FR2564865A1 - PROCESS FOR THE COATING OF QUARTZ AND CERAMIC CRUCIBLES WITH A MATERIAL ELECTRICALLY TRANSFORMED INTO THE VAPOR PHASE. - Google Patents
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Abstract
CE PROCEDE COMPORTE LES ETAPES DE JUXTAPOSITION D'UNE PAIRE D'ELECTRODES701, 702, COMPOSEES D'AU MOINS UN COMPOSANT DE LA MATIERE DESTINEE A REVETIR LEDIT CREUSET ET DE LA SURFACE INTERIEURE DUDIT CREUSET, DE CREATION DE VIDE DANS L'ESPACE DANS LEQUEL SONT JUXTAPOSEES LESDITES ELECTRODES A AU PLUS 1,33 10 PA ET MAINTIEN DANS LEDIT ESPACE D'UN VIDE QUI NE DEPASSE PAS 1,33 10 PA PENDANT L'OPERATION DE DEPOT ET D'AMORCAGE D'UN ARC ELECTRIQUE ENTRE LESDITES ELECTRODES, A L'UNE DES EXTREMITES DE CHACUNE D'ELLES A UNE TENSION DE 30 A 60VOLTS ET A UNE INTENSITE DE 59 A 90AMPERES, EN AMENANT DE FACON INTERMITTENTE LESDITES ELECTRODES AU CONTACT L'UNE DE L'AUTRE PUIS EN LES SEPARANT POUR DEPOSER LA MATIERE QUI SE VAPORISE DE CES ELECTRODES DE FACON UNIFORME SUR LADITE SURFACE INTERIEURE DUDIT CREUSET710.THIS PROCESS INCLUDES THE STEPS OF JUXTAPOSITION OF A PAIR OF ELECTRODES 701, 702, COMPOSED OF AT LEAST ONE COMPONENT OF THE MATERIAL INTENDED FOR COVERING SUCH A CRUCIBLE AND OF THE INTERNAL SURFACE OF SAID CRUCIBLE, OF VACUUM CREATION IN THE SPACE IN WHICH THE SAID ELECTRODES ARE JUXTAPOSED AT NOT MORE THAN 1.33 10 PA AND MAINTAINING IN SUCH A SPACE OF A VACUUM THAT DOES NOT EXCEED 1.33 10 PA DURING THE OPERATION OF DEPOSITION AND IGNITION OF AN ELECTRIC ARC BETWEEN THE SAID ELECTRODES ONE OF THE END OF EACH OF THEM HAS A VOLTAGE OF 30 TO 60 VOLTS AND AN INTENSITY OF 59 TO 90 AMPERES, BRINGING THE ELECTRODES INTERMITTENTLY INTO CONTACT WITH ONE OF THE OTHER THEN BY SEPARATING THEM TO DEPOSIT THE MATERIAL WHICH VAPORIZES THESE ELECTRODES IN A UNIFORM WAY ON THE SAME INTERIOR SURFACE OF THE SAID CREUSET710.
Description
PROCEDE POUR LE REVETEMENT DE CREUSETS EN QUARTZPROCESS FOR COATING QUARTZ CRUCIBLES
ET EN CERAMIQUE AVEC UNE MATIERE TRANSFORMEE ELECTRIQUEMENT AND CERAMIC WITH AN ELECTRICALLY TRANSFORMED MATERIAL
EN PHASE VAPEURIN STEAM
L'invention concerne un procédé pour le revêtement de creusets en quartz et en céramique avec une matière trans- The invention relates to a method for coating quartz and ceramic crucibles with a transparent material.
formée électriquement en phase vapeur. electrically formed in vapor phase.
Le dépôt d'une matière en phase vapeur sur un substrat est une technique bien connue dans le domaine du revêtement et dans celui de la transformation superficielle d'un substrat. De façon générale, on chauffe un élément de la matière que l'on doit transférer au substrat à proximité de celui-ci en la faisant d'abord passer à l'état fondu puis The deposition of a material in the vapor phase on a substrate is a well-known technique in the field of coating and in that of the surface transformation of a substrate. In general, an element of the material is heated which must be transferred to the substrate near it by first passing it to the molten state and then
à l'état de vapeur. La matière subit ainsi deux transforma- in the vapor state. Matter thus undergoes two transforma-
tions de phase: celle conduisant de la phase solide à la phase liquide puis celle conduisant de la phase liquide à phase states: that leading from the solid phase to the liquid phase and then that leading from the liquid phase to
la phase vapeur.the vapor phase.
Des systèmes antérieurs utilisent le chauffage Previous systems use heating
par induction pour effectuer ces transformations de phase. by induction to effect these phase transformations.
Des problèmes particuliers se sont posés en ce Special problems have arisen in this respect.
qui concerne les creusets de quartz utilisés dans la produc- which concerns the quartz crucibles used in the production
tion de supports en silicium pour application dans les semi- tion of silicon supports for application in semi-
conducteurs. Ces creusets destinés à la fusion du silicium élémentaire sont généralement constitués de quartz et sont logés dans une enveloppesupport en carbone contenant une bobine inductrice qui est utilisée pour fondre le silicium élémentaire. Une amorce en silicium monocristallin peut alors être descendue dans la fusion de silicium du creuset puis lentement remontée pour tirer un barreau de silicium qui est refroidi sous contrôl81e de telle sorte que le produit monocristallin peut ensuite être coupé en supports. Ces creusets destinés à la fusion du silicium élémentaire sont conductors. These crucibles intended for the fusion of elementary silicon generally consist of quartz and are housed in a carbon support envelope containing an inductor coil which is used to melt the elementary silicon. A primer in monocrystalline silicon can then be lowered into the silicon fusion of the crucible and then slowly reassembled to draw a silicon rod which is cooled under control so that the monocrystalline product can then be cut into supports. These crucibles intended for the fusion of elementary silicon are
portés et maintenus de nombreuses heures pendant le proces- worn and maintained for many hours during the process
sus de tirage à une température élevée proche de leur point de ramollissement, température à laquelle ils peuvent être over draft at a high temperature near their softening point, at which temperature they can be
attaqués par le silicium fondu. Ceci conduit à une détério- attacked by molten silicon. This leads to deterioration
ration du creuset et à des risques d'introduction d'impure- ration of the crucible and risks of impurity introduction-
tés dans les supports.tees in the supports.
Le domaine des semi-conducteurs a donc recherché pendant longtemps un procédé de protection de ces creusets, The field of semiconductors has therefore long sought a method of protecting these crucibles,
accroissant leur durée de vie.increasing their lifespan.
Un autre problème se pose dans l'application des Another problem arises in the application of
métaux aux céramiques. Nombre de métaux peuvent être appli- metals to ceramics. Many metals can be applied
qués sur des céramiques par revêtement, mais les métaux réfractaires tels que le tungstène et le titane ont été appliqués de façon moins satisfaisante et l'on a rencontré pratiquement dans tous les cas des problèmes d'adhésion only on coated ceramics, but refractory metals such as tungsten and titanium have been applied less satisfactorily and adhesion problems have been encountered in almost all cases.
lors des procédés de la technique antérieure. during the processes of the prior art.
L'invention a tout d'abord pour objet un procédé The invention firstly relates to a method
de dépôt de matière en phase vapeur sur des substrats pré- of vapor phase material deposition on pre-
sentant une surface importante et/ou une configuration complexe, à un coût relativement faible en énergie et avec feeling a large surface and / or a complex configuration, at a relatively low energy cost and with
une uniformité améliorée.improved uniformity.
Un autre objet de l'invention est de fournir un procédé permettant le revêtement à vitesse élevée de surfaces Another object of the invention is to provide a method for coating surfaces at high speed.
complexes et/ou importantes.complex and / or important.
L'invention a également pour objet un procédé de The invention also relates to a method of
protection des creusets en quartz du type utilisé dans l'in- protection of quartz crucibles of the type used in the
dustrie des semi-conducteurs de façon à augmenter leur durée semiconductor industry to increase their duration
de vie.of life.
L'invention a enfin pour objet un procédé amélioré d'application de revêtements métalliques à des céramiques The invention finally relates to an improved process for applying metallic coatings to ceramics
qui évite les problèmes de mauvaise adhésion qui caractéri- which avoids the problems of poor adhesion which characterizes
sent les systèmes de la technique antérieure. feels the systems of the prior art.
Ces objets et bien d'autres ressortiront bien de These and many other objects will emerge well from
la description qui va suivre d'un procédé de dépôt enphaseva- the following description of an enphaseva deposition process
peur qui est basé sur la découverte oelcn laquelle il est possible de former des dépôts de surface spécialement importants en juxtaposant latéralement une électrode allongée de la matière à déposer et la surface du substrat à revêtir sur une partie importante de la longueur de l'électrode, sous vide, et en amorçant un arc entre une extrémité de cette électrode et une contre-électrode de sorte que l'intensité du courant de l'arc se situe entre 50 et 90 ampères, avec une tension fear which is based on the discovery where it is possible to form especially large surface deposits by juxtaposing laterally an elongated electrode of the material to be deposited and the surface of the substrate to be coated over a significant part of the length of the electrode, under vacuum, and by striking an arc between one end of this electrode and a counter-electrode so that the intensity of the current of the arc is between 50 and 90 amps, with a voltage
de 30 à 60 volts.from 30 to 60 volts.
