FR2568896A1 - Appareil et procede ameliores pour l'evaporation a l'arc electrique de cibles de grande surface - Google Patents

Abstract

APPAREIL ET PROCEDE AMELIORES POUR L'EVAPORATION A L'ARC ELECTRIQUE DE CIBLES DE GRANDE SURFACE. ON FAIT ECLATER UN ARC ENTRE UNE ANODE 21 ET UNE CIBLE METALLIQUE 12 POUR FAIRE EVAPORER LA MATIERE DE CELLE-CI ET LA DEPOSER COMME REVETEMENT SUR UN SUBSTRAT 25 EN MATIERE PLASTIQUE PENDANT QU'ON ENVOIE, DANS UNE BOBINE 16 DISPOSEE SOUS LA CIBLE 12 DES IMPULSIONS DE COURANT QUI PRODUISENT PAR INTERMITTENCE AU-DESSUS DE LA CIBLE 12 UN CHAMP MAGNETIQUE TRANSVERSAL QUI RAMENE LE POINT CATHODIQUE EN SENS TRANSVERSAL A SA DIRECTION PRINCIPALE, CE QUI PROCURE UNE EVAPORATION UNIFORME DE CETTE CIBLE.

Description

Z568896

L'invention se rapporte aux procédés d'évaporation à l'arc électrique et, en particulier, à ceux de ces procédés et aux appareils destinés à l'évaporation à l'arc électrique

de cibles à grande surface.

Le procédé d'évaporation à l'arc électrique est utilisé dans les appareils de recouvrement à l'arc électrique comme ceux qui sont décrits dans les brevets américains n S 3 625 848 et 3 836 451 au nom de Alvin A. Snapper et noS 3 783 231 et 3 793 197 au nom de L. Sablev et autres, tous ces brevets étant incorporés ici au présent texte par la citation qui en est faite. Ces appareils sont caractérisés par l'emploi de canons à arc pour l'obtention de hautes

vitesses de dépôt et d'autres caractéristiques avantageuses.

L'arc lui-même implique des courants de 60 ampères ou plus concentrés sur un point cathodique si petit que les densités Ac2 1500Ac2 du courant sont de 155 A/cm2 à 155.000 A/cm2, l'énergie moyenne des particules constituant l'arc étant typiquement de 31,8 x 10 19 à 159 x 10 19 J. (20 à 100 eV). Les tensions sont de 15 à 45 volts. Ainsi, les densités de puissance au point cathodique minuscule sont de l'ordre de centaines de milliers de watts/cm2. Le point cathodique migre sur la surface de la cible d'un mouvement saccadé aléatoire et la surface qui se trouve sous le point cathodique s'évapore en un éclair sous l'effet de la chaleur intense. C'est cette matière évaporée de la cible qui se dépose comme revêtement

sur un substrat.

A cause de ce déplacement aléatoire du point cathodique, les cibles qui ont des dimensions relativement petites peuvent être érodées de manière sensiblement uniforme pour le recouvrement d'un substrat relativement petit de

sorte qu'on parvient à une utilisation efficace des cibles.

Toutefois, quand la taille du substrat est augmentée, une difficulté survient si l'on tente simplement d'employer une cible de taille supérieure à 129 cm environ du fait qu'il ne se produit plus une érosion uniforme de la cible, ce qui conduit à une médiocre utilisation de cette dernière. Les cibles rectangulaires sont particulièrement mauvaises à cet égard. Ainsi, quand il s'agit de grands substrats, on a employé jusqu'à présent de multiples petites sources avec en correspondance une plus grande surface totale de cible et o

chaque source constitue un canon à arc nécessitant typique-

ment 60 Ampères environ pour générer au moins un arc. Le chauffage du substrat s'élève proportionnellement au nombre d'arcs. Ainsi, quand la charge est augmentée (y compris la

taille du substrat à recouvrir), il existe le risque d'endom-

mager le substrat par surchauffe en raison du grand nombre de canons employés. En conséquence, bien qu'un grand nombre de canons fournissent une liberté de réglage, ce processus tend à être coûteux à la fois du point de vue de l'alimentation en puissance et de l'entretien. De ce fait, un procédé plus pratique est nécessaire pour le recouvrement commercial de

grandes surfaces ou de grandes quantités de petites pièces.

En conséquence, l'objectif principal de l'invention est de parvenir à un procédé et à un appareil améliorés pour le recouvrement de grandes surfaces ou de grandes quantités

de petites pièces.

Un autre but de l'invention est de parvenir à un procédé et un appareil améliorés pour l'évaporation à l'arc de cibles de grande taille ayant une surface de 129 cm2 au

moins.

Un but supplémentaire de l'invention est d'utili-

ser le procédé de recouvrement à l'arc comme procédé pour le

recouvrement par un métal de substrats en matière plastique.

D'autres buts de l'invention ainsi que ses avanta-

ges apparaîtront au cours de la description qui suit donnée

en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective montrant une cathode d'un magnétron à arc pulsé d'un appareil conforme à l'invention, - La figure 2A est une vue en coupe selon la ligne 2A-2A de La figure 1, - la figure 2B est un graphique montrant les impulsions de courant utilisées dans L'appareil de la fig. 1, - les figures 3 et 4 se rapportent à une réalisa- tion d'une cathode à contrôle total du mouvement de l'arc pour appareil conforme à l'invention, dans lesquelles la figure 3 est une vue en plan du circuit pour l'envoi du courant à une source de champ magnétique et la figure 4 est une vue en coupe selon 4-4 de la figure 3 qui montre mieux la cible et l'érosion de celle-ci, - les figures 5A, 5B et 5C montrent une autre cathode à contrôle total du mouvement de l'arc d'un appareil conforme à l'invention, dans lesquelles la figure 5B montre les circuits pour l'envoi de signaux appropriés à la source de champ magnétique, la figure 5A est une vue en coupe selon A-SA de la figure 5B et la figure 5C illustre schématiquement un chemin donné à titre d'exemple du point cathodique dans l'appareil des figures 5A et 5B, - la figure 6 est un graphique montrant à titre d'illustration une forme d'onde qui peut être utilisée aussi

dans l'appareil des figures SA et 5B conformément à l'inven-

tion, - la figure 7 est une représentation schématique d'une source supplémentaire de champ magnétique pour une cathode à contrôle total du mouvement de l'arc conformément à l'invention,

