FR2500852A1

FR2500852A1 -

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Publication number: FR2500852A1
Application number: FR8203446A
Authority: FR
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1981-03-02
Filing date: 1982-03-02
Publication date: 1982-09-03
Also published as: GB2093866A; JPS57203773A; BE892326A; SE455602B; USRE33530E; IT8219920A0; FR2500852B1; CH657381A5; US4426267A; ATA47082A; GB2093866B; AT378971B; NL8200838A; SE8200697L; DE3107914A1; JPH0211669B2; DE3107914C2; US4544468A; IT1150221B

Abstract

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LE DEPOT D'UNE COUCHE REGULIERE MEME SUR DES PIECES FACONNEES COMPLEXES, PAR PULVERISATION CATHODIQUE DU MATERIAU DE CIBLE D'UN PREMIER SYSTEME CATHODIQUE, AVEC CONCENTRATION D'UN PREMIER ESPACE DE DECHARGE (NUAGE DE PLASMA) AU VOISINAGE DE LA SURFACE DE LA CIBLE PAR UN PREMIER CHAMP MAGNETIQUE (PIEGE A PLASMA) CONFINE FACE A LA CIBLE. LES PIECES FACONNEES SONT EXPOSEES SIMULTANEMENT, SUR LA FACE OPPOSEE AU PREMIER SYSTEME CATHODIQUE 6, A LA PULVERISATION D'UN SECOND SYSTEME CATHODIQUE 2 IDENTIQUE. LES DEUX SYSTEMES 6, 7 SONT DISPOSES DE FACON A DELIMITER UNE FENTE DANS LAQUELLE LA DECHARGE S'AMORCE ET LES PIECES SONT DEPLACEES. UNE TENSION NEGATIVE PAR RAPPORT A LA MASSE EST APPLIQUEE A LA PIECE, AVEC UNE AMPLITUDE TELLE QUE LES ESPACES DE DECHARGE DES DEUX SYSTEMES S'ETENDENT JUSQU'A VENIR EN CONTACT AVEC LA PIECE.

Description

La présente invention concerne un procédé pour le dépôt sur une face

tridimensionnelle de pièces façonnées de couches par pulvérisation cathodique du matériau de cible d'un premier système cathodique avec concentration d'un premier espace de décharge (nuage de plasma) au voisinage de la surface de la cible par un premier champ magnétique (piège à plasma) confiné face à la cible, ainsi qu'un dispositif pour

la mise en oeuvre dudit procédé.

Un procédé analogue de dépôt sur une face bidimensionnelle de substrats est par exemple décrit dans la demande de brevet de-la République fédérale d'Allemagne publiée sous le n0 22 43 708. Par suite du sens préférentiel de migration des ions pulbérisés, le procédé ou le dispositif connu ne permettent pas de réaliser un dépôt sur des pièces façonnées, ou le permet avec des limitations uniquement quand lesdites pièces effectuent un mouvement continu de rotation par rapport

au système cathodique. Un tel mouvement de rotation superpose ne per-

met toutefois pour l'essentiel un dépôt que sur les faces latérales des pièces tournantes, tandis que le dépôt est insuffisant sur les faces frontales. Pour y remédier, il est nécessaire d'utiliser des portessubstrats permettant des mouvements composites complexes autour de trois axes différents. Les dispositifs d'entraînement de tels porte-substrats sont coûteux et ne permettent qu'une très faible capacité du dispositif. La raison en est que le dépôt sur les substrats ne s'effectue pratiquement que suivant une seule direction, de sorte que l'opération de revêtement dure longtemps. Le chargement de tels

porte-substrats est en outre fastidieux par suite de la fixation néces-

saire des substrats. De tels porte-substrats ne conviennent généralement

pas pour des installations à passage continu.

Par rapport à l'évaporation sous vide dans laquelle les parti-

cules évaporées se déplacent en ligne droite entre la source et le substrat, ce qui se traduit par des répartitions d'épaisseur et des compositions de couche extrêmement irrégulières, la pulvérisation cathodique présente comme l'ionoplacage l'avantage d'être mise en oeuvre sous une pression de 5 x 10 à 5 x 102 n1, * Il en résulte que le libre parcours moyen des ions et atomes participant au processus se situe entre 5 et 50 mnm, de sorte que les diverses particules subissent des ctlisicns répétees entre la source et le substrat. Il se produit

ainsi un transport de matériau irrégulier, qui permet dans une cer-

taine mesure un dépôt "sur les coins".