On constate de façon surprenante qu'une fois que l'arc est amorcé quand les deux électrodes sont séparées, l'arc, une partie de celui-ci ou un effet thermique généré par l'arc forme une spirale autour de l'électrode longue et occasionne la vaporisation de la matière de l'électrode selon une forme généralement hélicoïdale ou en spirale It is surprisingly found that once the arc is struck when the two electrodes are separated, the arc, a part of it or a thermal effect generated by the arc forms a spiral around the long electrode and causes the vaporization of the electrode material in a generally helical or spiral shape
s'éloignant progressivement de la contre-électrode. gradually moving away from the counter electrode.
Il est tout à fait surprenant que l'arc ne reste It is quite surprising that the arc does not remain
pas confiné à l'espace entre les deux électrodes mais com- not confined to the space between the two electrodes but com-
porte plutôt un composant ou un effet qui s'éloigne en rather carries a component or an effect which goes away in
spirale de la contre-électrode vers une partie de la lon- spiral of the counter electrode towards a part of the length
gueur de l'électrode allongée qui est ensuite éloignée de la contreélectrode en dépit du fait qu'il semblerait que la conductivité la plus importante se situe directement entre les deux électrodes o parait confinée la partie of the elongated electrode which is then moved away from the counterelectrode despite the fact that it would seem that the most important conductivity is located directly between the two electrodes where the part appears to be confined
principale de l'arc.main arc.
Cet effet est manifeste en ce que l'électrode allongée, c'est-à-dire l'électrode de dépôt, au départ de This effect is manifest in that the elongated electrode, that is to say the deposition electrode, from
section transversale uniforme, forme un cône vers la contre- uniform cross-section, forms a cone towards the counter
électrode et que le revêtement venant de l'électrode de dépôt et allant sur le substrat peut être observé à des distances considérables de la face d'amorçage de l'arc de electrode and that the coating coming from the deposition electrode and going on the substrate can be observed at considerable distances from the initiating face of the arc
l'électrode de dépôt.the deposition electrode.
En fait, l'effet semble se prolonger pendant une brève période suivant l'extinction de l'arc originel et on préfère selon l'invention mettre en contact et séparer In fact, the effect seems to be prolonged for a brief period following the extinction of the original arc and it is preferred according to the invention to put in contact and separate
périodiquement les électrodes pour former l'arc et permet- periodically the electrodes to form the arc and allow
tre son extinction.be its extinction.
Selon un mode de réalisation de l'invention, des moyens sont prévus à l'une des extrémités de l'électrode en matière que l'on désire déposer, éloignés de l'électrode amorçant l'arc, pour contrôler la température de l'électrode fournissant la matière, en général pour la maintenir dans la gamme allant de 800 F à 1000 F (427 à 538 C). Dans les conditions de faibles tension et intensité et de température According to one embodiment of the invention, means are provided at one end of the electrode of material which it is desired to deposit, remote from the electrode initiating the arc, to control the temperature of the electrode providing the material, generally to keep it in the range from 800 F to 1000 F (427 to 538 C). In conditions of low voltage and current and temperature
selon l'invention, la vitesse à laquelle la matière se vapo- according to the invention, the speed at which the material vaporizes
rise depuis l'électrode peut être de 1,5 à 2 fois supérieure à la vitesse de vaporisation des systèmes antérieurs. On peut utiliser pratiquement tous les métaux, alliages, car- rise from the electrode can be 1.5 to 2 times greater than the vaporization rate of previous systems. Virtually all metals, alloys, car-
bures et siliciures pour l'électrode fournissant la matière. bures and silicides for the electrode providing the material.
Outre les métaux et alliages, on peut déposer sur le subs- In addition to metals and alloys, one can deposit on the sub-
trat des carbures, Dorures, siliciures et nitrures. carburet, gilding, silicides and nitrides.
Quoique l'on n'ait pas réussi à comprendre parfai- Although we have not been able to fully understand
tement pourquoi la vitesse de vaporisation de la matière why the vaporization rate of the material
à déposer augmente avec l'utilisation d'une énergie infé- to deposit increases with the use of lower energy
rieure, conformément à l'invention, il est possible que la migration de l'arc puisse étendre la surface fondue en In accordance with the invention, it is possible that the migration of the arc may extend the molten surface by
flaque sur une surface plus importante de l'électrode four- puddle on a larger surface of the electrode four-
nissant la matière pour permettre la vaporisation du métal thinning the material to allow the metal to vaporize
fondu sous forme de film mince.melted as a thin film.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les principes énoncés ciavant sont mis en pratique dans According to another characteristic of the invention, the principles set out above are put into practice in
l'application de revêtements métalliques à des résines syn- the application of metallic coatings to syn-
thétiques sous forme de coffrets ou de logements pour compo- in the form of boxes or housings for components
sants électroniques. On a découvert, de façon surprenante, electronic health. We discovered, surprisingly,
que, puisque le support n'est pas affecté par les revête- that since the support is not affected by the coatings
ments sur des surfaces importantes, qui peuvent être appli- on large areas, which can be applied
quées selon l'invention, celle-ci est extrêmement intéres-- quées according to the invention, it is extremely interesting--
sante pour le revêtement des parties intérieures des cof- health for coating the interior parts of the cof-
frets ou logements destinés aux composants électroniques, freight or accommodation for electronic components,
le revêtement constituant un bouclier électromagnétique. the coating constituting an electromagnetic shield.
On a également découvert, de façon tout à fait surprenante, que l'invention est très intéressante pour l'application de revêtements en silicium pur ou d'autres revêtements protecteurs, par exemple, en carbure de silicium, It has also been discovered, quite surprisingly, that the invention is very advantageous for the application of coatings of pure silicon or other protective coatings, for example, of silicon carbide,
nitrure de silicium ou nitrure de bore, aux surfaces inté- silicon nitride or boron nitride, with internal surfaces
rieures de creusets en quartz utilisés par la fusion du silicium lors de la fabrication de barreaux monocristallins à extraire par tirage d'un bain de silicium fondu dans le of quartz crucibles used by the fusion of silicon during the manufacture of monocrystalline bars to be extracted by drawing from a bath of molten silicon in the
domaine des semi-conducteurs.semiconductor field.
L'invention peut, de plus, être utilisée pour l'application de revêtements métalliques à des produits céramiques, avec une adhésion améliorée, même quand les métaux appliqués sont des métaux réfractaires tels que le nickel, le tungstène, le titane, le tantale ou similaire qu'il a été jusqu'à présent difficile d'appliquer sur des substrats en céramique. Tout substrat en céramique peut pratiquement être utilisé selon l'invention; dans le cas de creusets en quartz et de substrats en céramique, on The invention can, moreover, be used for the application of metallic coatings to ceramic products, with improved adhesion, even when the metals applied are refractory metals such as nickel, tungsten, titanium, tantalum or similar that has been difficult to apply to ceramic substrates so far. Any ceramic substrate can practically be used according to the invention; in the case of quartz crucibles and ceramic substrates,
préfère soumettre la surface prévue pour recevoir le revête- prefer to submit the surface provided to receive the coating
ment à un sablage ou à un traitement similaire rendant la sandblasting or similar treatment making the
surface rugueuse par soufflage. Le terme "sablage" est uti- rough surface by blowing. The term "sandblasting" is used
lisé ici pour décrire l'entraînement de particules abrasives read here to describe entrainment of abrasive particles
contre la surface, les particules abrasives étant générale- against the surface, the abrasive particles being generally-
ment des particules métalliques, du carbure de silicium, du nitrure de silicium de la poussière de diamant, de l'oxyde metal particles, silicon carbide, silicon nitride, diamond dust, oxide
de fer, du dioxyde de silicium ou toute autre matière sus- iron, silicon dioxide or any other material
ceptible de rendre la surface rugueuse. Le gaz d'entralne- likely to roughen the surface. Central gas
ment peut être l'air ou tout autre gaz. Dans tous les cas, le substrat peut, en outre, être préchauffé dans la chambre à vide, ou avant son introduction dans cette chambre, à it may be air or any other gas. In all cases, the substrate can, moreover, be preheated in the vacuum chamber, or before its introduction into this chamber, to
une température inférieure au point de fusion du métal. a temperature below the melting point of the metal.
La température de préchauffage sera pourtant d'au moins The preheating temperature will however be at least
plusieurs centaines de degrés.several hundred degrees.
Selon l'invention, le revêtement est effectué par juxtaposition de deux électrodes de deux métaux différents, de préférence un métal hautement conducteur et un métal According to the invention, the coating is carried out by juxtaposition of two electrodes of two different metals, preferably a highly conductive metal and a metal
hautement réfractaire et d'un substrat qui est, de préfé- highly refractory and a substrate which is preferably
rence, un corps en céramique et amorçage d'un arc entre ces électrodes dans une chambre o l'on a fait le vide rence, a ceramic body and striking of an arc between these electrodes in a chamber where a vacuum has been created
et qui contient les électrodes et le substrat. Selon l'in- and which contains the electrodes and the substrate. According to the-
vention, on communique tout d'abord aux électrodes une polarité relative, c'est-à-dire que l'une est polarisée positivement tandis que l'autre est polarisée négativement afin de déposer de façon sélective le métal de. l'une de ces électrodes tandis que simultanément il se dépose une First of all, a relative polarity is communicated to the electrodes, that is to say that one is positively polarized while the other is negatively polarized in order to selectively deposit the metal of. one of these electrodes while simultaneously depositing a
petite quantité de ce dernier métal sur la seconde électrode. small amount of the latter metal on the second electrode.