- les figures 8 et 9 montrent un exemple supplé-

mentaire de réalisation d'une cathode à contrôle total du mouvement de l'arc conformément à l'invention dans lesquelles la figure 8 montre schématiquement, en vue de dessus, la situation de la source de champ magnétique par rapport à la cible et la figure 9 est une vue en coupe selon 9-9 de la figure 8, - la figure 10 est une vue en coupe qui montre schématiquement un autre mode de réalisation d'une source de

champ magnétique pour une cathode à contrôle total du mouve-

ment de l'arc, - la figure 11 est une vue en coupe qui montre schématiquement une autre source de champ magnétique utilisa- ble avec une cathode à contrôle total du mouvement de l'arc

conformément à l'invention.

Sur les dessins des références numériques identi-

ques portées sur les différentes figures se rapportent à des

pièces identiques ou similaires.

Les figures 1 et 2A se rapportent à une cathode 10 d'un magnétron à arc puLsé conforme à l'invention. On prévoit

une cible 12 de matière à évaporer qui doit être électrique-

ment conductrice comme un métal. Autour de la périphérie de la cible 12 qui doit être évaporée à l'arc est disposé un moyen 14 de confinement d'arc qui peut comprendre un rail extérieur constitué par une matière en nitrure comme le nitrure de bore ou le nitrure de titane ainsi qu'il est décrit dans le brevet américain n 4 430 184 ou par- une matière perméable magnétiquement comme décrit dans la demande

de brevet américain n 572 007 déposée le 19 Janvier 1984.

En outre, le moyen de confinement d'arc 14 peut constituer un écran de masse comme décrit dans le brevet américain n 3 793 179 ou une anode comme décrit dans le brevet américain ne 3 625 848. On peut utiliser un rail intérieur

facultatif 15.

En dessous de la cible 12 est disposée une source de champ magnétique 16 comprenant typiquement une bobine magnétique dont l'axe général est indiqué par un trait mixte 19 sur la figure 1. La bobine est disposée à l'intérieur d'un coupleur perméable 18 pour établir au-dessus de la cible comme représenté sur la figure 2A un champ magnétique

transversal 17.

Un générateur d'impulsions 20 envoie des impul-

sions de courant à la bobine 16, impulsions qui sont représentées à titre d'exemple sur la figure 2B. Entre la cible 12 et la bobine 16 il existe un espace 22 à travers Lequel des moyens permettent de faire circuler un agent refroidissant comme de l'eau. Une anode 21 est représentée schématiquement avec une source de courant 23 branchée entre l'anode et la cible 12 comme il est classique dans les cathodes d'évaporation à L'arc. Ainsi qu'il est connu également, on pourrait employer une cathode distincte qui pourrait être branchée à la source 23 et la cible 12 pourrait être disposée sur la cathode distincte. On a représenté aussi schématiquement un substrat 25 qui, pour les besoins de l'invention, est typiquement un grand substrat bien que, dans certaines applications, l'anode et le substrat puissent être la même pièce. Ainsi qu'on l'a dit plus haut, ces substrats ont nécessité jusqu'à présent une pluralité de sources d'arc pour leur recouvrement. Toutefois, conformément à l'invention, un recouvrement pratique au point de vue commercial de grandes surfaces ou de grandes rangées de petites pièces s'effectue avec une grande cible d'arc, c'est-à-dire une cible ayant une surface d'au moins 129 cm, grâce à l'emploi d'un champ magnétique transversal qui provoque un mouvement dirigé du ou des points cathodiques sur la cible, ce champ étant soit pulsé soit continu de sorte que l'on obtient une

érosion uniforme des cibles de grande surface.

Pendant le fonctionnement, il s'établit sur la cible 12 un arc dit de type 2, après un nettoyage initial de la cible. Pendant cette opération de nettoyage initial de la cible, il se produit un arc de type 1 qui se déplace tout à fait rapidement sur la cible. Après le nettoyage de celleci, l'arc de type 2 se déplace sur la cible, ce dernier arc étant celui qui produit une évaporation notable de la cible. L'arc de type 2 tend à se déplacer tout à fait lentement sur la cible, à une vitesse qui a été indiquée comme étant de 1 m/s environ. Il s'agit d'un mouvement aléatoire, qui tend à sauter dans une direction puis dans une autre. En se reportant à la figure 2B, on peut voir que des impulsions de courant sont envoyées à la bobine magnétique 16 lorsque L'arc de type 2 est établi. Pendant la période de temps d'inexistence des impulsions, l'arc tend à se déplacer au hasard entre les moyens de confinement d'arc ou rail extérieur 14 et rail intérieur 15, c'est-à-dire que le mouvement tend à être tout

à fait localisé et sans présenter de direction déterminée.

Pendant la période de temps t1 au cours de laquelle une impulsion de courant est envoyée, il s'établit un champ magnétique transversal 17 qui tend d'abord à centrer le point cathodique au-dessus de l'axe central 19 de la bobine 16 et,

ensuite à déplacer le point cathodique d'une quantité prédé-

terminée dans la direction des flèches portées sur la fig. 1.

Typiquement le champ magnétique est présent seulement pendant une fraction minime de la période totale t1 + t2. De cette

façon la plupart du temps est consacrée au déplacement aLéa-

toire du point cathodique entre le rail extérieur 14 et le rail intérieur 15. On remarquera que le champ magnétique n'est pas utilisé pour confiner l'arc sur la cible mais seulement pour lui imposer un mouvement périodique dans la direction des flèches. Autant de points cathodiques que l'on désire peuvent être présents sur la cible. Ainsi qu'il est connu dans cette technique, le nombre des points s'élève en

fonction de l'intensité du courant fournie par la source 23.

