FR2719120A1 - Measuring and controlling reactive gas during physico-chemical treatment of substrate - Google Patents

Measuring and controlling reactive gas during physico-chemical treatment of substrate Download PDF

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Abstract

Determination and control of the composition of a reactive gas mixture acting on a substrate during a physico-chemical treatment under a rarefied atmosphere, involves the evaporation of a target submitted to an arc discharge. The process consists of effecting a spectroscopic analysis on the plasma emissions of the vapour generated at the target, deducing from the results of that analysis the concentration of the emitted species and if necessary acting on the different parameters of the installation, such as the electrical and magnetic fields applied to the target and to the gas flow, in order to maintain that concentration at the desired level. The device used to put this process into service is also claimed.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA DETERMINATION ET LEMETHOD AND DEVICE FOR DETERMINING AND

CONTROLE DE LA COMPOSITION DU MELANGE GAZEUX REACTIF  CONTROL OF THE COMPOSITION OF THE REACTIVE GAS MIXTURE

AGISSANT SUR UN SUBSTRAT AU COURS D'UN TRAITEMENT  ACTING ON A SUBSTRATE DURING A TREATMENT

PHYSICO-CHIMIOUE SOUS ATMOSPHERE RAREFIEE.  PHYSICO-CHEMISTRY UNDER RAREFIED ATMOSPHERE.

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour la détermination et le contrôle de la composition du mélange gazeux réactif agissant sur un substrat au cours d'un traitement physico-chimique sous  The subject of the present invention is a method and a device for determining and controlling the composition of the reactive gas mixture acting on a substrate during a physico-chemical treatment under

atmosphère raréfiée.rarefied atmosphere.

Elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, les traitements tels que des dépôts de couches mono ou multi- éléments tels que des carbonitrures métalliques, par exemple de carbonitrures de titane qui sont effectués dans une enceinte étanche sous atmosphère de traitement à basse pression et à une température de  It relates more particularly, but not exclusively, to treatments such as deposits of single or multi-element layers such as metallic carbonitrides, for example titanium carbonitrides which are carried out in a sealed enclosure under a low pressure treatment atmosphere and at a temperature of

traitement déterminée.specific treatment.

Selon ces traitements, les éléments carbone et azote contenus dans l'atmosphère de traitement sont apportés par l'introduction puis l'excitation, l'ionisation et la dissociation en milieu plasma dans le réacteur  According to these treatments, the carbon and nitrogen elements contained in the treatment atmosphere are provided by the introduction then the excitation, the ionization and the dissociation in plasma medium in the reactor.

respectivement des gaz méthane et azote moléculaire.  methane and molecular nitrogen respectively.

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L'élément métallique (titane) en phase vapeur est produit par l'évaporation d'une cible en titane soumise à une  The metallic element (titanium) in the vapor phase is produced by the evaporation of a titanium target subjected to a

décharge d'arc.arc discharge.

A l'heure actuelle, dans les traitements de ce genre, les flux de matière qui déterminent la qualité de la couche multi-éléments ne sont pas contrôlés: les seuls contrôles portent, d'une part, sur les débits et pressions des gaz introduits et, d'autre part, sur l'intensité du courant d'arc d'évaporation ainsi que sur le potentiel de polarisation du substrat qui va déterminer sa température en fonction de l'énergie des  At present, in treatments of this kind, the material flows which determine the quality of the multi-element layer are not controlled: the only controls relate, on the one hand, to the flow rates and pressures of the gases introduced. and, on the other hand, on the intensity of the evaporation arc current as well as on the bias potential of the substrate which will determine its temperature as a function of the energy of the

ions qui le bombardent.ions that bombard it.

Ces contrôles ne permettent pas, à eux seuls, de connaître la composition du milieu dans le réacteur, laquelle dépend aussi de l'interaction avec les surfaces  These checks alone do not make it possible to know the composition of the medium in the reactor, which also depends on the interaction with the surfaces.

dont la nature change pendant l'opération de traitement.  the nature of which changes during the processing operation.

