FR3073864A1 - LAYER DEPOSITION REACTOR AND ASSOCIATED DEPOSITION METHOD - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un réacteur (10) de dépôt de couches sur un substrat (22) à revêtir, le réacteur (10) obtenant au moins une couche du dépôt par pulvérisation d'une cible (20) sur le substrat, le réacteur (10) comportant : - une première source (14) propre à émettre des ondes électromagnétiques, la première source (14) étant propre à exciter le plasma (P) entre la cible (20) et le substrat (22), et - une deuxième source (16) propre à émettre des ondes électromagnétiques, la deuxième source (16) étant propre à exciter la cible (20).The present invention relates to a reactor (10) for depositing layers on a substrate (22) to be coated, the reactor (10) obtaining at least one layer of the spray deposition of a target (20) on the substrate, the reactor ( 10) comprising: - a first source (14) capable of emitting electromagnetic waves, the first source (14) being able to excite the plasma (P) between the target (20) and the substrate (22), and - a second source (16) adapted to emit electromagnetic waves, the second source (16) being adapted to excite the target (20).

Description

La présente invention concerne un revêtement pour dispositif et un dispositif comportant un tel revêtement.The present invention relates to a coating for a device and to a device comprising such a coating.

Dans les applications solaires thermiques, il est utilisé le rayonnement solaire pour chauffer un fluide caloporteur, tel de l’eau, de l’air, des huiles ou des sels fondus. Par exemple, le fluide chaud ainsi obtenu est utilisé directement comme le cas d’un chauffeeau. En variante, le fluide chaud est utilisé directement, ou transmet sa chaleur à un deuxième fluide, pour entraîner une turbine à vapeur ou à gaz qui génère de l’électricité comme dans le cas d’une centrale solaire à concentration.In thermal solar applications, solar radiation is used to heat a heat transfer fluid, such as water, air, oils or molten salts. For example, the hot fluid thus obtained is used directly as in the case of a water heater. As a variant, the hot fluid is used directly, or transmits its heat to a second fluid, to drive a steam or gas turbine which generates electricity as in the case of a concentrated solar power plant.

Dans chacun des cas, le fluide caloporteur circule à l’intérieur de tuyauteries ou de plaques qui doivent être d’abord chauffées par le rayonnement solaire, pour transmettre ensuite cette chaleur au fluide. Ces éléments, tuyauteries ou plaques, constituent ainsi le corps des récepteurs solaires. Ces éléments sont généralement réalisés en métal.In each case, the heat transfer fluid circulates inside pipes or plates which must first be heated by solar radiation, to then transmit this heat to the fluid. These elements, pipes or plates, thus constitute the body of the solar receivers. These elements are generally made of metal.

Or, les métaux réfléchissent le rayonnement visible et le rayonnement infrarouge. Pour obtenir une efficacité élevée de captation dans des systèmes solaires thermiques, les surfaces métalliques doivent donc être fonctionnalisées pour les rendre absorbantes dans la gamme s’étendant de 280 nanomètres (nm) à 2500 nm du spectre solaire.However, metals reflect visible radiation and infrared radiation. To obtain high capture efficiency in solar thermal systems, metal surfaces must therefore be functionalized to make them absorbent in the range extending from 280 nanometers (nm) to 2500 nm of the solar spectrum.

Pour atteindre un tel objectif, des couches minces absorbantes peuvent actuellement être déposées sur ces surfaces métalliques, soit par des procédés sous vide (dépôt physique en phase vapeur désigné sous le sigle PVD, dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma sous le sigle PECVD), à partir de cibles solides, de précurseurs, ou mélanges de précurseurs, gazeux ou liquides, contenant les éléments constitutifs des dépôts, soit par chimie douce (sol-gel). L’absorptivité solaire du récepteur as peut ainsi atteindre 95 à 96%.To achieve such an objective, thin absorbent layers can currently be deposited on these metal surfaces, either by vacuum processes (physical vapor deposition designated by the acronym PVD, chemical vapor deposition assisted by plasma under the acronym PECVD) , from solid targets, precursors, or mixtures of precursors, gaseous or liquid, containing the constituent elements of the deposits, either by soft chemistry (sol-gel). The solar absorptivity of the a s receptor can thus reach 95 to 96%.