Quand une pluralité de points existe, chacun d'eux reçoit un coup similaire vers l'avant par l'impulsion de champ qui se produit pendant la période de temps t1. L'arc doit être déplacé assez souvent pour garantir un recouvrement uniforme du substrat. Ceci peut devenir une difficulté avec des cathodes 10 très longues, à moins que l'on utilise des points multiples, comme indiqué ci-dessus. Ceci est nécessaire dans la plupart des cas parce qu'une densité moyenne de courant doit être maintenue sur la grande cible pour que l'on obtienne la vitesse de recouvrement espérée. En général, la durée de l'impulsion t1 et la grandeur du courant se combinent pour déterminer la grandeur du mouvement dirigé. Ces facteurs peuvent être ajustés en conséquence selon la configuration particulière et, en particulier, selon la longueur de la cible. Comme le montre la figure 1, l'électro-aimant 16 est fermé sur lui-même; toutefois, une telle fermeture n'a pas une importance critique. Autrement dit, à la fois le mouvement au hasard de l'arc et la fuite apparente d'un point vis-à- vis d'un autre fournissent un mécanisme produisant le déplacement de l'arc le long du chemin 19 indiqué sur la

figure 1.

D'autres configurations de la source 16 de champ magnétique peuvent être employées pour la réalisation de ce qui précède, comprenant, par exemple, le renversement de la direction de déplacement du point par renversement de la

polarité des bornes du générateur d'impulsions 20. Par exem-

ple, il serait possible de réaliser un déplacement en spirale vers le centre d'une grande cible et ensuite de renverser la

spirale en arrière vers l'extérieur.

Comme indiqué plus haut, le rail intérieur 15 est facultatif. Quand il est utilisé, ce rail, ou barrière, peut être très étroit, c'est-à-dire qu'il peut avoir une largeur

de 1,6 mm environ et être retenu dans une rainure peu profon-

de usinée ou taillée dans la cible 12. Ainsi, quand on l'utilise, il nécessite de bloquer physiquement une très faible région seulement de la cible. Quand on n'utilise pas le rail intérieur 15, il se produit quelques rares traversées accidentelles. Ceci signifie que l'arc traverse l'axe général sans se déplacer jusqu'à l'extrémité de la cathode. En dépit de ce mouvement on obtient une excellente érosion du centre de la cible. Tout se passe comme si l'arc avait une vitesse continue ou une inertie qui aide à l'infléchir vers l'arrière

quand le champ est réétabli. Quand le point cathodique visi-

ble se déplace si loin en traversant l'axe central qu'il doit renverser sa direction de déplacement, la durée est longue et -8

Le rayon de courbure est grand, ce qui est une preuve suppLé-

mentaire que l'arc semble avoir une vitesse continue ou une inertie.

Les figures 3 et 4 illustrent un mode de réalisa-

tion de la cathode d'un magnétron à arc pulsé dans laquelle le rail intérieur 15 de l'exemple de la figure 1 n'est pas

utilisé. Le moyen 14 de confinement extérieur de l'arc com-

prend un moyen indiqué schématiquement en 26 pour fixer le rail extérieur 14 ou la cible 12 dans la structure ainsi qu'il est classique. La source de champ magnétique comprend un coupleur perméable comme une plaque en fer 28 ayant un évidement 30 en ovale et une bobine 32 disposée dans cet évidement, la bobine comprenant typiquement 50 à 200 tours d'un fil pour électro-aimant, en cuivre par exemple. Comme on peut le voir sur la figure 3, les moyenspour alimenter en courant les extrémités de la bobine 32 comprennent une source alternative 34 réunie à un transformateur 36 qui peut être un transformateur pour filament de lampe ayant une tension de sortie de 6,3 volts. Un redresseur 37 est raccordé au circuit

secondaire du transformateur et les extrémités de l'enroule-

ment secondaire sont raccordées respectivement aux extrémités de la bobine 32. Ainsi, une unique alternance redressée du courant est envoyée à la bobine comme représenté sur la figure 3. Cette onde est approximativement aussi efficace que l'onde de la figure 2B. Le réglage à la fois de la puissance de la bobine 32 et du courant fourni à partir de la source 23

(voir figure 2A) affecte la vitesse du point cathodique.

Pendant le fonctionnement, la source alternative

34 est mise en service après un nettoyage initial de la cible.

Pendant l'interruption du courant alternatif redressé, le

déplacement au hasard du point se produit cependant que pen-

dant le passage du courant le champ magnétique 33 est établi et impose un mouvement intermittent dirigé du point par rapport à la cible d'une manière semblable à celle déjà expliquée en référence à la figure 1. Dans un appareil d'essai, la largeur de la configuration de l'érosion était approximativement celle qui est représentée en 24 sur la figure 4. Une érosion plus profonde s'est produite dans la zone 24a qui est au-dessus de la bobine. Cette érosion plus profonde a été provoquée par l'entraînement dû à l'onde sinusoldale qui, quand elle existe, ramène le point vers l'axe central au-dessus de la source 32 pendant une trop grande fraction du temps. Autrement dit, par analogie avec la figure 2B, la période t1 était trop longue. Quand on place la bobine 32 suffisamment loin de l'axe pour que son axe se trouve à une distance de 6,35 mm environ du bord intérieur du rail 14 on obtient une excellente utilisation de la cible et on minimise l'effet provoqué par l'entraînement dû à

l'onde sinusoldale.

