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[[Fichier:E-gun metal evaporator (2511481625).jpg|vignette|Evaporateur métallique « E-gun » utilisé au centre de recherche « Thales Research & Technology » du milieu des années 80 jusqu’en 2004 pour l’évaporation des sandwichs métalliques de contact ohmique et de grille.]]
{{ébauche|physique}}▼
L’'''évaporation par faisceau d’électrons''' (aussi '''évaporation par faisceau électronique''' ; en anglais : ''Electron-beam physical vapor deposition / EBPVD'', aussi simplement ''electron-beam evaporation'') est une forme de [[Dépôt physique par phase vapeur|dépôt physique en phase gazeuse]], plus spécifiquement d’[[évaporation sous vide]], dans laquelle une [[anode]] cible sous [[Vide (physique)|vide poussé]] est bombardée par un [[Faisceau d'électrons|faisceau d’électrons]] émis par un [[canon à électrons]]. Le [[Faisceau d'électrons|faisceau d’électrons]] chauffe localement la cible, dont la [[matière]] ([[Atome|atomes]] ou [[Molécule|molécules]]) se [[Vaporisation|vaporise]] et [[Condensation|condense]] sous forme de [[couche mince]] sur le [[Substrat (électronique)|substrat]] (et les parois de la [[chambre à vide]])<ref name=":0">{{Article|langue=en|prénom1=R. F.|nom1=Bunshah|titre=High-rate evaporation/deposition processes of metals, alloys, and ceramics for vacuum metallurgical applications|périodique=Journal of Vacuum Science and Technology|volume=11|numéro=4|date=1974-07|issn=0022-5355|doi=10.1116/1.1312759|lire en ligne=https://pubs.aip.org/avs/jvst/article/11/4/814-819/249051|pages=814–819}}</ref>{{,}}<ref name=":2">{{Article|langue=en|prénom1=B. A.|nom1=Movchan|titre=Inorganic materials and coatings produced by EBPVD|périodique=Surface Engineering|volume=22|numéro=1|date=2006-02|issn=0267-0844|issn2=1743-2944|doi=10.1179/174329406X85029|lire en ligne=http://www.tandfonline.com/doi/full/10.1179/174329406X85029|pages=35–46}}</ref>.
== Introduction ==
[[Image:Edited EBPVD.jpg|frame|Schéma d’une installation d’'''évaporation par faisceau d’électrons''' (EBPVD).]]
Le [[Dépôt de couche mince|dépôt de couches minces]] est une famille de [[Procédé industriel|procédés]] largement utilisés, notamment :
* dans l’[[industrie des semi-conducteurs]], pour la fabrication de matériel [[Électronique (technique)|électronique]] ;
* dans l’[[industrie aérospatiale]], pour créer des revêtements de protection thermiques et chimiques afin de protéger les surfaces contre les environnements corrosifs ;
* en [[optique]], pour conférer la [[réflectance]] (ou la [[transmittance]]) souhaitée à un substrat ;
* en [[Mécanique (science)|mécanique]] (aussi pour l’[[usinage]] : les [[Foret|outils de coupe]]), pour des [[Traitement anti-usure|revêtements anti-usure]] ;
* et ailleurs dans l’industrie, pour modifier des [[Science des surfaces|surfaces]] et obtenir les propriétés désirées.
Les processus de dépôt peuvent être classés en [[Dépôt physique par phase vapeur|dépôt physique en phase vapeur]] (PVD) et [[dépôt chimique en phase vapeur]] (CVD). En CVD, la croissance du film se déroule à des températures élevées, conduisant à la formation de produits gazeux corrosifs, et il peut laisser des impuretés dans le film.
Le processus de PVD peut être effectué à des températures inférieures et sans produits corrosifs, mais les vitesses de dépôt sont généralement plus faible. Avec l’évaporation par faisceau d’électrons, cependant, on obtient un taux de dépôt élevé de 0,1 à 100 µm/min à une température de substrat relativement faible, avec une efficacité très élevée d’utilisation de matière.