Par ailleurs, les récepteurs solaires travaillent en température, de 100 à 1000°C selon les technologies et les applications (chaleur ou électricité). Les récepteurs solaires peuvent ainsi perdre de l’énergie thermique par échanges radiatifs avec le milieu ambiant, pertes d’autant plus importantes que le récepteur solaire est chaud (loi de StefanBoltzmann en σΤ4). Pour limiter ces pertes radiatives, il convient de s’assurer que l’émissivité infrarouge des récepteurs ne soit pas trop élevée, c’est-à-dire que les récepteurs possèdent une forte réflectivité dans l’infrarouge. Cette propriété, déjà intrinsèque aux métaux, peut être améliorée par des traitements de surface sur le récepteur en y déposant, par les mêmes techniques que celles citées précédemment, des métaux purs naturellement moins émissifs que l’alliage constitutif du récepteur et qui présentent un meilleur état de surface. Une émissivité thermique <T) inférieure à 10% àIn addition, solar receivers work in temperature, from 100 to 1000 ° C depending on the technologies and applications (heat or electricity). The solar receivers can thus lose thermal energy by radiative exchanges with the ambient medium, losses all the more important as the solar receiver is hot (law of StefanBoltzmann in σΤ 4 ). To limit these radiative losses, it is necessary to ensure that the infrared emissivity of the receivers is not too high, that is to say that the receivers have a high reflectivity in the infrared. This property, already intrinsic to metals, can be improved by surface treatments on the receptor by depositing, by the same techniques as those mentioned above, pure metals naturally less emissive than the alloy constituting the receptor and which have better surface condition. A thermal emissivity <T) of less than 10% at

400 °C, ou inférieure à 15% à 600 °C, est typiquementrecherchée.400 ° C, or less than 15% at 600 ° C, is typically sought.

Pour cela, les récepteurs solaires sont classiquement revêtus par des empilements de couches minces de nature différente, qui confèrent au récepteur un caractère de sélectivité spectrale, c’est-à-dire que leur comportement optique est différent en fonction de la longueur d’onde reçue : les récepteurs solaires absorbent fortement dans la gamme solaire (faible réflexion) et émettent peu dans l’infrarouge (forte réflexion), couplant ainsi les deux propriétés mentionnées précédemment.For this, the solar receivers are conventionally coated by stacks of thin layers of different nature, which give the receiver a spectral selectivity character, that is to say that their optical behavior is different depending on the wavelength received: solar receivers absorb strongly in the solar range (weak reflection) and emit little in the infrared (strong reflection), thus coupling the two properties mentioned above.

Dans les applications solaires thermiques, ces revêtements sélectifs sont depuis longtemps utilisés. Les revêtements sont généralement composés de multicouches, comportant un métal réflecteur infrarouge (faible émissivité), un tandem de composites métal/céramique absorbants solaires à différentes teneurs en métal, où la céramique est parfois un oxyde ou un nitrure du métal, et une couche antireflet de cette même céramique transparente. Les couples suivants sont, par exemple, connus : inox-AIN, (Mo,W)-Si02, (Mo,W)-AI203.In thermal solar applications, these selective coatings have long been used. The coatings are generally composed of multilayers, comprising an infrared reflective metal (low emissivity), a tandem of metal / ceramic solar absorbent composites with different metal contents, where the ceramic is sometimes an oxide or a nitride of the metal, and an anti-reflective layer. of this same transparent ceramic. The following pairs are, for example, known: inox-AIN, (Mo, W) -Si0 2 , (Mo, W) -AI 2 0 3 .