L'exemple de réalisation des figures 5A et 5B est celui d'une cathode à contrôle total du mouvement de l'arc par opposition aux cathodes de magnétron à arc pulsé décrites plus haut. Le champ magnétique est appliqué de manière continue dans une cathode à contrôle total dedl'arc alors qu'il est pulsé, c'est-à-dire mis en service et hors service, dans une cathode de magnétron à arc pulsé. Bien qu'il ne soit pas représenté sur la figure 5A et sur certaines autres figures, la cible 12 inclut un moyen 14 de confinement de l'arc pour retenir celui-ci à la surface de la cible. En dessous de la cible 12 est disposée une source de champ magnétique qui comprend des bobines magnétiques 42 et 44, la bobine 42 étant disposée concentriquement à l'intérieur de la bobine 44. Chacune des bobines comprend typiquement 50 à 200 tours d'un fil pour électro- aimant. La figure 5B montre un circuit pour l'envoi du courant aux bobines 42 et 44, ce circuit comprenant une source de signaux 50 qui peut fournir

un courant alternatif ou un courant à onde rectangulaire.

Ce signal est envoyé à un transformateur 48 dont le secon-

daire comprend une prise centrale 52. Des redresseurs 54 et 56 peuvent être raccordés aux extrémités de l'enroulement secondaire quand la source 50 fournir un signal de sortie 1 0 alternatif. Si on suppose que la sortie de la source 50 est alternative, la prise centrale 52 et la cathode du redresseur 56 sont raccordées respectivement aux extrémités de la bobine 42 cependant que la prise centrale 52 et la cathode du redresseur 54 sont raccordées aux extrémités de la bobine 44. Bien entendu, la polarité des redresseurs représentée est un exemple et les deux peuvent avoir leur polarité inversée si

on le désire.

Avant d'entreprendre une description du fonction-

nement de La cathode des figures 5A et 5B, on doit noter que la cathode du magnétron à arc puLsé autorise un déplacement au hasard avec des moments périodiques de mouvements forcés le long de la piste. En outre, le champ puLsé du magnétron produit une force de centrage directement au- dessus de la bobine d'entraînement aussi bien qu'une poussée le long de la piste. Ce principe est utilisé dans la cathode à contrôle total du mouvement de l'arc des fig. 5A et 5B o la bobine 42 constitue une bobine de pulsion intérieure tandis que la bobine 44 constitue une bobine de pulsion extérieure de telle sorte que l'axe de l'aimant (et ainsi le point cathodique) est déplacé vers l'intérieur et vers l'extérieur en fonction de celle des bobines qui est excitée. Les bobines intérieure et extérieure sont excitées alternativement par des cycles

de demi-alternances des signaux provenant de la source 50.

De cette façon, l'arc est déplacé le long de la piste par des impulsions périodiques mais il est déplacé aussi de droite et de gauche, comme représenté sur la figure 5C en 58, à partir de l'axe de la bobine intérieure 42a vers l'axe de la bobine extérieure 44a. Les composantes du champ magnétique qui déplacent l'arc de droite et de gauche, latéralement,

sont plus faibles que celles qui le déplacent vers l'avant.

Ainsi, un mouvement libre peut être inclus pour obtenir même

un élargissement supplémentaire de la configuration.

La période d'entraînement au-dessus de chacune des bobines 42a et 42b doit être juste assez longue pour que

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L'arc se meuve vers Le centre du champ au-dessus de cette bobine. Si eLLe est trop Longue il se produit une érosion excessive directement au-dessus des bobines. IL est désirable que Le champ de chacune des bobines couvre La cible entière de façon que l'arc soit toujours sous le dôme magnétique 46. Aussi Longtemps qu'une synchronisation parfaite entre l'entrainement de la bobine et la position en rotation arc/cible ne se produit pas, on obtient une érosion uniforme le Long de la piste. En fonction de La taille de La cible et des paramètres d'entraTnement, Le mouvement de l'arc du centre d'un champ à l'autre peut même prendre plusieurs tours Le Long de La piste plutôt que ce qui est représenté sur La

figure 5C.

Une vérification expérimentale de la cathode à deux bobines et à contrôle total du mouvement de l'arc des

figures 5A et 5B a été réalisée avec des ondes sinusoldales.

Avec les deux entraTnements à ondes sinusoldaLes et à ondes carrées pour le système à deux bobines, il existe une certaine valeur critique du temps pour l'obtention de meilleurs résultats. L'arc ne doit pas rester sur une piste fixe mais plutôt osciller de droite et de gauche entre deux pistes stables. Un contrôle total peut être obtenu quand Les

deux bobines- ne sont jamais mises hors service en même temps.

Des formes d'ondes spécialement réalisées peuvent être

employées pour permettre de maximiser L'uniformité de L'éro-

sion. Des ondes spécialement réalisées, triangulaires, sont représentées, à titre d'exemple, sur la figure 6 qui montre La relation d'entrarnement entre les ondes. Quand La bobine 42 est totalement excitée, La bobine 44 est au repos. A mesure que le courant envoyé à La bobine 42 diminue, Le courant envoyé à la bobine 44 augmente et vice versa. Ainsi,

l'axe du champ magnétique transversal se déplace régulière-

ment de droite et de gauche entre les deux bobines. L'arc (ou le point cathodique) suit L'axe du champ et ainsi se déplace de droite et de gauche tout en étant entraqné Le long

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de La piste. De cette façon, Le mode de réalisation selon les figures 5A et 5B permet un contrôle total de l'arc pour un balayage de droite et de gauche le long de la piste. Le contrôle n'est jamais perdu. L'arc peut être déplacé beaucoup plus vite avec ce mode de réalisation parce qu'il n'est plus nécessaire de surimposer un mouvement aléatoire au mouvement vers L'avant pour obtenir l'érosion de la totalité de la

partie de la cible 12 entre la bobine 42 et la bobine 44.

La figure 7 montre un mode de réalisation supplé-

mentaire d'une source de champ magnétique utilisable avec une

cathode à contrôle total du mouvement de l'arc. En particu-

Lier, un champ de déplacement continu vers l'avant est

utilisé avec un gradient d'oscillation dirigé côté/centre.