T.e précédé CVD, qui s'est largement imposé pour de nombreuses applications, serait certes favorable pour la réalisation d'un dépôt sur toutes les faces de pièces façonnées, mais ne convient pas pour des pièces sensibles à la température, car il exige des températures de substrat de 900 à 1100 C. Ces températures ne conviennent pas pour des aciers rapides, dont la sollicitation thermique maximale est de l'ordre de 600 C-La plage de température précitée ne convient absolument pas pour des procédés de dépôt sur des boîtiers ou des bracelets de montre par exemple, sur lesquels il s'agit d'obtenir de façon -reproductible une surface semblable à ce l'or.Les bracelets de montre contiennr.ent en outre souvent des ressorts qui ne supportent

aucune sollicitation thermique élevée.

Dans le cas du dépôt sous vide, la température du substrat se situe par contre avantageusement entre 200 et 500 C, et peut être

ajustée spécifiquement à l'application considérée. L'ionoplacage pré-

sente à première vue des cenditions plus favorables que la pulvérisation cathodique. Par suite de la tension d'accélération élevée appliquée au substrat, de 3000 à 5000 V, et du bombardement ionique résultant, les températures de substrat se situent dans ce processus entre 250 et 500 C, favorisant ainsi la croissance de couches cristallines dures,

telles que des couches de nitrure de titane. Dans' le cas de la pulvé-

risation catbodique, il'chauffement se fait essentiellement par bom-

bardement electroniaue secondaire. Les températures résultantes se situent entre 50 et 300 'C, et sont souvent trop faibles pour obtenir

la dureté de couche requise.

Le procèdé de pulvérisation cathodique du type décrit en intro-

duction, souvent appelé pulvérisation cathodique haute puissance ou "pulvérisation magnétron", offre par suite de la géométrie de la

décharge des conditions idéales pour le dépôt en fonctionnement continu.

Des installations de dépôt à production élevée sont ainsi pos-

sibles. La particularité de la pulvérisation haute puissance réside dans le piège à plasma formé par les lignes de champ magnétique et limitant pour l'essentiel la décharge a la zone superficielle de la cible, de sorte que le matériau de la cible subit un arrachement particulièrement intense. Il en résulte des taux de pulvérisation et de dépôt nettement plus élevés. Ce phénomène a toutefois fait l'objet

de descriptions très détaillées dans les publications, de sorte qu'il

est inutile d'y revenir.

Les faits suivants sont en outre favorables au procédé de pulvé-

risation cathodique: il est possible de construire des cathodes d'une

longueur atteignant plusieurs mètres et on dispose désormais d'un sys-

tème particulièrement élaboré de commande et régulation de processus.

La possibilité de températures de substrat inférieures à 250 OC étend par exemple le domaine d'application aux matières plastiques, bracelets de montre équipés de ressorts sensibles à la température, matériaux coulés sensibles a la température, etc. La pulvérisation cathodique permet en outre de déposer sans difficulté des alliages et composés

métalliques, de titane et de zirconium par exemple.

Alors que la charge de la cible est au maximum de 5 W/cm environ

dans le cas de la pulvérisation cathodique classique sans champ magné-

tique, elle peut atteindre 25 W/cm dans le procédé de pulvérisation

décrit en introduction. Les taux de pulvérisation et de dépôt réalisa-

bles sont proportionnels a la puissance fournie à la cible. Les densités élevés de porteurs de charge obtenues dans ce processus réduisent la tension de décharge à 200-600 V, ce qui augmente finalement la charge

admissible de la cible.

Le porte-substrats perd sa fonction anodique habituelle par suite de l'action du champ magnétique et de la concentration du plasma devant

la cible. Dans la pulvérisation haute puissance, les électrons s'écou-

lent vers le récipient ou les équipements internes de l'installation de

pulvérisation, tandis que les substrats demeurent plus ou moins froids.

Dans la pulvérisation haute puissance, les températures s'établissent entre 50 et 300 0C sur les substrats, selon le volume et la conductibilité

thermique de ces derniers.

La pulvérisation haute puissance est également applicable à la pulvérisation réactive de cibles métalliques. Les détails de ce procédé font toutefois partie depuis longtemps de l'art antérieur, de sorte

qu'une description des divers cycles réactionnels possibles avec les

gaz réactifs les plus divers est inutile. Plusieurs propositions utiles ont également déjà été faites pour la commande ou la régulation des

procédés de pulvérisation réactive, de sorte qu'il est possible d'obte-

nir des couches à propriétés reproductibles, telles que des oxydes,

nitrures ou carbures.

Le procédé de pulvérisation haute puissance a jusqu'à présent été essentiellement appliqué au revêtement de substrats lents, le domaine

d'emploi s'étendant du revêtement de pastilles de silicium et de subs-

trats céramiques en microélectronique à des plaques de verre de plusieurs

mètres carrés, en passant par des substrats de verre pour affichages LCD.

