État actuel et perspectives d'avenir de l'industrie des cibles de pulvérisation cathodique

(I) Aperçu général de l'industrie des cibles de pulvérisation cathodique

1. Historique du développement de la technologie de préparation des couches minces

Les matériaux en couches minces sont formés par condensation, formation et croissance d'atomes ou de molécules à la surface d'un substrat (par exemple, du verre optique). L'application d'une couche mince par un procédé de revêtement confère de nouvelles propriétés composites à la surface du matériau, ouvrant la voie à de nouvelles applications techniques. Ceci confère à la surface du matériau de nouvelles fonctions mécaniques, décoratives et des propriétés spécifiques telles que des propriétés acoustiques, électriques, optiques, magnétiques et thermiques, ainsi que leurs conversions, améliorant ainsi les performances initiales du produit, sa qualité et sa durée de vie.

Aux débuts de l'industrie des matériaux en couches minces, les limitations liées aux techniques de préparation et aux propriétés des matériaux restreignaient leur utilisation à des applications telles que la résistance à la corrosion et la fabrication de miroirs. Grâce aux progrès technologiques, notamment dans les systèmes de vide et de détection pour la préparation des couches minces, leurs performances se sont considérablement améliorées et leurs domaines d'application se sont rapidement diversifiés. Depuis les années 1950, avec l'essor des industries de l'électronique et de l'information, les technologies et les matériaux de préparation des couches minces ont démontré leur intérêt pour la production à grande échelle de circuits imprimés et la miniaturisation des circuits intégrés. Aujourd'hui, la synthèse et la préparation des couches minces sont devenues indispensables au développement de nouveaux matériaux. Ces technologies et matériaux sont largement utilisés dans divers secteurs clés de la technologie moderne et de l'économie nationale, tels que l'aérospatiale, l'électronique, la santé, l'énergie et les communications.

La technologie de dépôt sous vide est fondamentale pour la préparation des couches minces ; la quasi-totalité des matériaux destinés à cet usage doivent être préparés sous vide ou à basse pression. Selon leurs principes de fonctionnement, les technologies de dépôt sous vide se divisent en CVD (dépôt chimique en phase vapeur) et PVD (dépôt physique en phase vapeur). Le CVD est un procédé qui dépose des couches minces sur un substrat par réactions chimiques de mélanges gazeux, ce qui limite le choix des réactifs et des produits. De plus, les réactions chimiques nécessitant des températures relativement élevées, le substrat est généralement chauffé, ce qui restreint le choix des matériaux. Le PVD, quant à lui, dépose des couches minces aux propriétés spécifiques sur un substrat par des moyens physiques. Il offre un large choix de matériaux de dépôt et de substrat, un contrôle plus précis de l'épaisseur du film, une meilleure adhérence et une plus grande applicabilité. Ce procédé de dépôt est plus économe en énergie, plus sûr et plus respectueux de l'environnement, ce qui en fait aujourd'hui la technologie dominante pour la préparation des couches minces.

Classée selon son procédé et sa voie technique, la technologie de revêtement sous vide PVD comprend principalement le revêtement par évaporation sous vide et le revêtement par pulvérisation cathodique sous vide. Le revêtement par évaporation sous vide est simple, pratique et offre une vitesse de formation de film rapide, ce qui l'a rendu dominant lors des premières phases de développement. Cependant, en raison de son incapacité à évaporer les métaux réfractaires et les matériaux oxydes, de sa faible aptitude au revêtement de substrats de grande taille et d'autres facteurs, il a progressivement été remplacé par le revêtement par pulvérisation cathodique sous vide. Ce dernier offre une bonne reproductibilité et une épaisseur de film contrôlable, permettant le dépôt de films uniformes sur des substrats de grande surface. Les films obtenus présentent des avantages tels qu'une pureté élevée, une bonne densité et une forte adhérence au substrat, ce qui en fait l'une des technologies de choix pour la production industrielle de divers films minces. Face à l'augmentation constante des exigences de performance des films minces, la technologie de pulvérisation cathodique sous vide a fait l'objet d'améliorations et d'itérations continues. Pulvérisation magnétronique Cette technologie est actuellement la plus utilisée.

