FR2556373A1 - Procede ameliore et appareil pour la stabilisation d'un arc de pulverisation de cibles non permeables a l'aide d'un anneau d'arret permeable - Google Patents

Abstract

PROCEDE AMELIORE ET APPAREIL POUR LA STABILISATION D'UN ARC DE PULVERISATION DE CIBLES NON PERMEABLES A L'AIDE D'UN PANNEAU D'ARRET PERMEABLE. POUR QUE LA MATIERE VAPORISEE DE LA CIBLE 10 PAR UN ARC ELECTRIQUE SE DEPOSE SOUS FORME D'UN REVETEMENT SUR UN SUBSTRAT 26, ON CONFINE L'ARC A LA SURFACE DE LA CIBLE 10 A L'AIDE D'UN ANNEAU D'ARRET 14 QUI ENTOURE CETTE SURFACE, CET ANNEAU 14 ETANT COMPOSE D'UNE MATIERE PERMEABLE MAGNETIQUEMENT DE SORTE QU'ELLE EMPECHE LE POINT CATHODIQUE DE SORTIR DE LA SURFACE DE LA CIBLE 10.

Description

L'invention a pour objet un procédé pour lastabilisation d'un arc et un

appareil qui peut être employé à cet effet, par exemple pour le dépôt d'un

revêtement sous l'effet d'un arc.

La présente description est en relation avec

la demande de brevet américain n 492 831 déposée le 9 Mai. 1983 par William M. Mularie avec le titre "Improved

apparatus and method for evaporation arc stabilization".

Elle est en rapport aussi avec une demande ayant pour titre "Improved apparatus and method for evaporation arc stabilization for permeable targets" déposée par William Mo

Mularie, à la même date. En outre, elle se rapporte égale-

ment à une demande ayant pour titre "Improved method and apparatus for evaporation arc stabilization including initiai target cleaning", déposée par Charles F. Morrison,

Jr. encore à la même date.

Des appareils pour l'exécution d'un tel revétement sont décrits dans les brevets américains nos 3 625 848 et 3 336 451 au nom de Alvin A. Snaper, n 3 783 231 et 3 793 179 au nom de L. Sablev et al., qui sont incorporés au présent texte, par référence. Ces appareils sont caractérisés par des taux élevés de dépôt et par d'autres caractéristiques avantageuses. Toutefois, ces avantages sont quelque peu neutralisés par suite de l'instabilité de l'arc. Autrement dit, l'arc implique des courants de 60 ampères environ, ou plus, concentrés sur un point cathodique si petit que les densités de courant atteignent 103 à 106 ampères pour une surface de 6,45 cm2 Les tensions vont de 15 à 45 volts. Ainsi, les densités de la puissance sur le petit point cathodique sont de l'ordre du mqawatt pour une surface de 6,45 cm. En conséquence, dire qu'il se produit un effet localisé violent est en dessous de la réalité. La surface de la cible se trouvant sous l'arc du point cathodique s'évapore sous l'effet de l'intensité de la chaleur. C'est cette matière vaporisée de la cible qui se dépose sur un substrat pour y former un revêtement. Le point cathodique se déplace au hasard sur la surface de la cible d'un mouvement saccadé avec des vitesses prétendues de plusieurs mètres par seconde. En raison de ce mouvement désordonné, l'endommagement de

l'appareil et la contamination du revêtement sont à crain-

dre lorsque le point se déplace en dehors de la surface de

la cible.

Différentes solutions ont été proposées pour surmonter la difficulté de l'instabilité de l'arc. Ainsi, dans le brevet américain n 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 représente une longueur inférieure au parcours libre moyen du gaz présent. Dans une décharge créant un arc, du gaz et du plasma sont engendrés au point cathodique avec une violence suffisante pour que le chemin libre local puisse occasionnellement être réduit à quelques centièmes de millimètres. Quand un tel souffle à pression locale élevée est dirigé sous l'écran, qui est espacé de plusieurs millimètres, il existe une possibilité déterminée que l'arc puisse migrer en dessous de l'écran. Quand ceci survient, il se produit un endommagement de la cathode par l'arc, une contamination de la matière évaporée, ou une

extinction de l'arc.

Dans le brevet américain n 3 783 231 au nom de Sablev et al, on s'efforce apparemment de surmonter la

difficulté ci-dessus en prévoyant un mécanisme de régula-

tion en retour d'une certaine complexité qui souligne les difficultés rencontrées. La régulation en retour implique l'utilisation d'un champ magnétique dont le rôle est de

retenir le point cathodique sur la surface de la cible.

