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FR2775005A1 - COATING BASED ON ULTRA-HARD AND FLEXIBLE CARBON NITRIDE AND PREPARATION METHOD THEREOF - Google Patents

COATING BASED ON ULTRA-HARD AND FLEXIBLE CARBON NITRIDE AND PREPARATION METHOD THEREOF Download PDF

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FR2775005A1
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Abstract

Le revêtement à base de nitrure de carbone présente une dureté supérieure à 65 GPa et une élasticité supérieure à 160 GPa.Pour préparer un revêtement à base de nitrure on crée une décharge micro-onde dans un flux d'azote (8), on place une cible (2) en métal ou semi-métal dans une chambre réactionnelle (1) à une distance telle de la zone de décharge (10) que le plasma d'azote formé dans la zone (12) où est située la cible est sous forme ionique, on envoie sur cette cible (2) dudit métal ou semi-métal un faisceau laser infra-rouge CO2 pulsé et on recueille sur un substrat (6) situé sous la cible (2) ledit nitrure de métal ou semi-métal.The carbon nitride-based coating has a hardness greater than 65 GPa and an elasticity greater than 160 GPa. To prepare a nitride-based coating, a microwave discharge is created in a nitrogen stream (8), one places a metal or semi-metal target (2) in a reaction chamber (1) at such a distance from the discharge zone (10) that the nitrogen plasma formed in the zone (12) where the target is located is under ionic form, a pulsed CO2 infrared laser beam is sent to this target (2) of said metal or semi-metal and said metal or semi-metal nitride is collected on a substrate (6) located under the target (2).

Description

Revêtement à base de nitrure de carbone ultra
dur et souple et son procédé de préparation
La présente invention concerne un revêtement à base de nitrure de carbone présentant la particularité d'être à la fois ultra dur, souple et de posséder un faible coefficient de friction.
Ultra carbon nitride coating
hard and flexible and its preparation process
The present invention relates to a coating based on carbon nitride having the characteristic of being both ultra hard, flexible and having a low coefficient of friction.

L'invention vise également le procédé pour préparer le revêtement à base de nitrure de carbone cidessus et plus généralement un revêtement en nitrure d'un métal ou semi-métal des colonnes IIIa, IVa, IVb et
Vlb.
The invention also relates to the process for preparing the coating based on carbon nitride above and more generally a nitride coating of a metal or semi-metal of columns IIIa, IVa, IVb and
Vlb.

Les revêtements de nitrure de carbone préparés jusqu'à présent ont l'inconvénient de ne pas allier souplesse, faible coefficient de friction et dureté élevée. The carbon nitride coatings prepared so far have the drawback of not combining flexibility, low coefficient of friction and high hardness.

Or, de nombreuses applications industrielles dans l'électronique, optique, revêtements sur matière plastique souple, requièrent un revêtement à la fois dur et souple. Pour les applications mécaniques, la caractéristique d'un faible coefficient de friction allié simultanément à la dureté et à la souplesse est très importante. However, many industrial applications in electronics, optics, coatings on flexible plastic, require a coating that is both hard and flexible. For mechanical applications, the characteristic of a low coefficient of friction combined with hardness and flexibility is very important.

Le but de la présente invention est d'atteindre cet objectif. The object of the present invention is to achieve this objective.

Suivant l'invention, ce revêtement à base de nitrure de carbone est caractérisé en ce que sa dureté est supérieure à 65 GPa et son élasticité est supérieure à 160 GPa. According to the invention, this coating based on carbon nitride is characterized in that its hardness is greater than 65 GPa and its elasticity is greater than 160 GPa.

La formule de ce nitrure de carbone est CNx, x étant supérieur à 0,3. The formula for this carbon nitride is CNx, x being greater than 0.3.

