La présente invention concerne les techniques de dépôt de couches de diamant et, plus particulièrement, un procédé pour obtenir une couche de diamant ayant une forme et une épaisseur appropriées sur un support du type plastique transparent ou non tel que de polyacrylique ou du polyméthyle méthacrylate.
Il existe de nombreuses applications dans lesquelles il est nécessaire de revêtir une surface en matériau plastique d'une couche en matériau très dur tel que du diamant, cette couche de diamant devant avoir, en outre, une configuration adaptée à son usage.
Un tel revêtement de diamant améliore sensiblement les propriétés tribologiques des pièces plastiques, ce qui est appréciable dans le cas où ces pièces sont en mouvement relatif par rapport à d'autres pièces. Il en est particulièrement ainsi pour les composants ou micro-composants optiques, tels que des microlentilles, micro-prismes, réseaux diffractants, etc. ...
Le dépôt direct d'une couche de diamant sur de la matière plastique est difficile sinon impossible car la température à laquelle doit s'effectuer le dépôt est de l'ordre de 500 DEG C à 900 DEG C alors que la matière plastique fond à partir de 150 DEG C-200 DEG C.
Un but de la présente invention est donc de mettre en Öuvre un procédé de dépôt d'une couche de diamant qui permet d'obtenir une pièce en matière plastique ou autre revêtue en tout ou partie d'une couche de diamant.
Un autre but de la présente invention est également de mettre en Öuvre un procédé de dépôt d'une couche de diamant sur une pièce en matière plastique ou autre ayant la forme requise pour son usage final.
L'invention concerne un procédé d'obtention d'une couche de diamant sur un support de type matière plastique, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes:
- fabrication d'un substrat dont au moins une des faces présente une forme inverse de celle de la couche de diamant à obtenir,
- dépôt d'une couche de diamant sur la face conformée du substrat suivant une épaisseur et une morphologie déterminées,
- dépôt d'une couche de matière plastique sur la face libre de la couche de diamant, et
- enlèvement de tout ou partie du substrat pour faire apparaître tout ou partie de la surface de la couche de diamant en contact avec le substrat.
Le substrat peut être en silicium, oxyde de silicium, nitrure de silicium, molybdène ou tout autre matériau adéquat et son épaisseur peut être comprise entre 150 micromètres et plusieurs millimètres.
La couche de diamant peut avoir une épaisseur de 50 nanomètres à quelques dizaines de micromètres et est, par exemple, déposée selon le procédé de dépôt chimique de carbone en phase vapeur dans une gamme de températures comprises entre 500 DEG C et 900 DEG C.
La matière plastique peut être tout matériau thermodéformable tel que du polyacrylique, du polyméthyle méthacrylate, du polyester.
Afin d'améliorer l'accrochage de la matière plastique sur la couche de diamant, l'invention propose également de faire précéder le dépôt de la matière plastique d'une opération de modification atomique de la surface hydrogénée de la face libre de la couche de diamant.
Cette opération ayant pour but de remplacer la liaison hydrogène du carbone par des groupes carboxydes, des groupes d'amines ou des molécules d'hydrocarbures selon le matériau à déposer ensuite.
La matière plastique peut aussi être déposée sur la surface de la face de la couche de diamant en contact avec le substrat après enlèvement de ce dernier. Dans ce cas également, le dépôt de la matière plastique peut aussi être précédé d'une opération de modification atomique de la surface hydrogénée de la face de la couche de diamant en contact avec le substrat.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un exemple particulier de mise en Öuvre du procédé, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints dans lesquels:
- les fig. 1-A à 1-D montrent schématiquement les différentes opérations du procédé selon l'invention,
- les fig. 2-A et 2-B montrent schématiquement une variante du procédé selon l'invention, et
- les fig. 3-A, 3-B et 3-C montrent schématiquement différentes formes de couches de diamant qui peuvent être obtenues.
Sur les figures, les références identiques désignent les mêmes éléments.
