FR2545840A1 - Appareil perfectionne pour la stabilisation d'un arc servant a la vaporisation d'une matiere solide - Google Patents

Abstract

UN PREMIER ANNEAU DE CONFINEMENT 24 MIS EN CONTACT AVEC LA CIBLE 16 ENTOURE LA SURFACE DE CELLE-CI, CET ANNEAU 24 ETANT COMPOSE DE NITRURE DE BORE AYANT UN RENDEMENT D'EMISSION SECONDAIRE INFERIEUR A CELUI DE LA CIBLE 16 ET UNE ENERGIE DE SURFACE INFERIEURE A CELLE DE LA MATIERE CONSTITUANT CETTE CIBLE 16 AFIN DE CONFINER L'ARC SUR LA SURFACE DE CETTE DERNIERE, CET ANNEAU DE CONFINEMENT 24 POUVANT COUVRIR UN ANNEAU 19 PERMEABLE MAGNETIQUEMENT ENTOURANT AUSSI LA CIBLE 16 QUAND CELLE-CI EST PERMEABLE PENDANT LA PHASE INITIALE DE NETTOYAGE DE LA SURFACE DE CETTE CIBLE 16.

Description

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L'invention a pour objet un appareil perfec-

tionné pour la stabilisation d'un arc servant à la vapori-

sation d'une matière solide, par exemple dans les appareils pour réaliser un revêtement d'un substrat par une matière vaporisée par un arc électrique. Des appareils de ce genre sont décrits dans les brevets américains n's 3 625 848 et 3 836 451 au nom de Alvin A Snaper et nos 3 783 231 et 3 793 179 au nom de L Sablev et al Ces appareils sont remarquables par des taux élevés de dépôt et par d'autres caractéristiques avantageuses Toutefois, ces caractéristiques sont quelque peu amoindries par l'instabilité de l'arc Un tel arc implique des courants de 60 ampères environ, ou plus, concentrés sur un point cathodique si petit que la densité du courant s'élève jusqu'à 103 à 106 ampères pour une

surface de 6,45 cm Les tensions vont de 15 à 45 volts.

De la sorte, la densité de la puissance au petit point cathodique est de l'ordre du mégawatt pour une surface de 6,45 cm 2 En conséquence,dire qu'il s'exerce un effet local violent est en dessous de la réalité La surface de

la cible se trouvant sous le point cathodique s'évapore ins-

tantanément sous l'intensité de la chaleur C'est cette matière évaporée de la cible qui se dépose comme un revêtement sur un substrat Le point cathodique se déplace au hasard sur la surface de la cible d'un mouvement saccadé à des vitesses prétendues être de plusieurs mètres par seconde En raison

de ces mouvements désordonnés, un endommagement du disposi-

tif et une contamination du revêtement peuvent se produire lorsque le point cathodique se déplace en dehors de la

surface de la cible.

Différentes solutions ont été proposées pour

surmonter les difficultés dues à l'instabilité de l'arc.

Dans le brevet américain N O 3 793 179 au nom de Sablev et

al, un écran est placé à proximité du bord de la cible.

En particulier, il est placé à une distance de la cible

qui est moindre que le parcours moyen libre du gaz présent.

2 2545840

Dans un arc de décharge électrique, du gaz et du plasma

sont engendrés au point cathodique à une violence suffi-

sante pour que des parcours moyens libres locaux puissent occasionnellement être réduits à quelques centièmes de millimètres Quand un tel souffle à haute pression locale est dirigé sous l'écran, qui est espacé de plusieurs mm ( 2 mm env), il existe une possibilité déterminée que l'arc puisse migrer en dessous de l'écran Quand ceci a lieu, il se produit un endommagement de la cathode par l'arc, une contamination de la matière évaporée ou

l'extinction de l'arc.

Dans ce même brevet no 3 783 231 les inven-

teurs se sont efforcés apparemment de surmonter la difficulté en prévoyant un mécanisme de régulation par rétroaction d'une certaine complexité qui fait ressortir les inconvénients causés par la difficulté La régulation implique l'utilisation d'un champ magnétique chargé de

retenir le point cathodique à la surface de la cible.

Dans le brevet américain N O 2 972 695 au nom de H Wroe, on suggère aussi l'utilisation d'un champ magnétique pour

retenir le point cathodique.

Le but principal de l'invention est de parve-

nir, dans un appareil de revêtement par effet d'arc, à la

stabilisation de l'arc d'une manière qui évite les insuf-

fisances et la complexité des moyens classiques.