Le taux de dépôt diminue quand la distance à la cible augmente. En

d'autres termes, l'épaisseur de la couche déposée ne peut pas être cons-

tante en tous les points d'une pièce façonnée. A cet effet se superposent en outre des ombres au moins partielles, résultant de la géométrie de la pièce façonnée. Dans un processus de pulvérisation réactive, les taux de dépôt différents se traduisent par des compositions différentes du dépôt selon la distance à la cible. Ce résultat est dû au fait que la tension partielle du gaz réactif est pratiquement constante dans tout l'espace de décharge, tandis que les proportions stoechiométriques du dépôt dépendent de la probabilité de collision des particules métalliques et des particules de gaz réactif. Il en résulte que la dureté de la couche est différente sur la face en regard de la cible et sur la face arrière, ou que dans le cas de couches décoratives par exemple, la nuance or d'un boîtier de montre n'est pas la même sur les faces avant et arrière. L'influence du bombardement ionique dépend en outre également de la distance, par suite d'une tension de polarisation U du substrat, Sub ce qui conduit à des températures différentes et à une action différente

de l'effet d'autonettoyage.

L'invention vise par suite à améliorer un procédé du type décrit

en introduction, afin d'obtenir sur toute la surface de pièces façon-

nées, même de géométrie complexe, un dépôt dont les principales pro-

priétés sont régulières, ces dernières comprenant la résistance chimique

et mécanique, y compris la dureté, l'aspect, l'épaisseur et la compo-

sition chimique de la couche.

il Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la ou les pièces façonnées sont.exposées simultanément, sur la face opposée au premier système cathodique, à la pulvérisation d'un second système cathodique avec le même matériau de cible et avec concentration d'un second espace de décharge au voisinage de la surface de cible par un second champ magnétique confiné face à la cible; et une tension USub négative par rapport à la masse est appliquée à la pièce façonnée, avec une amplitude telle que les espaces de décharge des deux systèmes

cathodiques s'étendent jusqu'à venir en contact avec la pièce façonnée.

L'invention ne se limite pas à une disposition symétrique de deux phénomènes de décharge sur les deux faces de la ou des pièces façonnées; l'application d'une tension négative Usub aux pièces façonnées joue en outre un rôle essentiel. Une fenêtre du dispositif permet une très bonne observation de l'apparition de l'état selon l'invention. Entre deux systèmes cathodiques classiques comprenant des générateurs de champ magnétique (cathodes haute puissance, magnétrons), s'établissent d'abord deux décharges séparées par un espace sombre et limitées à la zone située juste devant les deux surfaces de cible. Il n'y a pas de substrat ou de pièce façonnée au départ. Lorsqu'un substrat relié à une tension

négative (par rapport à la masse) de valeur appropriée est ensuite dépla-

cé dans l'espace compris entre les cibles, les espaces de décharge ou

nuages de plasma augmentent brusquement jusqu'à ce qu'ils entourent com-

plètement la pièce façonnée. Dans le cas de petites pièces, les nuages

de plasma se pénètrent ou se traversent, de sorte'qu'une décharge lumi-

nescente remplit l'espace compris entre les cibles. La luminosité de la

décharge augmente aussi brusquement.

Il est également possible de procéder à l'inverse, en introduisant d'abord la pièce façonnée dans l'espace compris entre les cibles, sans la relier au potentiel de masse. Les décharges luminescentes ne varient alors pas de façon sensible. Lorsqu'une tension est alors appliquée à la pièce façonnée puis augmentée continûment, les nuages de plasma grandissent progressivement en direction de la pièce façonnée, jusqu'à

ce qu'ils l'atteignent et l'entourent. Il est ainsi facile de détermi-

ner la tension négative USub pour laquelle les espaces de décharge des deux systèmes cathodiques s'étendent jusqu'à la pièce façonnée avec

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laquelle ils viennent en contact. La tendance est que cette tension doit être d'autant plus élevée que la distance entre les deux espaces de décharge (sans pièce façonnée) est plus grande et la pièce façonnée

plus "mince".

Par suite de la tension de polarisation de la pièce façonnée, il se produit ainsi un développement et une pénétration mutuels des deux décharges dans le plasma, avec condensation du-matériau de dépôt sur tous les côtés. La stoechiométrie du condensat étant pratiquement

garantie même sur la surface du substrat dans les processus de pulvé-

risation réactive, on obtient une couche de composition extrêmement homogène. La répartition d'épaisseur de la couche est également très régulière, c'est-à-dire que des effets sensibles d'ombre ne peuvent pas être observés. La répartitition de dureté ou, dans le cas de couches décorat.%,es, l'aspect de la surface est également très régulier sur toute la pièce façcnnée. Les pièces façonnées peuvent être maintenues à ute faible temperature malgré la grande dureté de la couche, de sorte qu'il est par exemple possible de réaliser un dépôt parfait sur des boîtiers de montre et des bracelets équipés de ressorts. On obtient en

outre ine excellente adhérence des couches déposées.

Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les paramètres du procédé, tels que puissance de pulvérisation par unité

de surface de cible, écartement des cibles, intensité du champ magné-

tique, sont choisis de façon que les espaces de décharge des deux sur-

faces de cible se coupent au moins partiellement,'même en l'absence de la ou des piéces façonnées; et la tension USub (négative) appliquée a la pièce façonnée est au miinimum de 10 V par rapport à la masse. La tendanrce et les grandeurs d'influence des divers paramètres du procédé seront décrites ci-après. Il suffit de préciser ici que l'intensité du champ;Eagnétique est réduite par rapport à celle usuelle pour la pulvérisation haute puissance, ce qui permet de compenser partiellement

la forte contraction habituelle de la décharge. Une tension USub rela--

tivemient faible suffit par suite pour amplifier ou régulariser l'action

de la d4charge sur la pièce fagonnée.

Le procédé selon l'invention permet aussi la production de cou-

ches dures, de nitrures en particulier. Selon une autre caractéristique de l'invention, les paramètres de pulvérisation suivants sont réglables par rapport aux deux dispositifs cathodiques tension de décharge UE 200 à 500 V tension de substrat U -b -50 à -500 V puissance de pulvérisation N 5 à 30 W/cm, et de préférence 10 à 15 W/cm, rapportée à la surface de cible champ magnétique 150 à 350 Oe, et de préférence 200 à 250 Oe écartement des cibles 80 à 200 mm, et de préférence 100 à 150 mm, plus l'épaisseur 'D" de la pièce façonnée pression de pulvérisation 1 x 10-3 à 5 x 10-2 mb et de préférence x 10 -3 à 2 x 10-2 mb température de la pièce 150 à 500 OC, et de préférence 250 à

façonnée 300 OC.

Le procédé selon l'invention se prête en particulier à la produc-

tion de couches en nitrure de titane (TiN). Selon une autre caractéris-

tique de l'invention, l'atmosphère de pulvérisation à une pression totale de 5 x 10 à 2 x 10 mbar contient, outre un gaz rare (argon),

de l'azote sous une tension partielle de 4 x 10 à 8 x 10 mb,.

Le dépôt de nitrure de titane sur des pièces façonnées pour diverses applications fait l'objet d'études depuis plusieurs années. Le

développement a porté en particulier sur les possibilités de traite-

ment d'outils, tel que le revêtement de forets, fraises ou plaquettes amovibles. Un nouveau domaine d'application s'est récemment ouvert, à savoir l'emploi de nitrure de titane comme produit de remplacement de l'or, par exemple pour le revêtement de bottiers de montre, bracelets

et autres objets d'usage courant. Les facteurs déterminants sont essen-

tiellement dans ce cas la réduction des coûts du matériau et la sup-

pression des problèmes d'eaux résiduaires, tipiques des processus clas-

siques de-galvanoplastie. La dureté de la couche, très supérieure à celle de l'or, est un avantage supplémentaire. Le contrôle du procédé selon l'invention est notablement développé par rapport à celui du

procédé classique. Ce point est important en particulier pour la pro -

duction reproductible des couches à nuance or précédemment décrites.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux

compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins

annexés sur lesquels: la figure 1 représente le courant de substrat I b circulant dans la pièce façonnée en fonction de la tension de substrat Us b' pour diverses distances "d" entre la cible et la pièce façonnée; la figure 2 représente le courant de substrat ISub circulant dans la

pièce façonnée en fonction de la tension de substrat USubJ pour diver-

ses puissances rapportées à la cible; la figure 3 représente la température du substrat dans-l'état d'équilibre (auto-échauffement par bombardement ionique) en fonction de la tension de substrat, pour diverses valeurs de la distance "d" et de l'intensité H du champ magnétique;

la figure 4 représente la variation de divers paramètres de la pulvéri-

sation en fonction de la distance cible-substrat, dans le cas du mon-

tage d'une seule cathode; la figure 5 est identique a la figure 4, mais correspond au montage

d'une cathode de chaque côté; -

la figure 6 représente la variation du courant de substrat ISub circu-

lant dans la pièce façonnée, dans le cas d'un montage selon figure 5; la figure 7 représente la variation de la'dureté d'une couche de TiN en fonction de la tension partielle d'azote pendant la pulvérisation; la figure 8 représente un diagramme d'Auger de la'constitution de la couche; la figure 9 représente la variation de la dureté d'une couche de TiN en fonction de la température du substrat;

la figure 10 est une vue en perspective d'un dispositif selon l'inven-

tion pour fonctionnement discontinu; la figure 11 est une coupe du montage des cathodes selon figure 10, à plus grande échelle et le système cathodique intérieur étant monté; et

la figure 12 représente le schéma d'une grande installation selon l'in-

vention pour fonctionnement continu.

