FR2802129A1 - Systeme et procede pour recouvrir des surfaces non-planes d'objets avec un film de diamant - Google Patents

Abstract

L'invention conceme un système et un procédé pour déposer un revêtement de diamant CVD sur une surface non plane d'un objet. Le système comprend un déflecteur présentant une surface de déflexion qui résiste au revêtement de diamant obtenu par des agents chimiques ou des réactifs formant le diamant, qui sont produits par le système et qui est adaptée pour supporter des températures de dépôts relativement élevées. Le déflecteur est positionné sensiblement dans l'axe de la tête de distribution du dispositif CVD. Le déflecteur est de préférence généralement en forme de coin ou conique et relié à un moteur qui est adapté pour faire tourner le déflecteur à une vitesse relativement élevée. Un mandrin peut être positionné autour ou à côté du déflecteur. Le déflecteur est orienté par rapport à la tête de distribution et au mandrin tel qu'un jet sortant de la tête de distribution est défléchi par le déflecteur sur une surface d'un objet positionné sur le mandrin. La surface de l'objet peut être non plane.

Description

SYSTEME ET PROCEDE POUR RECOUVRIR DES SURFACES

NON-PLANES D'OBJETS AVEC UN FILM DE DIAMANT

ARRIERE PLAN DE L'INVENTION

1. Domaine de l'invention Cette invention concerne généralement un système et un procédé pour déposer des revêtements de diamant sur des surfaces. Plus particulièrement, cette invention se rapporte à un système et un procédé

pour le revêtement d'un film de diamant sur une surface non-plane.

2. Etat de la technique antérieure L'utilité de films en diamant de qualité élevée pour de nombreuses applications est bien connue. Les propriétés supérieures physiques, chimiques, et électriques rendent les films de diamant souhaitables pour

beaucoup d'applications mécaniques, thermiques, optiques et électroniques.

Par exemple, le diamant présente la conductivité thermique à température ambiante la plus élevée de tous les matériaux, une décharge du champ électrique élevée (107 V/cm), et une affinité aux électrons négatifs stable dans l'air. Ces propriétés permettent d'obtenir des transistors à hautes fréquences, hautes puissances et des cathodes froides qui ne peuvent pas être fabriquées avec des semi-conducteurs autres que le diamant. En plus, la résistance au gravage des revêtements de diamant, rend ces revêtements

idéaux pour des composants de dispositifs de gravure des semi-

conducteurs. Un procédé pour produire des revêtements de diamant fins est

I'utilisation d'un système de dépôt chimique en phase vapeur (appelée ci-

après CVD). Dans les systèmes CVD, un mélange d'hydrogène et de carbure d'hydrogène gazeux, tel que le méthane, est activé et mis en contact avec un substrat pour produire un revêtement de diamant sur le substrat. Le gaz hydrogène est dissocié en hydrogène atomique, qui réagit ensuite avec

le carbure d'hydrogène pour former des radicaux de carbone condensables.

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Les radicaux de carbone sont ensuite déposés sur un substrat pour former

un film de diamant.

Une manière d'employer la CVD est d'utiliser un système à jet de plasma. En se référant à la figure 1 qui illustre l'état de la technique antérieure, un système à jet de plasma 10 comprend un dispositif 12 présentant une entrée de gaz d'hydrogène 14, une cathode 16, une paroi du dispositif 18, et une anode 20. Le système 10 comprend de plus un disque à injection de gaz 22 présentant plusieurs injecteurs 24, une tête de distribution (tuyère ou buse) 26 qui est dirigée vers un mandrin 28 sur lequel peut être fixé un substrat 30, et une chambre de dépôt sous vide 32 entourant le dispositif

12, le disque d'injection de gaz 22, la tête de distribution 26 et le mandrin 28.