Quand on inverse la polarité, le métal se vaporise de préférence depuis la seconde électrode, en incluant au début la petite partie de métal de la première électrode qui a été déposée sur cette dernière, de telle sorte qu'il se forme à l'interface entre les deux couches, une composi- When the polarity is reversed, the metal preferably vaporizes from the second electrode, including at the beginning the small metal part of the first electrode which has been deposited on the latter, so that it forms at the interface between the two layers, a composition
tion mixte des métaux.mixed metals.
On peut pallier les inconvénients que l'on a ren- We can overcome the disadvantages that we have
contré jusqu'alors avec les métaux de conductivité élevée, plus spécialement avec le cuivre mais aussi avec l'or et l'argent, quand ils sont appliqués sur des substrats en céramiques (plus spécialement en ce qui concerne l'adhésion après ou pendant la soudure des éléments conducteurs) si, avant l'application du métal hautement conducteur on revêt hitherto countered with metals of high conductivity, more particularly with copper but also with gold and silver, when they are applied on ceramic substrates (more particularly with regard to adhesion after or during the welding of the conductive elements) if, before applying the highly conductive metal,
la céramique d'un métal réfractaire, sur une épaisseur re- the ceramic of a refractory metal, over a thickness
lativement faible et si cette couche intermédiaire est, à laterally weak and if this intermediate layer is, at
son tour, revêtue du métal conducteur. in turn, coated with conductive metal.
On a découvert, plus particulièrement, qu'il est possible de déposer un revêtement, par exemple de 5 à 10 microns d'épaisseur, de tungstène, molybdène, titane ou zirconium (en tant que métal réfractaire). sur le substrat puis d'appliquer un revêtement plus épais, par exemple de 0,254 à 5,08 mm de cuivre ou d'un alliage de cuivre, d'or, d'argent ou d'autre métal non réfractaire c'est-à-dire It has been discovered, more particularly, that it is possible to deposit a coating, for example from 5 to 10 microns thick, of tungsten, molybdenum, titanium or zirconium (as a refractory metal). on the substrate then apply a thicker coating, for example from 0.254 to 5.08 mm of copper or an alloy of copper, gold, silver or other non-refractory metal i.e. -say
d'un métal dont le point d'ébullition est nettement infé- of a metal with a significantly lower boiling point
rieur à celui du métal réfractaire utilisé. lower than that of the refractory metal used.
On a découvert, que, quand on utilise le procédé à deux électrodes selon l'invention, il est possible de réaliser une électrode en métal réfractaire et l'autre en métal non réfractaire, la régulation de la polarité des électrodes pendant le dépôt permettant de maîtriser It has been discovered that when the two-electrode method according to the invention is used, it is possible to make one electrode of refractory metal and the other of non-refractory metal, the regulation of the polarity of the electrodes during deposition making it possible to control
le dépôt du métal.metal deposition.
On a découvert que la présente invention permet- It has been found that the present invention allows
tait de multiplier l'adhésion, exprimée en terme de force requise pour séparer le revêtement du substrat, par 100 ou plus, toutes choses égales d'ailleurs, si le revêtement mince en métal réfractaire est appliqué entre le revêtement was to multiply the adhesion, expressed in terms of force required to separate the coating from the substrate, by 100 or more, all other things being equal, if the thin coating of refractory metal is applied between the coating
de cuivre et le substrat de céramique. of copper and the ceramic substrate.
Un substrat de céramique peut être utilisé selon la présente invention et l'on peut employer des techniques de masquage pour que le dépôt s'effectue selon tout dessin désiré. Selon une caractéristique importante de l'invention, une des deux électrodes juxtaposées au substrat peut être désalignée de l'autre électrode et remplacée par une autre électrode, et le procédé peut être répété pour déposer en plus au moins une couche du métal de la troisième électrode A ceramic substrate can be used according to the present invention and masking techniques can be used so that the deposition takes place according to any desired design. According to an important characteristic of the invention, one of the two electrodes juxtaposed to the substrate can be misaligned from the other electrode and replaced by another electrode, and the process can be repeated to deposit in addition at least one layer of the metal of the third electrode
sur la seconde couche.on the second layer.
Tout ce qui précède ainsi que d'autres caractéris- All of the above as well as other features
tiques et avantages de la présente invention vont être ex- ticks and advantages of the present invention will be ex-
pliqués plus clairement à l'aide de la description qui plicated more clearly using the description which
suit, en référence au dessin schématique annexé dans lequel: - Figure 1 est une vue en coupe d'un appareillage follows, with reference to the attached schematic drawing in which: - Figure 1 is a sectional view of an apparatus
pour effectuer le dépôt en phase vapeur selon un mode d'exé- to carry out vapor deposition according to a mode of exe
cution de l'invention; - Figure 2 est une vue similaire représentant un autre appareillage dans lequel la matière déposée en phase vapeur est rassemblée sur une autre électrode verticale; cution of the invention; - Figure 2 is a similar view showing another device in which the material deposited in the vapor phase is collected on another vertical electrode;
- Figure 3 est une coupe verticale d'un appareil- - Figure 3 is a vertical section of a device-
lage pour le dépôt de matière sur un substrat disposé en- lage for the deposition of material on a substrate disposed en-
dessous de la flaque de métal;below the metal puddle;
- Figure 4 est une vue similaire à figure 3 illus- - Figure 4 is a view similar to Figure 3 illus-
trant un autre mode d'exécution de l'invention; - Figure 5 est une coupe longitudinale d'un autre appareillage pour le dépôt de matière sur un substrat selon l'invention; trant another embodiment of the invention; - Figure 5 is a longitudinal section of another apparatus for depositing material on a substrate according to the invention;
- Figure 6 est une coupe longitudinale d'un appa- - Figure 6 is a longitudinal section of an apparatus
reillage portable, très compact, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; - Figure 7 est une coupe schématique d'un autre portable, very compact reillage for implementing the method according to the invention; - Figure 7 is a schematic section of another
appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'inven- apparatus for implementing the process according to the invention
tion;tion;
- Figure 8 est une vue en coupe schématique, illus- - Figure 8 is a schematic sectional view, illus-
trant l'application de l'invention au revêtement d'un creu- trant the application of the invention to the coating of a hollow
set en quartz utilisé pour la fabrication des supports pour semiconducteurs; - Figure 9 est une vue schématique d'un autre appareillage pour l'application de revêtements de grande surface sur des substrats en céramique selon l'invention; - Figure 10 est un diagramme d'un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; - Figure 11 est une vue en coupe à grande échelle d'un produit obtenu par- mise en oeuvre de l'invention; - Figure 12 est une vue similaire à figure 10 d'un autre appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; Figure 13 est un diagramme illustrant un effet obtenu pendant le dép8t du métal de la première couche avant le début de la seconde couche; quartz set used for the manufacture of semiconductor supports; - Figure 9 is a schematic view of another apparatus for the application of large area coatings on ceramic substrates according to the invention; - Figure 10 is a diagram of an apparatus for implementing the method according to the invention; - Figure 11 is a sectional view on a large scale of a product obtained by implementation of the invention; - Figure 12 is a view similar to Figure 10 of another apparatus for implementing the method according to the invention; Figure 13 is a diagram illustrating an effect obtained during the dep8t of the metal of the first layer before the start of the second layer;
- Figure 14 est une vue en coupe du produit obte- - Figure 14 is a sectional view of the product obtained -
nu selon figure 13.naked according to figure 13.
La figure 1 représente un système utilisant un Figure 1 shows a system using a
procédé à l'arc simple selon la présente invention pour ob- simple arc method according to the present invention for obtaining
tenir des revêtements protecteurs du type miroir sur des substrats ou pour vaporiser différents métaux ou alliages, y compris des métaux résistant à la chaleur et réfractaires, hold protective coatings of the mirror type on substrates or to vaporize various metals or alloys, including heat resistant and refractory metals,
et pour appliquer au substrat ces revêtements. and to apply these coatings to the substrate.
Comme il ressort de la figure 1, l'appareillage de base peut comporter une chambre à vide (non représentée) qui peut être similaire à la chambre à vide de la figure 6 et dans laquelle une électrode métallique (1) peut être As shown in Figure 1, the basic apparatus may include a vacuum chamber (not shown) which may be similar to the vacuum chamber of Figure 6 and in which a metal electrode (1) can be
amenée par un chargeur d'électrode (7) vers un corps d'élec- brought by an electrode charger (7) to an electic body
trode (2) pour former la flaque (3) de métal fondu avec trode (2) to form the puddle (3) of molten metal with
laquelle l'arc (4) est amorcé.which the arc (4) is struck.
Le corps d'électrode (2) est maintenu sur un sup- The electrode body (2) is held on a support
port (5) et la source de courant continu applique le cou- port (5) and the direct current source applies the
rant d'arc à travers l'électrode (1) et le corps (2) par un circuit conventionnel stabilisant l'arc représenté en (8). On a trouvé intéressant de munir l'électrode (1) de section transversale relativement petite d'un régulateur thermique (6) tendant à prevenir la surchauffe de cette électrode. Puisque la section transversale du corps (2) est nettement plus importante que celle de l'électrode (1), la rant of arc through the electrode (1) and the body (2) by a conventional circuit stabilizing the arc shown in (8). It has been found advantageous to provide the electrode (1) of relatively small cross section with a thermal regulator (6) tending to prevent overheating of this electrode. Since the cross section of the body (2) is significantly larger than that of the electrode (1), the
flaque (3) se trouve dans un évidement concave formé in- puddle (3) is in a concave recess formed in
situ dans le corps (2).located in the body (2).