De cette façon la bobine de la figure 7 est une bobine

composite ayant une première bobine 60 s'étendant longitudi-

nalement correspondant à l'une ou à l'autre des bobines 42 et 44 de l'exemple des figures 5A et 5B ou à la bobine 32 de la

figure 4. Une seconde bobine 62 alimentée en courant oscil-

lant est enroulée perpendiculairement à la bobine 60 de déplacement vers l'avant. Un courant continu ininterrompu est envoyé à la bobine 60 de déplacement vers l'avant et ainsi, dans ce sens, la cathode de l'arc peut être considérée comme un magnétron à arc. Le gradient d'oscillation dirigée côté/ /centre est produit par la bobine d'entraînement 62. Ce mode de réalisation a tendance à être plus critique que celui des figures 5A, 5B étant donné que les bobines 60 et 62 interagissent pour établir la valeur maximum de déplacement

de l'arc.

Avant de décrire les autres réalisations de l'invention, on notera que dans les exemples des figures 1 et

3 des cathodes de grande surface sont érodées par une propul-

sion intermittente de l'arc le long de la cathode ou de la cible. Dans les exemples des figures 5A et 5B un mouvement continu de l'arc est obtenu de droite et de gauche entre des

champs magnétiques concentriques apparaissant alternativement.

Dans l'exemple de la figure 7, un champ continu vers l'avant est établi par une bobine 60 d'entraînement continu et, ainsi, ce mode de réalisation peut être considéré comme un magnétron à arc. Dans les autres exemples de réalisation de l'invention, on décrit d'autres cathodes à contrôle total du

mouvement de l'arc qui utilisent différents champs magnéti-

ques d'un genre continu mais complexe. Très souvent, ceci permet moins de restrictions dans l'obtention d'une érosion uniforme des cibles à grande surface de forme rectangulaire

ou irrégulière.

Il existe un grand nombre d'ouvrages dans la littérature technique sur le comportement d'un arc dans le vide en présence d'un champ magnétique transversal. L'un d'eux est l'article de Keseav et Pashakova intitulé "The Electromagnetic Anchoring of the Cathode Spot", Soviet Physics- Technical Physics, Volume 4, page 254 (1959). Parce que leur travail s'effectuait sur une cathode en mercure, le profil de l'érosion n'était pas un facteur ni, bien entendu, l'uniformité de l'érosion de celle-ci alors que cette uniformité est une considération importante dans le sujet de

l'invention. En outre, dans un certain nombre d'études anté-

rieures, le champ du magnétron est momentané et la durée de vie de l'arc est éphémère. En outre, le champ continu d'un

magnétron n'a pas été utilisé de manière effective à la réali-

sation d'un recouvrement dans le vide par évaporation dueà un arc parce que la bobine de champ est placée typiquement à l'extérieur de la surface de la cible comme dans le brevet américain mentionné plus haut n 3 836 451. De cette façon, la partie transversale du champ qui se produit audessus de

la bobine n'est pas au-dessus de la cible.

Quand on emploie un champ suffisamment fort pour garantir le confinement d'un arc de type 2, la section de l'érosion est étroite. Toutefois, quand la grandeur du champ

est réduite à une valeur marginale de confinement, une confi-

guration d'érosion beaucoup plus large, beaucoup plus à profiL en V, a été observée par l'inventeur. L'étude du comportement d'un champ faibLe puLsé et continu a conduit l'inventeur a accroître le champ jusqu'à ce qu'une vitesse de sa direction de 508 à 762 mm/s environ soit observée quand le rail 14 est constitué d'une matière permeable. Des vitesses considérablement inférieures à 508 mm/s environ peuvent devenir instables, ne montrant aucune tendance évidente à court terme à un déplacement le long de la cible d'une manière dirigée. En général, l'induction magnétique à la surface de la cible 12 doit être au moins de 3 x 10-4 Tesla environ quand le rail 14 est perméable et elle doit être au moins de 1 x 10-14 Tesla environ quand un moyen non perméable est utilisé pour effectuer le confinement de l'arc, encore qu'il doive être bien entendu que des inductions magnétiques inférieures aux valeurs ci-dessus puissent être utilisées avec divers degrés de succès en fonction du type de la source de champ magnétique employée et du degré désiré d'uniformité

de l'érosion.

Les autres modes de réalisation de l'invention utilisent des branches adjacentes de polarité inverse du champ magnétique pour procurer les avantages d'arrangements plus complexes. En se reportant aux figures 8 et 9 on peut voir une bobine 64 qui a la configuration générale d'un U compre-

nant quatre branches droites distinctes 64a à 64d dans lesquelles le courant circule dans des sens opposés entre des branches voisines de manière à produire des parties voisines à polarités inversées du champ magnétique. La configuration de l'érosion de chaque branche tend à être un V à fond arrondi dont la largeur est plutôt étroite même avec une puissance plutôt faible de la bobine. Les branches sont placées suffisamment près les unes des autres pour que les configurations d'érosion en V qui en résultent se recouvrent de sorte que leur somme procure une érosion substantiellement uniforme de la cible. De cette façon, en règlant l'espacement des branches 64a à 64d et en employant un courant de bobine suffisamment faible, on peut parvenir à une érosion de la

cible substantiellement uniforme. L'emploi de courant alter-

natif totalement redressé pour alimenter la bobine 64 peut procurer de courtes périodes de déplacement au hasard de l'arc mais maintient le point ou les points cathodiques sur les pistes convenables. La configuration de la bobine des figures 8 et 9 a été utilisée avec une cible rectangulaire de 127 mm x 305 mm. Un courant continu filtré, constant, peut être utilisé aussi dans la bobine 64. Dans ce cas, l'appareil correspond généralement à un appareil à aimant fixe semblable à un magnétron de pulvérisation mais de nombreuses fois plus faible t Un appareil à aimant fixe utilisable dans une cathode à arc est illustré sur la figure 10 et il comprend une plaque inférieure perméable 66 et des aimants 68a à 68c disposés pour que la polarisation d'aimants voisins soit dans des sens opposés comme indiqué par des flèches. Ainsi, à nouveau des branches adjacentes du champ magnétique à polarité inversée sont établies, ces champs étant indiqués en 70. L'induction nécessaire est de quelques 10 millièmes de Testa; toutefois, pour utiliser une cible épaisse 12 (qui bien entendu, doit être disposée au-dessus de la source du champ magnétique comme le montre le figure 10) pendant de longues durées de fonctionnement sans changement de la cible, le champ doit être projeté à une hauteur considérable. Ceci peut s'effectuer selon le mode de réalisation de la figure 11 o des aimants 80a et 80b ajoutés à l'exemple de réalisation de la figure 10 aident à obtenir un champ se projetant vers le haut. Les aimants permanents 76a à 76c et 80a, 80Ob peuvent être constitués par des matières magnétiques classiques ou des matières souples à aimantation permanente comme celles