L'invention a donc plus particulièrement pour but de combler cette lacune. Elle propose, à cet effet, de déterminer la composition du susdit milieu par spectroscopie optique d'émission, technique non perturbatrice qui permet d'effectuer des diagnostics in situ et de suivre en temps réel les concentrations des espèces radiatives, le calcul de la concentration étant basé sur le fait que l'intensité d'une raie est directement proportionnelle à la densité du niveau supérieur de la transition radiative qui est à l'origine  The invention therefore more particularly aims to fill this gap. To this end, it proposes to determine the composition of the above-mentioned medium by optical emission spectroscopy, a non-disturbing technique which makes it possible to carry out in situ diagnostics and to monitor the concentrations of radiative species in real time, calculating the concentration being based on the fact that the intensity of a line is directly proportional to the density of the upper level of the radiative transition which is at the origin

de l'émission.of the show.

Elle exploite le fait que le plasma est un milieu constitué d'électrons, d'ions, d'espèces moléculaires, radicalaires, atomiques dans des états fondamentaux ou excités en permanence, en interaction mutuelle et avec les parois, et dont l'état stationnaire est conditionné par les champs électrique et magnétique appliqués ainsi  It exploits the fact that the plasma is a medium made up of electrons, ions, molecular, radical, atomic species in fundamental states or permanently excited, in mutual interaction and with the walls, and whose stationary state is conditioned by the electric and magnetic fields applied as well

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que les flux de gaz. Cet état et donc sa reproductibilité  that gas flows. This state and therefore its reproducibility

sont reliés à l'émission des espèces excitées.  are related to the emission of excited species.

Ainsi, le procédé selon l'invention est plus particulièrement caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer une analyse spectroscopique des émissions du plasma de vapeur engendré au niveau de la cible, à déduire du résultat de cette analyse la concentration des espèces radiatives, et éventuellement à agir sur les différents paramètres de l'installation tels que les champs électriques et magnétiques appliqués à la cible ainsi que les flux de gaz pour maintenir cette  Thus, the method according to the invention is more particularly characterized in that it consists in performing a spectroscopic analysis of the emissions of the vapor plasma generated at the target, in deducing from the result of this analysis the concentration of the radiative species, and possibly to act on the various parameters of the installation such as the electric and magnetic fields applied to the target as well as the gas flows to maintain this

concentration au niveau souhaité.concentration at the desired level.

Pour les raisons précédemment exposées, ce contrôle s'applique également à la qualité des couches obtenues  For the reasons explained above, this control also applies to the quality of the layers obtained.

sur le substrat.on the substrate.

Un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'une installation de traitement apte à effectuer un dépôt de carbonitrure de titane, par évaporation basse pression (PVD arc); La figure 2 est une vue schématique partielle permettant d'illustrer le principe du réacteur utilisé dans l'installation de la figure 1; Les figures 3 à 10 sont des spectres d'émission autour de 360 nm pour différentes valeurs de la proportion d'azote; Les figures 11 à 13 sont des spectres d'émission autour de 430 nm pour différentes valeurs du rapport N2/CH4;  An embodiment of the method according to the invention will be described below, by way of nonlimiting example, with reference to the appended drawings in which: FIG. 1 is a schematic representation of a treatment installation able to perform a deposition of titanium carbonitride, by low pressure evaporation (PVD arc); Figure 2 is a partial schematic view to illustrate the principle of the reactor used in the installation of Figure 1; Figures 3 to 10 are emission spectra around 360 nm for different values of the proportion of nitrogen; Figures 11 to 13 are emission spectra around 430 nm for different values of the N2 / CH4 ratio;

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La figure 14 est une courbe représentative de la variation du rapport I(N2)/I(Ti) en fonction du pourcentage d'azote; La figure 15 est une courbe représentative de la variation du rapport C/N en fonction du rapport débit CH4/débit N2; La figure 16 est une courbe représentative du rapport I(CH)/I(N2+) en fonction du rapport C/N; La figure 17 est une courbe représentative de la variation du rapport d'intensité I(CH)/I(Ti) avec le rapport des quantités C/Ti déposées; La figure 18 est une courbe représentative de la variation du rapport d'intensité I(N2)/I(Ti)  FIG. 14 is a curve representative of the variation of the ratio I (N2) / I (Ti) as a function of the percentage of nitrogen; FIG. 15 is a curve representative of the variation of the C / N ratio as a function of the CH4 flow rate / N2 flow rate; FIG. 16 is a curve representative of the ratio I (CH) / I (N2 +) as a function of the ratio C / N; FIG. 17 is a curve representative of the variation of the intensity ratio I (CH) / I (Ti) with the ratio of the quantities C / Ti deposited; FIG. 18 is a curve representative of the variation of the intensity ratio I (N2) / I (Ti)

avec le rapport des quantités N/Ti déposées.  with the ratio of the N / Ti quantities deposited.