Exemple 1Example 1
L'appareillage de la figure 1, utilisant les élec- The apparatus of FIG. 1, using the elect
trodes (1) et (2) réalisées en titane, aluminium, tungstène, tantale ou cuivre amorce un arc à une température de 5 000 à 7 000 F (2 742 à 3 835 C) pour générer des vapeurs de métal de la flaque (3), qui traversent la distance de 10 à 15 cm jusqu'au substrat (10) et forment sur ce substrat un revêtement de métal. La flaque (3) peut être formée par un mélange de métal provenant des électrodes (1) et (2) déposant ainsi sur le substrat un alliage des métaux des deux électrodes. De préférence, l'électrode est en titane tandis que le métal fondu est, de façon prédominante, de trodes (1) and (2) made of titanium, aluminum, tungsten, tantalum or copper strike an arc at a temperature of 5,000 to 7,000 F (2,742 to 3,835 C) to generate metal vapors from the puddle ( 3), which cross the distance of 10 to 15 cm to the substrate (10) and form a metal coating on this substrate. The puddle (3) can be formed by a mixture of metal coming from the electrodes (1) and (2) thus depositing on the substrate an alloy of the metals of the two electrodes. Preferably, the electrode is made of titanium while the molten metal is predominantly of
l'aluminium, du tungstène, du tantale ou du cuivre. aluminum, tungsten, tantalum or copper.
L'appareillage de la figure 1 peut être utilisé, sans modification importante, dans un procédé sans creuset pour générer des revêtements protecteurs en carbure, pour effectuer des revêtements en siliciure sur le substrat ou pour former, sur le substrat, des couches de carbure ou The apparatus of FIG. 1 can be used, without significant modification, in a crucible-free process for generating protective carbide coatings, for making silicide coatings on the substrate or for forming, on the substrate, layers of carbide or
de siliciure ou même de carbure de silicium. of silicide or even silicon carbide.
Si l'on dépose des couches de carbure de silicium-carbure If we lay layers of silicon carbide-carbide
de tungstène sur le substrat, l'électrode (2) est en gra- tungsten on the substrate, the electrode (2) is in gra-
phite et l'électrode (1) en siliciure de tungstène. Le vide est au début de 1,33 x 10-4 Pa puis il est maintenu à 1,33 x 10-3 Pa ou plus bas. La tension du courant continu phite and the tungsten silicide electrode (1). The vacuum is at the beginning of 1.33 x 10-4 Pa then it is maintained at 1.33 x 10-3 Pa or lower. Direct current voltage
générateur d'arc est de 100 volts et l'intensitéde 150 am- arc generator is 100 volts and the intensity of 150 am-
pères. Le dépôt se forme à une vitesse d'environ 0,2 gramme fathers. The deposit forms at a rate of about 0.2 grams
par minute.per minute.
Dans ce cas, on utilise l'appareillage de la figure 1, toujours dans la chambre à vide habituelle, quoique l'électrode (1) puisse être en silicium ou en carbone alors que l'électrode (2) est réalisée en métal dont on désire former le siliciure ou le carbure; dans le cas d'un dépôt In this case, the apparatus of FIG. 1 is used, still in the usual vacuum chamber, although the electrode (1) may be made of silicon or carbon while the electrode (2) is made of metal, of which wishes to form silicide or carbide; in the case of a deposit
de silicium sur le substrat, elle peut aussi être en sili- silicon on the substrate, it can also be silicon
cium. Par exemple, quand on désire effectuer un dépôt de carbure de silicium sur le substrat (10), l'électrode (1) peut être en silicium alors que l'électrode (2) est un bloc de carbone qui reçoit une flaque (3) de silicium cium. For example, when it is desired to deposit a silicon carbide on the substrate (10), the electrode (1) can be made of silicon while the electrode (2) is a block of carbon which receives a puddle (3) silicon
et de carbone solubilisé.and solubilized carbon.
Les vapeurs sont transférées au substrat et y The vapors are transferred to the substrate and there
sont déposées comme couche de carbure de silicium. Le subs- are deposited as a layer of silicon carbide. The subs-
trat peut être en titane et le dépôt formé sur le substrat peut être un mélange de siliciure de titane et de carbure trat can be made of titanium and the deposit formed on the substrate can be a mixture of titanium silicide and carbide
de titane.titanium.
Alternativement, quand l'électrode (1) est en silicium ou en carbone et que le corps d'électrode (2) est en titane, on peut déposer du carbure ou du siliciure de Alternatively, when the electrode (1) is made of silicon or carbon and the electrode body (2) is made of titanium, it is possible to deposit carbide or silicide of
titane sur un substrat de composition différente. titanium on a substrate of different composition.
Quand la chambre à vide reçoit une atmosphère légèrement oxydante, des dépôts de dioxyde de silicium se When the vacuum chamber receives a slightly oxidizing atmosphere, deposits of silicon dioxide
forment avec le substrat.form with the substrate.
Il est évident aue l'appareillage de la figure 1 It is obvious to the apparatus of Figure 1
est particulièrement efficace pour la production de semi- is particularly effective for the production of semi
conducteurs. Le thermorégulateur (6) peut être dédoublé sur la conductors. The thermoregulator (6) can be split on the
longueur de l'électrode (1) et on peut fournir des thermo- length of the electrode (1) and thermo
régulateurs supplémentaires pour le corps d'électrode (2) additional regulators for the electrode body (2)
afin d'empêcher sa surchauffe.to prevent overheating.
Quand l'un ou l'autre de l'électrode (1) ou du corps (2) est en silicium et que l'autre est en carbone, la réaction génère du carbure de silicium qui se dépose avec une pureté améliorée par rapport à la silice et au When one or the other of the electrode (1) or of the body (2) is made of silicon and the other is made of carbon, the reaction generates silicon carbide which is deposited with an improved purity compared to silica and at
carbone d'origine.original carbon.
Quand les deux électrodes sont en silicium, on peut obtenir des dép6ts de silicium et de silice de haute densité ce qui est particulièrement désirable pour le When the two electrodes are made of silicon, it is possible to obtain deposits of silicon and high density silica which is particularly desirable for the
revêtement des semi-conducteurs.coating of semiconductors.
l1l1
L'appareillage de la figure 2 est, dans l'essen- The apparatus of Figure 2 is, in essence
tiel, similaire à celui de la figure 1 mais il marche se- tiel, similar to that of figure 1 but it works se-
lon un principe quelque peu différent, la vaporisation étant effectuée au moins en partie à partir de l'électrode supérieure humidifiée (101). Dans cette figure, les éléments qui correspondent lon a somewhat different principle, the vaporization being carried out at least in part from the upper humidified electrode (101). In this figure, the elements that correspond
à ceux de la figure 1 portent les mêmes références affec- to those of FIG. 1 bear the same references assigned
tées du coefficient 100.tees of the coefficient 100.
Dans la figure 2, le chargeur d'électrode (107) est couplé à un dispositif vertical à double effet (112) qui communique un mouvement de va-et-vient à l'électrode (101) dans la direction de la flèche (114) de façon à ce que l'extrémité de l'électrode (101) plonge périodiquement dans la flaque (103) de métal fondu formée dans le corps In Figure 2, the electrode charger (107) is coupled to a vertical double-acting device (112) which communicates back and forth to the electrode (101) in the direction of the arrow (114 ) so that the end of the electrode (101) periodically plunges into the pool (103) of molten metal formed in the body
d'électrode (102).electrode (102).
En montant de cette flaque pour réamorcer l'arc (104), le revêtement (113) de métal fondu sur l'électrode (101) se vaporise et le dépôt se forme sur le substrat By rising from this puddle to re-strike the arc (104), the coating (113) of molten metal on the electrode (101) vaporizes and the deposit is formed on the substrate.
(110).(110).
Le corps d'électrode (102) est présenté dans le support (105) et l'alimentation en courant d'arc est faite par la source de courant continu (109) et le stabilisateur (108) de la façon décrite, l'électrode (101) étant équipée The electrode body (102) is presented in the support (105) and the arc current supply is made by the direct current source (109) and the stabilizer (108) as described, the electrode (101) being equipped
du thermo-régulateur (106).of the thermo-regulator (106).
Ce système s'est révélé particulièrement efficace This system has proven to be particularly effective
dans une modification de l'exemple précédent, quand l'élec- in a modification of the previous example, when the elect
trode (101) est en titane et que la flaque (103) est en aluminium. La figure 3 représente un autre mode d'exécution trode (101) is made of titanium and the puddle (103) is made of aluminum. Figure 3 shows another embodiment
de l'invention dans lequel la vapeur se dépose sur un subs- of the invention in which the vapor is deposited on a subs-
trat (210) disposé en-dessous d'un creuset (217) sous la forme d'un anneau ouvert vers le haut contenant le métal fondu (203), le creuset étant monté dans un support ou trat (210) arranged below a crucible (217) in the form of an upwardly open ring containing the molten metal (203), the crucible being mounted in a support or
cadre (205).frame (205).
