Leçon 11.9RevêtirChapitre 11 · Revêtements et finition de surface

Revêtement CVD

Des gaz réagissent sur une surface chaude et laissent un film

Le CVD (dépôt chimique en phase vapeur) fait croître un film solide à partir de gaz qui réagissent sur une surface chaude. Il dépose les couches ultra-minces à l'intérieur des puces et les revêtements durs de nombreuses plaquettes de coupe en carbure. Contrairement au PVD, le gaz pénètre dans les trous et contourne les angles, donc chaque surface reçoit un revêtement régulier.

Photo : NASA/GRC, Public domain, via Wikimedia Commons

Revêtement CVD · réacteur tubulaire, avec un gros plan de la réaction en surfaceLes numéros cerclés correspondent aux étapes ci-dessous ; l'encadré du bas zoome sur la chimie à la surface.

Comment ça marche

Charger les pièces. Des plaquettes (de fins disques de silicium pour les puces) ou des plaquettes de coupe en carbure sont empilées sur des supports à l'intérieur du réacteur, un tube ou une chambre étanche.
Chauffer et amener les gaz. Les pièces sont chauffées, typiquement à 500–1 100 °C pour le CVD thermique. Les gaz précurseurs arrivent : des gaz qui portent les atomes voulus, comme le silane pour le silicium ou le méthane pour le carbone.
Réagir sur la surface chaude. Près de la surface chaude, les molécules de gaz se décomposent et réagissent. Les atomes voulus restent en place sous forme d'un film solide, fortement lié.
Évacuer les sous-produits par pompage. Les gaz restants, comme l'hydrogène ou le chlorure d'hydrogène acide, sont pompés et épurés dans un laveur avant d'être rejetés.
Croître, puis refroidir. Le film s'épaissit uniformément sur toutes les surfaces que le gaz touche, de quelques nanomètres sur les puces à environ 5–20 µm sur les plaquettes d'outils. Le réacteur refroidit ensuite et les pièces sortent.

Chiffres clés

Matériaux: Films : silicium, oxyde et nitrure de silicium, tungstène, TiN, TiC, alumine, diamant, graphène. Pièces : plaquettes de silicium, carbure, céramiques, métaux réfractaires
Pièces typiques: Plaquettes de puces, plaquettes de coupe en carbure, cellules solaires, pièces optiques et d'usure
Taille de pièce: Plaquettes jusqu'à 300 mm de diamètre ; plaquettes de coupe de quelques centimètres ; de centaines à milliers de pièces par fournée
Précision: Films de quelques nanomètres à environ 20 µm, très uniformes, même dans les trous et les tranchées
État de surface: Lisse et dense, copie la surface dessous ; les revêtements d'outils sont gris, dorés ou noirs
Taille de série adaptée: Grands lots : des centaines de plaquettes ou des milliers de plaquettes de coupe par fournée
Coût d'outillage et de machine: Élevé à très élevé : les réacteurs industriels coûtent de centaines de milliers à des millions de dollars, les machines pour puces tout en haut
Vitesse: Lent : une fournée de revêtement d'outils dure typiquement de nombreuses heures ; les fines couches de puces prennent de quelques minutes à quelques heures

Atouts et limites

Atouts

Revêt toutes les surfaces que le gaz atteint, même à l'intérieur des trous
Films très uniformes et denses qui adhèrent fortement
Très large gamme de matériaux, du silicium au diamant
Couches exactes au nanomètre pour les puces, ou couches d'usure épaisses pour les outils

Limites

La forte chaleur, souvent près de 1 000 °C, exclut beaucoup d'aciers et de plastiques
Les gaz toxiques, inflammables ou corrosifs demandent une manipulation soigneuse
Réacteurs coûteux et longues fournées
Difficile à masquer : il revêt aussi des endroits où l'on ne le veut pas

Où on l'utilise

ÉlectroniqueCouches isolantes et conductrices à l'intérieur des puces, cellules solaires
Outils de coupeCouches épaisses de TiCN et d'alumine sur des plaquettes de tournage en carbure
OptiqueRevêtements durs et antireflet, fenêtres en diamant synthétique
BijouterieDiamants de laboratoire
AéronautiqueRevêtements d'aluminiures qui protègent les aubes de turbines des gaz chauds
RechercheFeuilles de graphène et nanotubes de carbone

Comment le reconnaître

Un revêtement régulier qui pénètre à l'intérieur des trous, des fentes et sur l'envers d'une pièce.
Des plaquettes en carbure avec un épais revêtement doré, gris ou noir dont les couches apparaissent en bandes sur un bord ébréché.
Les couleurs d'arc-en-ciel d'une plaquette de silicium : des films minces, souvent obtenus par CVD, dont l'épaisseur fixe la couleur.
Des certificats de diamants de laboratoire qui indiquent CVD.

À comparer avec

Revêtement PVD11.8les atomes partent en ligne droite d'une cible solide, à plus basse température ; le CVD utilise des gaz qui contournent les angles mais demande en général plus de chaleur.Dépôt par couches atomiques13.4une forme du CVD par étapes qui ajoute une couche atomique par cycle, pour des films ultra-minces et parfaits.Dépôt électrolytique11.5construit des couches métalliques à partir d'un liquide près de la température ambiante ; le CVD construit des céramiques et des semi-conducteurs à partir de gaz.

À regarder

Massachusetts Institute of Technology (MIT) · Une explication claire du fonctionnement du CVD et de son intérêt

Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · Les étapes de la réaction en surface, animées

Physics, Materials Science and Nano Lecture Series · Les principales variantes : à pression normale, à basse pression, avec un plasma

CVDEquipment · À quoi ressemble une vraie machine de CVD plasma

Voir de vraies photos

Wikipédia : Dépôt chimique en phase vapeur — types de réacteurs, matériaux et usages, avec des liens vers des photos
Recherche de photos sur Wikimedia Commons

À retenir

Le CVD fait croître un film solide à partir de gaz qui réagissent sur une surface chaude.
Le gaz arrive partout, donc les trous et les envers reçoivent aussi un revêtement régulier.
Les couches de puces, les épais revêtements de plaquettes et les diamants de laboratoire viennent tous du CVD.