Dans l'exemple représenté sur la figure 1, l'installation comprend un four comportant une enceinte étanche 1, par exemple métallique, dans laquelle est disposée une structure de support métallique 2 destinée à recevoir les  In the example shown in FIG. 1, the installation comprises an oven comprising a sealed enclosure 1, for example metallic, in which is disposed a metallic support structure 2 intended to receive the

pièces à traiter 3 (substrat).parts to be treated 3 (substrate).

Cette structure 2 est destinée à être portée à un  This structure 2 is intended to be brought to a

potentiel cathodique.cathodic potential.

Elle est, en conséquence, reliée à l'une des deux bornes d'un générateur électrique haute tension (250 V) continu ou impulsionnaire 4. L'autre borne du générateur est reliée à la paroi intérieure de l'enceinte 1 qui constitue alors une anode. (Cette anode peut être  It is therefore connected to one of the two terminals of a high voltage (250 V) direct or pulsed electric generator 4. The other terminal of the generator is connected to the interior wall of the enclosure 1 which then constitutes an anode. (This anode can be

éventuellement constituée par des éléments chauffants).  possibly made up of heating elements).

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Le volume intérieur de l'enceinte 1 est par ailleurs connecté, d'une part, à un dispositif de pompage 6 apte à assurer un vide relatif et, d'autre part, à un circuit d'injection de gaz de traitement 7 relié à des sources de gaz 8 par l'intermédiaire de conduits équipés de vannes  The interior volume of the enclosure 1 is moreover connected, on the one hand, to a pumping device 6 capable of ensuring a relative vacuum and, on the other hand, to a treatment gas injection circuit 7 connected to gas sources 8 via conduits fitted with valves

de réglage de débit électriquement commandables (bloc 9).  electrically controllable flow control valves (block 9).

Le mélange réactif peut être constitué d'un hydrocarbure tel que le méthane, d'azote et, éventuellement, d'argon, dont les débits, en proportion variable, sont contrôlés par des débitmètres massiques. Un pompage secondaire  The reactive mixture can consist of a hydrocarbon such as methane, nitrogen and, optionally, argon, the flow rates of which, in variable proportion, are controlled by mass flow meters. Secondary pumping

permet alors de maintenir la pression à environ 810-3 mb.  allows then to maintain the pressure at approximately 810-3 mb.

Des résistances électriques peuvent être en outre prévues à l'intérieur de l'enceinte 1 pour porter et maintenir  Electrical resistances can also be provided inside the enclosure 1 to carry and maintain

les pièces à la température de traitement.  parts at processing temperature.

La production de vapeur de titane est assurée au moyen d'un générateur 10 comprenant une cible en titane en regard de laquelle est disposée une électrode 12, ces deux éléments étant électriquement connectés à une source de courant extérieure 13 apte à délivrer un courant électrique à relativement haute intensité (100 A) sous une relativement faible tension (20 V). Ce générateur 13 est plus particulièrement conçu de manière à engendrer une décharge d'arc entre l'électrode 12 et la cible 11, dans le but de provoquer la vaporisation, de préférence par sublimation de la surface de la cible 11. Un générateur de champ magnétique, (par exemple d'une dizaine de Gauss) placé au voisinage de la cible ainsi qu'un anneau de garde 14 placé autour de la cathode, portée à un potentiel flottant, permettent de confiner l'arc à la surface de la cible 11 en favorisant ainsi l'évaporation. Pour permettre la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, l'enceinte 1 du four est équipée d'une fenêtre optiquement transparente 15, par exemple en  The production of titanium vapor is ensured by means of a generator 10 comprising a titanium target opposite which is an electrode 12, these two elements being electrically connected to an external current source 13 capable of delivering an electric current to relatively high current (100 A) at a relatively low voltage (20 V). This generator 13 is more particularly designed so as to generate an arc discharge between the electrode 12 and the target 11, with the aim of causing vaporization, preferably by sublimation of the surface of the target 11. A field generator magnetic (for example about ten Gauss) placed in the vicinity of the target as well as a guard ring 14 placed around the cathode, brought to a floating potential, make it possible to confine the arc to the surface of the target 11 thereby promoting evaporation. To allow the implementation of the method according to the invention, the enclosure 1 of the oven is equipped with an optically transparent window 15, for example in