L'électrode supérieure (201) a ici la forme d'un segment sphérique qui fonctionne comme un réflecteur de sorte que quand un arc (204) est amorcé entre l'électrode The upper electrode (201) here has the shape of a spherical segment which functions as a reflector so that when an arc (204) is struck between the electrode
(201) et la partie fondue dans le creuset (217), les va- (201) and the melted part in the crucible (217), the
peurs montent comme représenté par les flèches (219) et sont redirigées vers le bas pour se rassembler sur le substrat (210) comme représenté par les flèches (218). La source de courant continu (209) est ici raccordée à l'électrode (201) et au creuset (217) par le stabilisateur d'arc (208) et l'électrode supérieure (201), montée sur la barre (216), est positionnée verticalement par le chargeur (207) et positionnée horizontalement par un mécanisme auxiliaire (215) qui règle la position de fears rise as shown by the arrows (219) and are redirected downwards to gather on the substrate (210) as shown by the arrows (218). The direct current source (209) is here connected to the electrode (201) and to the crucible (217) by the arc stabilizer (208) and the upper electrode (201), mounted on the bar (216), is positioned vertically by the loader (207) and positioned horizontally by an auxiliary mechanism (215) which adjusts the position of
l'électrode (201) au-dessus du métal qui se vaporise. the electrode (201) above the metal which vaporizes.
Dans ce mode d'exécution, l'électrode (201) peut être en titane, molybdène ou tungstène alors que le métal -fondu peut être l'aluminium ou le cuivre et le creuset In this embodiment, the electrode (201) can be made of titanium, molybdenum or tungsten while the molten metal can be aluminum or copper and the crucible
(217) en graphite.(217) in graphite.
La figure 4 représente un autre mode de réalisa- FIG. 4 represents another embodiment.
tion de l'appareillage selon l'invention dans lequel les tion of the apparatus according to the invention in which the
vapeurs descendent pour se déposer sur le substrat (310). vapors descend to deposit on the substrate (310).
Dans ce cas, le creuset ouvert vers le haut (317) contenant le métal fondu (303) peut être alimenté en métal fondu additionnel à partir d'une poche ou de toute autre source représentée en (322), ou avec du métal solide fondu dans le creuset (317). Ce dernier peut être chauffé par In this case, the upwardly open crucible (317) containing the molten metal (303) can be supplied with additional molten metal from a pocket or any other source represented in (322), or with molten solid metal in the crucible (317). The latter can be heated by
des moyens auxiliaires tels qu'un réchauffeur par induc- auxiliary means such as an induction heater
tion (323) et est maintenu par un support (305). tion (323) and is held by a support (305).
Le bas du creuset (317) est muni d'ouvertures (321) o apparaissent des gouttelettes du métal fondu, ces gouttelettes étant vaporisées par l'arc (304) amorcé entre The bottom of the crucible (317) is provided with openings (321) where droplets of molten metal appear, these droplets being vaporized by the arc (304) struck between
l'électrode (301) et le fond du creuset (317). the electrode (301) and the bottom of the crucible (317).
La température dans la région de l'arc peut être The temperature in the arc region can be
réglée par des moyens inductifs annexes (324) et l'électro- regulated by additional inductive means (324) and electro-
de (301) peut être refroidie, comme représenté, par l'élé- of (301) can be cooled, as shown, by the element
ment de refroidissement (306).cooling (306).
L'électrode (301) est dirigée vers le creuset (317) par le porteélectrode (307) et l'arc est maintenu par un stabilisateur d'arc (308) relié à la source de courant The electrode (301) is directed towards the crucible (317) by the electrode holder (307) and the arc is maintained by an arc stabilizer (308) connected to the current source
continu (309).continuous (309).
Dans ce mode de réalisation, le métal fondu peut In this embodiment, the molten metal can
être le cuivre.to be copper.
On peut mettre, à la place du dispositif auxiliai- re (324) un substrat à revêtir, par exemple, sous la forme d'un anneau de titane qui peut rassembler la vapeur sous Instead of the auxiliary device (324), a substrate to be coated can be placed, for example, in the form of a ring of titanium which can collect the vapor under
la forme d'un revêtement.the shape of a coating.
Le mode d'exécution représenté à la figure 5 vaporise le métal fondu tel qu'il se forme dans un espace clos, les vapeurs étant déchargées par les ouvertures The embodiment shown in Figure 5 vaporizes the molten metal as it forms in an enclosed space, the vapors being discharged through the openings
(425) sur le substrat (410).(425) on the substrate (410).
Dans ce cas, la flaque de liquide est formée par fusion et l'électrode (402) maintenue par le support (405) In this case, the puddle of liquid is formed by fusion and the electrode (402) held by the support (405)
par introduction de la contre-électrode (401) par le char- by introduction of the counter-electrode (401) by the char-
geur d'électrode (407) au travers d'un alésage central (426) dans l'électrode (402), l'électrode (401) traversant un manchon isolant (427) formant guide. Un régulateur de température (406) est prévu coaxialement autour des deux électrodes adjacentes à l'arc (404) pour prévenir toute surchauffe dans la région avant les ouvertures (425). Le electrode electrode (407) through a central bore (426) in the electrode (402), the electrode (401) passing through an insulating sleeve (427) forming a guide. A temperature regulator (406) is provided coaxially around the two electrodes adjacent to the arc (404) to prevent overheating in the region before the openings (425). The
dépôt est formé sur le substrat (410). deposit is formed on the substrate (410).
Le courant est alimenté entre les électrodes par The current is supplied between the electrodes by
le stabilisateur d'arc (408) et la source de courant con- the arc stabilizer (408) and the current source
tinu (409) comme précédemment décrit. tinu (409) as previously described.
La figure 6 représente un dispositif d'arc vol- Figure 6 shows a volt arc device
taique portable pour dépôt de revêtements en carbure et portable pad for depositing carbide coatings and
siliciure réflecteurs, anticorrosifs, protecteurs et semi- silicide reflectors, anticorrosive, protective and semi
conducteurs type métal selon les principes décrits pré- metal type conductors according to the principles described above
cédemment.cedent.
Cet appareillage comporte une chambre à vide (500) This apparatus includes a vacuum chamber (500)
dont l'extrémité supérieure comporte une poignée (530) per- the upper end of which has a handle (530) for
* mettant un transport facile de l'unité portable.* putting an easy transport of the portable unit.
A l'intérieur de cette chambre est placée une sphère creuse (517) dont la partie inférieure forme un creuset pour le métal fondu (503) et qui est intérieurement Inside this chamber is placed a hollow sphere (517), the lower part of which forms a crucible for the molten metal (503) and which is internally
revêtue d'un matériau (réfractaire) résistant à haute tem- coated with a high temperature resistant (refractory) material
pérature, tel que l'oxyde d'aluminium. temperature, such as aluminum oxide.
La partie supérieure de cette sphère est revêtue, en (531) d'une couche réflectrice concentrant la chaleur qui se réfléchit du bain. Un arc (504) est amorcé entre une électrode (501) et le bain (503), l'électrode étant amenée par l'unité (507) vers le bain quand le matériau de l'électrode est consommé. On alimente le bain en métal supplémentaire, par The upper part of this sphere is coated, at (531) with a reflective layer concentrating the heat which is reflected from the bath. An arc (504) is struck between an electrode (501) and the bath (503), the electrode being brought by the unit (507) to the bath when the material of the electrode is consumed. The bath is supplied with additional metal, by
exemple, sous forme solide, sous forme de barre (532) éga- example, in solid form, in bar form (532) also
lement reliée au dispositif de chargement (533') de sorte que, au fur et à mesure que le bain est consommé, on y Lely connected to the loading device (533 ') so that, as the bath is consumed, there
ajoute du métal supplémentaire.add additional metal.
L'électrode (501) et le bain (503) sont reliés aux bornes opposées d'un stabilisateur d'arc et à une The electrode (501) and the bath (503) are connected to opposite terminals of an arc stabilizer and to a
source de courant continu comme précédemment décrit. direct current source as previously described.
Une électrode tubulaire (502) entoure la barre A tubular electrode (502) surrounds the bar
(532).(532).
La partie inférieure de la chambre (500) est équipée d'une pompe à-air, représentée en (533), cette dernière faisant le vide dans la chambre contenant la sphère creuse (517) et, par un tuyau à vide (534), par une soupape (535) d'n adaptateur (536) de profil divergent vers l'extérieur qui peut être relié à une ouverture lateérale The lower part of the chamber (500) is equipped with an air pump, shown in (533), the latter creating a vacuum in the chamber containing the hollow sphere (517) and, by a vacuum pipe (534) , by a valve (535) of an adapter (536) of divergent profile towards the outside which can be connected to a lateral opening
(525) de la sphère creuse (517).(525) of the hollow sphere (517).
L'adaptateur (536) peut comporter un serpentin réchauffeur (537) pour empêcher toute condensation non The adapter (536) may include a heating coil (537) to prevent non-condensing
souhaitée de vapeur.desired steam.
Entre l'ouverture (525) et l'adaptateur (536) Between the opening (525) and the adapter (536)
se trouve une vanne de vide (538) et un dispositif de monta- there is a vacuum valve (538) and a mounting device
ge (539) pour supporter toute une variété d'adaptateurs ge (539) to support a variety of adapters
de différentes formes et tailles. L'adaptateur (536) comporte ainsi un joint à vide (540) ce qui fait queof different shapes and sizes. The adapter (536) thus comprises a vacuum seal (540) which means that
l'adaptateur peut reposer contre lethe adapter can rest against the
substrat à revêtir (510).substrate to be coated (510).
