Parylène - Définition

Introduction

Le parylène est un film polymère biocompatible qui se dépose sous vide après évaporation et transformation de son précurseur. Cet article passe en revue la structure du motif du polymère qui constitue le parylène et qui explique comment son procédé de mise en œuvre unique est possible. Les propriétés de conformité et d'uniformité, d'isolation électrique et de barrière chimique, découlant de sa structure et de son procédé de mise en œuvre sont présentées. Ses propriétés optiques et de surface sont aussi exposées ainsi que les différents types de parylène. En effet, en modifiant le motif du polymère de parylène, les propriétés macroscopiques du revêtement s'en trouveront changées.

Introduction

La découverte du film polymère de poly-p-xylylène [Szwarc, 1948], communément appelé parylène, ainsi que la simplification de son processus de déposition [Gorham, 1966] sont à l’origine d’une fantastique épopée scientifique et industrielle. Depuis plus de trente ans le parylène a su répondre aux attentes notamment par de nouveaux développements dans sa structure chimique. La principale originalité de ce revêtement réside dans son procédé de mise en œuvre, puisque obtenu à partir de la condensation de monomères gazeux sur les surfaces. Ce procédé assimilable à de la CVD (Chemical Vapor Deposition) confère à ce revêtement des propriétés inégalables en termes de conformabilité et d’uniformité. De plus, comme la déposition s’effectue à température ambiante en l'absence de solvant, il n'y a pas de stress résiduels dans le film [Dabral, 1992]. Ce film transparent, semi cristallin, d’une épaisseur de quelques dizaines nanomètres ou pouvant dépasser les 100 μm, présente une grande stabilité thermodynamique, une excellente résistance aux solvants [Spivack, 1969] ainsi qu’une très faible perméabilité [Yeh, 1989]. Ces propriétés le rendent particulièrement intéressant en tant que couche protectrice d’éléments sensibles à leur environnement d’utilisation, comme par exemple des capteurs ou implants médicaux [Schmidt, 1988]. Enfin, ses propriétés diélectriques en font un matériau de prédilection dans des applications d’isolation électrique de tout ordre [Juneja, 2006]. Ainsi, le parylène va servir diverses industries telles que l’électronique, le médical, la micromécanique, le militaire, les ferrites, aimants ou tous autres matériaux à tendance pulvérulente, les silicones et élastomères, les micro et nanotechnologies, etc.

Principe de déposition et polymérisation

Illustration du principe de déposition du parylène.

La déposition du parylène, connue sous le nom le procédé de Gorham [Gorham, 1966], utilise le tricyclo[8.2.2.2⁴, 7]hexadeca-4,6,10,12,13,15-hexaene ou [2,2]paracyclophane, comme précurseur. Le paracyclophane se présente sous une forme solide pulvérulente. Ce principe de déposition se décompose en trois étapes.
Sous vide primaire (~10^-1 Pa) :
1. Le paracyclophane solide est chauffé à >100 °C pour se sublimer.
2. Les vapeurs de paracyclophane transitent par une zone de pyrolise à >500 °C permettant la rupture des deux liaisons C–C aliphatiques et la formation de deux molécules de p-xylylène réactive.
3. Pénétrant dans la chambre de déposition à température ambiante, les molécules de p-xylylène s’adsorbent sur les surfaces et polymérisent spontanément formant le film de parylène.

Une trappe froide est placée à la suite de la chambre de déposition afin de protéger l'équipement de pompage en capturant tout résidu volatile.

L’épaisseur du film déposée dépend de la surface totale revêtue ainsi que de la quantité de paracyclophane sublimée.

Le mécanisme de polymérisation spontanée du parylène thermique a été beaucoup étudié et les principales voies considérées sont résumées [Utley, 2002].

Expérimentalement on détermine que le taux de déposition dépend de la température et de la pression de gaz de p-xylylène dans la chambre ; une augmentation de la pression augmente le taux de déposition proportionnellement, alors qu'une augmentation de la température le diminue. Il y a cependant une pression maximale à ne pas dépasser, sans quoi la formation des chaînes de poly-p-xylylène commence partiellement avant la condensation altérant la qualité finale du film et une pression seuil minimale pour qu'un trimère se forme, amorçant ainsi la polymérisation. Plusieurs modèles de cinétique de déposition du parylène en fonction de la pression de gaz de p-xylylène dans la chambre et de la température du substrat à revêtir ont été développés. Les plus anciens se basent sur la cinétique de la réaction chimique d'un monomère s'ajoutant à la chaîne et postulent que la concentration de monomère de p-xylylène sur la surface contrôle la croissance du film. Ils peuvent être séparés en trois catégories suivant le modèle utilisé ; Flory, Langmuir ou Brunauer-Emmett-Teller. Une nouvelle approche considère que le taux d'absorption d'un monomère sur la surface est le facteur limitant et inclut les phénomènes de physisorption et chimiesorption dans un potentiel de Lennard-Jones. Ce modèle dit de la "Chemisorption" offre la meilleure correspondance avec les données expérimentales [Fortin, 2002].

Le taux de déposition des différents types de parylène dépend de plusieurs facteurs tels le poids moléculaire du monomère gazeux, l’encombrement stérique, ou surtout la réactivité des monomères gazeux. En effet, leur réactivité va se trouver très largement affectée par la présence d’éléments de substitution. Leur position sur le cycle aromatique, ou sur les deux carbones aliphatiques, modifie la polarité de la molécule et donc sont niveau d’interaction avec le substrat ou la couche en croissance.

L'adhérence du film parylène sur la surface des substrats à revêtir est essentielle pour garantir toutes les propriétés du film. La préparation de surface est donc très importante. L’inertie chimique du parylène ne conduit bien souvent qu'à des interactions faibles, de type Van Der Walls avec le substrat. Un plasma ou un agent de couplage, de type silane, peuvent être appliqués dans une phase de prétraitement. Les silanes permettent de créer un pont entre un substrat inorganique et le film via des liaisons covalentes plus fortes. Il existe 2 types de techniques de déposition qui dépendent du type de pièces à revêtir; une technique statique pour les pièces fragiles ou de grandes dimensions (~cm) et une technique en brassage constant où les pièces sont en vrac.