== Processus de dépôt en couche mince ==
=== Évaporation de la source ===
Dans un système EBPVD, la [[Chambre à vide|chambre de dépôt]] (photo et schéma ci-contre) est usuellement sous [[Vide (physique)|haut vide]], à une [[pression]] de {{x10|-4}} [[Torr]], soit environ {{x10|-2}} Pa. Le [[matériau]] à évaporer est sous forme de [[lingot]]. On peut avoir plusieurs [[Canon à électrons|canons à électrons]], ayant chacun une puissance de quelques dizaines à des centaines de kW. Pour chaque source, le [[Faisceau d'électrons|faisceau d’électrons]] ainsi généré est accéléré à une [[énergie cinétique]] élevée et concentré sur le lingot. Lorsque la tension d’accélération est comprise entre 20 kV - 25 kV et le courant du faisceau de quelques [[Ampère (unité)|ampères]], ~ 85 % de l’énergie cinétique des électrons est convertie en [[énergie thermique]] lorsque le faisceau frappe la surface du lingot ; les pertes sont ~15% par émission d’[[Électron secondaire|électrons secondaires]] (et ~0.1% par [[rayons X]])<ref name=":2" />. La température de surface du lingot augmente, entrainant la formation de liquide fondu en surface, qui s’[[Évaporation|évapore]] dans le [[Vide (physique)|vide]].
[[en:Electron beam physical vapor deposition]]▼
Le lingot est lui-même enfermé dans un [[creuset]] en [[cuivre]], refroidi par circulation d’[[eau]]. Le niveau de liquide en fusion à la surface du lingot est maintenu constant par le déplacement vertical du lingot. Le nombre de lingots dépend du matériau à déposer. Le taux d’évaporation peut atteindre {{unité|1|e=-2|g|4=cm|5=-2|6=s|7=-1}}, bien plus que la pulvérisation<ref name=":0" />{{,}}<ref name=":2" />.
=== Stoechiométrie des couches ===
Certains [[Composé chimique|composés]], comme les [[Carbure|carbures]] [[Matériau réfractaire|réfractaires]] tels que le [[carbure de titane]] et les [[borure]]s comme le [[borure]] de [[titane]] et le [[borure]] de [[zirconium]], peuvent se [[Vaporisation|vaporiser]] de manière [[Congruence|congruente]], c’est-à-dire en conservant leur [[Stœchiométrie|stoechiométrie]]. Ces composés sont déposés par évaporation directe. Dans ce processus, ces composés, compactés sous la forme de lingot, sont évaporés dans le vide par le [[Faisceau d'électrons|faisceau focalisé d’électrons]] de haute énergie et les vapeurs sont condensées directement sur le substrat<ref name=":1">{{Article|langue=en|prénom1=Douglas E.|nom1=Wolfe|prénom2=Jogender|nom2=Singh|titre=Titanium carbide coatings deposited by reactive ion beam-assisted, electron beam–physical vapor deposition|périodique=Surface and Coatings Technology|volume=124|numéro=2-3|date=2000-02|doi=10.1016/S0257-8972(99)00644-1|lire en ligne=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0257897299006441|consulté le=2023-04-29|pages=142–153}}</ref>.