D'une façon générale, on atteint ce résultat selon l'invention en entourant une zone prédéterminée de la surface d'évaporation de la cible à l'aide d'un anneau de confinement qui vient en contact avec la cible et qui renvoie l'arc en arrière vers la surface d'évaporation lorsqu'il se déplace en direction de la surface de l'anneau de confinement même lorsque cet anneau est recouvert de matière conductrice évaporée de lacible Ainsi qu'on le

décrira en détail plus loin, les matières à partir desquel-

les l'anneau de confinement peut être fabriqué sont telles que l'anneau se caractérise par: (a) une valeur absolue

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faible de son rendement d'émission d'électrons secondaires avec de préférence le rendement de la cible supérieur à celui de l'anneau et (b) une faible énergie superficielle de l'anneau de confinement par rapport à celle de la matière à évaporer. Bien que la théorie du fonctionnement ne soit pas complètement comprise, on pense que les caractéristiques mentionnées ci-dessus agissent de la manière que l'on

expliquera maintenant pour procurer les résultats avanta-

geux de l'invention En raison du rendement faible

d'émission d'électrons secondaires de l'anneau de confine-

ment, l'arc retourne à la cible lorsqu'il lui arrive de s'égarer sur la surface de l'anneau Pendant le processus de revêtement, une partie de la matière de la cible évaporée peut se déposer sur l'anneau Ceci pourrait constituer un pont pour l'arc au-dessus de l'anneau en dépit de son faible rendement d'émission d'électrons secondaires Toutefois, en raison de sa faible énergie superficielle en comparaison de celle de la matière évaporée, il ne se produit aucun

effet de mouillage de l'anneau par cette dernière matière.

De cette façon, le dépôt est instantanément vaporisé par l'arc, de sorte que celui-ci vient à nouveau au contact de la surface de l'anneau de confinement d'o il retourne

vers la cible.

Une matière qui possède les caractéristiques ci-dessus est le nitrure de bore (BN) Cette matière a été utilisée comme contact frottant et comme isolateur dans les interrupteurs à forte intensité Elle a servi aussi de

buse dans les appareils à pulvérisation électrostatique.

Dans ces usages, on met à profit le refus de BN de permet-

tre l'amorçage d'un arc à sa surface Mais, dans aucun cas, le BN n'est fortement revêtu par la matière de la cible pendant le fonctionnement comme expliqué ci-dessus Des

exemples dans lesquels BN a été employé pour d'autres -

résultats sont décrits dans les brevets américains

nos 3 202 862, 3 555 238, 3 945 240.

4 2545840

En bref, le but principal de l'invention est de parvenir à un appareil amélioré pour la stabilisation

d'un arc fournissant une stabilité à long terme d'une -

manière directe à la fois pour les cibles perméableset non perméableset que l'on peut utiliser dans des applications comme le revêtement par l'effet d'un arc ainsi que pendant

l'opération initiale de nettoyage de la cible.

D'autres buts et d'autres avantages de

l'invention apparaîtront au cours de la description que

l'on donnera maintenant en se référant aux dessins annexés dans lesquels:

les figures l A et 1 B sont des représentations sché-

matiques d'un premier et d'un second mode de réalisation de l'invention dans lesquels des anneaux de confinement sont utilisés avec des cibles immobilisées par des brides, les figures 2 A et 2 B sont des représentations schématiques d'autres exemples de réalisation dans lesquels la cible est réunie à la cathode la figure 3 est une représentation schématique en coupe qui montre la configuration uniforme de l'érosion qui se produit quand une cible non perméable est confinée par un anneau N, la figure 4 est une représentation schématique en coupe qui montre la configuration de l'érosion qui se produit quand une cible perméable est confinée par un anneau N, la figure 5 est une représentation schématique en

coupe d'un exemple de réalisation d'un appareil à stabi-

lisation de l'arc avec une cible perméable conformément à l'invention,

les figures 6 a, 6 b, 7 a et 7 b sont des représenta-

tions schématiques de diagrammes de limaille de fer, en coupe, qui montrent diverses conditions de cibles, perméable et non perméable, la figure 8 est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation d'un appareil pour la stabilisation d'un arc utilisable pendant le nettoyage initial d'une cible. Sur les dessins les mêmes références numéri- ques désignent les pièces identiques En outre, chacune des figures illustre une moitié seulement des corps de révolution quand l'axe de symétrie de cette figure est désigné par la référence numérique 10 Ainsi, pour ce qui est des figures l A et l B, la moitié gauche d'un mode de réalisation est visible sur la figure l A tandis que la moitié droite d'une autre réalisation est visible sur la figure l B. Sur la figure l A, un appareil pour revêtement à l'aide d'un arc d'un substrat 12 comprend une anode 14, ou bien si on le désire l'anode et le substrat peuvent constituer le même organe, une cible 16 en matière conductrice ou isolante, une cathode 18, ou bien si on le désire la cible et la cathode peuvent constituer le même organe, une bride de maintien 20, une vis 22, un anneau de confinement 24 et une source d'énergie électrique 26 qui

est une source de courant continu pour les cibles conduc-

trices et une source à radiofréquence pour les cibles

isolantes Conformément à l'invention, l'anneau de confine-

ment est composé de nitrure de bore ou d'une matière

similaire comme on l'expliquera plus loin en détail.