L'unité portable représentée à la figure 6 est transportée là o se trouve le substrat (510) à revêtir; on monte sur le raccord (539) l'adaptateur adapté (536)etl'on The portable unit shown in Figure 6 is transported to where the substrate (510) to be coated is located; the adapted adapter (536) is mounted on the connector (539) and
presse le joint (540) contre la surface (510) à revêtir. press the seal (540) against the surface (510) to be coated.
Le courant d'arc est alimenté et le système mis sous vide par la pompe à air (533) faisant ainsi fondre le métal et The arc current is supplied and the system evacuated by the air pump (533) thereby melting the metal and
formant le bain (503) à l'intérieur de la sphère creuse. forming the bath (503) inside the hollow sphere.
On ouvre alors la porte (538) et on laisse passer les va- We then open the door (538) and let the
peurs sur le substrat (510) au moins en partie par une fears on the substrate (510) at least in part by a
différence de pression, commandée par la valve (535), en- pressure difference, controlled by the valve (535),
tre l'intérieur de la sphère (517) et l'adaptateur (536). be inside the sphere (517) and the adapter (536).
On peut pratiquement revêtir tout produit à tout You can practically coat any product at any
endroit et l'emploi d'une variété d'adaptateurs de diffé- location and use of a variety of different adapters
rentes formes et tailles permet de revêtir même des corps compliqués sans les déplacer du lieu o ils doivent être utilisés. Le dispositif peut être démontable de façon à être utilisé pour appliquer des revêtements à l'intérieur rentes shapes and sizes allows to cover even complicated bodies without moving them from the place where they are to be used. The device can be dismantled so as to be used to apply coatings inside
de conduites ou similaires.of pipes or the like.
L'appareil représenté au dessin, sans adaptateur The device shown in the drawing, without adapter
(536), peut être utilisé comme propulseur pour les indivi- (536), can be used as a propellant for individuals
dus ou comme équipement spatial.due or as space equipment.
Au moment de la génération de l'arc, il suffit d'ouvrir la porte (538) pour laisser partir un écoulement When generating the arc, simply open the door (538) to let flow
par l'ouverture (525) et effectuer la propulsion en direc- through the opening (525) and carry out the direct propulsion
tion opposée. Le vide de l'espace fournit un vide naturel opposite tion. The vacuum of space provides a natural vacuum
au dispositif et la pompe à air (533) n'est pas nécessaire. to the device and the air pump (533) is not required.
On peut utiliser dans le récipient (517) pratiquement tous les déchets rencontrés dans les applications spatiales Almost any waste encountered in space applications can be used in the container (517)
pour générer une telle propulsion. to generate such propulsion.
La figure 7 représente un autre mode d'exécution de l'appareillage qui combine certaines caractéristiques FIG. 7 represents another embodiment of the apparatus which combines certain characteristics
précédemment décrites.previously described.
Dans ce système que l'on peut utiliser pour dépo- In this system that can be used for deposition
ser un revêtement (610') sur la surface intérieure (610a) d'un tube (610) formant substrat, de forme complexe, on ser a coating (610 ') on the inner surface (610a) of a tube (610) forming a substrate, of complex shape, we
monte en position centrale par rapport au tube une élec- mounted centrally with respect to the tube an elect
trode fournissant la matière (602), de forme correspondante, trode providing the material (602), of corresponding shape,
sur un support (602a), et on y monte un serpentin de chauf- on a support (602a), and we mount a heating coil
fage par induction (606a) d'un régulateur de température induction fage (606a) of a temperature regulator
(606) qui peut comporter un thermocouple (606b) ou un tâ- (606) which may include a thermocouple (606b) or a test
teur de température similaire, sensible à la température de l'électrode fournissant la matière (602) pour maintenir la température de cette dernière constante dans la gamme de 800 à 1 000 F (427 à 538 C) par un montage capacitif classique. Comme dans le mode d'exécution précédent, le substrat et lasorce de matière à déposer sur ce dernier sont placés dans une chambre à vide (600) dans laquelle on peut faire un vide de 1,33 x 104 Pa de sorte que le dépôt de vapeur peut être effectué à une pression de similar temperature sensor, sensitive to the temperature of the electrode supplying the material (602) to maintain the temperature of the latter constant in the range of 800 to 1000 F (427 to 538 C) by a conventional capacitive circuit. As in the previous embodiment, the substrate and the material force to be deposited on the latter are placed in a vacuum chamber (600) in which a vacuum of 1.33 x 104 Pa can be made so that the deposit of steam can be carried out at a pressure of
1,33 x 10-3 Pa.1.33 x 10-3 Pa.
L'extrémité de l'éelctrode fournissant la matière (602) est équipée d'une électrode (601) amorçant l'arc qui peut 8tre mise en va-et-vient par une commande de va-et-vient commandée électriquement (607). Cette dernière peut être mise en marche par réaction à un détecteur de courant zéro (607a) de sorte que, quand le courant d'arc décline complètement, l'électrode (601) se déplace vers la gauche en contact avec l'extrémité (602a) de l'électrode (602) et est alors retirée pour rétablir un arc. Le courant The end of the material-supplying electrode (602) is equipped with an arc-striking electrode (601) which can be reciprocated by an electrically controlled reciprocating control (607) . The latter can be started by reaction to a zero current detector (607a) so that, when the arc current declines completely, the electrode (601) moves to the left in contact with the end (602a ) from the electrode (602) and is then removed to restore an arc. The stream
d'arc est fourni par une source de courant continu à im- of arc is supplied by a direct current source at im-
pulsion (609) par un stabilisateur d'arc (608) ce qui règle les paramètres d'intensité et de tension de l'arc entre pulse (609) by an arc stabilizer (608) which regulates the parameters of intensity and voltage of the arc between
50 et 90 ampères et entre 30 et 60 volts. 50 and 90 amps and between 30 and 60 volts.
En pratique, en utilisant le système illustré, une In practice, using the system illustrated, a
fois que l'arc est amorcé, l'arc lui-même, un effet de va- once the arc is struck, the arc itself, a va-
porisation ou quelqu'autre phénomène électromagnétique porization or some other electromagnetic phenomenon
semble progresser de façon généralement hélicoidale et spi- seems to progress generally helically and spi-
ralée, comme représenté par la flèche A ce qui fait que l'amorçage de l'arc et le dépôt de vapeur se produit sur toute la longueur de l'électrode fournissant la matière (602) qui est soumise à ce phénomène, c'est-à-dire sur la longueur à laquelle ce phénomène est effectif jusqu'à as shown by the arrow A, so that the initiation of the arc and the deposition of vapor occurs over the entire length of the electrode supplying the material (602) which is subjected to this phenomenon, it is that is, the length at which this phenomenon is effective up to
ce que l'arc décline.what the arc declines.
Du fait de la matière perdue, l'électrode (602) prend progressivement la forme conique représentée par les Due to the lost material, the electrode (602) gradually takes the conical shape represented by the
lignes en tiretés (602b) de la figure 7. dashed lines (602b) of figure 7.
L' &1oignement de l'électrode par rapport au subs- The distance between the electrode and the sub-
trat occasionné par la formation du cône ne cause pas de problème, puisque le dépôt le plus important se trouve dans la région du plus grand éloignement; en conséquence, le revêtement fini, progressant tout au long du substrat, trat caused by cone formation does not cause a problem, since the largest deposit is in the region of the greatest distance; as a result, the finished coating, progressing along the substrate,
est très uniforme.is very uniform.
Le système selon l'invention est spécialement The system according to the invention is specially
utilisé dans le revêtement de matières sensibles à la tempéra- used in the coating of temperature sensitive materials
ture avec des revêtements de très faible épaisseur puisque l'opération de revêtement est spécialement rapide et qu'il tures with very thin coatings since the coating operation is especially fast and it
est possible d'effectuer le dépôt sans chauffage significa-- deposition is possible without significant heating
tif du substrat.tif of the substrate.
Exemple 2 Une électrode en cuivre (602) de forme indiquée est installée dans un tube substrat, l'espacement initial entre l'électrode (602) et le substrat est d'environ 10 cm, L'électrode est maintenue à une température de 9009F (4823C) et un arc est amorcé à l'une de ses extrémités de la façon précédemment décrite. L'intensité du courant d'arc est d'environ 70 ampères et la tension appliquée, une fois que Example 2 A copper electrode (602) of the indicated shape is installed in a substrate tube, the initial spacing between the electrode (602) and the substrate is approximately 10 cm, The electrode is maintained at a temperature of 9009F (4823C) and an arc is struck at one of its ends as previously described. The intensity of the arc current is approximately 70 amperes and the applied voltage, once
l'électrode (601) est retirée pour former l'arc, est d'en- the electrode (601) is removed to form the arc, is of
viron 40 volts. La vitesse de vaporisation de l'électrode about 40 volts. The vaporization speed of the electrode
(602) excède dans ces conditions la vitesse de vaporisa- (602) exceeds in these conditions the vaporization rate
tion de l'exemple 1.tion of example 1.