Certains [[Oxyde|oxydes]] [[Matériau réfractaire|réfractaires]] et [[Carbure|carbures]] subissent une [[Décomposition chimique|décomposition]] partielle lors de leur [[évaporation]] par le [[Faisceau d'électrons|faisceau d’électrons]], ce qui entraine une [[stœchiométrie]] différente du [[matériau]] initial. Par exemple, l’alumine (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>), évaporée par [[Faisceau d'électrons|faisceau d’électrons]], se dissocie partiellement. Certains [[Carbure|carbures]] et [[Nitrure|nitrures]] réfractaires (tels que [[Carbure de silicium|SiC]], [[Carbure de tungstène|WC]], [[Nitrure de titane|TiN]], [[Nitrure de zirconium|ZrN]] et [[Nitrure d'aluminium|AlN]]) se [[Thermolyse (chimie)|décomposent]] par chauffage et les éléments dissociés ont des volatilités différentes<ref name=":2" />. Ces [[Composé chimique|composés]] peuvent être déposés sur le substrat soit par évaporation réactive ou par coévaporation. Dans le processus d’évaporation réactive, le [[métal]] est évaporé à partir du lingot par le [[Faisceau d'électrons|faisceau d’électrons]]. Les vapeurs sont transportées par le gaz réactif, qui est de l’[[oxygène]] en cas d’[[Oxyde|oxydes]] ou de l’[[acétylène]] dans le cas des [[Carbure|carbures]]<ref name=":1" />. Lorsque les conditions thermodynamiques sont réunies, les vapeurs réagissent avec les gaz à proximité du substrat pour former le film. Les films de carbure métallique peuvent aussi être déposés par la coévaporation<ref name=":2" />. Dans ce processus, deux lingots sont utilisés, l’un pour le métal et l’autre pour le [[carbone]]. Chaque lingot est chauffé avec une énergie de faisceau différent de sorte que leur taux d’évaporation peut être contrôlé. Quand les vapeurs arrivent à la surface, elles se combinent chimiquement dans de bonnes conditions thermodynamiques pour former une [[couche mince]] de [[carbure]] métallique.
=== Le substrat ===
Le [[Substrat (électronique)|substrat]] sur lequel le [[Dépôt de couche mince|dépôt de couche]] doit avoir lieu est nettoyé aux ultrasons et fixé sur le porte-substrat. Le porte-substrat est attaché à l’arbre de manipulateur. L’arbre manipulateur se déplace en translation pour ajuster la distance entre le lingot source et le substrat. L’arbre tourne aussi le substrat à une vitesse spécifique afin que le film se dépose uniformément.
Le substrat peut être chauffé afin d’améliorer la compacité des [[Couche mince|couches]], selon la [[température homologue]] et le diagramme structure-zone de Movchan & Demchishin<ref name=":0" />{{,}}<ref name=":2" />{{,}}<ref>{{Article|langue=en|auteur1=B.A. Movchan|auteur2=A.V. Demchishin|titre=Study of the structure and properties of thick vacuum condensates of nickel, titanium, tungsten, aluminium oxide and zirconium oxide|nature article=traduction du russe|périodique=The Physics of Metals and Metallography|volume=28|numéro=4|date=1969|lire en ligne=https://www.researchgate.net/publication/236393433|pages=83-90}}</ref>; ce chauffage peut être réalisé par un flux d’[[Électron|électrons]] à haute énergie de l’un des [[Canon à électrons|canons à électrons]] ou par [[Rayonnement Infrarouge|rayonnement infrarouge]], avec des lampes de chauffage.
La [[Microstructure (matériaux)|microstructure]] et la compacité des [[Couche mince|couches]] peut aussi être optimisée par bombardement ionique (cf. ci-après).
=== Dépôt assisté par flux ionique ===
Certains systèmes EBPVD sont équipés de [[Canon à ions|canons ioniques]]. Ces sources d’ions sont utilisées sur le substrat pour la [[gravure]], le nettoyage et le contrôle de la [[Microstructure (matériaux)|microstructure]] du substrat : on parle de '''dépôt assisté par flux ionique''' (anglais : ''IBAD – ion-beam assisted deposition''). Les faisceaux d’ions bombardent la surface et modifient la [[Microstructure (matériaux)|microstructure]] du [[Couche mince|film]]. Lorsque la déposition a lieu sur la surface du substrat chaud, les [[Couche mince|films]] peuvent développer une contrainte de tension interne due à l’inadéquation des [[Coefficient de dilatation thermique|coefficients de dilatation thermique]] entre le [[Substrat (électronique)|substrat]] et le film. Des [[Ion|ions]] à haute énergie peuvent être utilisés pour bombarder ces [[Couche mince|revêtements]] et y induire une contrainte de compression. Le bombardement ionique augmente également la densité du [[Couche mince|film]] (réduction de la [[microporosité]]) modifie la [[Cristallite|taille de grain]] et transforme un film amorphe en film [[Polycristal|polycristallin]]. Des [[Ion|ions]] à faible [[énergie]] sont utilisés pour la croissance de [[Couche mince|films]] pour la production de [[Circuit intégré|circuits intégrés]].