Cependant, l'utilisation de tels revêtements sélectifs actuellement disponibles est limitée par leur faible tenue à l’oxydation à haute température, qui impose parfois de les utiliser sous vide, induisant des contraintes technologiques fortes, des coûts de production élevés et une faible durabilité. En effet, l’absorbeur métallique revêtu doit être protégé par un tube en verre dans lequel le vide est créé au cours de la fabrication du récepteur, et les dilatations thermiques très différentes du verre et du métal doivent être accommodées par des soufflets spéciaux technologiquement complexes et coûteux, afin de conserver efficacement le vide lors du fonctionnement au soleil. En effet, la perte de vide entraîne la destruction du revêtement et le récepteur est alors à remplacer, ce qui induit des coûts de maintenance et opératoires élevés.However, the use of such selective coatings currently available is limited by their low resistance to oxidation at high temperature, which sometimes requires them to be used under vacuum, leading to high technological constraints, high production costs and low durability. Indeed, the coated metal absorber must be protected by a glass tube in which the vacuum is created during the manufacture of the receiver, and the very different thermal expansions of glass and metal must be accommodated by special technologically complex bellows and expensive, in order to effectively maintain the vacuum during operation in the sun. Indeed, the loss of vacuum leads to the destruction of the coating and the receiver is then to be replaced, which induces high maintenance and operating costs.

Il existe donc un besoin pour un revêtement pour dispositif permettant d’obtenir de meilleures propriétés que les revêtements connus.There is therefore a need for a coating for a device which makes it possible to obtain better properties than known coatings.

A cet effet, la description décrit un revêtement pour dispositif, le revêtement étant un empilement de couches, au moins une première couche présentant une épaisseur inférieure ou égale à 200 nanomètres, la première couche étant réalisée en un premier matériau, le premier matériau comprenant du carbure de silicium, le rapport atomique entre le silicium et le carbone étant strictement inférieur à 1.To this end, the description describes a coating for a device, the coating being a stack of layers, at least one first layer having a thickness less than or equal to 200 nanometers, the first layer being made of a first material, the first material comprising silicon carbide, the atomic ratio between silicon and carbon being strictly less than 1.

Suivant des modes de réalisation particuliers, le revêtement comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :According to particular embodiments, the coating comprises one or more of the following characteristics, taken alone or according to any technically possible combination:

- chaque couche présente une épaisseur inférieure ou égale à 200 nanomètres.each layer has a thickness less than or equal to 200 nanometers.

- le premier matériau comporte au moins un élément additionnel, le premier matériau vérifiant au moins l’une des propriétés suivantes :- the first material comprises at least one additional element, the first material verifying at least one of the following properties:

- une première propriété selon laquelle l’élément additionnel est de l’azote, la teneur atomique en azote étant comprise entre 0 et 40%,- a first property according to which the additional element is nitrogen, the atomic nitrogen content being between 0 and 40%,

- une deuxième propriété selon laquelle l’élément additionnel est de l’oxygène, la teneur atomique en oxygène est comprise entre 0 et 40%,- a second property according to which the additional element is oxygen, the atomic oxygen content is between 0 and 40%,

- une troisième propriété selon laquelle l’élément additionnel est de l’hydrogène, la teneur atomique en hydrogène est comprise entre 10% et 30%, eta third property according to which the additional element is hydrogen, the atomic hydrogen content is between 10% and 30%, and

- une quatrième propriété selon laquelle l’élément additionnel est un métal.- a fourth property according to which the additional element is a metal.

- dans le premier matériau, le rapport atomique entre le silicium et le carbone est strictement supérieur à 0,2.- in the first material, the atomic ratio between silicon and carbon is strictly greater than 0.2.

- l’empilement de couches est un ensemble de bicouches, chaque bicouche comportant une couche métallique et une première couche.- the stack of layers is a set of bilayers, each bilayer comprising a metal layer and a first layer.