Le brevet américain n 2 972 695 au nom de H. Wroe suggère aussi l'emploi d'un champ magnétique pour retenir le point

cathodique.

Le but principal de la présente invention est de parvenir,dans un procédé d'évaporation sous l'effet d'un arc,à la stabilisation de cet arc pour des cibles non perméables de manière à éviter les imperfections et la complexité des moyens classiques. En outre, un autre but de l'invention est d'apporter un anneau de confinement d'arc du type ci-dessus pour des cibles non perméables,de nature peu élaborée donc

peu coûteuse.

Un but supplémentaire de l'invention est de

parvenir a la stabilisation d'un arc du type défini ci-

-dessus utilisable avec les procédés de revêtement sous

l'effet d'un arc.

D'une façon générale, on atteint ce but en entourant une zone prédéterminée de la surface d'évaporation

d'une cible non perméable à l'aide d'un anneau de confine-

ment réalisé en matière perméable qui dirige l'arc en le renvoyant vers la surface d'évaporation quand il approche de cet anneau de confinement. Dans ce qui suit, ce genre

d'anneau sera appelé "anneau P".

D'autres buts et d'autres caractéristiques

de l'invention apparaîtront au cours de la description que

l'on donnera maintenant en se référant aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est unereprésentation schématique en coupe d'un exemple de réalisation d'un appareil de stabilisation d'un arc conformément au procédé de l'invention, selon lequel une cible non perméable est confinée par un anneau d'arrêt perméable, - la figure 2a est une représentation schématique en coupe montrant la configuration de l'érosion qui se produit quand une cible perméable est confinée à l'aide d'un anneau N, - la figure 2b est unereprésentation schématique en coupe qui montre la configuration de l'érosion uniforme qui se produit quand une cible non perméable est confinée à l'aide d'un anneau N conformément à la demande de brevet américain n 492 831 mentionnée précédemment, - les figures 3a, 3b, 4a et 4b sont des représentations schématiques de diagrammes de limaille de fer, en coupe, qui montrent diverses conditions de cibles perméable et non perméable. Sur les dessins les mêmes références numéri-

ques désignent les pièces identiques.

Sur la figure 1 on peut voir unecible non

perméable 10 retenue par un anneau de confinement d'arc 14.

dans un corps cathodique 12 refroidi à l'eau. Cet anneau est réalisé en matière perméable magnétiquement comme du fer doux ou l'alliage connu sous le nom de Permalloy. En fait, toutes les matières considérées comme perméables magnétiquement peuvent être utilisées, y compris le fer, mais sans être limitées à ce dernier, le nickel, le cobalt et les alliages de ces derniers avec de petites quantités d'additifs éventuels, les ferrites, l'acier, etc. Ainsi qu'on l'expliquera davantage plus loin, c'est le caractère perméable de l'anneau qui lui permet de retenir l'arc sur la cible non perméable en réalisant ainsi la stabilisation désiréede l'arc d'une manière peu coûteuse. En outre, l'anneau peut retenir la cible par rapport au corps

cathodique, comme on l'a indiqué, à l'aide de vis 16.

Comme mentionné plus haut, un anneau permeable effectuant

la stabilisation de l'arc est appelé ici "anneau P".

La figure 1 montre aussi schématiquement les

éléments classiques utilisés pour le revêtement par évapo-

ration sous l'effet d'un arc comprenant une anode 22, une source d'énergie électrique 24 et un substrat 26. Des moyens (non représentés) sont employes typiquement pour faire éclater un arc entre l'anode et la cible qui est

typiquement au potentiel de la cathode. L'arc est caracté-

risé par la présence de particules chargées et d'un point cathodique qui se déplace au hasard sur la surface de la cible. Lorsque l'arc est établi, la matière de la cible est évaporée d'une manière toute particulière en raison de l'énergie élevée de l'arc dans lequel l'énergie moyenne des particules chargées peut s'étendre de 20 à 100 eV et typiquement de 40 à 60 eV. La matière évaporée vient recouvrir le substrat et, dans certaines circonstances, ce dernier peut fonctionner aussi comme anode. En outre, la cible non perméable peut comprendre une matière conductrice électriquement comme un métal ou une matière isolante électriquement. Typiquement, la source 24 d'énergie électrique est une source de courant continu pour les cibles conductrices électriquement et une source

à fréquence radio pour les cibles isolantes électriquement.

De plus, dans certains cas la cible et la cathode peuvent

constituer le même organe.