Le procédé pour préparer un tel nitrure de carbone et plus généralement un nitrure d'un métal ou semi-métal des colonnes IIIa, IVa, IVb et Vlb, est caractérisé par les étapes suivantes
On crée une décharge micro-onde dans un flux d'azote, on place une cible dudit métal ou semi-métal dans une chambre réactionnelle à une distance telle de la zone de décharge que le plasma d'azote formé dans la zone où est située la cible est sous forme ionique constituant la zone d'ionisation secondaire spécifique au plasma d'azote en écoulement telle que décrit dans la réf (P. Supiot, O. Dessaux, P. Goudmand J. of Phys. D
Applied Physics 28, 1826-1840,1995). On envoie sur cette cible dudit métal ou semi-métal un faisceau laser infrarouge CO2 pulsé et on recueille sur un substrat situé sous la cible ledit nitrure de métal ou semi-métal.
The process for preparing such a carbon nitride and more generally a nitride of a metal or semi-metal from columns IIIa, IVa, IVb and Vlb, is characterized by the following steps
A microwave discharge is created in a nitrogen flow, a target of said metal or semi-metal is placed in a reaction chamber at a distance such from the discharge zone that the nitrogen plasma formed in the zone where is located the target is in ionic form constituting the secondary ionization zone specific to the flowing nitrogen plasma as described in the ref (P. Supiot, O. Dessaux, P. Goudmand J. of Phys. D
Applied Physics 28, 1826-1840,1995). A pulsed CO2 infrared laser beam is sent to this target of said metal or semi-metal and said metal or semi-metal nitride is collected on a substrate located under the target.

De préférence, la distance comprise entre la cible et la zone de décharge est inférieure à environ 0,7 m. Preferably, the distance between the target and the discharge zone is less than about 0.7 m.

Lorsque la cible est située à cette distance de la zone de décharge, elle se trouve dans la zone d'ionisation secondaire dans laquelle le plasma d'azote est composé d'ions. When the target is located at this distance from the discharge zone, it is in the secondary ionization zone in which the nitrogen plasma is composed of ions.

Lorsque la cible est située à une distance plus importante de la zone de décharge, par exemple à une distance égale à 0,9 mètre, cette cible est située dans une zone dite de décharge lointaine dans laquelle le plasma d'azote est exempt d'ions. When the target is located at a greater distance from the discharge zone, for example at a distance equal to 0.9 meters, this target is situated in a so-called far discharge zone in which the nitrogen plasma is free of ions.

Dans ce cas, le revêtement de nitrure obtenu présente de moins bonnes propriétés que dans le cas où il est formé dans la zone d'ionisation secondaire. In this case, the nitride coating obtained has poorer properties than in the case where it is formed in the secondary ionization zone.

La formation du nitrure de métal ou semi-métal selon le procédé conforme à l'invention s' explique de la façon suivante
Le faisceau laser en atteignant la cible en métal ou semi-métal engendre une fragmentation moléculaire de ce métal ou semi-métal, sous forme de vapeur qui va réagir avec les espèces excitées du plasma d'azote pour former un nitrure dudit métal ou semimétal.
The formation of the metal or semi-metal nitride according to the process according to the invention can be explained as follows
The laser beam upon reaching the metal or semi-metal target generates a molecular fragmentation of this metal or semi-metal, in the form of vapor which will react with the excited species of the nitrogen plasma to form a nitride of said metal or semi-metal.

Selon une version préférée de l'invention, la cible dudit métal ou semi-métal est disposée à 45" de la direction du faisceau laser. According to a preferred version of the invention, the target of said metal or semi-metal is placed 45 "from the direction of the laser beam.

De préférence, le substrat est situé sous la cible, dans un plan horizontal, et parallèle à la direction du faisceau laser. Preferably, the substrate is located under the target, in a horizontal plane, and parallel to the direction of the laser beam.

De préférence également, le flux d'azote et la décharge sont formés dans un tube horizontal perpendiculaire à la direction du faisceau laser. Preferably also, the nitrogen flow and the discharge are formed in a horizontal tube perpendicular to the direction of the laser beam.

De préférence la cible est en graphite. Preferably the target is graphite.

Dans ce cas on obtient un revêtement de nitrure de carbone à la fois très dur, souple et de faible coefficient de friction. In this case, a carbon nitride coating is obtained which is both very hard, flexible and has a low coefficient of friction.

Selon le procédé conforme à l'invention la cible peut également être en bore, aluminium, gallium, silicium, germanium, titane ou chrome. According to the process according to the invention, the target can also be made of boron, aluminum, gallium, silicon, germanium, titanium or chromium.