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quartz optique, scellée de façon étanche, et axée sur une zone située au voisinage de la cible 11. Dans l'axe de cette fenêtre est disposée, à l'extérieur du four, une optique de visée 16 reliée par fibres optiques 17 à une optique focalisatrice 18 qui focalise le rayonnement lumineux émis par les espèces rayonnantes engendrées par le générateur de vapeur de titane 10 sur un appareillage  optical quartz, tightly sealed, and focused on an area located in the vicinity of the target 11. In the axis of this window is arranged, outside the furnace, a sighting optic 16 connected by optical fibers 17 to a focusing optic 18 which focuses the light radiation emitted by the radiant species generated by the titanium vapor generator 10 on an apparatus

de spectroscopie optique 19.optical spectroscopy 19.

Cet appareillage peut, par exemple, consister en le spectroscope "JOBIN-YVON HR 320 Sn muni d'un détecteur multicanal intensifié disposant d'un module interface 20 permettant un pilotage par ordinateur 21, de manière à  This apparatus can, for example, consist of the "JOBIN-YVON HR 320 Sn spectroscope equipped with an intensified multichannel detector having an interface module 20 allowing control by computer 21, so as to

pouvoir analyser le plasma engendré par le générateur 10.  ability to analyze plasma generated by generator 10.

Cet appareil est plus particulièrement conçu de manière à pouvoir suivre en temps réel l'émission du plasma dans un intervalle d'environ 10 nm avec une résolution d'environ 0,1 nm. L'optique utilisée (fibres optiques + lentille focalisatrice) permet une analyse spatiale avec une  This device is more particularly designed so as to be able to follow in real time the emission of the plasma in an interval of approximately 10 nm with a resolution of approximately 0.1 nm. The optics used (optical fibers + focusing lens) allows a spatial analysis with a

résolution d'environ 5 mm à une distance de 50 cm.  resolution of approximately 5 mm at a distance of 50 cm.

Avantageusement, les pièces à traiter pourront être placées sur un plateau métallique tournant électriquement  Advantageously, the parts to be treated can be placed on an electrically rotating metal plate

connecté au générateur 4, comme illustré sur la figure 2.  connected to generator 4, as illustrated in figure 2.

Grâce au mouvement du plateau, ces pièces (bloc 3) passent en regard du générateur de vapeur 10, par exemple  Thanks to the movement of the plate, these parts (block 3) pass opposite the steam generator 10, for example

à une distance d'une vingtaine de centimètres.  at a distance of about twenty centimeters.

Le traitement effectué par l'installation précédemment décrite est basé sur le processus suivant: L'arc produit au niveau de la cible 11 vaporise le titane, ce qui se traduit localement par une élévation  The treatment carried out by the installation described above is based on the following process: The arc produced at the level of the target 11 vaporizes the titanium, which results locally in an elevation

importante de la pression.significant pressure.

La quasi totalité de la tension d'arc (20 V) se trouve reportée dans cette région qui constitue la tâche cathodique de la décharge dans laquelle s'effectuent les  Almost all of the arc voltage (20 V) is transferred to this region which constitutes the cathodic task of the discharge in which the