La figure 1 illustre la relation suivante. D'après les indica-

tions précédentes, l'action du champ magnétique dans la pulvérisation haute puissance concentre le plasma juste devant la cible. Le substrat est en principe isolé électriquement de l'espace de décharge. Il n'est pas entouré par le nuage de plasme. Lorsqu'on applique une tension de polarisation négative U Sub' comprise entre -100 et -2500 V, à une pièce façonnée en cuivre par exemple et pesant 200 g, il circule entre

la chambre à vide portée au potentiel de masse et le substrat un cou-

rant ISub inférieur à 50 mA tant que la distance entre le substrat et

la cible est supérieure à 40 mm.Le substrat est découplé électriquement.

Ce résultat est d'autant plus remarquable que la tension de décharge devant le substrat n'est que d'environ USub = 350 V. La composante

horizontale H du champ magnétique est de 700 Oe. La pression de déchar-

ge est de 5 x 10 mb. Comme le montre la figure, il est possible d'aug-

menter très fortement la tension USub sans obtenir un accroissement sensible du courant Isub' Lorsque la distance tombe toutefois au-dessous d'une valeur déterminée, qui est de 25 mm dans le cas considéré, une liaison électrique est établie entre le nuage de plasma et le substrat, et le courant de substrat ISub croit brusquement dès une tension U -b - 300 V. Dans ces conditions, des ions positifs sont prélevés dans le plasma puis accélérés vers le substrat. Les conditions sont par suite

identiques à celles de l'ionoplacage. Le substrat commence à se pulvé-

riser, selon l'intensité du bombardement ionique qui peut être réglée

par la tension appliquée au substrat, c'est-à-dire que l'effet d'auto-

nettoyage connu et la possibilité renforcée de dépôt sur des parties

du substrat à l'ombre (surface rugueuse ou structurée) sont assurés.

La figure 2 illustre la relation suivante. L'effet décrit à l'aide de la figure 1 ne dépendpas uniquement de la distance substrat-cible, la limitation spatiale du nuage de plasma étant également influencée par la puissance fournie à la cible. L'extension du plasma croit avec la charge de la cible. La figure 2 montre nettement que le courant de

substrat augmente avec la puissance, même quand la distance targette-

substrat demeure constante et égale à 20 mm. La pression de décharge est de 5 x 10 mb; la composante horizontale du champ magnétique est

de 250 Oe et la surface du substrat d'environ 44 cm.

La figure 3 illustre la relation suivante. L'intensité du champ

magnetique est la troisième composante importante. La figure 3 repré-

sente l'auto-échauffement des substrats réalisable par bombardement

ionique, en fonction de la tension de substrat USub pour deux inten-

sités différentes du champ magnétique - 200 et 700 Oe - et pour deux distances différentes substrat-cible, de 28 et 50 mm. Une pièce façon-

née en cuivre de 200 g s'échauffe différemment selon les paramètres.

Le temps de dépôt est de 2 mn, la puissance de pulvérisation de 800 W

et la pression de décharge de 5 x 10-3 mb. On voit nettement que l'in-

tensité du champ magnétique exerce une action semblable à celle de la puissance de pulvérisation. Une intensité élevée du champ magnétique, de 7G0 Oe, contracte pratiquement le nuage de plasma et la température du substrat ne dépasse guère la valeur de 100 C, même pour une plus faible distance cible-substrat d = 28 mm. Lorsque l'intensité Hp du P champ magnétique est toutefois réduite à 200 Oe, le bombardement ionique permec dans ces conditions de décharge des températures de substrat dépassant 300 'C. Las tendances des divers paramètres sont ainsi illustrées. La figure 4 représente en outre la disposition spatiale d'une pièce façonnée cylindrique par rapport a la surface de la cible, qu'il

faut se représenter à l'oriline 0. L'axe longitudinal de la pièce façon-

née se trouve ainsi à une distance d'environ 60 mm de la surface de la cible. La pièce úaçonnée ne doit pas tourner pendant le transport de matière, qu'il faut se représenter comme parallèle a la surface de la cible. En ordonnées sont portés le taux de dépôt i, la densité d des p5 corteurs de charge et la tension partielle PN2 du gaz réactif (azote), en unrités arbitraires. La figure montre que le taux de dépôt selon la courbe A di!4inue quand la distance à la cible augmente. Ce comportement

présente les inconvénients précédemments décrits.

La figura 5 illustre les conditions dans le cas d'un montage de deux syst mes cathodiques de part et d'autre de la pièce façonnée F, avec zymétrie par rapport à ui plan. La surface gauche de la cible se

trcuv-e à l'origine 0, la surface de la cible droite à l'abscisse 120 mnm.