Si le procédé est réalisé dans une atmosphère (cf. stoechiométrie ci-dessus) ou si la vapeur est [[Ionisation|ionisée]], un potentiel négatif d’une [[Tension électrique|tension]] de {{unité|100|V}} à {{unité|500|V}} peut être appliqué sur le substrat pour y induire un bombardement ionique<ref name=":0" />{{,}}<ref name=":2" />.
'''Note'''. Il ne faut pas confondre cette assistance ionique permettant de modifier et densifier la couche avec deux [[Procédé industriel|procédés]] différents de [[Dépôt physique par phase vapeur|dépôt physique de couches minces]] utilisant un [[Canon à ions|canon ionique]].
# La [[pulvérisation]] par faisceau ionique (anglais : ''ion-beam sputtering – IBS''), où le faisceau bombarde une cible du matériau à déposer.
# Le dépôt par faisceau ionique (anglais : ''ion-beam deposition'' ''– IBD''), où le [[Canon à ions|canon ionique]] dépose directement la [[couche mince]] sur le substrat.
== Avantages et inconvénients de l’EBPVD ==
=== Avantages ===
Le taux de dépôt dans ce [[Procédé industriel|procédé]] peut être aussi faible que 1 nm par minute et aller jusqu’à un maximum de quelques micromètres par minute. L’efficacité de l’utilisation des matériaux est élevée par rapport à d’autres méthodes, et le [[Procédé industriel|procédé]] offre un contrôle structurel et morphologique du [[Couche mince|film]].
Un gros avantage par rapport à la variante classique de l’[[évaporation sous vide]] ([[creuset]] chauffé par [[effet Joule]]) est le chauffage direct, ce qui évite largement l’[[Diffusion de la matière|interdiffusion]] avec le [[creuset]] ([[contamination]] de la source et dégradation du [[creuset]])<ref name=":2" />.
En raison du taux très élevé de déposition, ce [[Procédé industriel|procédé]] a une application industrielle potentielle pour les [[Traitement anti-usure|revêtements de protection d’usure]] et [[Protection thermique|thermique]] dans l’[[industrie aérospatiale]], les [[Traitement anti-usure|revêtements durs]] dans l’industrie d’[[outil]]lage et outils de [[coupe]] et des films électroniques et [[optique]]s dans l’[[industrie des semi-conducteurs]].
=== Inconvénients ===
L’EBPVD, comme l’[[évaporation sous vide]] en général, est un processus de dépôt « à vue ». Les mouvements de translation et de rotation du substrat améliorent lʼuniformité du revêtement de surfaces extérieures de géométrie complexe, mais ce processus ne peut pas être utilisé pour recouvrir une surface intérieure de géométrie complexe ([[vias]], tranchées, [[rugosité]], etc.).
Par rapport à la [[pulvérisation cathodique]], les atomes incidents n’ont qu’une faible [[énergie thermique]], ce qui est moins efficace pour densifier la couche, comme le montre le modèle structure-zone modifié de Thornton<ref>{{Article|langue=en|auteur1=John A. Thornton|titre=High rate thick film growth|périodique=Annual Reviews of Materials Research|volume=7|date=août 1977|doi=10.1146/annurev.ms.07.080177.001323|format=pdf|pages=239-260}}</ref>. Ce désavantage peut cependant être compensé par un bombardement ionique.
Un autre problème potentiel est que la dégradation du filaments du [[canon à électrons]] entraine un taux d’évaporation non uniforme.
== Voir aussi ==
{{Autres projets
| wiktionary = évaporation par faisceau d’électrons
}}
=== Références ===
<references />
=== Articles connexes ===
{{Palette|Revêtement de surface}}
[[Catégorie:Dépôt sous vide de couches minces]]
[[Catégorie:Microélectronique]]
[[Catégorie:Physico-chimie des interfaces]]
[[Catégorie:Faisceau d'électrons]]
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