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réactions d'ionisation pour le maintien de la décharge, ainsi que les réactions d'excitation et de dissociation moléculaires. Les espèces neutres créées diffusent ensuite dans l'enceinte en ne produisant que très peu de collisions inélastiques. Parmi ces espèces, les états excités électroniquement vont se désexciter dans un temps qui est lié à leur durée de vie (quelques 10-8 s) et sur une distance qui est liée à l'énergie cinétique acquise (un maximum de 20e V) pour les atomes ou molécules rapides rétrodiffusés par la surface et qui peut être d'environ 1 cm. Après désexcitation, les espèces neutres diffusent dans l'enceinte et se déposent sur les parois et le substrat. Du fait de la polarisation, les ions qui ont une énergie cinétique suffisante pour échapper au champ électrique qui règne près de la cible se dirigeront vers les pièces à traiter (substrat) qui se trouvent polarisées à -250 V. Sur ce substrat, ces ions ont deux effets, un échauffement jusqu'à 300 C de celui-ci et un martellement des espèces neutres déposées sur la surface. Ces deux effets conjugués contribuent à la diffusion des atomes de titane, d'azote, de carbone et d'hydrogène dans le milieu solide jusqu'à une profondeur dépendant des conditions de dépôt. Ces conclusions sont attestées par le fait qu'en l'absence de polarisation du substrat, d'une part, la température mesurée par pyrométrie optique reste celle ambiante et que, d'autre part, l'analyse du dépôt effectuée dans ces conditions montre qu'il est de même  ionization reactions for maintaining the discharge, as well as molecular excitation and dissociation reactions. The neutral species created then diffuse into the enclosure, producing very few inelastic collisions. Among these species, the electronically excited states will de-energize in a time which is linked to their lifespan (some 10-8 s) and over a distance which is linked to the kinetic energy acquired (a maximum of 20th V) for the fast atoms or molecules backscattered by the surface and which can be about 1 cm. After de-excitation, the neutral species diffuse in the enclosure and deposit on the walls and the substrate. Because of the polarization, the ions which have sufficient kinetic energy to escape the electric field which reigns near the target will go towards the parts to be treated (substrate) which are polarized at -250 V. On this substrate, these ions have two effects, a heating up to 300 C thereof and a hammering of neutral species deposited on the surface. These two combined effects contribute to the diffusion of the atoms of titanium, nitrogen, carbon and hydrogen in the solid medium to a depth depending on the deposition conditions. These conclusions are attested to by the fact that in the absence of polarization of the substrate, on the one hand, the temperature measured by optical pyrometry remains that of the environment and that, on the other hand, the analysis of the deposit carried out under these conditions shows that it is the same

nature qu'avec polarisation, mais n'est pas adhérent.  nature only with polarization, but is not adherent.

Le tableau I figurant ci-après et se rapportant à la figure 2, fait une présentation synthétique simple du fonctionnement complexe du procédé de traitement de dépôt de carbonitrure de titane par arc tel qu'il peut être déduit des études de spectroscopie optique, en tenant compte des analyses de nature du dépôt et des mesures de  Table I appearing below and referring to FIG. 2, gives a simple synthetic presentation of the complex operation of the process for treating titanium carbonitride deposition by arc as can be deduced from optical spectroscopy studies, taking into account account of the analyzes of the nature of the deposit and of the

température du substrat.substrate temperature.

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TABLEAU ITABLE I

A la surface de la cible (C) en titane au Réactions macroscopiques: potentiel de -20 Volts. échauffement, fusion, évaporation du titane, formation d'un cratère, élévation locale de pression, détente Zone Z1 (Fig. 2) Réactions microscopiques: ion + C - e ion + C - Ti (par pulvérisation cathodique) Au voisinage immédiat de la cible, Présence d'un champ magnétique, région de l'arc. fort gradient de pression, collisions inélastiques: e + mol (CH4, N2) e + at (ri, C, N, H) Zone Z2 (Fig. 2) ion rapide + neutre conduisant à: dissociation, réaction e + at, excitation, désexcitation, diffusion quasi-libre, ionisation, accélération  At the surface of the titanium target (C) with macroscopic reactions: potential of -20 Volts. heating, melting, evaporation of titanium, formation of a crater, local pressure rise, expansion Zone Z1 (Fig. 2) Microscopic reactions: ion + C - e ion + C - Ti (by sputtering) In the immediate vicinity of the target, Presence of a magnetic field, arc region. strong pressure gradient, inelastic collisions: e + mol (CH4, N2) e + at (ri, C, N, H) Zone Z2 (Fig. 2) fast + neutral ion leading to: dissociation, e + at reaction, excitation , de-excitation, quasi-free diffusion, ionization, acceleration

vers le substrat, échange de charge.  to the substrate, charge exchange.