Pour obtenir une pièce 30 (fig. 1-D) qui comprend une couche de diamant 12 sur un support 14 en matière tel que du polyacrylique ou du polyméthyle méthacrylate, le procédé comprend les opérations suivantes:
- fabrication d'un substrat 10 en un matériau qui permet de déposer du diamant; ce substrat 10 présente deux faces planes opposées 24 et 26 dont l'une (24) a été traitée en fonction des caractéristiques de l'une des surfaces de la couche de diamant à obtenir;
- dépôt de la couche de diamant 12 sur la face 24, éventuellement traitée, du substrat 10 suivant une épaisseur et une morphologie qui sont déterminées en fonction de l'utilisation de la couche de diamant;
- dépôt d'une matière plastique ou autre 14 sur la face libre 28 de la couche de diamant 12, et
- enlèvement de tout ou partie du substrat 10 pour faire apparaître tout ou partie de la surface de la couche de diamant 12 en contact avec le substrat 10.
On obtient ainsi une pièce qui comprend une couche de diamant 12 supportée par une couche de matière plastique 14.
Le matériau du substrat 10 est, par exemple, du silicium, de l'oxyde de silicium, du nitrure de silicium, du molybdène ou tout autre matériau adéquat. L'épaisseur du substrat 10 peut varier de 150 micromètres à plusieurs millimètres.
Le procédé employé pour déposer la couche de diamant est, par exemple, le dépôt chimique de carbone en phase vapeur, plus connu sous l'acronyme anglo-saxon C.V.D. pour Chemical Vapour Deposition, la température étant comprise entre 500 DEG C et 900 DEG C.
L'épaisseur de la couche de diamant peut varier de 50 nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres.
La matière plastique qui est déposée sur la couche de diamant est, comme indiquée ci-dessus, de préférence un polyacrylique, un polyméthyle méthacrylate (P.M.M.A.) ou un polyester mais peut être tout autre matériau plastique thermo-déformable ou pouvant être coulé. On utilise un monomère qui peut être déposé à l'état liquide à une température de 150 DEG C à 200 DEG C sous forme de film mince par coulage ou sous forme de couche d'épaisseur contrôlée par centrifugation.
Le matériau de la couche mince ou épaisse est ensuite polymérisé par apport d'énergie obtenu par traitement thermique et/ou irradiation aux ultraviolets. On peut aussi utiliser un mélange contenant un durcisseur catalyseur dans le cas de résines époxy et de polyesters.
Dans le cas du polyméthyle méthacrylate, connu sous l'acronyme PMMA, on peut utiliser des feuilles épaisses de quelques millimètres qui sont thermo-déformables. Le procédé de moulage est par exemple décrit dans un article de la revue "OPTIK" 89, N<o> 3 (1992) 98-100 intitulé "Replication of diffractive microoptical elements using a PMMA molding technique" par J. JAHNS, K. H. BRENNER, W. DASCHENER, C. DOUBRAVA, T. MERKLEIN.
Un procédé semblable à celui pour le dépôt du polyméthyle méthacrylate peut être utilisé pour le polyacrylique.
Dans une variante, le procédé comprend, en outre, une opération de dépôt d'une deuxième couche plastique ou autre 16 sur la face de la couche de diamant 12 qui était en contact avec le substrat 10 et le produit obtenu est celui de la fig. 2-A.
Dans une autre variante selon la fig. 2-B, il est procédé à l'enlèvement de la couche plastique 14 de manière à faire apparaître la face libre 28 de la couche de diamant 12.
Cet enlèvement du substrat 10 dans le cas du silicium, de l'oxyde de silicium ou du nitrure de silicium peut être obtenu par attaque chimique d'une solution aqueuse à 40/50% de KOH à une température de 80 DEG C environ.
Afin d'améliorer l'accrochage de la matière plastique sur l'une et/ou l'autre face de la couche de diamant 12, le procédé selon l'invention comprend une opération de modification atomique de la surface d'une et/ou des deux faces sur la couche de diamant sur lesquelles sera déposée la matière plastique du support. Cette modification atomique consiste à substituer aux atomes d'hydrogène d'une des quatre liaisons du carbone d'autres atomes ou molécules qui facilitent l'accrochage de la matière plastique. Ces atomes ou molécules de substitution sont, par exemple, l'oxygène, le fluor, les groupes du type OH, NH, les groupes d'amines ou encore les molécules d'hydrocarbures ou carboxydes.
La face 24 du substrat est, au cours de sa fabrication, traitée pour obtenir les qualités de surface voulues pour la face 32 de la couche de diamant 12 qui sera en contact avec elle.
Le dépôt de la couche de diamant 12 sera réalisé pour obtenir, d'une part, l'épaisseur souhaitée et, d'autre part, la morphologie désirée des atomes de carbone constituant la couche de diamant 12 et donc de l'état de surface de la face 28.