La figure 8 représente un dispositif permettant l'application d'un revêtement de silicium (710') sur un creuset en quartz (710) du type utilisa pour la fusion du silicium; c'est de cette fusion que l'on peut tirer un barreau monocristallin en silicium destiné à être FIG. 8 represents a device allowing the application of a silicon coating (710 ′) on a quartz crucible (710) of the type used for the fusion of silicon; it is from this fusion that we can draw a monocrystalline silicon bar intended to be
ensuite découpé en supports de iliciumutilisés dans l'in- then cut into silicon supports used in the
dustrie des semi-conducteurs. Selon l'invention, la surfa- semiconductor industry. According to the invention, the surface
ce intérieure du creuset est sablée et le creuset préchauf- this interior of the crucible is sandblasted and the crucible preheated
fé, par exemple à une température de 200 à 600'C avant que le creuset soit placé dans la chambre à vide. Deux électrodes de silicium (701) et (702) sont juxtaposées à une autre à l'intérieur du creuset, puis en utilisant fairy, for example at a temperature of 200 to 600 ° C before the crucible is placed in the vacuum chamber. Two silicon electrodes (701) and (702) are juxtaposed to one another inside the crucible, then using
les moyens de va-et-vient de l'électrode du type représen- the reciprocating means of the electrode of the type shown
té en (607), les électrodes sont réunies puis séparées comme indiqué par les flèches (707a)et (707b) de façon qu'elles se touchent puis s'écartent pour amorcer l'arc. La source d'énergie, qui peut être aussi du type décrit, est représentée en (709). L'intensité du courant d'arc peut se situer entre 50 et 90 ampères et la tension entre 30 et 60 volts. On peut obtenir des revêtements de 1llicium uniformes et très adhérents, spécialement quand le silicium est chauffé préalablement par exemple par des moyens similaires à ceux utilisés dans le mode de tee in (607), the electrodes are joined and then separated as indicated by the arrows (707a) and (707b) so that they touch and then move apart to strike the arc. The energy source, which can also be of the type described, is shown in (709). The intensity of the arc current can be between 50 and 90 amps and the voltage between 30 and 60 volts. Uniform and highly adherent silicon coatings can be obtained, especially when the silicon is previously heated, for example by means similar to those used in the
réalisation de la figure 7.realization of figure 7.
Si l'on dégage une atmosphère d'azote dans la If there is an atmosphere of nitrogen in the
région de l'arc, on dépose du nitrure de silicium Si3N4. region of the arc, silicon nitride Si3N4 is deposited.
Si l'une des électrodes est en carbone, on forme un dép8t de carbure de silicium. On peut utiliser le même système pour revêtir tout substrat avec du silicium pur ou l'un des autres revêtements mentionnés. Une fois l'arc initial If one of the electrodes is made of carbon, a deposit of silicon carbide is formed. The same system can be used to coat any substrate with pure silicon or one of the other coatings mentioned. Once the initial arc
produit, les électrodes peuvent être refroidies. product, the electrodes can be cooled.
La figure 9 représente un système de revêtement d'une grande surface d'un substrat en céramique (801) qui, avant son introduction dans la chambre à vide, peut être préchauffé,: une fois que la surface qui doit recevoir le revêtement a été sablée, par le déplacement d'un brûleur FIG. 9 represents a system for coating a large surface of a ceramic substrate (801) which, before its introduction into the vacuum chamber, can be preheated, once the surface which is to receive the coating has been sandblasted, by moving a burner
(820) le long de la face inférieure du substrat. L'électro- (820) along the underside of the substrate. Electro-
de (801) peut être en métal réfractaire ou en nickel; par l'intermédiaire du mécanisme de commande (807), elle est miseen contact, puis retirée de la contre-électrode (802) (801) may be of refractory metal or nickel; via the control mechanism (807), it is brought into contact and then withdrawn from the counter-electrode (802)
qui peut aussi être réalisée dans le même métal. which can also be made from the same metal.
Ls source d'énergie a -été représentée en (809). The energy source has been represented in (809).
Les électrodes sont ici montées sur une glissière (821) et sont déplacées le long du substrat de sorte que quand l'arc est amorcé de façon répétitive et qu'il circule le long de l'électrode (801) dans la chambre à vide recevant l'ensemble du dispositif, la surface entière du substrat The electrodes are here mounted on a slide (821) and are moved along the substrate so that when the arc is repeatedly struck and that it flows along the electrode (801) in the receiving vacuum chamber the entire device, the entire surface of the substrate
est revêtue selon les principes décrits pour la figure 7. is coated according to the principles described for figure 7.
Exemple 3Example 3
En utilisant un appareillage travaillant selon Using equipment working according to
les principes décritspour la figure 9, on revêt une pla- the principles described for figure 9, one covers a
que d'oxyde d'aluminium de tungstène sur une épaisseur than tungsten aluminum oxide over a thickness
de 0,0254 à 0,0508 mm en utilisant des électrodes en tung- from 0.0254 to 0.0508 mm using tungsten electrodes
stène. L'intensité du courant d'arc est de 50 ampères et stene. The intensity of the arc current is 50 amps and
la tension de 40 volts pour un écartement maximum d'élec- the voltage of 40 volts for a maximum electric gap
trode d'environ 4 mm. Le diamètre de l'électrode est d'en- trode of about 4 mm. The diameter of the electrode is approx.
viron 1 cm. Le revêtement en tungstène adhère très bien à about 1 cm. The tungsten coating adheres very well to
la plaque d'alumine.the alumina plate.
La figure 10 représente, de façon très schématique, un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Cet appareillage comporte une chambre (1010) dans laquelle, au moyen d'une pompe (1011), on peut faire FIG. 10 very schematically represents an apparatus for implementing the method according to the invention. This apparatus comprises a chamber (1010) in which, by means of a pump (1011), it is possible to make
un vide qui est, en général, de 1,33 x 10 -3Pa à 1,33 xlO -4Pa. a vacuum which is, in general, from 1.33 x 10 -3Pa to 1.33 x10 -4Pa.
Des moyens (non représentés) permettent de disposer dans cette chambre un substrat en céramique (1012) que l'on peut protéger par un masque représenté schématiquement en (1013) de sorte que l'on ne revête que les parties définies Means (not shown) make it possible to have in this chamber a ceramic substrate (1012) which can be protected by a mask shown diagrammatically in (1013) so that only the defined parts are coated
par les fenêtres (1014) ménagées dans le masque. through the windows (1014) formed in the mask.
On juxtapose dans la chambre à vide la partie du substrat à revêtir et une paire d'électrodes, soit une électrode en cuivre (1015) et une électrode en tungstène (1016), les électrodes étant équipées de moyens tels que des moteurs électromagnétiques (solénoïdes) (1017) et (1018) pour les mettre en contact pendant une courte durée afin d'amorçer l'arc puis pour les séparer. Le générateur The part of the substrate to be coated is juxtaposed in the vacuum chamber and a pair of electrodes, namely a copper electrode (1015) and a tungsten electrode (1016), the electrodes being equipped with means such as electromagnetic motors (solenoids ) (1017) and (1018) to bring them into contact for a short time in order to strike the arc and then to separate them. The generator
d'impulsions destiné à amorcer périodiquement les disposi- of pulses intended to periodically initiate the arrangements
tifs (1017) et (1018) est représenté en (1019). tifs (1017) and (1018) is represented in (1019).
L'alimentation en énergie comprend la source de courant alternatif (1010) reliée à un redresseur (1021), ce dernier étant équipé d'un inverseur (1022) qui peut inverser la polarité des électrodes (1015) et (1016) The power supply includes the alternating current source (1010) connected to a rectifier (1021), the latter being equipped with an inverter (1022) which can reverse the polarity of the electrodes (1015) and (1016)
sous le contrôle d'un rythmeur (1023). under the control of a timer (1023).
Quand on marche avec une polarité positive pour l'électrode de cuivre (1015) et une polarité négative pour l'électrode de tungstène(1016) on peut amorcer un arc en faisant passer un courant électrique de 30 à 100 When we walk with a positive polarity for the copper electrode (1015) and a negative polarity for the tungsten electrode (1016) we can strike an arc by passing an electric current from 30 to 100
ampères à une tension de 40 à 100 volts à travers l'inter- amps at a voltage of 40 to 100 volts across the inter-
valle,après bref contact des électrodes afin de vaporiser de façon préférentielle le tungtène et par là de déposer du tungstène, par la fenêtre (1014) au masque (1013) sur le substrat. La durée du revêtement est contrôlée par le rythmeur (1023) qui, après application d'un revêtement de l'ordre de quelques microns, renverse la polarité pour valle, after brief contact with the electrodes in order to preferentially vaporize the tungsten and thereby deposit tungsten, through the window (1014) in the mask (1013) on the substrate. The duration of the coating is controlled by the timer (1023) which, after applying a coating of the order of a few microns, reverses the polarity to
charger négativement l'électrode de cuivre (1015) et char- negatively charge the copper electrode (1015) and charge
ger positivement l'électrode de tungstène (1016), ce qui fait que le cuivre se vaporise de l'électrode (1015) et positively manage the tungsten electrode (1016), which causes the copper to vaporize from the electrode (1015) and
se dépose sur le substrat.settles on the substrate.
Comme il ressort de la figure 11, l'article ob- As shown in Figure 11, the article ob-
tenu comporte un substrat (1030), par exemple en oxyde d'aluminium, protant un revêtement de cuivre (1032) et séparé de ce dernier par le revêtement de faible épaisseur held comprises a substrate (1030), for example of aluminum oxide, protecting a copper coating (1032) and separated from the latter by the thin coating
en métal réfractaire (tungstène) (1031). made of refractory metal (tungsten) (1031).