- chaque couche métallique est réalisée dans un même métal, le métal étant, de préférence, un métal réfractaire, un métal de transition ou un métal noble.- Each metal layer is made of the same metal, the metal preferably being a refractory metal, a transition metal or a noble metal.

- l’empilement comporte une deuxième couche, la deuxième couche étant réalisée en un deuxième matériau, le deuxième matériau comprenant du carbure de silicium et éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi l’hydrogène, l’azote, l’oxygène ou un métal, un indice optique étant défini pour chaque matériau, l’indice optique du deuxième matériau étant strictement inférieur à l’indice optique du premier matériau.the stack comprises a second layer, the second layer being made of a second material, the second material comprising silicon carbide and optionally one or more elements chosen from hydrogen, nitrogen, oxygen or a metal, an optical index being defined for each material, the optical index of the second material being strictly less than the optical index of the first material.

- l’empilement comporte une troisième couche, la troisième couche étant une couche métallique.- The stack comprises a third layer, the third layer being a metallic layer.

Il est aussi proposé un dispositif, notamment moteur thermique ou récepteur solaire, comportant un revêtement tel que précédemment cité.A device is also proposed, in particular a heat engine or solar receiver, comprising a coating as previously mentioned.

Suivant un mode de réalisation particulier, chaque couche présente une épaisseur et chaque couche est réalisée en un matériau respectif présentant un indice optique, le dispositif étant un récepteur solaire présentant un ensemble de paramètres parmi lesquels chaque épaisseur et chaque indice optique et dans lequel le récepteur solaire présente un rendement, le rendement étant défini comme le rapport entre le rayonnement solaire effectivement absorbé par le récepteur solaire diminué des pertes thermiques et le rayonnement solaire reçu par le récepteur solaire, le rendement dépendant de l’ensemble de paramètres, les épaisseurs et les indices optiques étant choisis pour que le rendement du récepteur solaire soit supérieur ou égal à 70% du rendement maximal obtenu en faisant varier uniquement les épaisseurs et les indices optiques, de préférence supérieur ou égal à 90% du rendement maximal obtenu en faisant varier uniquement les épaisseurs et les indices optiques.According to a particular embodiment, each layer has a thickness and each layer is made of a respective material having an optical index, the device being a solar receiver having a set of parameters among which each thickness and each optical index and in which the receiver solar has a yield, the yield being defined as the ratio between the solar radiation actually absorbed by the solar receiver less thermal losses and the solar radiation received by the solar receiver, the yield depending on the set of parameters, the thicknesses and the optical indices being chosen so that the efficiency of the solar receiver is greater than or equal to 70% of the maximum efficiency obtained by varying only the thicknesses and the optical indices, preferably greater than or equal to 90% of the maximum efficiency obtained by varying only the thicknesses and indic es optics.

Par ailleurs, la description décrit un réacteur de dépôt de couches sur un substrat à revêtir, le réacteur obtenant au moins une couche du dépôt par pulvérisation d’une cible sur le substrat, le réacteur comportant une première source propre à émettre des ondes électromagnétiques, la première source étant propre à exciter le plasma entre la cible et le substrat, et une deuxième source propre à émettre des ondes électromagnétiques, la deuxième source étant propre à exciter la cible.Furthermore, the description describes a reactor for depositing layers on a substrate to be coated, the reactor obtaining at least one layer of the deposit by spraying a target on the substrate, the reactor comprising a first source capable of emitting electromagnetic waves, the first source being suitable for exciting the plasma between the target and the substrate, and a second source suitable for emitting electromagnetic waves, the second source being suitable for exciting the target.

