Les promesses des plasmas micro-ondes

Le CEA a livré récemment à la société HEF un prototype de source de plasma micro-ondes à aimants permanents, susceptible de réaliser des dépôts à forte valeur ajoutée dans d'excellentes conditions techniques et économiques. L'utilisation industrielle est encore loin - 3 à 5 ans - mais les perspectives sont prometteuses : un rendement d'usure des cibles nettement amélioré et des dépôts plus compacts sans assistance ionique.

A l'origine de la collaboration entre le CEA et la société HEF, initiée en 1996, un besoin clairement identifié chez l'industriel : "nous cherchions un nouveau procédé de dépôt de matériaux difficiles à obtenir en magnétron, tels qu'oxydes, nitrures diélectriques ou matériaux magnétiques, explique Christophe Héau, responsable du service Couches dures. Il s'agissait principalement d'améliorer le rendement d'usure des cibles, qui ne dépassait pas les 30% avec les magnétrons, et de réduire la pression de travail sous les 10-3 mbar afin d'améliorer la qualité des dépôts". En effet, le matériau arraché à la cible se dépose d'autant mieux sur la pièce qu'il n'entre pas en collision avec des atomes sur son trajet ; plus la pression diminue, plus la probabilité d'une telle collision baisse.
Au CEA, les recherches sur ce type de sources ont débuté en 1991 avec la construction de deux prototypes. Ceux-ci comportent des bobines de champ magnétique parcourues par un courant de 1000 ampères et refroidies par un circuit d'eau à 16 bars, ce qui interdit toute utilisation industrielle. En revanche, les atouts de la pulvérisation cathodique par plasma micro-ondes sont clairement mis en évidence. Ainsi, contrairement aux magnétrons, la création du plasma est indépendante de la cible, ce qui autorise le dépôt de couches d'oxydes, de nitrures ou de matériaux magnétiques à basse pression (10-4 mbar) avec un procédé simplifié. Autre atout, l'usure des cibles métalliques dépend de la forme du plasma : elle peut donc être beaucoup plus homogène, atout économique important qui permettrait pour des matériaux coûteux (chrome, nitrure de chrome par exemple) de réduire le coût du dépôt de 10 à 20%.
En réalisant et en faisant fonctionner ces prototypes, le CEA a aussi acquis une maîtrise des technologies employées. Il réalise ainsi, à la demande de HEF, le prototype d'étude livré en juin 1999. Principale nouveauté : les bobines laissent place à des aimants permanents de 0,5 T. Une puissance micro-ondes est injectée dans la structure magnétique ainsi constituée, et provoque l'ionisation d'un gaz. Ce plasma diffuse jusqu'à une cible métallique polarisée négativement, devant laquelle défilent les pièces à recouvrir. Les premiers essais réalisés chez HEF montrent que la hauteur de la nappe de plasma est de 20 cm, et que la densité d'ions sur la cible peut atteindre 20 mA/cm2 pour une pression de 5x10-4 mbar (avec des ions Ar+). Autre élément positif, la qualité des dépôts : "ils sont très peu colonnaires et ont des propriétés optimales" précise Christophe Héau.
En revanche, d'autres aspects du prototype d'étude doivent encore être améliorés. Sa limitation en courant, donc en puissance, limite la vitesse de dépôt. L'usure des cibles, même si elle est plus homogène, doit encore progresser. Autant de sujets qui imposeront de nouvelles études amont sur la physique du procédé ; si les obstacles actuels sont résolus, l'utilisation industrielle courante pourrait débuter d'ici 3 à 5 ans.