Dans les fig. 1 et 2, la face 24 du substrat 10 est plane mais il est clair qu'elle peut avoir toutes les formes en vue d'obtenir une couche de diamant 12 ayant la forme recherchée. Dans ce cas, le substrat 10 joue le rôle d'un moule.
C'est ainsi que s'il est souhaité d'avoir une forme convexe (ou concave) de la couche de diamant 12, le substrat 16 sera traité pour avoir une forme concave 18 (fig. 3-A) ou convexe 20 (fig. 3-B).
Bien entendu, la face 24 peut être traitée pour avoir, en tant que moule, toutes les formes recherchées dans les trois dimensions.
C'est ainsi que la surface de la face 24 peut être traitée de manière connue comme le montre la fig. 3-C pour avoir des cavités 22 ayant des dimensions de un à quelques dizaines de nanomètres, ce qui permet d'obtenir, après dépôt de diamant et enlèvement du substrat 16, une couche de diamant qui présente des pointes dont le rayon de courbure est inférieur à quelques dizaines de nanomètres.
The present invention relates to techniques for depositing diamond layers and, more particularly, to a method for obtaining a diamond layer having an appropriate shape and thickness on a support of the transparent or non-transparent plastic type such as polyacrylic or polymethyl methacrylate.
There are numerous applications in which it is necessary to coat a plastic material surface with a layer of very hard material such as diamond, this diamond layer having, moreover, to have a configuration adapted to its use.
Such a diamond coating appreciably improves the tribological properties of plastic parts, which is appreciable in the case where these parts are in relative motion with respect to other parts. This is particularly the case for optical components or micro-components, such as microlenses, micro-prisms, diffracting gratings, etc. ...
The direct deposition of a diamond layer on plastic material is difficult if not impossible because the temperature at which the deposition must be carried out is of the order of 500 DEG C to 900 DEG C while the plastic material melts from from 150 DEG C-200 DEG C.
An object of the present invention is therefore to implement a method for depositing a diamond layer which makes it possible to obtain a plastic or other part coated in whole or in part with a diamond layer.
Another object of the present invention is also to implement a process for depositing a layer of diamond on a plastic or other part having the shape required for its final use.
The invention relates to a process for obtaining a diamond layer on a support of the plastic material type, characterized in that it comprises the following operations:
manufacture of a substrate of which at least one of the faces has a shape opposite to that of the diamond layer to be obtained,
- deposit of a diamond layer on the shaped face of the substrate according to a determined thickness and morphology,
- deposition of a plastic layer on the free face of the diamond layer, and
- Removal of all or part of the substrate to reveal all or part of the surface of the diamond layer in contact with the substrate.
The substrate can be made of silicon, silicon oxide, silicon nitride, molybdenum or any other suitable material and its thickness can be between 150 micrometers and several millimeters.
The diamond layer can have a thickness of 50 nanometers to a few tens of micrometers and is, for example, deposited according to the chemical vapor deposition process of carbon in a range of temperatures between 500 DEG C and 900 DEG C.
The plastic material can be any heat-deformable material such as polyacrylic, polymethyl methacrylate, polyester.
In order to improve the attachment of the plastic material to the diamond layer, the invention also proposes to precede the deposition of the plastic material with an atomic modification operation of the hydrogenated surface of the free face of the layer of diamond. diamond.
The aim of this operation is to replace the hydrogen bonding of carbon with carboxyd groups, amine groups or hydrocarbon molecules depending on the material to be deposited next.
The plastic material can also be deposited on the surface of the face of the diamond layer in contact with the substrate after removal of the latter. In this case also, the deposition of the plastic material can also be preceded by an atomic modification operation of the hydrogenated surface of the face of the diamond layer in contact with the substrate.
Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the following description of a particular example of implementation of the process, said description being made in relation to the accompanying drawings in which:
- fig. 1-A to 1-D schematically show the different operations of the method according to the invention,
- fig. 2-A and 2-B schematically show a variant of the process according to the invention, and
- fig. 3-A, 3-B and 3-C schematically show different shapes of diamond layers which can be obtained.
In the figures, identical references designate the same elements.
