de vapeur métallique pulvérisée de la cible, résultant de la formation du composé à sa surface, induit une diminution de la quantité de gaz réactif consommé par la vapeur métallique sur l'ensemble des parois de l'enceinte. Il en découle une augmentation de la pression partielle de gaz réactif qui, en retour, conduit à un accroissement du taux de recouvrement de la cible. On rappelle que la formation du composé sur la cible s'accompagne d'une diminution du taux de pulvérisation, on parle aussi d'empoissonnement ou de contamination de la cible.
La différence entre les courbes avec et sans décharge représente la quantité de gaz consommée par les parois. L’inverse de la pente de la droite sans décharge correspond à la vitesse de pompage.
Comparaison avec d’autres méthodes de dépôt thumb|Une cible de pulvérisation avec une géométrie typique en anneau, ici de l’or, montrant la cathode constituée du matériau à déposer, l’anode contre-électrode et un anneau extérieur pour éviter la pulvérisation du foyer qui maintient la cible. Un important avantage de la pulvérisation comme technique de dépôt est que les films déposés ont la même composition que le matériau source. L’identité stœchiométrique entre le film et la cible pourrait surprendre du fait que le rendement de pulvérisation dépend de la masse atomique des atomes dans la cible. On pourrait donc s'attendre à ce qu'un composant d'un alliage ou d'un mélange pulvérise plus rapidement que les autres composants, menant à un enrichissement de ce composant dans le dépôt. Cependant, comme seuls les atomes à la surface de la cible peuvent être pulvérisés, l’éjection plus rapide d’un élément laisse la surface enrichie avec les autres, ce qui compense efficacement la différence dans les vitesses de pulvérisation. Ceci contraste avec les techniques thermiques d’évaporation, où un composant de la source peut avoir une pression vapeur plus élevée, il en résulte un film déposé avec une composition différente de la source.
Le dépôt par pulvérisation présente aussi un avantage sur l’épitaxie par jet moléculaire [molecular beam epitaxy (MBE)] à cause de sa vitesse. La vitesse plus élevée a pour conséquence l'incorporation inférieure d'impuretés parce que moins d’impuretés peuvent atteindre la surface du substrat dans une même quantité de temps. Les méthodes de pulvérisation peuvent en conséquence utiliser des gaz de processus avec des concentrations en d’impuretés bien plus élevées que la pression de vide pouvant être tolérée par les méthodes de MBE. Durant le dépôt par pulvérisation le substrat peut être bombardé par des ions à grande énergie et des atomes neutres. Les ions peuvent être déviés avec une polarisation du substrat et le bombardement peut être minimisé en pulvérisant loin de l’axe mais aux dépens de la vitesse de dépôt. Les substrats en plastique ne peuvent pas tolérer le bombardement et sont généralement traités par évaporation.
Types de dépôt par pulvérisation La pulvérisation cathodique magnétron thumb|left|Un canon magnétron à pulvérisation montrant le montage de la surface d’une cible, le passage de l’alimentation en vide, l’alimentation de puissance et le système de refroidissement à eau. Ce système utilise une cible en forme de disque par opposition à la géométrie en anneau illustrée ci-dessus. Les sources de pulvérisation sont habituellement des magnétrons qui utilisent des champs forts électriques et magnétiques pour emprisonner des électrons près de la surface du magnétron, qui est connu comme la cible. Les électrons suivent des trajectoires hélicoïdales autour des lignes de champ magnétique subissant plus de collisions ionisantes avec les éléments neutres gazeux près de la surface de cible, que cela ne se produirait autrement. Le gaz de pulvérisation est inerte, typiquement l’argon. Le supplément d’ions argon créés par suite de ces collisions conduit à une vitesse de dépôt plus élevée. Il signifie aussi que le plasma peut être maintenu à une plus basse pression. Les atomes pulvérisés sont électriquement neutres et donc insensibles au piège magnétique. L’accumulation de charges sur des cibles isolantes peut être évitée par l’utilisation de la pulvérisation RF (RF Sputtering) dans laquelle le signe de la polarisation anode-cathode est changé à haute vitesse. La pulvérisation RF fonctionne bien pour produire des films d’un oxyde très isolant mais seulement avec la dépense supplémentaire des alimentations pour la pulvérisation RF et des réseaux s’adaptant à l’impédance.
