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FR3127762A1 - Dispositif de chauffage d’un substrat pour dépôt sous vide - Google Patents

Dispositif de chauffage d’un substrat pour dépôt sous vide Download PDF

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Abstract

Ce dispositif de chauffage d’un substrat (2) dans une enceinte sous vide pour dépôt multicouche sur ledit substrat (2) comprend une source de chaleur (5) destinée à être en contact avec le substrat (2), un support (6) de la source de chaleur (5), un isolant thermique (7) positionné entre le support (6) et la source de chaleur (5), une batterie d’alimentation (8) de la source de chaleur (5), et une structure de maintien (15) du substrat (2) contre la source de chaleur (5). Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Dispositif de chauffage d’un substrat pour dépôt sous vide
La présente invention concerne le dépôt de couches minces sur un substrat, par exemple un élément optique.
La présente invention concerne plus particulièrement le chauffage du substrat sur lequel sont déposées des couches minces, le chauffage du substrat favorisant la bonne tenue des couches minces.
Techniques antérieures
Les traitements optiques multicouches sont des traitements appliqués sur des surfaces par des procédés d’empilement de couches minces. Les performances optiques de ces traitements dépendent en partie de leur épaisseur et du matériau utilisé.
En revanche, la tenue mécanique de ces couches minces en réponse à des agents extérieurs tels que des composés chimiques ou l’abrasion sous toute ses formes dépend essentiellement des matériaux utilisés, en particulier celui de la couche située la plus à l’extérieur, ainsi que de la microstructure des couches, notamment le taux de porosité.
Pour obtenir des couches comprenant un faible taux de porosités, il est nécessaire de chauffer le plus fortement possible le substrat sur lequel sont déposées les couches minces.
Les solutions pour élever la température dans un bâti de dépôt sous vide permettent généralement de chauffer l’intégralité de l’enceinte à l’intérieur du bâti. En effet, on utilise généralement des lampes infrarouges ou des radiateurs céramiques fixes, alimentés par une source d’alimentation électrique externe branchée sur le secteur et nécessitant des passages électriques étanches au travers d’une paroi du bâti.
Or, les substrats ou pièces optiques à traiter sont en général fixés sur un support tournant, d’où la nécessité de devoir chauffer l’intégralité de l’enceinte sans pouvoir cibler le substrat.
La chauffe de l’entièreté de l’enceinte entraîne un temps long de réponse et de stabilisation de la température, pouvant créer des surélévations de la température des pièces par rapport à la consigne. Additionnellement, une chauffe globale implique une méconnaissance de la température exacte du substrat ou des autres éléments que contient l’enceinte.
La chauffe de l’enceinte peut également impliquer la dégradation de certains éléments de l’enceinte tels que les joints du bâti, et implique un dégazage important, dégradant le vide de l’enceinte.
En outre, la consommation électrique de ce mode de chauffage est importante.
De plus, les substrats à application infrarouge, étant transparents dans ce domaine spectral, sont peu sensibles et donc difficiles à chauffer par radiation thermique utilisant le rayonnement infrarouge.
Enfin, et compte tenu de la dispersion de la chaleur dans l’enceinte, la température interne de l’enceinte atteint généralement une température limite autour de 250°C à 300° C, ce qui limite les performances des couches minces en ce qui concerne la protection mécanique et chimique, et ce qui rend impossible l’élaboration de matériau théoriquement idéaux de type diamant ou nitrure de bore cubique.
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et d’assurer uniquement la chauffe du substrat.
La présente invention a pour objet un dispositif de chauffage d’un substrat dans une enceinte sous vide pour dépôt multicouche sur ledit substrat, le dispositif comprenant une source de chaleur destinée à être en contact avec le substrat, un support de la source de chaleur, un isolant thermique positionné entre le support et la source de chaleur, une batterie d’alimentation de la source de chaleur, et une structure de maintien du substrat contre la source de chaleur.
Ainsi, ce système autonome et embarqué permet d’engendrer une source de chaleur au plus près du substrat et ainsi de pouvoir garder une liberté de mouvement du support sans limite de température du substrat. La température est rapidement atteignable. Elle peut facilement dépasser les 1000°C. De plus, le dispositif de chauffage est peu onéreux comparé aux dispositifs existants et il garantit un meilleur vide dans l’enceinte dans la mesure où seules les pièces à traiter sont chauffées.
Avantageusement, la source de chaleur comprend au moins une plaque chauffante, un support isolant électriquement destiné à être en contact avec l’isolant thermique et destiné à supporter la plaque chauffante, et deux électrodes reliées à la batterie d’alimentation d’une part et à la plaque chauffante d’autre part.
Avantageusement, la plaque chauffante comprend un dépôt d’une couche résistive.
Dans un mode de réalisation, la couche résistive comprend une couche mince de chrome ou de nickel-chrome, le support isolant électriquement comprenant de l’alumine, les deux électrodes comprenant une couche d’or.
Avantageusement, la structure de maintien est solidaire de la source de chaleur et est réalisée à partir d’un matériau à faible conduction thermique.
Avantageusement, le dispositif de chauffage comprend en outre un microcontrôleur, un capteur de température et une microcarte radiofréquence de sorte que la microcarte envoie et reçoit des informations et des commandes entre l’intérieur de l’enceinte et l’extérieur de l’enceinte.
Avantageusement, la batterie est une batterie électrique compatible d’une utilisation sous-vide.