Exemple 4Example 4
Toujours selon les mêmes principes, avec une in- Always according to the same principles, with an in-
tensité d'environ 70 ampères, une tension de 80 volts et un vide d'environ 1,33 x 10-3 Pa, on revêt une plaque voltage of approximately 70 amperes, a voltage of 80 volts and a vacuum of approximately 1.33 x 10-3 Pa, a plate is coated
d'oxyde d'aluminium de tungstène sur une épaisseur d'en- of tungsten aluminum oxide over a thickness of
viron 8 microns et de cuivre sur une épaisseur d'environ 0,508 mm. On mesure l'adhésion et la force nécessaire about 8 microns and copper to a thickness of about 0.508 mm. We measure the adhesion and the necessary force
pour enlever le revêtement se situe entre 500 et 700 li- to remove the coating is between 500 and 700 li-
vres/pouce carré (35 à 49 kg/cm2). Si l'on applique dans les mêmes conditions au même substrat un revêtement de cuivre de même épaisseur, l'adhésion n'est que de 6 à 8 livres/pouce carré (0,42 à 0,656 kg/cm2). On a constaté que la liaison directe cuiv-le-ceramique était sensible à la fois aux effets mécaniques et aux effets thermiques quand on y faisait un branchement par soldage alors que, avec le contact cuivre-tungstène selon l'invention, on vres / square inch (35 to 49 kg / cm2). If a copper coating of the same thickness is applied under the same conditions to the same substrate, the adhesion is only 6 to 8 pounds / square inch (0.42 to 0.656 kg / cm2). It was found that the direct copper-ceramic bond was sensitive to both mechanical and thermal effects when a connection was made there by trimming whereas, with the copper-tungsten contact according to the invention,
ne rencontre pas ce problème.don't have this problem.
On peut obtenir des résultats pratiquement identi- Virtually identifiable results can be obtained
ques en remplaçant le tungstène par le molybdène, le titane ques by replacing tungsten with molybdenum, titanium
et le zirconium, ainsi que par des combinaisons de ces mé- and zirconium, as well as by combinations of these
taux réfractaires avec un autre métal, et avec du tungstène comme couche intermédiaire. On peut de même obtenir des adhésions élevées avec du nickel, de l'or, de l'argent et des alliages de ces métaux avec un autre métal et avec le cuivre. La figure 12 représente une modification de l'appareillage de figure 10 dans laquelle la chambre (1110) mise sous vide par la pompe (1111) renferme un substrat en céramique (1112) que l'on veut revêtir d'une pluralité de refractory rates with another metal, and with tungsten as an intermediate layer. Likewise, high adhesions can be obtained with nickel, gold, silver and alloys of these metals with another metal and with copper. FIG. 12 represents a modification of the apparatus of FIG. 10 in which the chamber (1110) evacuated by the pump (1111) contains a ceramic substrate (1112) which it is desired to coat with a plurality of
métaux.metals.
Dans ce cas, on introduit, outre l'électrode com- In this case, in addition to the electrode,
mune (1116) et son actionneur (1118) conduit par le généra- mune (1116) and its actuator (1118) driven by the general-
teur d'impulsions/rythmeur (1119) une paire de contre- pulse counter / rhythm (1119) a pair of counter
électrodes (1115) et (1115a), respectivement en cuivre et electrodes (1115) and (1115a), respectively of copper and
en or, chacune étant munie d'un actionneur (1117) (1117a). in gold, each being provided with an actuator (1117) (1117a).
L'ensemble des contre-électrodes est mis sur rail (1124) dont la conduite permet le décalage des deux électrodes The set of counter-electrodes is put on a rail (1124), the line of which allows the offset of the two electrodes
vers la gauche comme illustré sur la figure par la repré- to the left as illustrated in the figure by the representation
sentation de l'électrode (1115) en tiretés dans sa posi- feeling of the dashed electrode (1115) in its posi-
tion décalée. Naturellement, dans cette position, l'élec- shifted tion. Naturally, in this position, the elect
trode (1115a) est alignée sur l'électrode commune (1116). trode (1115a) is aligned with the common electrode (1116).
Un inverseur (1122), comme décrit pour la figure..10, est également prévu et l'appareil est alimenté par le courant alternatif venant de (1120) par le redresseur An inverter (1122), as described for figure..10, is also provided and the apparatus is supplied by alternating current coming from (1120) by the rectifier
(1121).(1121).
Dans ce mode de travail, une fois que le vide est fait dans la chambre, on manoeuvre les actionneurs (1117) et (1118) pour déplacer les électrodes (1115) et (1116) ensemble et séparément pour amorcer un arc, l'électrode de tungstène (1116) étant polarisée positivement tandis In this operating mode, once the vacuum is created in the chamber, the actuators (1117) and (1118) are operated to move the electrodes (1115) and (1116) together and separately to strike an arc, the electrode of tungsten (1116) being positively polarized while
que l'électrode de cuivre (1115)est polarisée négativement. that the copper electrode (1115) is negatively polarized.
On poursuit de la manière indiquée jusqu'à ce que Continue as indicated until
le revêtement initial de tungstène ait été porté à l'épais- the initial tungsten coating has been thickened
seur désirée.desired sister.
Comme on peut le voir à la figure 13, ce procédé As can be seen in Figure 13, this process
conduit non seulement à une érosion de l'électrode de tungs- not only leads to erosion of the tungs electrode-
tène (1116) mais il donne aussi naissance à un petit dépôt tene (1116) but it also gives rise to a small deposit
(1125) de tungstène sur l'électrode de cuivre (1115). (1125) of tungsten on the copper electrode (1115).
Quand la polarité est inversée, c'est-à-dire quand l'électrode de cuivre (1115) devient positive et l'électrode de tungstène négative, l'arc est amorcé et la vaporisation se produit depuis l'électrode de cuivre, le dépôt de tungstène (1125) dont on a exagéré l'épaisseur dans la figure 13 se vaporise en même temps que le cuivre When the polarity is reversed, i.e. when the copper electrode (1115) becomes positive and the tungsten electrode negative, the arc is struck and vaporization occurs from the copper electrode, the deposit of tungsten (1125) whose thickness has been exaggerated in FIG. 13 vaporizes at the same time as the copper
et l'on a en interface un dépôt mixte tungstène/cuivre. and we have a mixed tungsten / copper deposit at the interface.
On voit, par exemple, à la figure 14, que le substrat (1112) a été recouvert en (1131) d'une couche de tungstène. La couche mixte ou la couche de tungstène It can be seen, for example, in FIG. 14, that the substrate (1112) has been covered at (1131) with a layer of tungsten. The mixed layer or the tungsten layer
(1126) est ensuite appliquée avant que, la vaporisation con- (1126) is then applied before, the vaporization
t inuant- par amorçage d'arc entre les électrodes (1115) t inuant- by arcing between the electrodes (1115)
et (1116), le revêtement de cuivre (1132) soit appliqué. and (1116), the copper coating (1132) is applied.
Quand le revêtement de cuivre a atteint l'épais- When the copper coating has reached the thick-
seur désirée, l'ensemble d'électrodes (1115) (1117) est décalé vers la gauche et remplacé par l'ensemble (1115a) (1117a) et l'arc est amorcé entre les électrodes (1115a) seur desired, the electrode assembly (1115) (1117) is shifted to the left and replaced by the assembly (1115a) (1117a) and the arc is struck between the electrodes (1115a)
(1116) pour déposer une couche d'or (1133) sur le revête- (1116) to deposit a layer of gold (1133) on the coating
ment de cuivre.copper.
On peut prévoir un contrôleur (1127) pour le dis- A controller (1127) can be provided for the
positif de déplacement d'électrode (1124), le générateur d'impulsions/rythmeJr(1119) et l'inverseur (1122), et on positive electrode displacement (1124), the pulse / rhythm generator Jr (1119) and the inverter (1122), and we
peut utiliser un microprocesseur préprogrammé pour effec- can use a preprogrammed microprocessor to perform
tuer l'inversion de polarité et la commutation des élec- kill reverse polarity and switch electors
trodes quand on a obtenu les épaisseurs de couches désirées. trodes when the desired layer thicknesses have been obtained.
Exemple 5Example 5
On reprend le procédé de l'exemple 4 mais en dé- The procedure of Example 4 is repeated, but below
plaçant l'électrode de cuivre et en la remplaçant par une électrode en or. Avec le même vide et l'amorçage d'un arc similaire, on dépose sur le revêtement de cuivre, un revêtement rapide d'or, de l'ordre de 5 microns, dans les placing the copper electrode and replacing it with a gold electrode. With the same vacuum and striking a similar arc, a rapid coating of gold, of the order of 5 microns, is deposited on the copper coating in the
conditions mentionnées pour le dépôt du cuivre. conditions mentioned for the deposit of copper.
L'adhésion n'est pas abaissée et on a constaté que la couche d'or ainsi obtenue constituait un contact idéal pour les applications microélectroniques. L'étude de l'interface entre le cuivre et le tungstène a révélé l'existence d'une zone de transition mixte (1126) venant The adhesion is not lowered and it has been found that the gold layer thus obtained constitutes an ideal contact for microelectronic applications. The study of the interface between copper and tungsten revealed the existence of a mixed transition zone (1126) coming
de la vaporisation d'un dépôt mineur de tungstène de l'élec- of the vaporization of a minor tungsten deposit of the elect
trode de cuivre.copper trode.
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