On peut ainsi préparer des nitrures de bore, aluminium, gallium, silicium, germanium, titane ou chrome. Boron, aluminum, gallium, silicon, germanium, titanium or chromium nitrides can thus be prepared.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ciaprès. Other features and advantages of the invention will become apparent in the description below.

Les dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif
- la figure 1 est une vue schématique en plan d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue de cette installation perpendiculaire au plan de la figure 1.
The accompanying drawings given by way of nonlimiting example
- Figure 1 is a schematic plan view of an installation for implementing the method according to the invention;
- Figure 2 is a view of this installation perpendicular to the plane of Figure 1.

L'installation représentée sur les figures 1 ou 2 comprend une chambre réactionnelle 1 à l'intérieur de laquelle est disposée une cible en graphite 2 qui est disposée à 45 degrés de la direction d'un faisceau laser infra-rouge CO2 pulsé 3.  The installation represented in FIGS. 1 or 2 comprises a reaction chamber 1 inside which is placed a graphite target 2 which is arranged at 45 degrees from the direction of a pulsed CO2 infrared laser beam 3.

Le faisceau laser 3 est focalisé par une lentille 4 en ZnSe et pénètre dans la chambre par une fenêtre 5 en Ba F2.  The laser beam 3 is focused by a lens 4 in ZnSe and enters the chamber through a window 5 in Ba F2.

Sous la cible 2 s'étend horizontalement un substrat 6 qui est parallèle à la direction du faisceau laser 3. Under the target 2 extends horizontally a substrate 6 which is parallel to the direction of the laser beam 3.

La chambre 1 communique en 7 avec une pompe à vide. Room 1 communicates at 7 with a vacuum pump.

Un flux d'azote 8 (voir figure 2) est créé dans un tube horizontal 9 qui communique avec la chambre 1. A nitrogen flow 8 (see FIG. 2) is created in a horizontal tube 9 which communicates with the chamber 1.

Une décharge est créée dans la zone 10 au moyen d'un coupleur 11. A discharge is created in the zone 10 by means of a coupler 11.

A une certaine distance de la zone de décharge 10 est située une zone 12 dite d'ionisation secondaire, c'est-à-dire de plasma composé d'électrons, d'ions d'atomes et de molécules excitées d'azote. At a certain distance from the discharge zone 10 is located a zone 12 called secondary ionization, that is to say plasma composed of electrons, atom ions and excited nitrogen molecules.

La cible 2 est située à l'extrémité de cette zone d'ionisation secondaire 12. Target 2 is located at the end of this secondary ionization zone 12.

Au-delà de cette zone 12 le plasma est dépourvu d'ions. Beyond this zone 12 the plasma is devoid of ions.

On donne ci-après le description détaillée d'un exemple de mise en oeuvre du procédé de préparation selon l'invention. A detailed description is given below of an example of implementation of the preparation process according to the invention.

Le procédé de dépôt compte deux étapes qui s'enchaînent sans remise à l'air : tout d'abord, le substrat est soumis à un flux d'azote excité par une décharge électrique créée par un générateur micro-onde durant 5 min. La phase de dépôt débute par la vaporisation de la cible par la concentration instantanée d'un rayonnement laser infra-rouge dans cette atmosphère d'azote excité. The deposition process has two stages which are linked without being released to the air: first of all, the substrate is subjected to a flow of nitrogen excited by an electric discharge created by a microwave generator for 5 min. The deposition phase begins with the vaporization of the target by the instantaneous concentration of infrared laser radiation in this atmosphere of excited nitrogen.

Conditions opératoires
Un flux d'azote est excité par l'intermédiaire d'un coupleur 11 connecté à un générateur de micro-ondes au sein d'un tube 9 de Pyrex de diamètre 30 mm, appelé tube à décharge. Ce tube 9 est connecté au réacteur 1 au moyen d'un assemblage coulissant. Un pompage continu assuré par une pompe de 33 m3.h-1 conduit le plasma vers la chambre réactionnelle. La post-décharge du plasma d'azote est introduite perpendiculairement au réacteur soit sous une forme ionique appelée aussi d'ionisation secondaire, ou soit sous une forme exempte d'ions, appelée post-décharge lointaine en faisant varier la distance entre les zones de déposition et de décharge.
Operating conditions
A flow of nitrogen is excited via a coupler 11 connected to a microwave generator within a Pyrex tube 9 with a diameter of 30 mm, called a discharge tube. This tube 9 is connected to the reactor 1 by means of a sliding assembly. Continuous pumping provided by a 33 m3.h-1 pump leads the plasma to the reaction chamber. The post-discharge of the nitrogen plasma is introduced perpendicular to the reactor either in an ionic form also called secondary ionization, or either in an ion-free form, called distant post-discharge by varying the distance between the zones of deposition and discharge.