Pendant le fonctionnement, la source 26 fournit de l'énergie entre l'anode et la cathode pour créer un arc électrique entre l'anode et la cible, d'une manière

bien connue Des moyens d'amorçage de l'arc (non représen-

tés) peuvent être utilisés pour amorcer l'arc La matière qui constitue la cible se vaporise instantanément à partir du point cathodique formé à la racine de l'arc à la surface de la cible et elle se dépose sur le substrat sous forme d'un revêtement L'anneau de confinement 24 est en contact avec la cible 16 et il entoure une zone exposée qui constitue la surface d'évaporation à partir de la cible afin de confiner ainsi le point cathodique à la surface d'évaporation de façon qu'un fonctionnement continu et stable se produise pendant la durée complète d'utilisation de la cible même quand l'anneau risque d'être recouvert d'une couche de plusieurs centièmes de millimètres

d'épaisseur de la matière évaporée de la cible.

En bref, l'anneau de confinement est réalisé en une matière telle qu'il se caractérise par: (a) une valeur absolue faible de son rendement d'émission secondaire telle de préférence que le rendement de la cible est supérieur à celui de l'anneau et (b) une énergie superficielle de l'anneau faible par rapport à celle de la

matière évaporée.

Le rendement de l'émission secondaire J est défini par le nombre d'électrons secondaires produits par un électron primaire ou par une autre particule chargée qui frappe une cible Par conséquent, f nombre d'électrons émis par la matière par particule primaire chargée Le nombre des électrons émis par la cible dépend non seulement de la matière particulière de celle-ci

mais aussi de l'énergie de la particule primaire chargée.

Selon un aspect de l'invention, le rendement d'émission secondaire de l'anneau de confinement, Jf(anneau de confinement), devrait être inférieur à un aux énergies moyennes des particules primaires chargées que l'on trouve typiquement dans les procédés de recouvrement à l'aide d'un arc comme ceux décrits dans les brevets aux noms de Snaper

et de Sablev mentionnés plus haut, dans lesquels ces éner-

gies moyennes des particules sont de 40 à 60 e V environ.

En outre, le rendement d'émission secondaire de la cible, J (cible), est de préférence supérieur au coefficient J

(anneau de confinement).

Une classe de matières qui ont, en général, un J < 1 est celle des nitrures et du nitrure de bore en particulier Les nitrures diffèrent des oxydes céramiques en ce que les oxydes favorisent l'émission secondaire des électrons tandis que les nitrures la diminuent par rapport aux métaux, cependant que les rendements d'émission d'électrons des différents métaux sont approximativement égaux Ceci est en accord avec le coefficient f de l'alumine (A 1203), qui est de 15 à 20 environ Cette considération est à prendre en compte apparemment pour expliquer l'arc

instable que l'on observe contre les écrans en alumine.

Il a été constaté que le nitrure de bore est efficace avec les cibles métalliques On peut l'utiliser aussi avec des cibles isolantes dont beaucoup d'entre elles ont un rendement d'émission d'électrons secondaires dû à une teneur substantielle en oxyde Le nitrure de titane, bien qu'il soit tout à fait conducteur électriquement,

restreint aussi le parcours de l'arc.

Une autre différence notable entre les oxydes céramiques et le nitrure de bore ainsi que les matières similaires est que les revêtements métalliques ne mouillent pas ces dernières matières De ce fait, il semble que l'évaporation d'une couche conductrice sur le bord d'un anneau de confinement en BN se produit facilement quand un

arc se déplace contre ce dernier L'arc vaporise instanta-

nément la pellicule lache de recouvrement parce que celui-

-ci n'est pas préservé thermiquement par sa liaison à

l'anneau en BN Ceci dénude une surface isolante fraîche-

ment nettoyée sur une faible distance au moins au bord de l'anneau de confinement rendant plus probable le déplacement de l'arc dans une direction différente l'éloignant de l'anneau De plus, étant donné que la pellicule médiocrement liée au bord de l'anneau a été évaporée, il se crée un très mauvais contact électrique entre la cible et la couche conductrice restante sur l'anneau Ceci diminue encore les chances de voir l'arc s'engager davantage sur la couche étant donné que 60 ampères ou plus nécessitent une liaison plutôt notable Des mesures de résistance à faible intensité ont montré souvent qu'il n'existe aucun contact électrique entre la cible et les couches déposées

sur l'anneau.