En utilisation, le gaz d'hydrogène atomique est introduit par l'entrée de gaz d'hydrogène 14 et activé à l'intérieur d'un jet de plasma d'hydrogène au moyen d'un arc de courant direct, d'un arc de courant alternatif, ou d'énergie micro-ondes à l'intérieur du dispositif. La torche plasma est assez chaude (généralement approximativement 10,000 K) pour réduire les gaz sous leur forme élémentaire. Les réactifs de carbure d'hydrogène sont ensuite introduits à partir des injecteurs 24 du disque d'injection 22 dans la torche plasma, et la torche est dirigée à l'intérieur de la tête de distribution 26 de telle manière qu'un jet de réactifs condensables sort de la tête de distribution et est dirigé vers le substrat 30 sur le mandrin 28. Le mandrin 28 est orienté perpendiculairement par rapport à la tête de distribution 26 de telle manière que le jet soit dirigé vers le substrat 30 comme une ligne de visée, et qu'un

revêtement de diamant soit créé sur le substrat.

Pour revêtir les surfaces planes d'objets plus larges que le jet et pour obtenir également une uniformité du revêtement et une élimination de points chauds qui peuvent réduire la qualité du revêtement du fait de la formation de gradients de température, il peut être avantageux de faire tourner l'objet sous la tête de distribution, comme décrit dans le brevet U.S No. 5.342.660 et

comme présenté sur la figure 1.

Cependant, lors du revêtement d'une surface non-plane, par exemple, la surface interne d'un objet tel qu'un anneau ou une auge, particulièrement là o le diamètre interne augmente dans une direction éloignée à partir du jet, la nature de la ligne de visée du jet rend difficile l'obtention d'un revêtement uniforme ou de tout revêtement dans quelque zone que ce soit. En plus, alors que la rotation d'un objet est généralement préférée pour l'uniformité d'un revêtement et la minimisation de gradients de température, il est peu pratique ou impossible de faire tourner, à l'intérieur des confins de la chambre, des objets qui sont relativement larges, rectangulaires, complexes, et/ou volumineux (i.e., présentant un centre de gravité original ou excentré). De plus, même s'il serait possible de faire tourner ou sinon de faire bouger des objets larges, rectangulaires, complexes, et/ou volumineux à l'intérieur de la chambre, il se peut que ce ne soit pas facile ou pratique à réaliser, à une vitesse qui minimiserait le gradient

de température auquel la surface de l'objet devrait être soumise.

Pour les raisons précitées, il existe un besoin pour un système et mun procédé pour déposer des revêtements de diamant sur des objets présentant des surfaces non planes, de telle manière que le revêtement soit appliqué en une épaisseur sensiblement uniforme tout en diminuant les

gradients de température.

RESUME DE L'INVENTION

La présente invention est un système et un procédé nouveaux pour déposer un revêtement de diamant CVD sur une surface non plane d'un objet. Le système comprend un déflecteur présentant une surface de déflexion ou déviation qui résiste au revêtement de diamant aussi bien qu'à un système à jet de plasma conventionnel, un disque d'injection, une tête de distribution, et un mandrin sur lequel est prévu un objet de substrat. Au moins la sortie de la tête de distribution et le mandrin sont contenus à l'intérieur d'une

chambre de dépôt sous vide.

Selon plusieurs modes de réalisations de l'invention particulièrement adaptés pour revêtir ou recouvrir des surfaces de diamètre interne d'objets, la surface de déflexion ou de déviation du déflecteur résiste au revêtement de diamant obtenu par des réactifs ou agents chimiques réactifs formant du diamant, qui sont produits par le système et est adaptée pour supporter des températures de dépôts relativement élevées. Le déflecteur est positionné sensiblement axialement par rapport à un axe de la tête de distribution, et de cette façon par rapport à l'axe du jet sortant de la tête de distribution. Le déflecteur est de préférence généralement en forme de coin ou conique et est relié à un moteur qui est adapté pour faire tourner le déflecteur à une vitesse relativement élevée. Le mandrin peut être positionné partiellement ou complètement autour du déflecteur. Le déflecteur est orienté par rapport à la tête de distribution et au mandrin de telle manière qu'un jet sortant de la tête de distribution est défléchi par le déflecteur sur une surface de l'objet

positionné sur le mandrin. La surface de l'objet peut être non plane.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention particulièrement adapté pour recouvrir ou revêtir la surface de diamètre externe d'un objet en forme d'anneau ou d'une partie du périmètre d'un objet non circulaire, un mandrin rotatif est adapté pour faire tourner un objet non axialement par rapport au jet à partir de la tête de distribution. Un déflecteur de préférence stationnaire est situé sous la tête de distribution et orienté pour défléchir le jet

à partir de la tête de distribution vers l'objet dont la surface est nonplane.