décrites dans le brevet américain n 4 265 729 qui est incor-

poré à la présente description par la citation qui en est

faite. En outre, des aimants en ferrite peuvent aussi être utilisés comme les aimants ci-dessus. Certains aimants sont

substantiellement perpendiculaires à la surface de la cible.

Des aimants supplémentaires ont leur polarité substantielle-

ment perpendiculaire à ceLLe des premiers aimants pour aider à la projection du champ magnétique au-dessus de La surface de la cible. De ce qui précède on peut voir qu'un certain nombre de techniques différentes pulsées et continues ont été utilisées qui rendent pratique l'évaporation à l'arc de cibles de grande taille. Les champs de magnétron ont été employés dans le passé par Keseav dans des applications à l'arc sous vide; toutefois ce champ était utilisé pour

retenir l'arc sur la cible pour des opérations de revêtement.

Ceci était effectué par l'emploi d'un tour d'une Ligne de puissance derrière la cible. Cependant il n'y avait aucune suggestion de la part de Keseav d'utiliser un moyen de confinement de l'arc en supplément à un moyen distinct pour diriger le point cathodique sur la surface de la cible. En outre, il n'existe aucune suggestion dans la technique antérieure au sujet des variantes décrites ici et ci-dessous

pour effectuer une érosion uniforme de grandes cibles évapo-

rées par un arc: 1.- Usage de champs de magnétron faibles mais complexes comme représenté et décrit en relation avec les figures 8 à 11 pour effectuer une érosion quasi-uniforme de la surface d'une grande cible à l'aide d'électro-aimants ou d'aimants permanents. Ces champs magnétiques peuvent être uniques dans leur forme de façon qu'une érosion "le long d'une course sur une piste" du type à simple V se recouvre partiellement avec des configurations voisines d'une érosion

du même type.

2.- Usage d'appareils à magnétron pulsé avec une piste unique ou multiple comprenant un mouvement dirigé de

l'arc et éventuellement un mouvement aléatoire comme repré-

senté et décrit en référence aux figures 1 à 7.

3.- Usage de plusieurs bobines ou d'un aimant permanent plus un ensemble de bobines pour déplacer le

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1 7 centre du champ magnétique sur la surface de la cible. Un type de contrôLe quelque peu analogue pour recouvrement par pulvérisation est décrit dans le brevet américain n 3 956 093

qui est incorporé au présent texte par référence.

4.- Usage d'un déplacement mécanique des bobines ou d'aimants fixes influençant des champs magnétiques à la cible soumise à l'arc, un type de contrôle quelque peu analogue pour recouvrement par pulvérisation étant décrit dans le brevet américain n 3 878 085 qui est incorporé au

présent texte par référence.

5.- Usage d'un déplacement mécanique de la cible soumise à l'arc par rapport au système magnétique incluant la permeabilité, un type de contrôle quelque peu analogue pour recouvrement par pulvérisation étant décrit dans le brevet américain n 4 356 073 qui est incorporé au présent texte

par référence.

On a décrit en détail des exemples de réalisation de l'évaporation par arc de cibles de grande taille. Il doit être entendu, néanmoins, que de nombreux changements de détails de construction, d'agencement et de fonctionnement peuvent être effectués sans que l'on sorte du cadre ni de

l'esprit de l'invention.

Par exemple, des moyens mécaniques ou autres peuvent être mis en oeuvre pour faire glisser relativement le moyen de direction du point cathodique et la cible afin que le champ magnétique glisse au-dessus de la surface de la cible.

Claims (48)

REVENDICATIONS

1. Appareil pour évaporation par un arc comprenant: une cible (12) ayant une surface de matière à évaporer, cette surface ayant une grandeur de 129 cm environ au moins, des moyens (23) pour établir un arc à la surface de cette cible (12) pour en faire évaporer la matière, l'arc étant remarquable par la présence de particules chargées et par un point cathodique qui tend à migrer au hasard sur la surface de la cible (12), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de direction du point cathodique comprenant des moyens (16) pour

établir au moins par intermittence au moins un champ magnéti-

que dans une direction prédéterminée sur la surface de la cible (12) afin de diriger ledit point cathodique dans une direction substantiellement perpendiculaire à la direction du champ magnétique (16) et ainsi d'obtenir une évaporation substantiellement uniforme de la matière sous l'effet de l'arc.

2. Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (14) de confinement de l'arc

à la surface de la cible (12).

3. Appareil pour évaporation sous l'effet d'un arc comprenant: une cible (12) ayant une surface en matière à évaporer,

des moyens (23) pour établir un arc à la sur-

face de la cible (12) pour en faire évaporer la matière, cet arc étant remarquable par la présence de particules chargées et par un point cathodique qui tend à migrer au hasard sur la surface de la cible (12), caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (14) de confinement de l'arc à la surface de la cible (12), des moyens (16) de direction du point cathodique comprenant des moyens (20) pour établir au moins par intermittence au moins un champ magnétique dans une direction prédéterminée au-dessus de la

surface de la cible (12) afin de diriger ledit point cathodi-

que dans une direction substantiellement perpendicutaire à la direction du champ magnétique et ainsi d'obtenir une évaporation substantiellement uniforme de la cible (12) sous

l'effet de l'arc.

4. Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que la surface de la cible (12) a une grandeur de

129 cm2 environ au moins.

5. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1, 3 caractérisé en ce que les moyens de direction du point cathodique comprennent des moyens(16,20)pour déplacer le point cathodique le long d'un chemin (19) substantiellement

fermé à la surface de la cible (12).

6. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 2 ou 3 caractérisé en ce que le moyen de confinement de l'arc est un rail (14) s'étendant autour de la périphérie de la surface de la cible (12), ce rail (14) étant composé d'une

matière perméable magnétiquement.

7. Appareil selon la revendication 6 caractérisé en ce que L'induction magnétique du champ à la surface de la

cible (12) est au moins de 3 x 10- 4 Tesla.

8. Appareil selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend un rail intérieur (15) s'étendant le long d'une partie centrale de la surface de la cible (12) de sorte qu'est défini autour de ce rail intérieur (15) un chemin (19) qui correspond au chemin parcouru par le point cathodique quand il est déplacé dans ladite direction substantiellement perpendiculaire à la direction du champ magnétique.

9. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 2 ou 3 caractérisé en ce que le moyen de confinement de l'art est un rail (14) s'étendant autour de la périphérie de la surface de la cible (12), ce rail (14) étant composé d'une

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matière en nitrure choisie dans Le groupe comprenant le

nitrure de bore et le nitrure de titane.

10. Appareil selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'induction magnétique du champ à la surface de la cible (12) est au moins d'un dix millième de Tesla.

11. Appareil selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comprend un rail intérieur (15) s'étendant le long d'une partie centrale de la surface de la cible (12) de sorte qu'est défini ainsi autour de ce rail intérieur (15) un chemin (19) qui correspond dans l'ensemble au chemin parcouru par le point cathodique quand celui-ci est déplacé dans ladite direction substantiellement perpendiculaire à la

direction du champ magnétique.

12. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1, 3 caractérisé en ce que l'induction magnétique du champ à La surface de la cible (12) est au moins d'un dix

millième de Tesla.

13. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1, 3 caractérisé en ce que le moyen de direction du point cathodique comprend un moyen (20) pour mettre par

intermittence ledit champ en service et hors service.

14. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1, 3 caractérisé en ce que le moyen de direction du point cathodique comprend au moins un électro-aimant disposé

sur le côté de la cible (12) opposé à la surface à évaporer.

15. Appareil selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'il comprend une source de courant (34) pour envoyer

du courant audit électro-aimant.

16. Appareil selon la revendication 15 caractérisé

en ce que la source de courant (34) fournit audit électro-

-aimant (16) une demi-alternance d'un courant alternatif redressé.

17. Appareil selon la revendication 15 caractérisé en ce que la source de courant fournit des impulsions de courant audit électro-aimant de sorte que pendant la durée de

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chaque impulsion le point cathodique est déplacé dans ladite direction prédéterminée cependant que pendant les intervalles entre les impulsions le point cathodique se déplace au hasard

à la surface de la cible ce qui procure l'évaporation subs-

tantiellement uniforme de cette dernière.

18. Appareil selon la revendication 14 caractérisé en ce que l'électrno-aimant comprend une bobine (32) ayant une

pluralité de tours d'un fil pour aimant et ayant des extré-

mités respectives, l'appareil comprenant aussi une source de

courant (34, 36) raccordée auxdites extrémités respectives.

19. Appareil selon la revendication 18 caractérisé en ce que la source de courant envoie aux extrémités de la

bobine des demi-alternances de courant redressé.

20. Appareil selon la revendication 18 caractérisé en ce que les tours du fil pour aimant sont compris entre 50

à 200.

21. Appareil selon la revendication 14 caractérisé en ce que l'électroaimant comprend une pluralité de bobines disposées concentriquement (42, 44) et chaque bobine a une

pluralité de tours d'un fil pour aimant.

22. Appareil selon la revendication 21 caractérisé en ce que le nombre des bobines est de deux et l'appareil comprend une source de courant (50) qui fournit respectivement des signaux déphasés auxdites bobines, celles- ci étant

alternativement excitées et le point cathodique étant succes-

sivement déplacé de l'axe central au-dessus de l'une des bobines (42) jusqu'à l'axe central au-dessus de l'autre bobine (44) de sorte qu'un contrôle substantiellement continu est exercé sur le déplacement du point cathodique pendant

qu'il circule à la surface de la cible (12).

23. Appareil selon la revendication 22 caractérisé en ce que la forme des signaux envoyés respectivement aux deux bobines (42, 44) est triangulaire et telle que quand le courant envoyé à l'une des bobines (42) est croissant, le courant envoyé à l'autre bobine (44) est décroissant et vice versa, de sorte qu'au moins un certain courant est envoyé à

chacune des bobines à tous moments.

24. Appareil selon La revendication 22 caractérisé

en ce que Les signaux déphasés sont dérivés de cycles alter-

natifs redressés d'un signal alternatif.

25. Appareil selon la revendication 14 caractérisé en ce que l'électroaimant comprend au moins une première bobine (60) ayant une pluralité de tours qui s'étendent substantiellement dans la même direction que le mouvement dirigé du point cathodique et une seconde bobine (62) enroulée autour de la première bobine (60) et ayant une pluralité supplémentaire de tours, le plan de chacune des spires de la seconde bobine (62) étant substantiellement

perpendiculaire aux spires de la première bobine (60).

26. Appareil selon la revendication 25 caractérisé en ce qu'une source de courant continu permanent est branchée à la première bobine (60) et un courant oscillant est envoyé à la seconde bobine (62) de sorte que le courant continu produit un entraînement continu du point cathodique à la surface de la cible (12) cependant que le courant oscillant produit un champ qui fait osciller de droite et de gauche le point cathodique par rapport à la direction provoquée par

l'entraînement continu.

27. Appareil selon la revendication 14 caractérisé

en ce que l'électro-aimant comprend une bobine (64) à confi-

guration substantiellement en U ayant une pluralité de branches parallèles substantiellement rectilignes (64 à 64d) disposées à côté les unes des autres de sorte que les courants dans des branches voisines ont des directions

opposées et que des branches voisines du champ magnéti-

que ayant des polarités inverses sont produites au-dessus de

la cible (12).

