Parylène - Définition
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Structure du parylène
Le p-xylylène ou p-quinodiméthane, constitue le motif de base du parylène. Sa structure à huit atomes de carbone est plane [Beach, 1988]. La mécanique quantique a montré que son état fondamental se présentait sous une forme quinoïde alors que son premier état excité sous une forme aromatique diradicale. La différence d'énergie est de 50 kJ/mol [Coulson, 1947]. La molécule sous sa forme quinoïde est diamagnétique (tous les électrons de valence sont couplés) alors que sa forme aromatique est paramagnétique.
Si l’énergie de résonance du système est source de stabilité du p-xylylène (159 kJ/mol) [Gazicki-Lipman, 2007], la grande densité électronique au voisinage des deux groupes méthyle générée par leur position en "para" implique une haute réactivité permettant la polymérisation spontanée à température ambiante.
Différents types de parylène
La substitution des hydrogènes aromatiques par des éléments ou des groupements modifie les propriétés du film. Les premiers essais de substitution ont été effectués avec les halogènes (chlore et brome) puis avec les groupes éthyles, méthyles, acétyle ou encore cyano. Seuls les parylène chlorés ont trouvé une application industrielle. Il existe 3 types disponibles de parylène, N, C et D. Par rapport au parylène N non substitué, le parylène C présente une plus faible perméabilité aux gaz, une meilleure résistance aux acides, une meilleure isolation électrique en basses épaisseurs (< 5 μm), un film avec une meilleure résistance mécanique et à l'usure, et un meilleur rendement de déposition. Le parylène D résiste lui mieux en température et présente une meilleure barrière à certains gaz et solvants.
Pour des applications biologiques, des recherches ont conduits à des substitutions utilisant les groupes amine, aminomethyle, hydroxyméthyle, hydroxy ou formyle, pour par exemple, favoriser les interactions entre le film et les acides aminés constitutifs des protéines.
Propriétés du revêtement parylène
Consécutivement à ce procédé de déposition, le film parylène obtenu présente une uniformité d’épaisseur sur toutes les zones affleurant et suit parfaitement la surface du substrat quelle que soit sa complexité morphologique. La grande mobilité du p-xylylène en phase gazeuse assure un pouvoir de pénétration important au film même à l'intérieur d’une porosité ou d'un orifice non débouchant. En éliminant toute intervention (solvant, additif, …) ou réaction de composés parallèles, la fiabilité et la reproductibilité de toute l’opération de revêtement n’est sous la dépendance que des paramètres physiques du procédé et du niveau de pureté du précurseur. Grâce à une mise en œuvre à température ambiante, la couche ainsi formée dépourvue de stress internes, ne sera soumise à un quelconque retrait. Cette procédure rend également le procédé très écologique puisque le processus chimique se déroule en vase clos tandis que les rejets minimes se présentent sous forme solide facilement traitables sur la trappe froide.
La planéité du p-xylylène et la délocalisation des électrons sur le cycle aromatique laissent penser que la croissance des chaînes de polymère est parallèle à la surface du substrat bien qu'il ne semble pas exister de démonstration univoque. Des mesures ont cependant parfaitement illustré que le film est continue (pinhole free) dès 50 nm sur une surface plane et dès 0,5 μm sur tout type de pièces [Beach, 1988].
Les cycles aromatiques du parylène lui confèrent une importante stabilité thermodynamique et par suite des propriétés de barrière imperméable aux solvants et aux gaz. Cette inertie chimique le rend notamment biocompatible et biostable. Le film de parylène est semi cristallin et son taux de cristallinité est très variable. Il va dépendre des conditions de déposition et du type de parylène. Il peut être modifié via un post-traitement thermique augmentant sa stabilité thermodynamique et ses propriétés de barrière, la phase cristalline étant plus compacte que la phase amorphe et les interactions entre les chaînes plus grandes.
Compte tenu de la faible polarisabilité du motif monomère constitutif du parylène, la constante diélectrique du film est basse (low-k). C'est donc un film isolant pouvant par exemple, avec une épaisseur de 10 μm, résister à 4 000 V.
Concernant ses propriétés de surface, le film présente un bas coefficient de friction, de l'ordre de 0.2 à 0.3 ainsi qu’un caractère hydrophobe avec un angle de mouillabilité de 85 à 90 °.
L'indice de réfraction du film se situe entre 1.6 et 1.7 selon le type de parylène. Dans le spectre visible, le parylène ne présente que quelques absorptions marginales, le film est donc transparent. Dans l'ultraviolet, le parylène présente une forte absorption en dessous de 280 nm de longueur d'onde. Entre 3 000 et 50 000 nm, la transmission du rayonnement est variable, au-delà seules quelques singularités subsistent.
Il a été expérimenté que les propriétés du film restent inchangées après une exposition à une haute dose de rayons gamma (1 MSv) sous vide. À contrario, en présence d’oxygène, si le parylène est soumis à un rayonnement ultraviolet [Fortin, 2001] ou chauffé au-delà de 200 °C durant de longues périodes, il est sujet à se dégrader. En effet, les hydrogènes aliphatiques, présentant une certaine labilité qui est accentuée par la présence immédiate du cycle aromatique, vont pourvoir être substitués. Cette substitution déstabilise la liaison aliphatique C–C et entraîne finalement une scission de la chaîne polymérique. Il s’agit d’une oxydation du polymère aboutissant à la formation de groupements carbonyles et carboxyles sur les cycles aromatiques.
Le revêtement parylène possède de nombreuses certifications notamment dans le domaine médical, électronique militaire et spatial.