En général, selon un autre aspect de l'in- vention, pour effectuer le confinement d'un arc il est souhaitable que l'énergie superficielle (Y) de l'anneau de confinement soit inférieure à celle de la matière à évaporer, c'est-à-dire que Y (anneau) C y(matière-à évaporer) A cet égard, BN (énergie superficielle de 600 à 700 ergs/cm 2) n'est pas mouillé par la plupart des métaux aux températures rencontrées dans les procédés de revêtement par arc décrits dans les brevets aux noms de Snaper et de Sablev déjà cités Seuls les oxydes de plomb, de bismuth, de cuivre et d'antimoine peuvent mouiller et attaquer BN, les énergies de surface de ces oxydes allant de 100 à 300 ergs/cm Toutefois, BN et des matières similaires conviennent pour les applications pratiques

envisagées dans les procédés de recouvrement par arc.

En bref, l'anneau de confinement 24 devrait

être réalisé à partir de matières ayant les caractéristi-

ques qui précèdent ou devrait être recouvert de ces

matières Les composés à base de nitrure sont particu-

lièrement appropriés et spécialement les nitrures de bore et de titane A cet égard on notera que lorsque le composé à base de nitrure constitue moins de 100 % de la composition de l'anneau de confinement, ce dernier fonctionne néanmoins de la manière désirée aussi longtemps que sa composition dans son ensemble a les caractéristiques mentionnées plus

haut On appellera ci-après un anneau de ce type "anneau N".

D'autres configurations de l'anneau de confinement 24 sont illustrées par les figures 1 B, 2 A et 2 B dans lesquelles la figure 1 B montre un autre mode de réalisation dans lequel la cible est maintenue sur la cathode par une bride 20 et des vis 22 (non visibles sur la figure 1 B) cependant que le mode de réalisation des figures 2 A et 2 B illustre la liaison de la cible 16 à la

cathode 18 à l'interface 28 par des moyens appropriés.

La configuration de l'anneau de confinement a relativement peu d'importance; les anneaux des figures l A, 1 B, 2 A et 2 B sont également convenables en ce qui concerne leur fonction de confinement de l'arc (point cathodique) De plus, comme le montre la figure 2 A, l'anneau 24 peut comprendre une couche reposant sur un support 30, cette couche étant intentionnellement agrandie en épaisseur pour les besoins du dessin Lorsque l'anneau n'est pas formé par dépôt d'une couche, il peut être attaché par des vis ou par d'autres moyens connus Quand il est vissé, les têtes des vis peuvent être recouvertes

de la matière constituant l'anneau.

En outre, la stabilisation de l'arc conformé-

ment à l'invention permet l'emploi de cathodes non cylin-

driques, par exemple linéaires, rectangulaires, et de sources cylindriques de l'arc, alors que les techniques de confinement magnétique comme celles décrites dans les brevets mentionnés plus haut n s 3 783 231 et 2 972 695 ne peuvent pas produire les champs uniformes nécessaires au confinement De plus, l'invention permet de fonctionner dans toutes les gammes de pression (en particulier à des pressions élevées) alors que la technique décrite dans le

brevet déjà mentionné N O 3 793 179 est limitée à cet égard.

Bien que l'on ait décrit des modes préférés de réalisation de l'invention en relation avec un appareil

de recouvrement par arc, il doit être compris que l'inven-

tion est applicable aussi à d'autres appareils dans lesquels de la matière est vaporisée instantanément à partir d'une cible par un arc qui doit être confiné à une

zone prédéterminée de la surface de cette cible.

Comme on peut le voir sur la figure 3, tant que la cible 16 n'est pas perméable, la configuration 17

de l'érosion obtenue avec l'anneau de confinement des figu-

res l A, 1 B, 2 A et 2 B est tout à fait uniforme Toutefois, quand on emploie une cible 16 perméable, la configuration 17 de l'érosion n'est pas uniforme comme le montre la figure 4 L'examen de la cible sur cette dernière figure conduit à la conclusion que l'arc est influencé pour se déplacer en direction du bord de la cible perméable car il n'existe aucune raison autrement de supposer qu'il se

déplace spécifiquement en direction de l'anneau N 24.

Des essais ont été effectués dont l'un a consisté à placer un anneau N sur une large feuille de matière perméable afin que le plan de l'anneau soit parallèle à celui de la feuille, l'anneau étant approximativement au centre de cette dernière On a fait éclater un arc à l'intérieur de l'anneau et la configuration de l'érosion produite était

normale, c'est-a-dire correspondait à celle de la figure 3.

Les caractéristiques décrites ci-dessus sont incorporées à la réalisation de la figure 5 o une cible perméable 16 est entourée par un anneau plat 19 réalisé en matière perméable comme du fer doux ou de l'alliage Permalloy ou par la matière de la cible elle-même En fait, toute matière considérée comme perméable peut être utilisée; ces matières comprennent, sans y être limitées, le fer, le nickel, le cobalt, leurs alliages avec de faibles quantités d'additifséventuels, les ferrites, l'acier etc En outre, l'anneau 19 peut être constitué par une extension faisant partie de la cible elle-même Dans ce qui suit, l'anneau 19, qu'il soit un organe distinct comme sur la figure 5, ou qu'il constitue une partie intégrante

de la cible, sera appelé "anneau P".