Le matériau de revêtement principal utilisé dans la pulvérisation cathodique magnétronique est la cible de pulvérisation. Selon la forme de cette cible, on distingue la pulvérisation cathodique magnétronique plane et la pulvérisation cathodique magnétronique rotative. La pulvérisation cathodique magnétronique consiste à accélérer des ions sous vide grâce à un champ électrique afin de former un faisceau d'ions à haute énergie cinétique qui percute une surface solide. Les atomes de la surface solide sont pulvérisés et se déposent sur la surface de l'objet à revêtir. Le solide (cible de pulvérisation) bombardé par les ions à haute vitesse constitue la source du film mince, agissant comme une cible lors du processus de dépôt.

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2. Structure et classification des cibles de pulvérisation cathodique

Une cible de pulvérisation cathodique désigne la source de pulvérisation cathodique déposée sur un substrat dans des conditions de traitement appropriées via des systèmes de revêtement comme la pulvérisation cathodique magnétronique pour former divers films minces fonctionnels.

Une cible de pulvérisation cathodique est principalement composée d'un support (ou d'un tube de support). Le support est l'élément central de la cible ; il sert de matériau cible bombardé par le faisceau d'ions de haute énergie cinétique lors du processus de pulvérisation. Lorsque les ions frappent le support, les atomes de sa surface sont pulvérisés et se déposent sur le substrat pour former un film mince. Le tube de support sert principalement à fixer et à maintenir le support, ainsi qu'à assurer la conduction thermique et électrique. Il est généralement en métal. Les cibles de pulvérisation cathodique devant être installées dans un équipement dédié, et cet équipement fonctionnant sous haute tension et vide poussé, la plupart des supports présentent des caractéristiques telles qu'une relative malléabilité, une grande fragilité et une faible conductivité électrique et thermique, les rendant inadaptées à une installation et une utilisation directes. Elles doivent donc être collées sur un tube de support.

Avec les progrès constants de la technologie de revêtement par pulvérisation cathodique magnétronique et le développement continu des exigences des applications en aval, les matériaux utilisés pour les cibles de pulvérisation sont devenus de plus en plus diversifiés. Actuellement, les matériaux utilisés pour préparer les cibles de pulvérisation comprennent des métaux/non-métaux purs, des alliages et Composés céramiquesLes cibles élémentaires métalliques/non métalliques sont composées du même élément métallique ou non métallique et présentent une pureté élevée ainsi que des microstructures spécifiques. On peut citer, par exemple, les cibles de cuivre (Cu), d'aluminium (Al), de molybdène (Mo), de titane (Ti), de silicium (Si), de graphite (C) et de bore (B). Elles constituent des matières premières importantes pour la préparation de films conducteurs d'électrodes, de couches barrières, de couches d'adhérence et de films réfléchissants. Les cibles en alliage sont synthétisées à partir de deux métaux ou non-métaux, voire plus, et possèdent certaines caractéristiques métalliques. C'est le cas, par exemple, des cibles en titane-aluminium (TiAl), en nickel-chrome (NiCr) et en molybdène-niobium (MoNb). Les cibles en alliage présentent des propriétés spécifiques supérieures à celles des cibles élémentaires, répondant ainsi aux besoins de conception et de développement de nouveaux systèmes de films fonctionnels. Les cibles composites céramiques sont composées d'un ou plusieurs oxydes frittés à haute température, et possèdent des structures et des caractéristiques céramiques, comme les cibles ITO (oxyde d'indium-étain), IZO (oxyde d'indium-zinc), AZO (oxyde d'aluminium-zinc), etc. Les cibles composites céramiques présentent des avantages tels qu'une résistance élevée, un point de fusion élevé, une bonne stabilité chimique et une résistance à la corrosion, mais elles ont une faible capacité de déformation plastique, sont sujettes à la rupture fragile et sont difficiles à préparer en grandes dimensions.