Lorsque l'objet effectue une rotation sur le mandrin, sa partie de diamètre ou

de périmètre externe est recouverte d'un revêtement de diamant par le jet.

Plusieurs modes de réalisation de l'invention prévoient des systèmes adaptés pour recouvrir de films de diamant, des surfaces non planes. Des avantages supplémentaires de l'invention seront plus évidents à

l'homme de métier grâce à la description détaillée prise conjointement avec

les figures annexées.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 est une vue en section partielle d'un système de dépôt en phase vapeur à jet de plasma de l'état de la technique antérieure; La figure 2 est une section partielle coupée d'un premier mode de réalisation d'un système de dépôt en phase vapeur à jet de plasma utilisant un premier mode de réalisation d'un déflecteur en forme de coin qui dirige les réactifs ou agents chimiques condensables réactifs sortant d'une tête de distribution du système sur une surface non-plane pour former un revêtement de diamant sur celle-ci; La figure 3 est une vue frontale d'un premier mode de réalisation du déflecteur du premier mode de réalisation de l'invention; La figure 4 est une vue latérale d'un premier mode de réalisation du déflecteur selon le premier mode de réalisation de l'invention; La figure 5 est une vue frontale d'un second mode de réalisation du déflecteur selon le premier mode de réalisation de l'invention; La figure 6 est une vue latérale d'un second mode de réalisation du déflecteur; La figure 7 est une vue latérale d'un troisième mode de réalisation du déflecteur; La figure 8 est une vue latérale d'un quatrième mode de réalisation du déflecteur; La figure 9 est une section partielle coupée d'un second mode de réalisation d'un système de dépôt en phase vapeur à jet de plasma utilisant un déflecteur conique; La figure 10 est une vue de dessus du déflecteur du second mode de réalisation de l'invention; La figure 11 est une vue latérale d'un déflecteur conique alternatif; La figure 12 est une vue latérale d'un autre déflecteur conique alternatif; et La figure 13 est une section partielle coupée d'un troisième mode de réalisation d'un système de dépôt en phase vapeur à jet de plasma utilisant un déflecteur qui dirige les agents chimiques condensables réactifs sortant d'une tête de distribution du système sur une surface non plane pour former

un revêtement de diamant sur celle-ci.

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DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION

PREFERES

En se référant aux figures 2 et 3, un système de dépôt en phase vapeur à jet de plasma 100 est prévu pour revêtir de diamant des surfaces non planes d'objets. Le système comprend généralement tous les éléments décrits en relation avec la figure 1 qui illustre l'état de la technique antérieure, bien que tous les éléments ne sont pas représentés. Le système 100 comprend particulièrement une tête de distribution 102 et un mandrin 104 à l'intérieur d'une chambre de dépôt 106. Le mandrin 104 est de préférence relié à un élément stationnaire (par exemple, un logement pour moteur 1 14,

décrit ci-dessous) à l'intérieur de la chambre 106.

Selon un aspect préféré de l'invention, un défiecteur 120 est prévu dans l'axe de la tête de distribution 102, et au centre par rapport à une partie du mandrin 104, de telle manière qu'un objet 108 présentant une surface non plane 110 et positionné sur le mandrin 104 aura sa surface non plane qui au moins partiellement entoure le déflecteur 120. Le déflecteur 120 est relié à un moteur 112 qui est à l'intérieur d'un logement pour moteur 114. Le moteur 112 est configuré pour faire tourner le déflecteur, par rapport à un axe Aj d'un jet sortant de la tête de distribution. Le déflecteur 120 comprend une surface de déflexion 122 adaptée pour faire défléchir le jet de manière radiale. A cette fin, la surface de déflexion 122 doit résister à la formation d'un revêtement de diamant obtenu par les agents chimiques réactifs à partir du jet, et doit être capable de supporter des températures de dépôts élevées, par exemple, jusqu'à 750 C ou plus. Les exemples de matériaux adaptés pour la surface de déflexion comprennent le cuivre, I'aluminium, le molybdène plaqué cuivre, le nickel, le nitrure de titane, et le nitrure de zirconium, bien que d'autres matériaux adaptés peuvent être utilisés. Ces matériaux peuvent comprendre sensiblement l'intégralité du déflecteur ou, altemrnativement, peuvent être recouverts sur un matériau réfractaire de support relativement