La présence de l'ionisation secondaire dans la chambre réactionnelle est obtenue pour des conditions de puissance et de pression très étendues.The presence of secondary ionization in the reaction chamber is obtained for very extensive power and pressure conditions.

L'ablation de la cible 2 de carbone est effectuée par le faisceau d'un laser 3 infra-rouge TEA
CO2 pulsé (LUMONICS) réglé sur la raie P20 à la longueur d'onde 10.54 um. La fréquence de répétition des impulsions est de 1Hz. L'énergie délivrée par chaque impulsion est de 10 Joules pour une durée de 50 ns. Le faisceau laser est focalisé sur la cible 2 placée dans le réacteur muni d'une fenêtre d'entrée 5 en BaF2 (qualité infra-rouge) à l'aide d'une lentille 4 plan convexe en Séléniure de Zinc. La cible 2 est maintenue à 45" par un support tournant en aluminium. Le substrat 6 maintenu à température ambiante (pouvant également être chauffé), est placé à l'horizontale sous cette cible. La distance cible-substrat est de 3 centimètres. Le temps de dépôt est fixé à 15 min. Le débit d'azote est de 4 1/min. correspondant à une pression de dépôt de 10 mbar.
Ablation of the carbon target 2 is carried out by the beam of a TEA infrared laser 3
Pulsed CO2 (LUMONICS) adjusted on the P20 line at the wavelength 10.54 µm. The pulse repetition frequency is 1Hz. The energy delivered by each pulse is 10 Joules for a duration of 50 ns. The laser beam is focused on the target 2 placed in the reactor provided with an input window 5 in BaF2 (infrared quality) using a convex plane lens 4 in Zinc Selenide. The target 2 is maintained at 45 "by a rotating aluminum support. The substrate 6 maintained at room temperature (can also be heated), is placed horizontally under this target. The target-substrate distance is 3 centimeters. deposition time is fixed at 15 min, the nitrogen flow rate is 4 1 / min, corresponding to a deposition pressure of 10 mbar.

On donne ci-après quelques exemples d'applications industrielles du revêtement selon l'invention. Some examples of industrial applications of the coating according to the invention are given below.

Electronique
Isolant, isolant et conducteur de température
Structure Métal-Isolant-Semi-conducteur (MIS).
Electronic
Insulator, insulator and temperature conductor
Metal-Insulating-Semiconductor Structure (MIS).

Barrière à la diffusion dan les circuits intégrés.  Barrier to diffusion in integrated circuits.

Films minces Diélectriques : Condensateurs,
Condensateurs de très faibles tailles pour les DRAMs (Dynamic Random Access Memories).
Thin Dielectric Films: Capacitors,
Very small capacitors for DRAMs (Dynamic Random Access Memories).

Optique
Revêtement de protection pour lentilles ophtalmologiques, Anti réflexion.
Optical
Protective coating for ophthalmic lenses, Anti reflection.

Revêtement pour les optiques laser, miroir laser, revêtements optiques sur matériaux polymériques. Coating for laser optics, laser mirror, optical coatings on polymeric materials.

Electronique et Optoélectronique
Applications tribologiques
Lubrifiant solide, Glissement, Protection
Revêtement sur matériaux plastiques.
Electronics and Optoelectronics
Tribological applications
Solid lubricant, Slip, Protection
Coating on plastic materials.

On donne ci-après la liste d'autres composés qui pourraient être préparés selon le procédé selon l'invention. The list of other compounds which could be prepared according to the process according to the invention is given below.