Pour réaliser un dépôt par pulvérisation cathodique, il est indispensable d'utiliser des cibles de pulvérisation cathodique avec un équipement dédié. Ces cibles se classent en deux catégories selon leur forme : les cibles planes et les cibles rotatives. Les cibles planes, de forme allongée, carrée, ronde, etc., d'une épaisseur donnée, sont constituées d'un support collé sur une plaque. Lors de la pulvérisation, le support et le substrat sont parallèles et face à face. Des aimants placés sous la plaque créent un champ électromagnétique entre le support et le substrat. Les cibles rotatives sont des cibles tubulaires ; les aimants, placés à l'intérieur du tube, créent un champ électromagnétique dirigé vers le substrat. Selon la nécessité ou non d'un collage sur une plaque ou un tube, on distingue les cibles monolithiques et les cibles collées. Les cibles monolithiques sont généralement des cibles métalliques, formées directement à partir de métal lors de leur fabrication, sans support ni tube. Elles ne nécessitent aucun collage et peuvent être installées et utilisées immédiatement. Les cibles collées sont généralement des cibles non métalliques ou en composite céramique, qui doivent être collées sur une plaque ou un tube avant la pulvérisation.

3. Position et rôle de l'industrie des cibles de pulvérisation cathodique dans la chaîne industrielle, et ses relations avec les industries en amont et en aval

La chaîne de valeur de l'industrie des cibles de pulvérisation cathodique comprend principalement la purification des métaux, la fabrication des cibles, le revêtement par pulvérisation et les applications finales. Parmi ces étapes, la fabrication des cibles constitue un maillon essentiel de cette chaîne. La qualité et les performances des cibles de pulvérisation cathodique déterminent directement la qualité et la stabilité des produits finaux.

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Dans la chaîne de production des cibles de pulvérisation cathodique, l'étape de purification des métaux en amont consiste principalement à éliminer les impuretés des métaux naturels afin de répondre aux exigences de l'étape de fabrication des cibles. Cette dernière requiert de nombreux procédés fins et complexes, ainsi qu'une conception de procédé unique basée sur les performances et les exigences des applications en aval. L'étape de revêtement par pulvérisation cathodique consiste principalement à installer la cible dans un équipement dédié pour réaliser la réaction de pulvérisation, à préparer des couches minces aux propriétés variées (conductivité, isolation, photoconductivité, piézoélectricité, magnétisme, lubrification, supraconductivité, résistance à l'usure, décoration, etc.) et à procéder au conditionnement des composants. Les applications finales consistent à utiliser ces composants conditionnés pour fabriquer des produits destinés aux utilisateurs finaux.

Matériau essentiel à la fabrication industrielle de couches minces, les cibles de pulvérisation cathodique sont largement utilisées dans les circuits intégrés semi-conducteurs, les écrans plats, les cellules solaires, le stockage de l'information, le verre à faible émissivité et d'autres domaines. Les exigences relatives aux technologies de fabrication et aux performances des cibles de pulvérisation cathodique varient selon les applications.

Les cibles de pulvérisation cathodique sont essentielles à la fabrication des circuits intégrés semi-conducteurs. Chaque composant d'un circuit intégré comprend notamment un substrat, une couche isolante, une couche diélectrique, une couche conductrice et une couche protectrice. Parmi celles-ci, les couches diélectrique, conductrice et protectrice nécessitent un dépôt par pulvérisation cathodique. Depuis l'avènement des circuits intégrés, l'industrie des CI s'est développée rapidement selon le modèle « une génération d'équipements, une génération de procédés, une génération de produits ». Avec l'augmentation constante de la densité d'intégration des puces, les exigences de performance des cibles de pulvérisation cathodique utilisées dans la fabrication des CI sont devenues de plus en plus élevées. Les cibles de pulvérisation cathodique pour circuits intégrés semi-conducteurs représentent actuellement le domaine le plus complexe techniquement au sein de l'industrie.