différent, par exemple, le graphite, pour former le déflecteur.

En se référant aux figures 2 à 4, selon un premier mode de réalisation du déflecteur 120, le déflecteur est un coin rectangulaire ou cylindrique présentant une surface de déflexion 122 sensiblement plane, inclinée. L'angle de la pente de la surface 122 du déflecteur sélectionné est de préférence choisi pour combattre directement les agents chimiques réactifs vers le contour de la surface à recouvrir. Ceci étant, lorsqu'on recouvre une paroi verticale autour d'un diamètre interne d'un anneau, la pente souhaitée peut être différente lorsqu'on effectue le revêtement d'une paroi effilée sur un diamètre intemrne d'un anneau. La surface de déflexion 122 est adaptée pour défléchir les agents chimiques du jet dans une direction radiale par rapport à l'axe du jet sortant de la tête de distribution. Alors que le déflecteur 120

effectue une rotation, le jet est dirigé dans toutes les directions radiales.

Le déflecteur en forme de coin peut alternativement comprendre une surface de déflexion qui est courbée. En se référant aux figures 5 et 6, un déflecteur 120a comprend une surface concave 122a 'horizontalement' (d'un ccôté à l'autre) définie par plusieurs courbes disposées horizontalement. En se référant à la figure 7, un déflecteur 120b peut également comprendre une surface concave 122b 'verticalement' (de haut en bas) définie par plusieurs courbes disposées verticalement. De plus, en se référant à la figure 8, un déflecteur 120c peut également présenter une surface de déflecteur convexe

122c.

Il sera apprécié par l'homme de métier que la forme particulière préférée de la surface du déflecteur dépendra de la configuration de la surface à recouvrir avec un film de diamant. En fait, une simulation par ordinateur peut être utilisée pour construire et déterminer le déflecteur, en prenant en compte la vitesse du plasma, la distribution du plasma, la forme et la fixation du substrat, etc. En se référant aux figures 9 et 10, selon un second mode de réalisation de l'invention, le déflecteur 220 est généralement conique; i.e., présentant un point le plus élevé au centre axialement (zénith) 224 et bla pente vers l'arrière sur tous les côtés 226 à partir de celui-ci. Le zénith 224 est positionné de manière sensiblement colinéaire à l'axe Ai du jet sortant de la tête de distribution. Alors que le jet sort de la tête de distribution 202, le jet effectue une déflexion sur les côtés 226 de manière radiale dans toutes les directions vers la surface non plane 210 de l'objet 208. Si souhaité, le déflecteur 220 peut tourner pour empêcher une non-uniformité du revêtement qui pourrait résulter en un désalignement du déflecteur par rapport à l'axe Ai du jet. En plus, la rotation du déflecteur permet à celui-ci

d'être construit sans tolérance de fabrication moindre.

En se référant aux figures 11 et 12, le déflecteur conique peut alternativement être muni de côtés concaves 226b ou de côtés convexes 226c. Une fois encore, la forme particulière préférée des côtés de la surface du déflecteur dépendra de la configuration de la surface à recouvrir de

diamant.