Les relations décrites à l'aide de la figure 4 sont valables pour chacun des systèmes cathcdiques, c'est-à-dire que les deux cibles présentent 33 les taux de dépôt en points et tirets, la courbe A1 dirigée vers le

haut et la gauche correspondant à la cible gauche et la courbe A2 diri-

gée vers le haut et la droite à la cible droite. La superposition des phénomènes produit toutefois une zone de dépôt dans laquelle règnent des conditions de condensation pratiquement constantes. La largeur de la zone à paramètres de condensation et de décharge constants dépend des divers paramètres du procédé et fait l'objet d'une optimisation du procédé et du dispositif, le dimensionnement du champ magnétique des cathodes haute puissance, de l'écartement des cibles, du rapport des pression du-gaz réactif et du gaz inerte (gaz vecteur), ainsi que les caractéristiques électriques sont essentiels. Les tendances intervenant dans les opérations d'optimisation ont été précédemment indiquées. La figure 6 illustre l'influence suivante. Le montage de deux cathodes augmente notablement le bombardement ionique du substrat et

par suite l'élévation de température réalisable et l'effet d'auto-

nettoyage. Avec un rapport surface de cible/surface de substrat de 3/1 et une cathode ayant une surface de cible de 430 cm, il est possible sous une tension de polarisation du substrat de 250 V de "prélever" 2 A environ, c'est-à-dire 500 W de charge du substrat quand la charge de la cathode est de 4,6 kW. Les sollicitations superficielles du substrat réalisable, d'environ 3,6 W/cm, sont ainsi du même ordre que

dans le cas de l'ionoplacage.

Exemple

Les essais suivants ont été effectués dans un dispositif du type décrit ci-après a l'aide des figures 10 et 11. Les deux cibles sont en titane afin de produire des couches de nitrure de titane. L'écartement des surfaces de cible est de 120 mm; la pression de pulvérisation est comprise entre 5 et 10 x 10 mb. Pour une charge de cible d'environ 11 W/cm, le taux de dépôt du nitrure de titane produit est d'environ 27 À /s. La tension partielle de l'azote, variant sur la plage des abscisses indiquées à la figure 7, s'est révélée être la principale grandeur d'influence. La figure 7 représente la dureté de la couche en fonction de la tension partielle d'azote. On voit que la condensation de couches de nitrure de titane très dures se produit sur une plage très étroite de tension partielle, comprise entre 6 et 7 x 10 mb dans les 2

conditions précitées. La dureté maximale de couches de TiN d'une épais-

seur de 5 pm sur des substrats en V2A est d'environ Hvio = 3000 kgf/mm2 Dans les conditions précitées, le condensat dans la zone de grande

dureté est constitué par du TiN pratiquement stoechiométrique.

- La figure 8 représente un diagramme d'Auger de la répartition de titane, azote, oxygène et fer en fonction de l'épaisseur de la

couche. La concentration des éléments précités est portée en pourcen-

tage atomique en ordonnées; l'épaisseur de la couche en pm est portée en abscisse. Entre 0,2 et 5 pm, la couche est essentiellement constituée par 43 % Ti et 50 % N. Une teneur en oxygène d'environ 5 % est en outre observée sur toute la profondeur. A la surface de la couche, on observe à une profondeur de 0,2 pm un enrichissement en oxygène, qui permet de

conclure à une fine pellicule d'oxyde. La teneur en oxygène croit éga-

lement à la base de la couche. Le revêtement oxydé du substrat en V2A

a probablement été réduit, l'oxygène atomique diffusant sous l'influ-

ence de la température vers la surface de la couche. La croissance rapide du signal Fe permet de déceler la surface du V2A (les signaux correspondant du Cr et du Ni ne sont pas représentés sur la figure). La décroissance relativement lente du signal Ti entre 5 et 6 pm indique

enfin une diffusion de Ti dans la surface du V2A. Ce phénomène est pro-

bablement la cause de la remarquable adhérence des couches de TiN ainsi déposées. La figure 9 illustre l'influence de la température du substratsur la dureté de la couche. Les pièces façonnées sont portées à une température comprise entre 50 et 600 'C par la tension de polarisation

différente du substrat et l'échauffement correspondant de ce dernier.

La dureté H croit d'environ 1000 à 3750 kgf/mm sur cette plage de v10 température. Le dispositif de pulvérisation cathodique selon figure 10 sert à réaliser des dépôts sur des pièces façonnées de petites dimensions, telles que boîtiers de montre, bracelets, petits forets, etc. Il s'agit d'une installation à fonctionnement discontinu, comportant une chambre à vide 1 d'un diamètre de 700 mm. La chambre à vide comprend une porte 2 ouvrant vers l'avant et un porte-substrats 3 cylindrique, tournant autour d'un axe vertical et dont l'enveloppe est constituée par des secteurs 4. Ces derniers comprennent des barreaux 5 sur lesquels sont fixés les pièces façonnées ou substrats. Un des secteurs est sorti vers l'avant, le long des droites tiretées, afin de dégager la

vue sur l'intérieur du dispositif.