Un anneau N 24 est disposé autour de la périphérie de lacible 16 pour contribuer au confinement de l'arc sur la surface de cette dernière L'anneau N retient aussi l'anneau 19 et la cible 16 en place par l'intermédiaire de vis 21 qui se vissent dans un corps

cathodique 18.

254584 h il Sans avoir aucune intention de se limiter à une théorie particulière de fonctionnement, il semble que les considérations suivantes sont applicables aux anneaux P de l'invention Il a été observé qu'un arc dans le vide frappant une cible non perméable se déplace au hasard et le plus souvent quitte la cible pour d'autres zones de la cathode dans un intervalle de temps d'une seconde ou presque Une cible perméable perd l'arc en faveur d'autres

zones de la cathode dans un intervalle de quelques milli-

secondes Bien entendu, quand on veut obtenir des revête-

ments non contaminés, l'arc doit rester sur la cible seulement. La littérature technique antérieure sur les champs magnétiques appliqués à un arc dans le vide indique que l'arc se déplace plus facilement dans la direction de la plus grande densité du champ magnétique Si l'on suppose que ceci est le mécanisme qui force l'arc à se diriger vers le bord de la cible dans le cas de la figure 4, il apparaît que l'arc se déplace en s'éloignant de la matière perméable

qui réduit la densité du champ.

Une autre explication se rapportant au mécanisme du confinement découle du travail de Naoe et Yamanaka ("Vacuum-Arc Evaporations of ferrites and compositions of their deposits" Japanese Journal of Applied Physics, Vol 10, No 6, June 1971) relatif à des matières composites avec de la ferrite évaporée sous l'effet d'un arc à partir d'une cible en ferrite ayant le profil d'une coupe Ces auteurs sont arrivés à obtenir une partie fondue de la cible et ont remarqué que les matières à base d'oxyde se comportaient très différemment des métaux Ils ont relaté avoir observé un arc très stable qui se

déplaçait d'un mouvement circulaire très lent approximative-

ment au centre de la coupe Ils n'ont fait aucune allusion à ceci comme comportement non usuel mais ont donné des détails nombreux sur le mouvement de l'arc tel qu'ils l'ont observé visuellement Des allusions relatives au

confinement général de l'arc n'ont pas été fournies -

Pour mieux comprendre ce phénomène, les inventeurs de la présente invention ont utilisé un courant

continu à travers un fil afin d'engendrer un champs magné-

tique cylindrique du type de celui que l'arc semble produire à proximité de la cible Ce fil a été mis au voisinage de cibles perméables ayant des configurations géométriques diverses et des diagrammes de limaille de fer ont été produits pour donner un aperçu de l'influence

magnétique de ces matières perméables sur le champ magné-

tique.

On notera que ceci est quelque peu différent de l'emploi d'un champ magnétique pour interagir avec le champ de l'arc comme on le trouve décrit dans les brevets américains no 2 972 695 et 3 783 231 parce qu'il n'existe ici aucun champ extérieur Quand le courant circule à

travers le fil, le flux magnétique est engendré symétrique-

ment autour de ce dernier Quand deux fils sont placés parallèlement avec du courant les parcourant dans la même direction, les fils sont attirés l'un vers l'autre Le champ engendré entre les fils est annulé parce que la direction du flux est différente sur le côté droit par

rapport au côté gauche du fil.

En réalité, un arc est tout à fait unique et vouloir le représenter à l'aide d'un fil parcouru par du courant ne donne pas une indication fidèle de ce que cet arc peut faire Quand on laisse circuler dans un arc un courant suffisant, il se divise de lui-même en deux arcs simultanés en deux points qui se déplacent indépendamment à la surface de la cathode Ceci est tout à fait l'inverse de ce qui se produit avec les fils qui se déplacent ensemble quand le courant circule Une explication simple de cette différence entre l'arc et le fil peut parfois être donnée quand on considère que les électrons sont libres de se déplacer transversalement dans l'espace

occupé par l'arc mais sont confinés à l'intérieur du fil.

Ils tendent à se déplacer transversalement dans les fils

en créant sur ceux-ci des forces égales et opposées.

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Ainsi, le fil se déplace à l'opposé de la direction dans laquelle l'arc se déplace là o la grandeur de la force déplaçant un arc en direction du bord d'une cible perméable est significative en comparaison des forces de déplacement au hasard qui déplacent typiquement l'arc sur une cible non perméable. Les figures 6 a, 6 b, 7 a et 7 b montrent la nature des diagrammes de limaille dans diverses conditions de cibles perméable et non perméable Sur la figure 6 a la densité du flux 23 est de moins en moins grande à mesure qu'on s'approche de la plaque en fer 32 parce que ces lignes (représentées seulement par leurs sections droites) sont attirées à l'intérieur du fer o elle voyagent plus facilement Dans le cas d'une cible en aluminium 34, le flux reste très constant à mesure qu'on s'approche de la

plaque comme on peut le voir sur la figure 6 b Le déplace-

ment au bord de la cible comme le montre la figure 7 b ne produit pas de changement dans le cas d'une cible en aluminium Toutefois, comme le montre la figure 7 a, le mouvement vers le bord de la cible en fer produit un flux plutôt fort à l'extérieur de la cible et virtuellement aucun vers l'intérieur La force agissant sur l'arc se

trouve ainsi à l'extérieur, il est tout à fait compréhen-

sible que l'arc se déplace vers le bord extérieur.