28. Appareil selon la revendication 27 caractérisé en ce que le chemin de l'érosion associé à chacune des branches linéaires (64 à 64d) a essentiellement un profil en V de sorte que ce profil associé à chaque branche linéaire recouvre partiellement les profils en V associés aux branches

linéaires voisines ce qui procure l'évaporation substantiel-

lement uniforme de la cible.

29. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1, 3 caractérisé en ce que le moyen de direction du point cathodique comprend des moyens (64a à 64d, 68a à 68d) pour établir une pluralité de branches voisines à polarités inversées du champ magnétique au-dessus de la surface de la

cible (12). -

30. Appareil selon la revendication 29 caractérisé en ce que le moyen pour établir les branches voisines à

polarités inversées comprend une pluralité d'aimants perma-

nents (68a à 68d) et/ou d'électro-aimants (64a à 64d).

31. Appareil selon la revendication 30 caractérisé en ce que la polarité de certains au moins des aimants est

substantiellement perpendiculaire à la surface de la cible.

32. Appareil selon la revendication 31 caractérisé en ce qu'il comprend des aimants supplémentaires disposés entre ladite pluralité d'aimants, au moins certains de ces aimants supplémentaires (80a à 80d) ayant leur polarité substantiellement perpendiculaire à la polarité des premiers aimants mentionnés (76a à 76d) favorisant ainsi la projection

du champ magnétique au-dessus de la surface de la cible.

33. Appareil selon la revendication 30 caractérisé en ce que les aimants sont couplés par une plaque de soutien

perméable (66, 72).

34. Appareil selon la revendication 30 caractérisé en ce que les aimants permanents sont des aimants en ferrite

ou des couches de matière souple à aimantation permanente.

35. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1, 3 caractérisé en ce qu'il comprend au moins un aimant pour faire glisser le champ magnétique au-dessus de la

surface de la cible.

36. Appareil selon la revendication 35 caractérisé

en ce que l'aimant est un électro-aimant.

37. Appareil selon L'une quelconque des revendica-

tions 1, 3 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire glisser le moyen de direction du point cathodique afin de faire glisser le champ magnétique au-dessus de la surface

de la cible.

38. Appareil selon l'une quelconque des revendica-

tions 1, 3 caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour faire glisser la cible par rapport au moyen de direction du point cathodique afin de faire glisser le champ magnétique

au-dessus de la cible.

39. Appareil pour évaporation sous l'effet d'un arc comprenant: une cible (12) ayant une surface métallique en matière à évaporer, un moyen (23) pour établir un arc à la surface métallique de la cible pour en évaporer la matière, cet arc étant remarquable par la présence de particules chargées et d'un point cathodique qui tend à migrer au hasard à la surface de la cible, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat (25)

en matière plastique sur lequel la matière métallique évapo-

rée de la cible (12) est déposée comme un revêtement.

40. Procédé d'évaporation sous l'effet d'un arc caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: on dispose une cible ayant une surface en matière à évaporer, cette surface ayant une grandeur de 129 cm2 environ au moins, on établit un arc à la surface de la cible pour en évaporer la matière, cet arc étant remarquable par la présence de particules chargées et d'un point cathodique qui tend à migrer au hasard à la surface de la cible, on établit au moins par intermittence au moins un champ magnétique dans une direction prédéterminée au-dessus de La surface de la cible afin de diriger ledit

point cathodique dans une direction substantiellement perpen-

diculaire à la direction du champ magnétique et on obtient ainsi une évaporation substantiellement uniforme de la cible

sous l'effet de l'arc.

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41. Procédé selon la revendication 40 caractérisé

en ce qu'on confine l'arc à la surface de la cible.

42. Procédé d'évaporation sous l'effet d'un arc caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: on dispose une cible ayant une surface en matière à évaporer, on établit un arc à la surface de la cible pour en évaporer la matière, cet arc étant remarquable par la présence de particules chargées et d'un point cathodique qui tend à migrer au hasard à la surface de la cible, on confine l'arc à la surface de la cible, on établit au moins par intermittence au moins un champ magnétique dans une direction prédéterminée au-dessus de la surface de la cible afin de diriger le point

cathodique dans une direction substantiellement perpendicu-

laire à la direction du champ magnétique et on obtient ainsi une évaporation substantiellement uniforme de la cible sous

l'effet de l'arc.

43. Procédé selon la revendication 42 caractérisé en ce que la surface de la cible a une grandeur de 129 cm

environ au moins.

44. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 40, 42 caractérisé en ce qu'on déplace le point cathodique à la surface de la cible le long d'un chemin

substantiellement fermé.

45. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 40, 42 caractérisé en ce qu'on met par intermittence le champ magnétique en service et hors service de telle sorte

que chaque fois que le champ est en service le point cathodi-

que est déplacé dans ladite direction prédéterminée et chaque fois qu'il est hors service le point cathodique vagabonde au hasard à la surface de la cible de sorte qu'on obtient une

évaporation substantiellement uniforme de la cible.

46. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 40, 42 caractérisé en ce que le champ est présent de

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manière continue de sorte qu'un contrôle substantiellement continu est exercé sur le mouvement du point cathodique quand

il se déplace à la surface de la cible.

47. Procédé selon l'une quelconque des revendica-

tions 40, 42 caractérisé en ce qu'on établit une pluralité de branches voisines à polarités inversées du champ magnétique

au-dessus de la surface de la cible.

48. Procédé d'évaporation sous l'effet d'un arc caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes:

on dispose une cible ayant une surface métal-

lique en matière à évaporer, on établit un arc sur la surface métallique de la cible pour en évaporer la matière, cet arc étant remarquable par la présence de particules chargées et par un point cathodique qui tend à migrer au hasard à la surface de la cible, et on dépose sous forme d'un revêtement sur un substrat en matière plastique la matière métallique évaporée

de la cible.