Un premier système cathodique 6 est disposé sur la circonférence du portesubstrats 6.Dans l'état de fonctionnement, un second système cathodique 7, sorti vers l'avant sur la figure 10, se trouve en face du premier système, à l'intérieur du porte-substrats 3. La sortie du second système cathodique 7 vers l'avant s'effectue à l'aide d'un dispositif de guidage 8 sur la base de la chambre à vide 1. Le secteur 4 de l'enveloppe peut être replacé dans le porte-substrats dès que le second système cathodique est amené dans une position sur laquelle il est en regard du premier système cathodique, les plans de symétrie des deux systèmes se trouvant dans un plan radial du porte-substrats. Le dispositif est prêt à l'emploi quand les conditions de fonctionnement

précédemment décrites sont établies. L'alimentation électrique est assu-

rée par une armoire 9 et une adaptation haute fréquence 10, dont seul le boîtier est toutefois représenté. Le premier système cathodique 6 peut également être démonté, pour le changement de cible par exemple, mais cette opération s'effectue vers l'extérieur, à travers une paroi latérale de la chambre à bide. L'écartement des deux cathodes est de mm. La figure 11 représente les premier (6) et second (7) systèmes

cathodiques selon figure 10 en coupe ou en plan. Le trajet Il du porte-

substrats 3 ou des pièces façonnées est indiqué en points et tirets entre les systèmes cathodiques. Le trajet 11 est représenté liréaire, mais est en réalité légèrement courbé, selon le rayon du porte-substrats

3 sur la figure 10. Le trajet est effectivement linéaire dans le dispo-

sitif selon figure 12. Le premier système cathodique 6 comporte une première cible 12, tandis que le second système cathodique 7 comporte une seconde cible 13. Les générateurs de champ magnétique logés dans

les divers systèmes cathodiques et les lignes de champ magnétique tra-

versant par suite les cibles 12 et 13 ne sont pas représentés, car ils font partie de l'art antérieur. Les surfaces de cible sont iesignées 12a et 13a. Elles délimitent un espace intermédiaire 14, dans lequel

s'amorce la décharge luminescente provoquant le phénomène de pulvérisa-

tion. Il convient de noter en outre que le porte-substrats est isolé de la masse et de la chambre à vide 1 par une suspension isolante,

et relié à une source de tension produisant une différence de poten-

tiel négatif par rapport à la masse. Un dispositif selon les figures 10 et 11 permet de déposer en un cycle une couche de nitrure de titane de couleur or, d'une épaisseur de 0,25 pm, sur environ 350 à 500 boîtiers de montre d'homme, la durée du cycle étant d'environ 45 minutes. La figure 12 représente par contre une installation continue. Cette dernière est chargée par un sas 15,

qui comporte simultanément des dispositifs de chauffage 16 pour le trai-

tement thermique préalable. Cette installation permet le dépôt sur des

pièces façonnées d'un diamètre de 200 rmm max. Les pièces façonnées con-

sidérées sont d'abord portées à une température maximale de 500 C et

dégazées dans le sas 15. Ce dernier se raccorde à la chambre de pulvé-

risation 17 proprement dite. Vient ensuite un sas 18 pour la sortie des

produits revêtus. Afin de permettre un fonctionnement cadencé du dispo-

sitif, les sas 15 et 18, ainsi que la chanmbre de pulvérisation 17, sont

reliés a des pompes à vide séparées. La pose des canalisations d'aspi-

ration s'effectue de la façon représentée; Les pompes à vide utilisées

sont des pompes Roots 19, des pompes à palettes 20 et des pompes turbo-

moléculaires 21.

L'équipement du dispositif selon figure 12 avec des pompes sépa-

rées permet un fonctionnement cadencé. Pendant qutun lot de pièces façonnées à ievêtir est préchauffé dans le sas 15, un processus de dépôt s'effectue dans la chambre de pulvérisation 17 et un lot déjàa revêtu

se refroidit dans le sas 18. Deux vannes isolent la chambre de pulvéri-

sation 17 des sas.

Deux premiers systèmes cathodiques 6 et deux seconds systèmes

cathodiques 7 sont disposes dans la chambre de pulvérisation 17. L'écar-

tement des paires de cathodes 6/7 est réglable, afin d'obtenir des condaiions de cDndensation optimales pour les pièces façonnées les plus diverses. Les pièces façonnées sont revêtues en continu. Une rotation propre des pi-2ces façonn-es est possible, voire nécessaire selon leur taille. Il est en outre possible d'imprimer un mouvement

pendulaire aux pièces façonnées dans la chambre de dépôt, afin d'amé-

liorer encore la régularité de la couche. La capacité du dispositif selon figure 12 dépend des dimensions des pièces façonnées, de leur densité de chargement dans la chambre a vide et des paramètres de dépôt applicables, une optimisation des conditions étant facilement

possible d'après les indications précédemment données.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans

sortir du cadre de l'invention.