Les nitrures issus de métaux et semi-métaux des colonnes IIIa, IVa, IVb et Vlb.
exemples
Nitrure de Bore cubique à partir d'une cible en bore ou en nitrure de bore non cubique;
Nitrure d'Aluminium à partir d'une cible en
Aluminium
Nitrure de Gallium à partir d'une cible en Gallium
Nitrure de Silicium à partir d'une cible de
Silicium ;
Nitrure de Germanium à partir d'une cible ne
Germanium.
Nitrides from metals and semi-metals in columns IIIa, IVa, IVb and Vlb.
examples
Cubic boron nitride from a boron or non-cubic boron nitride target;
Aluminum nitride from a target in
Aluminum
Gallium nitride from a Gallium target
Silicon nitride from a target of
Silicon;
Germanium nitride from a target no
Germanium.

Les nitrures issus des métaux de transition
Exemples
Nitrure de Titane à partir d'une cible de
Titane
Nitrure de Chrome à partir d'une cible en
Chrome.
Nitrides from transition metals
Examples
Titanium nitride from a target of
Titanium
Chromium nitride from a target in
Chromium.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1. Revêtement à base de nitrure de carbone de faible coefficient de friction caractérisé en ce que sa dureté est supérieure à 65 GPa et son élasticité est supérieure à 160 GPa et en ce que sa formule est CNx x étant supérieur à 0,3. 1. Coating based on carbon nitride with a low coefficient of friction characterized in that its hardness is greater than 65 GPa and its elasticity is greater than 160 GPa and in that its formula is CNx x being greater than 0.3. 2. Procédé pour préparer un revêtement à base du nitrure d'un métal ou semi-métal des colonnes IIIa, IVa, 2. Process for preparing a coating based on the nitride of a metal or semi-metal of columns IIIa, IVa, IVb et Vlb, caractérisé par les étapes suivantes : on crée une décharge micro-onde dans un flux d'azote (8), on place une cible (2), dudit métal ou semi-métal, dans une chambre réactionnelle (1) à distance telle de la zone de décharge (10) que le plasma d'azote formé dans la zone (12) où est située la cible est sous forme ionique, on envoie sur cette cible (2), dudit métal ou semi-métal, un faisceau laser (3) infra-rouge CO2 pulsé et on recueille sur un substrat (6) situé sous la cible (2) ledit nitrure de métal ou semi-métal.IVb and Vlb, characterized by the following stages: a microwave discharge is created in a nitrogen flow (8), a target (2), of said metal or semi-metal, is placed in a reaction chamber (1) at such a distance from the discharge zone (10) that the nitrogen plasma formed in the zone (12) where the target is located is in ionic form, a metal or semi-metal is sent to this target (2) pulsed CO2 infrared laser beam (3) and said metal or semi-metal nitride is collected on a substrate (6) located under the target (2). 3. Procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre la cible (2) et la zone de décharge (10) est inférieure à environ 0,7m. 3. Method according to claim 2, characterized in that the distance between the target (2) and the discharge zone (10) is less than about 0.7m. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la cible (2) dudit métal ou semi-métal est disposée à 45" de la direction du faisceau laser (3). 4. Method according to one of claims 2 or 3, characterized in that the target (2) of said metal or semi-metal is disposed at 45 "from the direction of the laser beam (3). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat (6) est situé sous la cible (2) dans un plan horizontal et parallèle à la direction du faisceau laser (3). 5. Method according to claim 4, characterized in that the substrate (6) is located under the target (2) in a horizontal plane and parallel to the direction of the laser beam (3). 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le flux d'azote (8) et la décharge (10) sont formés dans un tube horizontal (9) perpendiculaire à la direction du faisceau laser (3).  6. Method according to one of claims 4 or 5, characterized in that the nitrogen flow (8) and the discharge (10) are formed in a horizontal tube (9) perpendicular to the direction of the laser beam (3) . 7. Procédé conforme à l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la longueur d'onde du faisceau laser (3) est égale à 10,54 um  7. Method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the wavelength of the laser beam (3) is equal to 10.54 µm 8. Procédé conforme à l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ladite cible (2) est en graphite. 8. Method according to one of claims 2 to 7, characterized in that said target (2) is made of graphite. 9. Procédé conforme à l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que ladite cible est en bore, aluminium, gallium, silicium, germanium, titane ou chrome.  9. Method according to one of claims 2 to 7, characterized in that said target is boron, aluminum, gallium, silicon, germanium, titanium or chromium.
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