A la surface (S) du substrat atome + substrat - dépôt molécule + substrat -- dépôt  At the surface (S) of the atom substrate + substrate - molecule deposition + substrate - deposition

Zone Z3 (Fig. 2) ion + substrat --Zone Z3 (Fig. 2) ion + substrate -

échauffement, diffusion dans le substrat. L'analyse spectrographique du rayonnement émis dans la zone Z2 située au voisinage immédiat de la cible a permis de relever autour de 360 nm les spectres d'émission représentés sur les figures 3 à 10 au cours de traitements dans lesquels on a fait varier la proportion d'azote et de méthane CH4 de la façon suivante: 0 % N2 % CH4 (figure 3); 30 % N2 70 % CH4 (figure 4); % N2 50 % CH4 (figure 5); 60 % N2 40 % CH4 (figure 6); 70 % N2 30 % CH4 (figure 7); 80 % N2 20 % CH4 (figure 8); 90 % N2 10 % CH4 (figure 9); 95 % N2  heating, diffusion in the substrate. The spectrographic analysis of the radiation emitted in the zone Z2 located in the immediate vicinity of the target made it possible to record around 360 nm the emission spectra represented in FIGS. 3 to 10 during treatments in which the proportion was varied nitrogen and methane CH4 as follows: 0% N2% CH4 (Figure 3); 30% N2 70% CH4 (Figure 4); % N2 50% CH4 (Figure 5); 60% N2 40% CH4 (Figure 6); 70% N2 30% CH4 (Figure 7); 80% N2 20% CH4 (Figure 8); 90% N2 10% CH4 (Figure 9); 95% N2

5 % CH4 (figure 10).5% CH4 (Figure 10).

Ces spectres font apparaître une relation entre l'intensité des raies N2 de l'azote et l'intensité des raies du titane. Cette relation est définie par la courbe représentée sur la figure 14 qui donne les variations du  These spectra show a relationship between the intensity of the N2 lines of nitrogen and the intensity of the titanium lines. This relation is defined by the curve represented on figure 14 which gives the variations of the

- 9 - 2719120- 9 - 2719120

rapport I(N2)/I(Ti) en fonction du pourcentage d'azote N2. D'une façon analogue, les figures 11, 12 et 13 montrent les spectres d'émission autour de 430 nm pour trois différentes valeurs de rapport N2/CH4, à savoir: CH4 40 % N2 60 % (figure 11); CH4 20 % N2 80 % (figure  I (N2) / I (Ti) ratio as a function of the percentage of nitrogen N2. Similarly, Figures 11, 12 and 13 show the emission spectra around 430 nm for three different values of N2 / CH4 ratio, namely: CH4 40% N2 60% (Figure 11); CH4 20% N2 80% (figure

12); CH4 10 % N2 90 % (figure 13).12); CH4 10% N2 90% (Figure 13).

Ces différentes expérimentations ont permis de faire apparaître une dépendance quasi linéaire entre, d'une part, les rapports méthane/azote et les rapports carbone/azote du dépôt obtenu analysé par ESCA (figure ) et, d'autre part, les rapports d'intensité I(CH)/I(N2+) obtenus par spectroscopie d'émission et le  These different experiments made it possible to show an almost linear dependence between, on the one hand, the methane / nitrogen ratios and the carbon / nitrogen ratios of the deposit obtained analyzed by ESCA (figure) and, on the other hand, the ratios of intensity I (CH) / I (N2 +) obtained by emission spectroscopy and the

rapport C/N du dépôt (figure 16).C / N ratio of the deposit (Figure 16).

Les courbes représentées sur les figures 17 et 18 donnent la variation du rapport d'intensité I(CH)/I(Ti) en fonction des quantités C/Ti déposées (figure 17) et la variation du rapport d'intensité I(N2+)/I(Ti) avec le  The curves represented in FIGS. 17 and 18 give the variation of the intensity ratio I (CH) / I (Ti) as a function of the quantities C / Ti deposited (FIG. 17) and the variation of the intensity ratio I (N2 +) / I (Ti) with the

rapport des quantités déposées N/Ti (figure 18).  report of the quantities deposited N / Ti (Figure 18).

Il apparaît clairement que grâce à ces différentes relations, il devient possible de contrôler la composition du milieu dans le réacteur et donc la qualité  It clearly appears that thanks to these different relationships, it becomes possible to control the composition of the medium in the reactor and therefore the quality

des couches déposées sur le substrat.  layers deposited on the substrate.