Suivant des modes de réalisation particuliers, le réacteur comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible :According to particular embodiments, the reactor comprises one or more of the following characteristics, taken alone or according to any technically possible combination:

- le réacteur est propre à fonctionner selon deux modes de fonctionnement, un premier mode de fonctionnement dans lequel le réacteur est propre à obtenir au moins une couche du dépôt par pulvérisation d’une cible sur le substrat et un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le réacteur est propre à obtenir au moins une couche du dépôt par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir d’un précurseur gazeux ou liquide évaporé.the reactor is capable of operating according to two operating modes, a first operating mode in which the reactor is capable of obtaining at least one layer of the deposit by spraying a target on the substrate and a second operating mode in which the reactor is capable of obtaining at least one layer of the deposit by a chemical vapor deposition assisted by plasma from a gaseous or liquid precursor.

le réacteur présente une chambre, un contrôleur de la pression de la chambre dans le réacteur, le contrôleur étant propre à diminuer ou augmenter la pression dans la chambre pour basculer d’un mode de fonctionnement à un autre mode de fonctionnement.the reactor has a chamber, a chamber pressure controller in the reactor, the controller being able to decrease or increase the pressure in the chamber to switch from one operating mode to another operating mode.

- au moins une des propriétés suivantes est vérifiée :- at least one of the following properties is verified:

- une première propriété selon laquelle la première source est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 1 gigahertz et 100 gigahertz,a first property according to which the first source is capable of emitting electromagnetic waves having a frequency between 1 gigahertz and 100 gigahertz,

- une deuxième propriété selon laquelle la deuxième source est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 1 Mégahertz et 400 Mégahertz, eta second property according to which the second source is capable of emitting electromagnetic waves having a frequency between 1 megahertz and 400 megahertz, and

- une troisième propriété selon laquelle chaque source est distincte.- a third property according to which each source is distinct.

- la première source comporte au moins un crayon muni à une extrémité d’un aimant.- the first source comprises at least one pencil provided at one end with a magnet.

- le réacteur comporte, en outre, une troisième source propre à émettre des ondes électromagnétiques, la troisième source étant propre à exciter le substrat à revêtir.- The reactor further comprises a third source suitable for emitting electromagnetic waves, the third source being suitable for exciting the substrate to be coated.

- la troisième source est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 30 kilohertz et 3 Mégahertz.- the third source is capable of emitting electromagnetic waves having a frequency between 30 kilohertz and 3 Megahertz.

Il est aussi proposé un procédé de dépôt de couches sur un substrat à revêtir à l’aide d’un réacteur comportant une première source propre à émettre des ondes électromagnétiques, la première source étant propre à exciter un plasma entre la cible et le substrat, et une deuxième source propre à émettre des ondes électromagnétiques, la deuxième source étant propre à exciter la cible. Le procédé comprend une phase de dépôt d’une couche par pulvérisation d’une cible sur le substrat, la phase comprenant au moins les étapes de génération d’un plasma entre la cible et le substrat par le générateur, excitation par la première source du plasma par des ondes électromagnétiques émises, et excitation par la deuxième source de la cible par des ondes électromagnétiques émises.A method of depositing layers on a substrate to be coated is also proposed, using a reactor comprising a first source capable of emitting electromagnetic waves, the first source being capable of exciting a plasma between the target and the substrate, and a second source suitable for emitting electromagnetic waves, the second source being suitable for exciting the target. The method comprises a phase of depositing a layer by spraying a target onto the substrate, the phase comprising at least the steps of generating a plasma between the target and the substrate by the generator, excitation by the first source of the plasma by emitted electromagnetic waves, and excitation by the second source of the target by emitted electromagnetic waves.