To obtain a part 30 (FIG. 1-D) which comprises a layer of diamond 12 on a support 14 made of material such as polyacrylic or polymethyl methacrylate, the method comprises the following operations:
- Manufacture of a substrate 10 of a material which makes it possible to deposit diamond; this substrate 10 has two opposite flat faces 24 and 26, one of which (24) has been treated as a function of the characteristics of one of the surfaces of the diamond layer to be obtained;
- Deposition of the diamond layer 12 on the face 24, optionally treated, of the substrate 10 according to a thickness and a morphology which are determined according to the use of the diamond layer;
deposition of a plastic or other material 14 on the free face 28 of the diamond layer 12, and
removal of all or part of the substrate 10 to reveal all or part of the surface of the diamond layer 12 in contact with the substrate 10.
A part is thus obtained which comprises a layer of diamond 12 supported by a layer of plastic material 14.
The material of the substrate 10 is, for example, silicon, silicon oxide, silicon nitride, molybdenum or any other suitable material. The thickness of the substrate 10 can vary from 150 micrometers to several millimeters.
The process used to deposit the diamond layer is, for example, the chemical vapor deposition of carbon, better known by the acronym C.V.D. for Chemical Vapor Deposition, the temperature being between 500 DEG C and 900 DEG C.
The thickness of the diamond layer can vary from 50 nanometers to several tens of micrometers.
The plastic which is deposited on the diamond layer is, as indicated above, preferably a polyacrylic, a polymethyl methacrylate (P.M.M.A.) or a polyester but can be any other heat-deformable or pourable plastic material. A monomer is used which can be deposited in the liquid state at a temperature of 150 DEG C to 200 DEG C in the form of a thin film by casting or in the form of a layer of thickness controlled by centrifugation.
The material of the thin or thick layer is then polymerized by supply of energy obtained by heat treatment and / or ultraviolet irradiation. It is also possible to use a mixture containing a catalyst hardener in the case of epoxy resins and polyesters.
In the case of polymethyl methacrylate, known by the acronym PMMA, it is possible to use sheets a few millimeters thick which are heat-deformable. The molding process is for example described in an article in the journal "OPTIK" 89, N <o> 3 (1992) 98-100 entitled "Replication of diffractive microoptical elements using a PMMA molding technique" by J. JAHNS, KH BRENNER , W. DASCHENER, C. DOUBRAVA, T. MERKLEIN.
A process similar to that for the deposition of polymethyl methacrylate can be used for polyacrylic.
In a variant, the method further comprises an operation of depositing a second plastic or other layer 16 on the face of the diamond layer 12 which was in contact with the substrate 10 and the product obtained is that of FIG . 2-A.
In another variant according to FIG. 2-B, the plastic layer 14 is removed so as to reveal the free face 28 of the diamond layer 12.
This removal of the substrate 10 in the case of silicon, silicon oxide or silicon nitride can be obtained by chemical attack of an aqueous solution at 40/50% of KOH at a temperature of approximately 80 DEG C.
In order to improve the attachment of the plastic material to one and / or the other face of the diamond layer 12, the method according to the invention comprises an operation of atomic modification of the surface of one and / or of the two faces on the diamond layer on which the plastic material of the support will be deposited. This atomic modification consists in replacing the hydrogen atoms of one of the four carbon bonds with other atoms or molecules which facilitate the attachment of the plastic. These substitution atoms or molecules are, for example, oxygen, fluorine, groups of the OH, NH type, amine groups or even hydrocarbon or carboxydes molecules.
The face 24 of the substrate is, during its manufacture, treated to obtain the desired surface qualities for the face 32 of the diamond layer 12 which will be in contact with it.
The diamond layer 12 will be deposited to obtain, on the one hand, the desired thickness and, on the other hand, the desired morphology of the carbon atoms constituting the diamond layer 12 and therefore of the surface condition of face 28.
In fig. 1 and 2, the face 24 of the substrate 10 is planar, but it is clear that it can have any shape with a view to obtaining a diamond layer 12 having the desired shape. In this case, the substrate 10 plays the role of a mold.
Thus if it is desired to have a convex (or concave) shape of the diamond layer 12, the substrate 16 will be treated to have a concave 18 (fig. 3-A) or convex 20 (fig . 3-B).
Of course, the face 24 can be treated to have, as a mold, all the shapes sought in the three dimensions.
Thus the surface of the face 24 can be treated in a known manner as shown in FIG. 3-C to have cavities 22 having dimensions of one to a few tens of nanometers, which makes it possible to obtain, after deposit of diamond and removal of substrate 16, a layer of diamond which has points whose radius of curvature is less than a few tens of nanometers.