En particulier, l'ordinateur pourra être programmé de manière à contrôler, par l'intermédiaire d'une interface , le débit des gaz de traitement en fonction des proportions de carbone C, de titane Ti et d'azote N que l'on souhaite déposer sur le substrat. Ce contrôle pourra être exécuté en utilisant des tables de correspondance établies d'après les courbes précédemment évoquées et/ou par calcul, notamment lorsqu'il s'agit des relations linéaires telles que celles existant entre le rapport  In particular, the computer can be programmed so as to control, via an interface, the flow rate of the treatment gases as a function of the proportions of carbon C, titanium Ti and nitrogen N that are desired. deposit on the substrate. This control can be carried out using correspondence tables established according to the curves mentioned above and / or by calculation, in particular when dealing with linear relationships such as those existing between the report.

- 10 - 2719120- 10 - 2719120

débit CH4/débit N2 et le rapport C/N ou le rapport  CH4 flow / N2 flow and the C / N ratio or the ratio

I(CH)/I(N2+) et le rapport C/N.I (CH) / I (N2 +) and the C / N ratio.

Il convient de noter que des tests de fiabilité ont été réalisés lors du fonctionnement du réacteur en plasma d'arc de titane seul à la pression limite de 10-5 mbar, puis en ajoutant de l'azote, et enfin, dans le mélange utilisé en traitement, c'est-à-dire avec azote et méthane. Dans tous les cas, la reproductibilité des spectres d'émission est observée lorsque les conditions  It should be noted that reliability tests have been carried out during the operation of the titanium arc plasma reactor alone at the limit pressure of 10-5 mbar, then by adding nitrogen, and finally, in the mixture used. in treatment, that is to say with nitrogen and methane. In all cases, the reproducibility of the emission spectra is observed when the conditions

de fonctionnement du réacteur sont identiques.  of operation of the reactor are identical.

Bien entendu, l'invention ne se limite pas au type de traitement précédemment décrit: en effet, elle reste valable pour le contrôle de dépôts de la plupart des métaux de transition tels que le nickel Ni, le tungstène  Of course, the invention is not limited to the type of treatment described above: in fact, it remains valid for the control of deposits of most transition metals such as nickel Ni, tungsten

W, ou le vanadium Va.W, or vanadium Va.

- 11 - 2719120- 11 - 2719120

Claims (6)