Suivant un mode de réalisation particulier, le procédé comporte une phase de dépôt d’une couche par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir d’un précurseur gazeux ou liquide évaporé, à l’aide du réacteur.According to a particular embodiment, the method comprises a phase of depositing a layer by chemical vapor deposition assisted by plasma from a gaseous precursor or evaporated liquid, using the reactor.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description of embodiments of the invention, given by way of example only and with reference to the drawings which are:

- figure 1, une vue schématique d’un exemple de revêtement ;- Figure 1, a schematic view of an example of coating;

- figure 2, une vue schématique d’un autre exemple de revêtement ;- Figure 2, a schematic view of another example of coating;

- figure 3, une vue schématique d’encore un autre exemple de revêtement, et- Figure 3, a schematic view of yet another example of coating, and

- figure 4, une représentation schématique d’un exemple de réacteur permettant d’obtenir un revêtement selon les figures 1,2 ou 3.- Figure 4, a schematic representation of an example of a reactor for obtaining a coating according to Figures 1,2 or 3.

En référence aux figures 1,2 et 3, il est proposé des exemples de revêtement pour des dispositifs.With reference to FIGS. 1, 2 and 3, examples of coating for devices are proposed.

Les revêtements ont en commun d’être un empilement de couches. Le nombre de couches varie entre 2 et plusieurs centaines.The coatings have in common that they are a stack of layers. The number of layers varies between 2 and several hundred.

Au moins une première couche présentant une épaisseur inférieure ou égale à 200 nanomètres.At least one first layer having a thickness less than or equal to 200 nanometers.

La première couche est réalisée en un premier matériau, le premier matériau comprenant du carbure de silicium. Le carbure de silicium SiC cristallin est un semiconducteur, absorbant dans le visible.The first layer is made of a first material, the first material comprising silicon carbide. The crystalline silicon carbide SiC is a semiconductor, absorbing in the visible.

Pour le premier matériau, le rapport atomique entre le silicium et le carbone étant strictement inférieur à 1.For the first material, the atomic ratio between silicon and carbon being strictly less than 1.

De préférence le rapport atomique entre le silicium et le carbone dans le premier matériau est strictement supérieur à 0,2.Preferably, the atomic ratio between silicon and carbon in the first material is strictly greater than 0.2.

Préférentiellement, le rapport atomique entre le silicium et le carbone du premier matériau est strictement inférieur à 0,5.Preferably, the atomic ratio between the silicon and the carbon of the first material is strictly less than 0.5.

Avantageusement, chaque couche présente une épaisseur inférieure ou égale à 200 nanomètres.Advantageously, each layer has a thickness less than or equal to 200 nanometers.

Selon un exemple, le premier matériau comporte au moins un élément additionnel, l’élément additionnel est de l’azote, la teneur atomique (stœchiométrie) en azote étant comprise entre 0 et 40%.According to an example, the first material comprises at least one additional element, the additional element is nitrogen, the atomic content (stoichiometry) of nitrogen being between 0 and 40%.

Selon un autre exemple ou en complément, le premier matériau comporte au moins un élément additionnel, l’élément additionnel est de l’oxygène, la teneur atomique en oxygène étant comprise entre 0 et 40%.According to another example or in addition, the first material comprises at least one additional element, the additional element is oxygen, the atomic oxygen content being between 0 and 40%.

Selon encore un autre exemple ou en complément, le premier matériau comporte au moins un élément additionnel, l’élément additionnel est de l’hydrogène, la teneur atomique en hydrogène est comprise entre 10% et 30%.According to yet another example or in addition, the first material comprises at least one additional element, the additional element is hydrogen, the atomic hydrogen content is between 10% and 30%.

Selon un quatrième exemple, l’élément additionnel est du métal.According to a fourth example, the additional element is metal.

Notamment, le métal est inséré sous forme d’inclusions présentant une taille nanométrique de manière à former un nanocermet.In particular, the metal is inserted in the form of inclusions having a nanometric size so as to form a nanocermet.

Dans un mode de réalisation, l’empilement de couches est un ensemble de bicouches, chaque bicouche comportant une couche métallique et une première couche.In one embodiment, the stack of layers is a set of bilayers, each bilayer comprising a metal layer and a first layer.

Chaque couche métallique est réalisée dans un même métal.Each metal layer is made of the same metal.