Les écrans plats représentent le secteur d'application générant le plus grand volume de demande en cibles de pulvérisation cathodique. Le dépôt de couches est une étape fondamentale dans l'industrie moderne des écrans plats. Afin de garantir l'uniformité des couches minces sur de grandes surfaces, d'améliorer l'efficacité de la production et de réduire les coûts, la quasi-totalité des écrans plats utilisent un nombre important de cibles de pulvérisation cathodique pour la préparation de divers films fonctionnels. De nombreuses performances des produits finaux tels que les téléviseurs, les ordinateurs, les téléphones portables et les écrans automobiles, comme la résolution et la transmittance lumineuse, sont étroitement liées aux performances des films déposés. Comparées aux circuits intégrés semi-conducteurs, les exigences en matière de pureté et de caractéristiques techniques des cibles de pulvérisation cathodique dans le domaine des écrans plats sont légèrement inférieures. Cependant, à mesure que la taille des cibles augmente, les exigences relatives à leur uniformité, leur planéité et leur taux de soudure s'accroissent.

Les cellules solaires représentent un domaine d'application prometteur pour les cibles de pulvérisation cathodique. Ces cibles servent principalement à la fabrication des électrodes arrière des cellules solaires à couches minces et des couches conductrices des cellules solaires à hétérojonction (HJT). Ces dernières années, le soutien à l'industrie photovoltaïque s'est accru à l'échelle mondiale. La technologie des cellules solaires a connu un développement rapide, passant des premières cellules en silicium monocristallin et polycristallin à la troisième génération de cellules solaires à couches minces. La pulvérisation cathodique est la méthode de préparation privilégiée pour ces cellules. Parallèlement, afin d'améliorer encore le rendement de conversion photoélectrique et de réduire les coûts de fabrication, de nouvelles technologies de cellules solaires, telles que les cellules HJT, émergent constamment. La généralisation et la promotion des cellules solaires stimuleront la croissance rapide de la demande de cibles de pulvérisation cathodique.

De plus, les cibles de pulvérisation cathodique trouvent de nombreuses applications dans le stockage de l'information, le revêtement du verre, les revêtements décoratifs, le revêtement d'outils et de moules, et d'autres domaines. Comparées aux secteurs des circuits intégrés semi-conducteurs et des écrans plats, les exigences techniques relatives à la pureté et à l'orientation des grains des cibles de pulvérisation cathodique sont généralement moins élevées dans des domaines tels que le stockage de l'information, le revêtement du verre et les revêtements décoratifs. Tout en respectant les exigences de qualité et techniques, ces secteurs privilégient les coûts, la capacité de production, la stabilité de l'approvisionnement et les délais de livraison.

(II) Développement mondial de l'industrie des cibles de pulvérisation cathodique

Les cibles de pulvérisation cathodique haute performance ont émergé parallèlement au développement d'industries telles que les semi-conducteurs, les écrans plats, le stockage de l'information et la microélectronique. Ce secteur, caractérisé par de multiples propriétés techniques (électriques, magnétiques, thermiques, réflectivité et couleur), est typiquement technologiquement intensif. Les exigences en matière de technologies de production, de machines et d'équipements, de processus et d'environnement de travail sont très strictes, et ce marché a longtemps été dominé par des entreprises étrangères. Depuis les années 1970, avec l'approfondissement continu de l'innovation technologique dans les industries de l'électronique et de l'information, de nombreux fabricants de cibles de pulvérisation cathodique haute performance ont vu le jour dans des pays ou régions développés comme les États-Unis, le Japon et l'Europe. Maîtrisant les technologies clés, ces entreprises ont mis en place des mesures très strictes de confidentialité et de licences de brevets, occupant ainsi une position dominante sur le marché mondial des cibles de pulvérisation cathodique. Selon les statistiques, entre 1990 et 1998, le Japon représentait 58 % des brevets de cibles de pulvérisation cathodique déposés aux États-Unis par le monde, les États-Unis 27 % et l'Allemagne 11 %. De plus, la régionalisation caractéristique de la fabrication mondiale haut de gamme a encore davantage concentré la part de marché des matériaux clés en amont, tels que les cibles de pulvérisation haute performance, dans les pays ou régions développés.