RevendicationsClaims 1. Procédé pour la détermination et le contrôle de la composition du mélange gazeux réactif agissant sur un substrat au cours d'un traitement physico-chimique sous atmosphère raréfiée selon lequel on procède à l'évaporation d'une cible soumise à une décharge d'arc, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer une analyse spectroscopique des émissions du plasma de vapeur engendré au niveau de la cible, à déduire du résultat de cette analyse la concentration des espèces radiatives, et éventuellement à agir sur les différents paramètres de l'installation tels que les champs électriques et magnétiques appliqués à la cible ainsi que les flux de gaz pour maintenir cette concentration au niveau souhaité.  1. Method for determining and controlling the composition of the reactive gas mixture acting on a substrate during a physicochemical treatment under a rarefied atmosphere according to which one proceeds to the evaporation of a target subjected to a discharge of arc, characterized in that it consists in carrying out a spectroscopic analysis of the emissions of the vapor plasma generated at the level of the target, in deducing from the result of this analysis the concentration of the radiative species, and possibly in acting on the various parameters of the installation such as the electric and magnetic fields applied to the target as well as the gas flows to maintain this concentration at the desired level. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul de concentration comprend la mesure des intensités des raies spectrales correspondant aux éléments rentrant dans la composition, et la détermination de la concentration à partir desdites intensités en se basant sur le fait que l'intensité d'une raie est directement proportionnelle à la densité du niveau supérieur de la transition radiative qui est à2. Method according to claim 1, characterized in that the concentration calculation comprises the measurement of the intensities of the spectral lines corresponding to the elements entering into the composition, and the determination of the concentration from said intensities based on the fact that l line intensity is directly proportional to the density of the upper level of the radiative transition which is l'origine de l'émission.the origin of the broadcast. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et  3. Method according to one of claims 1 and 2,2, caractérisé en ce que le susdit traitement physico-  characterized in that the above physical- chimique est un dépôt de couches mono ou multi-éléments tels que des carbonitrures métalliques dans lequel le mélange gazeux réactif est constitué d'un hydrocarbure  chemical is a deposit of single or multi-element layers such as metallic carbonitrides in which the reactive gas mixture consists of a hydrocarbon tel que le méthane, d'azote et, éventuellement d'argon.  such as methane, nitrogen and possibly argon. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend le calcul du rapport de l'intensité des raies spectrales de l'azote et de  4. Method according to claim 3, characterized in that it comprises the calculation of the ratio of the intensity of the spectral lines of nitrogen and - 12 - 2719120- 12 - 2719120 l'intensité des raies spectrales correspondant au métal vaporisé, le rapport de l'intensité des raies spectrales correspondant au radical CH et de l'intensité des raies spectrales de l'azote, et le rapport de l'intensité des raies spectrales correspondant au radical CH et de l'intensité de la raie spectrale du métal vaporisé, et la détermination à partir de ces rapports du rapport carbone/azote, du rapport carbone/métal déposé et du rapport azote/métal déposé, à l'aide de diagrammes de  the intensity of the spectral lines corresponding to the vaporized metal, the ratio of the intensity of the spectral lines corresponding to the radical CH and the intensity of the spectral lines of nitrogen, and the ratio of the intensity of the spectral lines corresponding to the radical CH and of the intensity of the spectral line of the vaporized metal, and the determination from these ratios of the carbon / nitrogen ratio, of the carbon / metal deposited ratio and of the nitrogen / metal deposited ratio, using diagrams of variation et/ou de tables de correspondances préétablis.  variation and / or preset correspondence tables. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et  5. Method according to one of claims 3 and 4, caractérisé en ce que le susdit métal est un métal de transition tel que le titane, le nickel, le tungstène ou  4, characterized in that the above metal is a transition metal such as titanium, nickel, tungsten or le vanadium.vanadium. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé  6. Device for implementing the method selon l'une des revendications précédentes,  according to one of the preceding claims, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte étanche (1) dans laquelle est disposée une structure de support métallique (2) destinée à recevoir les pièces à traiter (3) et portée à un potentiel cathodique grâce à un générateur électrique haute tension (4), le volume intérieur de l'enceinte (1) étant par ailleurs connecté, d'une part, à un dispositif de pompage (6) apte à engendrer un vide relatif et, d'autre part, à un circuit d'injection de gaz de traitement (7) relié à des sources de gaz (8) par l'intermédiaire de conduits équipés de vannes de régulation de débit, électriquement commandables (9), et de débitmètres massiques et un générateur de vapeur métallique (10) comprenant une cible métallique en regard de laquelle est disposée une électrode (12), ladite cible et ladite électrode étant reliées à une source de courant extérieure (13) apte à délivrer un courant électrique susceptible d'engendrer une décharge d'arc entre l'électrode (12) et la cible, et en ce que l'enceinte (1) est équipée d'une fenêtre  characterized in that it comprises a sealed enclosure (1) in which is disposed a metal support structure (2) intended to receive the parts to be treated (3) and brought to cathodic potential by means of a high voltage electric generator (4 ), the interior volume of the enclosure (1) being also connected, on the one hand, to a pumping device (6) capable of generating a relative vacuum and, on the other hand, to an injection circuit of process gas (7) connected to gas sources (8) via conduits equipped with electrically controllable flow control valves (9) and mass flow meters and a metallic steam generator (10) comprising a metal target opposite which is an electrode (12), said target and said electrode being connected to an external current source (13) capable of delivering an electric current capable of generating an arc discharge between the electrode ( 12) and the target, and in that the enclosure (1) is equipped with a window - 13 - 2719120- 13 - 2719120 optiquement transparente (15) axée sur une zone située au voisinage de la cible et d'une optique de visée extérieure (16) disposée dans l'axe de cette fenêtre (15) et reliée par des fibres optiques (17) à une optique focalisatrice (18) qui focalise le rayonnement lumineux émis par les espèces rayonnantes engendrées par le générateur (10) sur un appareil de spectroscopie optique (19) couplé, par l'intermédiaire d'une interface (20), à un ordinateur (21) programmé de manière à contrôler le débit des gaz en fonction des informations délivrées par  optically transparent (15) focused on an area located in the vicinity of the target and an external aiming optic (16) arranged in the axis of this window (15) and connected by optical fibers (17) to a focusing optic (18) which focuses the light radiation emitted by the radiating species generated by the generator (10) on an optical spectroscopy device (19) coupled, via an interface (20), to a computer (21) programmed so as to control the gas flow according to the information supplied by l'appareil de spectroscopie optique (19).  the optical spectroscopy apparatus (19).
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