Les forces peuvent être annihilées quand l'arc est parfai-

tement au centre de la cible mais sa migration normale au hasard le pousse rapidement en dehors du centre A mesure qu'il se rapproche d'un bord, la force en direction de celui-ci s'accroît Il est donc tout à fait logique que l'érosion se produise comme on le voit sur la figure 4,

parce que l'arc est emprisonné entre la force électromagné-

tique extérieure induite et l'anneau N qui empêche l'arc de se déplacer davantage vers l'extérieur Il existe une liberté relative de mouvements seulement dans le plan de la figure 4 Ainsi, l'arc se déplace sur le tour de la

cible perpendiculairement au moyen d'emprisonnement.

La démonstration faite ici n'a pas pour but de définir totalement le mouvement de l'arc mais seulement de montrer

par certains aspects qu'il peut être influencé significa-

tivement avec l'intention de le contrôler.

Il découle de la présence de l'anneau P 19 sur la figure 5 que les lignes de force voyagent aussi facilement à travers l'anneau 19 qu'elles le font à travers

la cible 16 disposée à l'intérieur de la périphérie inté-

rieure de l'anneau En conséquence, la densité du flux à l'intérieur de l'anneau est substantiellement égale à celle qui existe en dehors de la périphérie intérieure de l'anneau Ainsi, il ne s'exerce aucune force extérieure

sur l'arc comme dans le cas de l'appareil de la figure 4.

En conséquence, l'arc se déplace au hasard sur la totalité de la surface de la cible perméable de la même manière qu'il migre sur la cible non perméable de la figure 3

produisant ainsi une érosion uniforme de la cible perméable.

On se reportera maintenant à la figure 8 qui

illustre un mode de réalisation supplémentaire de l'inven-

tion A la suite du travail exécuté par les inventeurs, il a été établi qu'un anneau P entourant une cible non perméable est très efficace pour contenir un arc sur une

telle cible lorsque celle-ci est parfaitement propre.

Ainsi qu'on le décrira maintenant, la configuration de la figure 8 permet que la cible soit parfaitement nettoyée par un arc afin que l'anneau P puisse servir ensuite à remplir sa fonction de rétention de l'arc, cependant que, sur la figure 8, l'anneau N 24 peut être: (a) un couvercle distinct couvrant l'anneau P 19, (b) une couche peinte, projetée, déposée par vaporisation ou autrement sur

l'anneau P 19.

Dans la littérature technique on insiste sans cesse sur la nécessité d'un état de propreté extrême de la cible mais on ne fournit que peu de description sur le

comportement d'une cible non nettoyée contaminée par des oxydes ou des matières analogues Il est indiqué que les oxydes s'évaporent (ou explosent) de la surface sous l'effet

2545845 O

d'un arc avant qu'une vaporisation notable du métal puisse commencer La plus grande partie de l'élimination de ces

contaminants se produit pendant la phase initiale de net-

toyage de la cible pendant que, dans certains cas, le substrat est retiré de l'appareil Durant cette période, des points cathodiques dits de type un se forment qui ne

produisent pas effectivement la vaporisation de la cible.

Ce n'est que lorsque les contaminants ont été réellement éliminés que les points de type un sont remplacés par des points cathodiques de type deux qui sont efficaces pour

produire l'évaporation de la cible A ce moment, le subs-

trat peut être placé dans l'appareil en vue de son

recouvrement, s'il n'était pas déjà en place.

L'anneau N semble restreindre l'arc à la cible pendant la phase initiale de nettoyage même quand la cible est assemblée en état de malpropreté L'anneau P n'est pas absolument répulsif si bien que l'arc peut voyager sur la cible et sur l'anneau P pendant les quelques premiers

éclairs de l'arc au cours de la phase initiale de nettoyage.