Dans un mode particulier de réalisation, la résistance électrique de la plaque chauffante est comprise entre 1 et 100 Ohms, de préférence entre 5 et 15 Ohms.
La présente invention a également pour objet une enceinte de dépôt multicouche comprenant un dispositif de chauffage tel que défini précédemment.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence au dessin annexé sur lequel :
illustre schématiquement un dispositif de chauffage selon l’invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
On a représenté sur la une vue schématique d’un dispositif de chauffage 1 d’un substrat 2. Le substrat 2 est destiné à accueillir un dépôt multicouche, par exemple un traitement optique, sur une surface de traitement 3.
Le dispositif de chauffage 1 est destiné à être placé dans une enceinte sous vide délimité par un bâti étanche (non représenté) comprenant des moyens de dépôt, par exemple des canons à électrons, nécessaires à l’élaboration de traitements multicouche.
Le dispositif de chauffage 1 comprend une source de chaleur 5 destinée à être en contact avec le substrat 2, un support 6 de la source de chaleur 5, un isolant thermique 7 positionné entre le support 6 et la source de chaleur 5 et une batterie d’alimentation 8 de la source de chaleur 5.
La source de chaleur 5 comprend en particulier une ou plusieurs plaques chauffantes 10, un support isolant électriquement 11 et deux électrodes 12.
La plaque chauffante 10 comprend un dépôt d’une couche résistive déposée sur le support isolant électriquement 11. La couche résistive est par exemple une couche mince de chrome ou de nickel-chrome de 10 à 100 nanomètres d’épaisseur. Le dépôt de la couche résistive forme des fils résistifs ou une couche continue. La plaque chauffante 10 est réalisé par pulvérisation cathodique, des procédés de photolithographie permettant de varier la forme finale de la couche résistive. La résistance électrique de la plaque chauffante 10 est comprise entre 1 et 100 Ohms, de préférence entre 5 et 15 Ohms. Le support isolant électriquement 11 est par exemple de l’alumine ou encore du quartz. Le support isolant électriquement 11 est par exemple collé directement à l’isolant thermique 7, la plaque chauffante 10 s’étendant sur le reste de la surface non collée du support isolant électriquement 11.
Les électrodes 12 sont positionnées à deux extrémités de la source de chaleur 5 contre la couche résistive de la plaque chauffante 10. Les électrodes 12 comprennent une couche d’or. La couche d’or permet la brasure haute température des fils électriques. Chaque électrode est reliée par des fils électriques 13 à la plaque chauffante 10 d’une part, en particulier à la couche résistive, et à la batterie d’alimentation 8 d’autre part. Le passage d’un courant électrique dans la plaque chauffante 10 élève rapidement la température de la plaque chauffante 10 ainsi que du support isolant électriquement 11 de manière à augmenter également la température du substrat 2.
Le support 6 de la source de chaleur 5 est par exemple rotatif et peut être orienté sur plusieurs axes. En particulier, le support 6 est par exemple une extension venant se fixer sur un support déjà existant sur des enceintes de dépôt multicouche préexistantes.
L’isolant thermique 7 est collé d’une part au support 6 et d’autre part au support isolant électriquement 11. Il permet de ne pas chauffer inutilement d’autres éléments de l’enceinte et ainsi de garantir toute la puissance de chauffe de la source de chaleur 5 pour le substrat 2.
La batterie d’alimentation 8 comprend une batterie électrique compatible avec une utilisation dans l’enceinte sous vide. La batterie d’alimentation 8 permet au dispositif de chauffage 1 de fonctionner de manière autonome en énergie et sans entraver les mouvements du support 6 avec des fils d’alimentation qui pourraient sortir de l’enceinte. La tension aux bornes de la batterie d’alimentation 8 est par exemple de 24 V pour un courant d’environ un ampère.
Le dispositif de chauffage 1 comprend en outre une structure de maintien 15 du substrat 2 contre la source de chaleur 5, un microcontrôleur 16, un capteur de température 17 et une microcarte radiofréquence 18.
La structure de maintien 15 permet de chauffer le substrat 2 par conduction directe entre la couche résistive de la plaque chauffante 10 et le substrat 2. La structure de maintien 15 est solidaire et fixée à la source de chaleur 5, par exemple fixée dans le support isolant électriquement 11. La structure de maintien 15 est réalisée dans un matériau à faible conduction thermique.
Le microcontrôleur 16 comprend un régulateur proportionnel, intégral, dérivé permettant de piloter l’énergie sortant de la source de chaleur 5 en fonction de différents programmes de chauffage, des informations reçues par le capteur de température 17 ou en fonction des commandes reçues par la microcarte radiofréquence 18. Le microcontrôleur 16 est par exemple relié à la microcarte radiofréquence 18, au capteur de température 17 et à la batterie d’alimentation 8. Le microcontrôleur 16 comprend optionnellement un circuit d’amplification du signal du capteur de température 17.
Le capteur de température 17 comprend un thermocouple mesurant la température à proximité de la surface de traitement 3. Par exemple, le capteur de température 17 est fixé à la structure de maintien 15 et mesure la température de la surface de traitement 3 à moins de 10 millimètres de la surface de traitement 3. Le capteur de température 17 est relié au microcontrôleur 16.
La microcarte radiofréquence 18 comprend un émetteur/récepteur à antenne destiné à communiquer avec un émetteur/récepteur situé en dehors de l’enceinte sous vide. La fréquence de communication est par exemple de 433 MHz. La microcarte radiofréquence 18 ainsi que le microcontrôleur 16 permettent de piloter à distance la chauffe du substrat 2 et de contrôler la température dudit substrat 2.
Le dispositif de chauffage 1 étant de faibles dimensions, plusieurs dispositifs de chauffage 1 peuvent être disposés dans une enceinte de dépôt multicouche.