En ce qui concerne à la fois les premier et second modes de réalisation de l'invention, il sera apprécié que tandis qu'il est préférable de faire tourner le déflecteur sur un moteur par rapport à un mandrin sur lequel est prévu l'objet, le mandrin peut de manière alternative ou additionnelle tourner par rapport au déflecteur. Ceci étant, le mandrin peut tourner autour du déflecteur stationnaire, ou le mandrin peut tourner dans une direction opposée à un déflecteur rotatif. De plus, de manière non préférée, le déflecteur et le mandrin peuvent tourner à la fois dans la même direction à des vitesses différentes de telle manière que le déflecteur et le mandrin tournent l'un par rapport à l'autre. Dans chaque cas, I'uniformité du revêtement est assurée et

les gradients de température sont minimisés.

En se référant à la figure 13, selon un troisième mode de réalisation de l'invention, le système 300 comprend un mandrin rotatif 304 sur lequel est prévu un objet 308 de telle manière qu'une surface 309 externe non plane de l'objet, telle qu'une surface de diamètre externe, peut être recouverte. Le mandrin tourne autour d'un axe Amr qui est généralement parallèle, mais non colinéaire à l'axe Ai du jet. Un déflecteur de préférence en forme de coin 320 est positionné de manière stationnaire sous la tête de distribution 302 et comprend une surface de déflexion 322 qui est entrecoupée par l'axe du jet Aj. Alors que le jet à partir de la tête de distribution est défléchi par le déflecteur 320 (dû aux caractéristiques d'écoulement du fluide), et alors que l'objet est en rotation sur le mandrin, un revêtement de diamant est prévu sur

la surface externe non plane de l'objet.

En plus, un système similaire avec plusieurs mandrins de rotation multiples (par exemple, quatre), chacun étant muni d'un objet, et un déflecteur conique rotatif de préférence au centre peut également être utilisé. Ce système permettrait l'utilisation d'une tête de distribution pour recouvrir simultanément de diamant la surface extérieure d'objets multiples. Alors que des matériaux particuliers pour le déflecteur et la surface du déflecteur ont été décrits, il sera apprécié que d'autres matériaux adaptés peuvent être aussi bien utilisés. En général, les matériaux les plus utiles pour le déflecteur sont ceux qui ne tendent pas à former des carbures. Si le diamant se dépose sur le déflecteur, le matériau dépend en partie de la température du déflecteur. Le jet de plasma peut communiquer une chaleur considérable à la surface du déflecteur. Par conséquent, selon l'enthalpie et la taille du jet de plasma, il peut être avantageux pour le déflecteur d'être activement refroidi, tel que par un fluide de refroidissement circulant à l'intérieur de celui-ci via un arbre de montage ou par fixation d'ailettes rayonnant de bla

chaleur vers lui, de manière à améliorer le refroidissement par rayonnement.

Tandis que des formes particulières de déflecteurs ont été décrites, on comprendra que d'autres formes de déflecteurs, par exemple, pyramidales, peuvent également être également utilisées. Le déflecteur peut également être sous la forme d'une feuille de matériau plate ou mise en forme au lieu d'être d'une forme solide plus large sectionnée. Ainsi, le déflecteur peut être utilisé en combinaison avec le mandrin incliné comme décrit dans le brevet U.S. No. 5,342,660, qui est incorporé idi par référence dans son intégrité, ou un mandrin incliné similaire. Par conséquent, tandis que le déflecteur est présenté sans fixation directe à la tête de distribution, il sera apprécié qu'un déflecteur rotatif ou stationnaire peut être relié directement à la tête de distribution. De plus, alors qu'un moteur a été décrit pour faire tourner le déflecteur, il sera apprécié que d'autres dispositifs, par exemple, des

dispositifs ou des systèmes à courroies, peuvent également être utilisés ici.

Aussi, tandis qu'il a été montré que le diamant recouvre les parties de diamètre interne et externe d'objets en forme d'anneaux, il sera apprécié que tout objet présentant une surface non plane, par exemple, une ouverture diminuée d'un objet en forme de boule, peut également être recouvert de

diamant avec le système et la manière qui viennent d'être décrits.