Des champs magnétiques parasites fuyant des cibles ferromagnétiques perturbent aussi le processus de pulvérisation. Des canons de pulvérisation spécialement conçus avec de très puissants aimants permanents doivent souvent être utilisés en compensation.
Dans le monde industriel, les revêtements par pulvérisation cathodique peuvent être utilisés pour leur esthétique et leurs applications décoratives.
Les couleurs interférentielles sont constituées par une sous-couche possédant une réflectivité importante sur laquelle une couche transparente diélectrique est déposée. D'une part, la lumière incidente est partiellement réfléchie et, d'autre part, elle traverse partiellement la couche transparente. Cette dernière a un indice de réfraction différent de celui de l'air. En interférant les unes avec les autres, les ondes réfléchies et réfractées provoquent une diminution ou une augmentation de la réflectivité. Par conséquent, un déphasage des différentes longueurs d'onde se produit. Selon l'épaisseur de la couche transparente diélectrique, le déphasage de longueurs d'onde peut être contrôlé et, de ce fait, la couleur du dépôtTraitement PVD sur des surfaces métalliques et céramiques planes..
Des couleurs indépendantes de l’épaisseur du dépôt peuvent également être obtenues en variant la composition chimique du dépôt. On parle alors de revêtement de couleurs intrinsèques. Ils peuvent être déposés à partir d’une source composée d’un alliage ou alors à partir d’une source d’un métal simple en présence d’un gaz réactif qui synthétise une céramique. L’épaisseur des couches est d’environ un micromètre et la diffusion du plasma permet un recouvrement uniforme de la périphérie des pièces de géométrie complexe. La croissance des revêtements est rigoureusement conforme à la topographie initiale de la surface de la pièce et reproduit ainsi les décors mécaniques. Grâce à une température de procédé basse (80 °C), il est possible de déposer sélectivement ces traitementsTraitement PVD sur des surfaces métalliques et céramiques de géométries complexes..
Dans certains cas, les films PVD décoratifs sont soumis à des contraintes d’usure, de friction ou de corrosion. Cette catégorie fait appel à certaines caractéristiques fonctionnelles des matériaux telles que la dureté, la densité et l’adhérence. Dans la majorité des cas, ces couches sont déposées à des températures supérieures à 200 °C. Afin de résister aux tests d’usure accélérés, l’épaisseur des dépôts est comprise entre . Ils résistent également aux contraintes chimiques du porté. Les domaines d’applications sont : Horlogerie, bijouterie-joaillerie, maroquinerie, instruments d’écriture, lunetterie. La variation de la composition chimique permet d’obtenir différentes couleurs (noire, jaune, grise, bleue, brune)Traitement PVD avec une propriété de dureté et ténacité élevées..
Chaque métal déposé par pulvérisation cathodique sous la forme d’une couche extrêmement fine de quelques nanomètres reste semi-transparent. Appliqués sur un substrat transparent, ces dépôts permettent de colorer la surface en conservant un degré d’opacité variable selon l’épaisseur du film semi-transparent. En combinant la pulvérisation cathodique avec d’autres technologies telles que la photolithographie, l’ablation laser, lift off ou l’attaque chimique, il est possible de revêtir sélectivement des surfacesTraitement PVD allié à d'autres techniques..
Le domaine du luxe utilise parfois des pièces serties de pierres précieuses. Des épargnes sélectives permettent de traiter ces pièces avec une excellente résolution entre les parties métalliques revêtues et les pierres non-revêtuesTraitement PVD bicolores..
La pulvérisation cathodique triode [(PCT)]