Claims (9)

  1. Dispositif de chauffage d’un substrat (2) dans une enceinte sous vide pour dépôt multicouche sur ledit substrat (2), caractérisé en ce qu’il comprend une source de chaleur (5) destinée à être en contact avec le substrat (2), un support (6) de la source de chaleur (5), un isolant thermique (7) positionné entre le support (6) et la source de chaleur (5), une batterie d’alimentation (8) de la source de chaleur (5), et une structure de maintien (15) du substrat (2) contre la source de chaleur (5).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la source de chaleur (5) comprend au moins une plaque chauffante (10), un support isolant électriquement (11) destiné à être en contact avec l’isolant thermique (7) et destiné à supporter la plaque chauffante (10), et deux électrodes (12) reliées à la batterie d’alimentation (8) d’une part et à la plaque chauffante (10) d’autre part.
  3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la plaque chauffante (10) comprend un dépôt d’une couche résistive.
  4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la couche résistive comprend une couche mince de chrome ou de nickel-chrome, le support isolant électriquement (11) comprenant de l’alumine, les deux électrodes (12) comprenant une couche d’or.
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la structure de maintien (15) est solidaire de la source de chaleur (5) et est réalisée à partir d’un matériau à faible conduction thermique.
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre un microcontrôleur (16), un capteur de température (17) et une microcarte radiofréquence (18) de sorte que la microcarte radiofréquence (18) envoie et reçoit des informations et des commandes entre l’intérieur de l’enceinte et l’extérieur de l’enceinte.
  7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la batterie d’alimentation (8) est une batterie électrique compatible d’une utilisation sous-vide.
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel la résistance électrique de la plaque chauffante (10) est comprise entre 1 et 100 Ohms, de préférence entre 5 et 15 Ohms.
  9. Enceinte de dépôt multicouche comprenant un dispositif de chauffage (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
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