Par exemple, le métal est un métal réfractaire avec un point de fusion relativement haut, par exemple supérieur à 2000°C.For example, the metal is a refractory metal with a relatively high melting point, for example greater than 2000 ° C.

A titre d’illustration, le métal réfractaire est le W ou le Mo.By way of illustration, the refractory metal is W or Mo.

Un tel revêtement est particulièrement adapté pour des applications à haute température, typiquement plus que 400 °C.Such a coating is particularly suitable for applications at high temperature, typically more than 400 ° C.

Selon un autre exemple, le métal est un métal de transition.According to another example, the metal is a transition metal.

A titre d’exemple, le métal de transition est Al, Ti ou Ni.For example, the transition metal is Al, Ti or Ni.

Un tel revêtement est particulièrement adapté pour les applications à plus basse température, typiquement moins que 300 °C.Such a coating is particularly suitable for applications at a lower temperature, typically less than 300 ° C.

Selon encore un autre exemple, le métal est un métal noble.According to yet another example, the metal is a noble metal.

A titre d’illustration, le métal noble est l’Au ou le Ag.As an illustration, the noble metal is Au or Ag.

Un tel revêtement est particulièrement adapté pour des applications impliquant une forte absorption visible/solaire à basse température (typiquement moins de 100°C) ou à température ambiante.Such a coating is particularly suitable for applications involving high visible / solar absorption at low temperature (typically less than 100 ° C) or at room temperature.

Dans certains cas, l’empilement comporte une deuxième couche, la deuxième couche étant réalisée en un deuxième matériau, le deuxième matériau comprenant du carbure de silicium et éventuellement un ou plusieurs éléments choisis parmi l’hydrogène, l’azote, l’oxygène ou un métal, un indice optique étant défini pour chaque matériau, l’indice optique du deuxième matériau étant strictement inférieur à l’indice optique du premier matériau.In some cases, the stack comprises a second layer, the second layer being made of a second material, the second material comprising silicon carbide and optionally one or more elements chosen from hydrogen, nitrogen, oxygen or a metal, an optical index being defined for each material, the optical index of the second material being strictly lower than the optical index of the first material.

De plus, l’empilement comporte une troisième couche, la troisième couche étant une couche métallique.In addition, the stack has a third layer, the third layer being a metallic layer.

Les exemples des figures 1 à 3 sont des exemples particuliers des cas précédents.The examples of Figures 1 to 3 are specific examples of the previous cases.

L’empilement de la figure 1 illustre le cas d’un empilement avec absorbeur multicouche métal/céramique.The stack in FIG. 1 illustrates the case of a stack with a metal / ceramic multilayer absorber.

Plus précisément, l’empilement de la figure 1 comporte un substrat S (métallique ou autre) puis une couche mince fonctionnelle C1 (par exemple une couche d’accroche, une barrière de diffusion ou une réflectrice infrarouge) puis une couche mince métallique C2 (par exemple W) puis une couche mince céramique C3 (par exemple SiC(N,O,H)) puis à nouveau une couche mince métallique C4 et une couche mince céramique C5 et une couche mince fonctionnelle C6 (par exemple, une couche céramique antireflet optique et/ou de faible frottement mécanique).More precisely, the stack of FIG. 1 comprises a substrate S (metallic or other) then a thin functional layer C1 (for example a bonding layer, a diffusion barrier or an infrared reflector) then a thin metallic layer C2 ( for example W) then a ceramic thin layer C3 (for example SiC (N, O, H)) then again a metallic thin layer C4 and a ceramic thin layer C5 and a functional thin layer C6 (for example, an antireflective ceramic layer optical and / or low mechanical friction).

L’empilement de la figure 2 illustre le cas d’un empilement avec absorbeur composite métal/céramique.The stack in FIG. 2 illustrates the case of a stack with a metal / ceramic composite absorber.