Depuis les années 1980, l'industrie de l'information électronique, principalement tirée par les circuits intégrés semi-conducteurs, les écrans plats, le stockage de données et les dispositifs de stockage optique, a connu un développement rapide, marqué par une évolution technologique soutenue. La demande en films de matériaux clés et en cibles de pulvérisation cathodique pour la fabrication des produits associés n'a cessé de croître. Par exemple, dans la fabrication des circuits intégrés semi-conducteurs, les films conducteurs en cuivre, moins résistifs, ont remplacé les films en aluminium pour le câblage ; dans l'industrie des écrans plats, le développement simultané de diverses technologies d'affichage a également entraîné une augmentation constante de la demande en cibles de pulvérisation cathodique ; dans le secteur du stockage de données, la capacité de stockage des mémoires magnétiques a progressé sans cesse, et de nouveaux matériaux d'enregistrement magnéto-optiques ont vu le jour en permanence. Le développement rapide des applications en aval a fortement stimulé l'essor de la technologie de pulvérisation cathodique magnétronique et de l'industrie des cibles de pulvérisation. L'apparition de nouvelles cibles de pulvérisation a également permis de répondre aux exigences techniques et de performance des nouveaux composants électroniques.

Avec la généralisation des applications de divers matériaux en couches minces déposés par pulvérisation cathodique dans des domaines tels que les circuits intégrés semi-conducteurs, les écrans plats et le stockage de l'information, la demande en aval pour ce matériau fonctionnel à haute valeur ajoutée n'a cessé de croître. Le marché des cibles de pulvérisation cathodique haute performance a connu une expansion significative, affichant une croissance rapide. Selon les données de l'Institut de recherche industrielle de Hua Jing et de l'Institut de recherche industrielle de Zhongshang, entre 2016 et 2023, la taille du marché mondial des cibles de pulvérisation cathodique est passée de 11,3 milliards USD à 25,8 milliards USD, soit un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 12,52 %. À l'avenir, avec le développement de nouvelles infrastructures et de nouveaux domaines d'application tels que l'Internet des objets (IoT), le Big Data, les nouveaux écrans, les cellules solaires et le verre à économie d'énergie, les applications finales des cibles de pulvérisation cathodique s'étendront encore davantage, et la taille du marché mondial continuera de croître de manière constante.

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S'appuyant sur leur position de pionniers en matière de technologies brevetées, leurs solides compétences techniques, leur maîtrise de la production et la haute qualité de leurs produits, les grands fabricants de cibles de pulvérisation cathodique des pays et régions développés, tels que les États-Unis, le Japon et l'Europe, ont conquis une part de marché importante sur le marché mondial des cibles de pulvérisation cathodique. De grandes multinationales, représentées par JX Nippon Mining & Metals, Honeywell, Tosoh et Praxair, ont été créées très tôt, bénéficient d'une longue expérience et maîtrisent l'ensemble de la chaîne de valeur, de la purification des métaux à la fabrication des cibles, en passant par le revêtement par pulvérisation cathodique et les applications finales. Grâce à leur position de leader et à leurs atouts en matière de recherche et développement, ces entreprises orientent le développement et l'innovation technologique du secteur et détiennent un avantage considérable dans le domaine des cibles de pulvérisation cathodique. Elles représentent actuellement environ 80 % du marché mondial. Par ailleurs, d'autres multinationales, dotées de solides capacités financières, d'une expertise technologique de pointe et d'une riche expérience industrielle, telles que Mitsui Kinzoku, Sumitomo Chemical, Ulvac, HC Starck et Plansee, occupent des positions dominantes sur leurs segments de cibles respectifs.