Lorsqu'elle a été suffisamment nettoyée pour que se produise

la vaporisation de la matière qui la constitue, il se pro-

duit un recouvrement de la partie de l'anneau immédiatement voisine de la cible et le contrôle de l'arc devient tout à

fait absolu Toutefois, pendant la phase initiale de net-

toyage, l'arc peut se déplacer sur l'arrière et sur les côtés du corps cathodique 18 o il peut endommager la

structure ou vaporiser des métaux contaminants à l'inté-

rieur de la chambre " Pour certaines applications l'anneau N tend à être (a) quelque peu fragile, (b) plutôt limité en durée de vie, (c) coûteux et (d) susceptible de perdre la

matière de la cible déposée en raison de sa faible mouilla-

bilité Par conséquent, il est préférable de profiter de la capacité de rétention de l'arc de l'anneau N pendant le nettoyage initial (autrement dit, l' anneau N semble retenir

les points de type un avec de nombreuses matières consti-

tuant la cible, peut-être avec toutes, au moins avec toutes

celles qui ont été essayées jusqu'à présent par les inven-

teurs) puis d'utiliser un anneau P lorsque la cible a été

nettoyée par l'arc.

En général, deux considérations sont d'impor-

tance majeure Premièrement, il est nécessaire de protéger de l'érosion les zones de la cathode qui ne font pas partie de la cible, spécialement à proximité des isolants Ainsi l'activité de nettoyage de l'arc peut être maintenue sur la cible et sur l'assemblage de retenue Deuxièmement, la fréquence d'extinction de l'arc doit être réduite afin que quelques éclairs aboutissent à une surface propre Avec la présente méthode, plus d'une centaine de coups peuvent être nécessaires sur une grande cathode en aluminium avec un

petit anneau P de confinement.

La difficulté du problème du nettoyage par l'arc est fonction de la matière de la cible Par exemple,

l'aluminium est très mauvais, le zirconium est très bon.

Selon l'observation faite par les inventeurs, les arcs du

type appelé type un ont des fonctions hiérarchisées Pre-

mièrement, ils recherchent et attaquent les zones oxydées.

Ceci est compréhensible puisque les composés tels que les oxydes métalliques ont tendance à être facilement des émetteurs d'électrons Il apparaît que seul ce mode de recherche des oxydes peut facilement franchir l'anneau P. Quand les éclairs violents des zones oxydées évidentes sont terminés, la progression a lieu par des coups beaucoup plus nombreux de l'arc, habituellement avec des périodes de plus

en plus longues de fonctionnement avant l'extinction Pen-

dant la plus grande partie de cette période, il n'y a presqu'aucun métal vaporisé provenant de la décharge même lorsqu'il arrive qu'elle dure plusieurs secondes Il apparait que l'arc opère encore comme un arc du type appelé le type un qui n'a qu'une minuscule capacité d'évaporation C'est probablement l'explosion des points aigus et des arêtes qui peut donner des nombres élevés d'électrons à des

tensions tout à fait basses de l'arc.

Pendant la phase de nettoyage dite des oxydes, l'arc peut facilement transgresser l'anneau P pour aller sur des parties de la cathode qui ne constituent pas la cible Pendant la phase dite des points et des arêtes, l'anneau P contient la décharge mais celle-ci s'éteint très souvent Ce n'est que lorsque l'arc de type un a éliminé toutes les sources faciles d'électrons qu'il se change en un arc de type deux et procède à la vaporisation

instantanée de la surface de la cible.

Parce que l'anneau N contient la décharge pendant la phase dite des oxydes, comme mentionné ci-dessus, la réalisation de la figure 8 peut être utilisée pour optimiser les avantages respectifs de l'anneau N 24 et de l'anneau P 19 Quand on se sert de l'anneau N comme un couvercle distinct, il doit être en place pendant la phase de nettoyage par l'arc initial jusqu'à ce que l'arc de type deux s'établisse sur la cible Le couvercle peut alors être retiré de la cible pour la dégager Il peut exister alors une seconde phase de nettoyage à l'arc qui élimine les zones oxydées, etc, couvertes par l'anneau N 24 pendant lapremière phase de nettoyage Toutefois, il en existe moins que précédemment et la durée totale du nettoyage est moindre que celle qui serait nécessaire en l'absence de l'anneau N servant de couvercle En outre, comme ce dernier est retiré après le nettoyage (pour permettre ensuite à l'anneau P d'effectuer sa fonction de rétention de l'arc comme expliqué plus haut), la durée

de vie de ce couvercle peut être substantiellement accrue.

De plus, la perte de la matière de la cible déposée sur

lui ne serait pas une difficulté.

Quand l'anneau N 24 servant de couvercle est appliqué sous forme d'une couche mince, ceci doit être fait pour chaque nouvelle cible Bien que ce puisse être un inconvénient dans certaines situations, on y trouve certains avantages spécialement quand la couche est réalisée en Ti N ou en matière similaire Les peintures de BN n'adhèrent pas très bien La pulvérisation de BN par radiofréquence sur l'anneau 19 est meilleure Le moyen le plus acceptable est d'utiliser du nitrure de titane

Claims (16)

REVENDICATIONS

1 Appareil pour la stabilisation d'un arc de vaporisation comprenant une cible ayant une surface en matière à vaporiser, des moyens pour établir un arc sur la surface de la cible afin de vaporiser la matière de celle- ci, cet arc étant remarquable par la présence de particules chargées et par un point cathodique qui se déplace au hasard sur la surface de la cible, caractérisé en ce qu'il comprend un premier anneau de confinement ( 24) mis en contact avec la cible ( 16) et entourant la surface de celle- ci, cet anneau ( 24) étant constitué par une matière ayant (a) un rendement d'émission secondaire inférieur à un aux énergies moyennes des particules chargées de l'arc, (b) une énergie de surface inférieure à celle de la matière de la cible à évaporer, afin de

confiner le point cathodique à la surface de la cible.