Claims

Revendications

1. Procédé pour le dépôt, sur une face tridimensionnelle de pièces façonnées, de couches par pulvérisation cathodique du matériau de la cible d'un premier système cathodique avec concentration d'un premier espace de décharge (nuage de plasma) au voisinage de la surface de la cible par un premier champ magnétique (piège à plasma) confiné face à la cible, ledit prodédé étant caractérisé en ce que la ou les pièces façonnées sont exposées simultanément, sur la face opposée au premier système cathodique, à la pulvérisation d'un second système cathodique avec le même matériau de cible et avec concentration d'un second espace de décharge au voisinage de la surface de cible par un second champ magnétique-confiné face à la cible; et une tension USub négative par rapport à la masse est appliquée à la pièce façonnée, avec une

amplitude telle que les espaces de décharge des deux systèmes catho-

diques s'étendent jusqu'à venir en contact avec la pièce façonnée.

2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que les para-

mètres du procédé (puissance de pulvérisation par unité de surface de cible, écartement des cibles, intensité du champ magnétique) sont choisis de façon que les espaces de décharge des deux surfaces de cible se coupent au moins partiellement, même en l'absence de la ou des pièces façonnées; et la tension Usub (négative) appliquée à la

pièce façonnée est de 10 V au minimum par rapport à la masse.

3. Procédé selon revendication 1 pour la production de couches dures, de nitrures en particulier, et caractérisé par le réglage des

paramètres de pulvérisation suivants par rapport aux deux systèmes catho-

diques: tension de décharge UE 200 à 1000 V tension de substrat USub -50 à -500 v puissance de pulvérisation N 5 à 30 W/cm, et de préférence 10 à 15 W/cm, rapportée à la surface de cible champ magnétique 150 à 350 0e, et de préférence 200 à 250 Oe écartement des cibles 80 à 200 mm, et de préférence 100 à mm, plus l'épaisseur "D" de la pièce façonnée pression de pulvérisation 1 x 103 à x o2 mb et de préférence x 10-3 à 2 x 10-2 mb température de la pièce façonnée 150 à 500 'Cn et de préférence 250 à

300 OC

4. Procédé selon revendication 3 pour la production de couches de

nitrure de titane (TiN), caractérisé en ce que l'atmosphère de pulvé-

risation, à une pression totale de 5 x 10 à 2 x 10 mb, contient, outre un gaz rare (argon), de l'azote sous une tension partielle de

-4 -4

4 x 10 à 8 x 10 mb.

5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon revendication 1, comportant un premier système cathodique avec une première cible et un générateur de champ magnétique pour concentration d'une première décharge au voisinage de la surface de la première cible par un premier

champ magnétique confiné face à cette dernière, ainsi qu'un porte-

substrats fixant les pièces façonnées dans la zone de dépôt ou les transportant à travers la zone de dépôt du premier système cathodique,

ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'en regard du premier sys-

tème cathodique (6) est disposé un second système cathodique (7) avec une seconde cible (13) du même matériau et un générateur de champ magnétique pour concentration d'une seconde décharge au voisinage de

la surface (13a) de la seconde cible (13) par un second champ magné-

tique confiné face à cette dernière; les surfaces (12a, 13a) des deux systèmes cathodiques (6, 7) sont en regard; le porte-substrats (3) est disposé sensiblement & mi-distance des surfacés de cible ou mobile dans l'espace intermédiaire (14) qui les sépare; et le porte-substrats est isolé par rapport à la masse et relié à une source délivrant une

différence de potentiel négatif par rapport à la masse.

6. Dispositif selon revendication 5, caractérisé en ce que les sur-

faces (12a, 13a) de cible en regard présentent une courbure de façon

à délimiter un secteur cylindrique creux entre elles.

7. Dispositif selon l'ensemble des revendications 5 et 6, avec un

porte-substrats (3) cylindrique, tournant autour de son axe et dont divers secteurs (4) d'enveloppe sont amovibles pour Le chargement et le déchargement, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'un système cathodique (7) est disposé à l'intérieur du porte-substrats (3) et le second système cathodique (6) à l'extérieur; et le retrait d'au moins un secteur (4) d'enveloppe permet de sortir le système -cathodique

intérieur du porte-substrats.

8. Utilisation du procédé selon une des revendications 1 ou 2 pour

la fabrication d'outils munis de couches dures, tels que forets, fraises,

plaquettes amovibles.

9. Utilisation du procédé selon une des revendications 1 ou 2,

pour la production sur des boîtiers de montre, bracelets et autres

objets d'usage courant de couches ayant l'aspect de l'or.