La stabilisation de l'arc s'effectue dans la demande de brevet américain n 492 831 déjà mentionnée par l'environnement de la cible à l'aide d'un anneau de confinement réalisé en matière telle que le nitrure de bore

ou le nitrure de titane. Dans la présente description, ce

type d'anneau est appelé "'anneau N".

Bien que l'on n'ait aucune intention de limiter l'invention à une théorie particulière expliquant son fonctionnement, les considérations qui suivent semblent applicables aux anneaux P de l'invention= On a observé que lorsqu'un arc dans le vide frappe une cible non perméable il se promène au hasard, le plus souvent en quittant la cible pour d'autres zones de la cathode, dans l'intervalle d'une seconde ou presque. Une cible perméable perd son arc en faveur d'autres zones de la cathode dans un intervalle de quelques millisecondes. Evidemment, quand on veut obtenir des revêtements non contaminés, l'arc doit rester

Eur la cible seulement.

Compte tenu de la perte rapide de l'arc en dehors des cibles perméables non gardées, une tentative a

été faite pour faire évaporer par l'arc une cible circu-

laire en Permalloy entourée d'un anneau No Ceci s'est traduit par une érosion très proche de l'anneau N comme on peut le voir sur la figure 2a o la cible est désignée par la référence 10, l'anneau N par la référence 18, le corps cathodique par la référence 12 et la configuration de l'érosion par la référence 20. La figure 2b montre une configuration normale d'érosion 20 que l'on obtient sur des cibles non perméables avec un anneau N comme décrit dans la demande déjà citée n 492 831. L'examen de la cible de la figure 2a indique que l'arc est influencé dans le sens de son déplacement en direction du bord de la cible perméable parce qu'il n'y a aucune raison de s'attendre, autrement, à ce qu'il se dirige particulièrement vers l'anneau N. La littérature technique connue des 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. En supposant que ceci soit le mécanisme qui force l'arc à se diriger vers le bord de la cible sur la figure 2a, il apparait 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 evaporation 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 au centre approximatif 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 champ 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 ae ces matières perméables sur le champ magnéti-

que. 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 n s 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 symétri-

quement autour de ce dernier. Quand deux fils sont placés parallèlement avec du courant les parcourant dans la même

direction, les fils sont attires l'un vers l'autre.

Le champ engendré entre les deux 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 être. 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 indé-

pendamment 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 explica-

tion simple de cette différente entre l'arc et le fil peut être donnée quand on considère les électrons qui sont libres de se déplacer latéralement dans l'espace autour

de l'arc mais qui sont confinés à l'intérieur du fil.

Ils tendent à se déplacer transversalement dans les fils

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

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 perméa-

ble est significative en comparaison des forces de déplacement au hasard qui déplacent typiquement l'arc

sur une cible non perméable.

Les figures 3a, 3b, 4a et 4b montrent la nature des diagrammes de limaille dans diverses conditions de cibles perméable et non perméable. Sur la figure 3a, la densité du flux 25 est de moins en moins grande à mesure qu'on s'approche de la plaque en fer 26 parce que les lignes de force (qui sont représentées seulement par leur section droite) sont attirées à l'intérieur du fer dans lequel elles voyagent plus facilement. Dans le cas d'une cible en aluminium 28, le flux reste très constant à mesure qu'on s'approche de la plaque, comme on peut le voir sur la figure 3b. Le déplacement en direction du bord de la cible, comme le montre la figure 4b, ne produit pas

de changement dans le cas d'une cible en aluminium.

Toutefois, comme le montre la figure 4a, le déplacement 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. Quand la force agissant sur l'arc se trouve ainsi en dehors, il est tout à fait compréhensible que l'arc se déplace vers le bord extérieur. Les forces sont annihilées quand l'arc est parfaitement au centre de la cible mais sa migration normale au hasard le pousse

rapidement en dehors du centre. A mesure qu'il se rappro-

che d'un bord, la force en direction de celui-ci s'accroit.

Il est donc tout à fait logique que l'érosion se produise,

comme le montre la figure 2a, parce que l'arc est emprison-

né entre la force électromagnétique 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 2a. 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 significativement avec l'intention de le contrôler. En outre, il ressort du mode de réalisation de la figure 1 que la densité du flux est moindre quand l'anneau perméable est approché par un arc parce que les

lignes de force voyagent plus facilement dans l'anneau.

En particulier, le champ magnétique engendré par le courant d'un arc dans le vide interagit avec l'anneau d'arrêt perméable pour produire un confinement total de l'arc sur la cible. En conséquence, la force exercée sur l'arc l'éloigne de l'anneau en direction de la zone de la cible

de plus grande densité du flux.