Claims (23)

REVENDICATIONS

1. Système CVD à jet de plasma pour déposer un revêtement de diamant sur une surface de substrat d'un objet, comprenant: a) un système de jet à plasma présentant un moyen pour produire un jet de plasma et une tête de distribution à travers laquelle sort ledit jet de plasma, ladite tête de distribution définissant un axe de jet; b) un mandrin définissant un plan sur lequel l'objet est positionnable; c) un déflecteur présentant une surface de déflexion qui présente un angle par rapport à la fois audit axe de jet et audit plan; et d) une chambre de dépôt entourant au moins une partie de ladite

tête de distribution, ledit mandrin, et ledit déflecteur.

2. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, comprenant en outre: a) des moyens pour faire tourner ledit déflecteur sensiblement autour

dudit axe de jet.

3. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel: ledit déflecteur présente généralement une forme de coin et est

généralement conique.

4. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel: ledit déflecteur comprend au moins un élément de graphite, cuivre,

aluminium, nitrure de titane, et nitrure de zirconium.

5. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel: ladite surface de déflexion est résistante au revêtement de

diamant.

6. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel:

ladite surface de déflexion est plane.

7. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel:

ladite surface de déflexion est sensiblement conique.

8. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel:

ladite surface de déflexion est une surface convexe ou concave.

9. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel:

ledit axe de jet entrecoupe ladite surface de déflexion.

10. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel: ledit mandrin présente un axe de mandrin autour duquel tourne ledit mandrin, ledit axe de mandrin étant perpendiculaire audit plan et ledit axe

de jet étant parallèle à, mais non colinéaire audit axe de mandrin.

11. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, comprenant en outre: e) des moyens pour faire tourner ledit mandrin autour d'un axe de mandrin.

12. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, dans lequel: au moins un élément parmi ledit déflecteur et ledit mandrin tourne

par rapport à l'autre.

13. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 1, comprenant en outre: e) un objet présentant une surface non plane, dans lequel ledit déflecteur est adapté pour défléchir ledit jet de

plasma sur ladite surface non plane.

14. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 13, dans lequel:

ledit objet entoure au moins partiellement ledit déflecteur.

15. Système CVD à jet de plasma selon la revendication 14, dans lequel:

ledit objet est situé à 360 par rapport audit déflecteur.

16. Procédé pour obtenir un revêtement de diamant sur une surface non plane d'un objet, ledit procédé comprenant:

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a) I'obtention d'un système à jet de plasma CVD comprenant des moyens pour produire un jet de plasma adapté pour créer un film de diamant, une tête de distribution à travers laquelle le jet de plasma sort du moyen pour produire le jet de plasma, un mandrin sur lequel l'objet est positionné, un déflecteur présentant une surface de déflexion configurée et positionnée pour défléchir le jet de plasma sur la surface non plane de l'objet, et une chambre à vide entourant au moins une partie de la tête de distribution, le mandrin et le déflecteur; b) le positionnement de l'objet sur le mandrin, et c) I'activation du système à jet de plasma CVD de telle manière que le jet de plasma sort de la tête de distribution, et est défléchi par le déflecteur vers la surface non plane de l'objet de telle manière qu'un revêtement de

diamant se forme sur la surface non plane de l'objet.

17. Procédé selon la revendication 16, comprenant en outre: d) la rotation d'au moins un élément parmi le déflecteur et le mandrin

par rapport à l'autre.

18. Procédé selon la revendication 16, dans lequel: le déflecteur est généralement en forme de coin et généralement conique.

19. Procédé selon la revendication 16, dans lequel: le déflecteur comprend au moins un élément de graphite, cuivre,

aluminium, nitrure de titane, et nitrure de zirconium.

20. Procédé selon la revendication 16, dans lequel:

la surface de déflexion est résistante au revêtement de diamant.

21. Procédé selon la revendication 16, dans lequel: la tête de distribution présente un axe, le mandrin définit un plan sur lequel l'objet est positionné, et la surface de déflexion fait un angle par

rapport à la fois à l'axe et au plan.

22. Procédé selon la revendication 16, dans lequel: la tête de distribution définit un axe de jet, et l'axe de jet

entrecoupe la surface de déflexion.

23. Procédé selon la revendication 16, dans lequel: le mandrin présente un axe de mandrin qui est sensiblement

parallèle à, mais non colinéaire à, I'axe de jet.