2 Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cible ( 16) a une surface de matière perméable et l'appareil comprend en plus un anneau perméable ( 19)

entourant la cible pour produire une vaporisation substan-

tiellement uniforme de la matière de la cible à partir de

la surface de celle-ci.

3 Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un anneau perméable ( 19) entourant la cible ( 16) pour retenir le point cathodique à la surface de celle-ci, l'anneau de confinement ( 24) couvrant l'anneau perméable ( 19) de sorte que, au moins pendant le nettoyage initial par élimination des contaminants de la cible ( 16),

le point cathodique ne se déplace pas sur l'anneau perméa-

ble ( 19).

4 Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'anneau de confinement ( 24) est S 5 parable de l'anneau perméable ( 19) de sorte qu'il peut être retiré de

celui-ci après le nettoyage initial éliminant les contami-

nants de la cible ( 16).

la matière même que de nombreux appareils à arc sont conçus pour produire Un anneau supplémentaire 19 en fer peut être recouvert en même temps qu'un lot d'outils, par exemple Cet anneau peut servir ensuite avec la cible suivante qui peut être en titane Ti N se lie très étroite- ment à l'anneau en fer Même quand cette couche est conductrice électriquement, elle rejette l'arc pour les

raisons expliquées précédemment Il est seulement néces-

saire que cette couche de nitrure soit exposée pendant la phase dite des oxydes de nettoyage de la cible, de sorte que ce procédé peut être très pratique En outre,

la couche de Ti N n'a pas tendance à s'écailler.

Il doit être entendu que la description

détaillée donnée ci-dessus de plusieurs modes de réalisa-

tion de l'invention n'est fournie qu'à titre d'exemple seulement Différents détails de conception et de construction peuvent être modifiés sans que l'on ne sorte

pour autant du cadre ni de l'esprit de l'invention.

Appareil selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'anneau de confinement ( 24) est déposé en couche

sur l'anneau perméable ( 19).

6 Appareil selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'anneau de confinement ( 24) est constitué par du

nitrure de titane.

7 Appareil selon la revendication 2 caractérisé

en ce que l'anneau perméable ( 19) et la cible ( 16) consti-

tuent des organes distincts.

8 Appareil selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'anneau perméable ( 19) et la cible ( 16) font

partie intégrante l'un de l'autre.

9 Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 7, 8 caractérisé en ce que l'anneau perméable ( 19)

est réalisé dans la même matière que la cible ( 16).

Appareil selon l'une quelconque des revendi-

cations 7, 8 caractérisé en ce que l'anneau perméable ( 19)

est réalisé en fer ou en alliage Permalloy.

11 Appareil selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 3 caractérisé en ce que le rendement d'émission secondaire de l'anneau de confinement ( 24) est inférieur à

celui de la cible ( 16).

12 Appareil selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 3 caractérisé en ce que les énergies moyennes des particules chargées de l'arc sont de 20 à 100 e V environ. 13 Appareil selon la revendication 12 caractérisé en ce que les énergies moyennes des particules chargées de l'arc sont de 40 à 60 e V.

14 Appareil selon l'une quelconque des revendi-

cations 1 à 3 caractérisé en ce que l'anneau de confinement

( 24) comprend un nitrure.

Appareil selon la revendication 14 caractéri-

sé en ce que le nitrure est choisi entre le nitrure de bore

et le nitrure de titane.

16 Appareil selon la revendication 15 caractérisé

en ce que le nitrure est le nitrure de bore.

17 Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend un substrat ( 12) sur lequel la matière vaporisée de la cible ( 16) est

déposée en couche.

18 Appareil selon la revendication 17 caractérisé en ce que l'anode ( 14) et le substrat ( 12) sont un même organe.

19 Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1 à 3 caractérisé en ce que les moyens pour établir l'arc à la surface de la cible ( 16) comprennent une

cathode ( 18) et une anode ( 14).

Appareil selon la revendication 19 caractérisé

en ce que la cible ( 16) est montée sur la cathode ( 18).

21 Appareil selon la revendication 19 caractérisé en ce que la cible ( 16) et la cathode ( 18) sont un même organe. 22 Appareil selon la revendication 3 caractérisé

en ce que la cible ( 16) comprend une matière non perméable.