On notera que la matière perméable de l'an-

neau d'arrêt a une tension d'arc supérieure à celle de la cible. Il est mentionné dans la littérature technique que lorsqu'un arc s'est écarté d'une matière à tension d'arc plus élevée jusqu'à une matière à tension d'arc plus faible il ne retourne pas sur la première. Cette remarque n'est faite qu'en passant mais elle indique un moyen supplémentaire possible de parvenir au confinement d'un arc. De plus, il existe la question de savoir ce qui se produit quand une couche suffisante de matière à basse tension recouvre l'autre matière. De toute façon, le fer est considéré comme le métal qui a la tension d'arc la plus élevée, de sorte que l'arrêt de l'arc selon la présente invention est avantageux sous ces deux aspects,

c'est-à-dire la tension d'arc élevée et la perméabilité.

Toutefois, on pense que la perméabilité est le facteur principal en ce sens que l'arc tend à rester presque trop loin de l'anneau de confinement avec une certaine modification de la configuration de l'érosion. Ceci est tout à fait différent de la cible retenue par un anneau N qui s'érode très uniformément tout à fait près de l'anneau. En plus de ce que l'anneau P de l'invention permet d'arriver à une érosion uniforme, il est aussi très avantageux parce qu'il est d'une construction peu élaborée

et donc peu coûteuse.

-- Il est entendu que la description détaillée

donnée ci-dessus de plusieurs modes de réalisation 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 sorte pour autant

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

Claims (21)

REVENDICATIONS

1. Procédé pour la stabilisation d'un arc ser-

vant à la vaporisation d'une matière par l'établissement de cet arc sur une surface d'une cible en matière non perméable pour vaporiser celle-ci, cet arc se manifestant par la présence de particules chargées et d'un point cathodique qui se déplace au hasard sur la surface de la cible, caractérisé en ce qu'on confine l'arc sur la surface de la cible à l'aide d'un anneau de confinement qui entoure la surface de la cible, cet anneau étant

composé d'une matière perméable magnétiquement.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'énergie moyenne des particules chargées de l'arc

est de 20 à 100 eV.

3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'énergie moyenne des particules chargées est de

à 60 eV.

4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matière permeable constituant l'anneau est choisie dans le groupe composé du fer et de l'alliage Permalloy.

5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé

en ce que la cible est en matière électriquement conductri-

ce.

6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé-

en ce que la matière électriquement conductrice est métal-

lique.

7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la cible est composée d'une matière isolante

électriquement.

8. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on fait déposer la matière vaporisée de la cible

sur un substrat comme revêtement de celui-ci.

9. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'anneau de confinement est mis au contact de la cible.

10. Appareil pour la stabilisation d'un arc servant à la vaporisation d'une matière comprenant une cible (10) ayant une surface en matière non permeable à vaporiser, des moyens pour établir un arc à la surface de la cible pour la vaporisation de la matière de celle-ci, cet arc se manifestant par la présence de particules chargées et par un point cathodique se déplaçant au hasard sur la surface de la cible, caractérisé en ce qu'un anneau de confinement (14) entoure la surface de la cible (10), cet anneau étant composé d'une matière perméable magnétiquement afin de confiner le point cathodique à la

surface de la cible (10).

11. Appareil selon la revendication 10 caracté-

risé en ce que l'énergie moyenne des particules chargées

de l'arc est de 20 à 100 eV.

12. Appareil selon la revendication 11 caracté-

risé en ce que l'énergie moyenne des particules chargées

de l'arc est de 40 à 60 eV.

13. Appareil selon la revendication 10 caracté-

risé en ce que la matière perméable est choisie dans le

groupe composé du fer doux et de l'alliage Permalloy.

14. Appareil selon la revendication 10 caracté-

risé en ce qu'il comprend un substrat sur lequel on fait se déposer comme revêtement la matière vaporisée de la cible.

15. Appareil selon la revendication 14 caracté-

risé en ce que l'anode (22) et le substrat (26) constituent

le même organe.

16. Appareil selon la revendication 10 caracté-

risé en ce que la cible (10) est constituée par une matière

électriquement conductrice.

17. Appareil selon la revendication 10 caractéri-

sé en ce que la cible est composée d'une matière électrique-

ment isolante.

18. Appareil selon la revendication 10 caracté-

risé en ce que les moyens pour établir l'arc à la surface

de la cible comprennent une cathode et une anode.

19. Appareil selon la revendication 18 caractérisé

en ce que la cible est montée sur la cathode.

20. Appareil selon la revendication 18 caractérisé

en ce que la cible et la cathode constituent le même organe.

21. Appareil selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'anneau de confinement est au contact de la cible.