Plus précisément, l’empilement de la figure 2 comporte un substrat S (métallique ou autre) puis une couche mince fonctionnelle C1 (par exemple une couche d’accroche, une barrière de diffusion ou une réflectrice infrarouge) puis une première couche mince composite métal-céramique C7 présentant un premier taux d’inclusions, puis une deuxième couche mince composite métal-céramique C8 présentant un deuxième taux d’inclusions distinct du premier taux d’inclusions et une couche mince fonctionnelle C6 (par exemple, une couche céramique antireflet optique et/ou de faible frottement mécanique).More precisely, the stack of FIG. 2 comprises a substrate S (metallic or other) then a functional thin layer C1 (for example a bonding layer, a diffusion barrier or an infrared reflector) then a first thin metal composite layer -ceramic C7 having a first inclusion rate, then a second thin metal-ceramic composite layer C8 having a second inclusion rate distinct from the first inclusion rate and a functional thin layer C6 (for example, an optical anti-reflective ceramic layer and / or low mechanical friction).

L’empilement de la figure 3 illustre le cas d’un empilement avec un bicouche périodique métal/céramique.The stack in FIG. 3 illustrates the case of a stack with a periodic metal / ceramic bilayer.

Plus précisément, l’empilement de la figure 3 comporte un substrat S (métallique ou autre) puis une couche mince fonctionnelle C1 (par exemple une couche d’accroche, une barrière de diffusion ou une réflectrice infrarouge) puis une série de bicouches B empilées, chaque bicouche B comportant une couche mince métallique C1 (par exempleMore specifically, the stack of FIG. 3 comprises a substrate S (metallic or other) then a functional thin layer C1 (for example a bonding layer, a diffusion barrier or an infrared reflector) then a series of stacked bilayers B , each bilayer B comprising a thin metallic layer C1 (for example

W) puis une couche mince céramique C2 (par exemple SiC(N,O,H)). L’empilement de la figure 3 comporte aussi une couche mince fonctionnelle C6 (par exemple, une couche céramique antireflet optique et/ou de faible frottement mécanique).W) then a thin ceramic layer C2 (for example SiC (N, O, H)). The stack of FIG. 3 also includes a functional thin layer C6 (for example, an optical anti-reflective ceramic layer and / or of low mechanical friction).

Le revêtement présente ainsi un caractère sélectif solaire : des absorptivités solaires élevées de l’ordre de 90% et des émissivités thermiques faibles de l’ordre de 20% à 500° C.The coating thus has a selective solar character: high solar absorptivities of around 90% and low thermal emissivities of around 20% at 500 ° C.

Le revêtement peut donc être avantageusement utilisé à des fins de captation solaire et permet d'obtenir un dispositif revêtu du revêtement ayant un très bon rendement de captation à haute température grâce à la forte absorptivité solaire du revêtement et la faible émissivité infrarouge du revêtement.The coating can therefore be advantageously used for solar collection purposes and makes it possible to obtain a device coated with the coating having a very good collection efficiency at high temperature thanks to the high solar absorptivity of the coating and the low infrared emissivity of the coating.

Le revêtement présente de bonnes propriétés thermomécaniques.The coating has good thermomechanical properties.

Le revêtement est également conçu pour résister à l’oxydation à haute température, et présente donc l’énorme avantage de fonctionner à l’air, par rapport aux revêtement existants. Autrement formulé, le revêtement n’implique pas un maintien sous vide, ce qui rend le revêtement simple à mettre en oeuvre technologiquement. Il en résulte une maintenance plus aisée puisque la durabilité du revêtement est augmentée.The coating is also designed to resist oxidation at high temperatures, and therefore has the enormous advantage of operating in air compared to existing coatings. Otherwise formulated, the coating does not imply maintenance under vacuum, which makes the coating simple to implement technologically. This results in easier maintenance since the durability of the coating is increased.

Du fait de ses nombreuses propriétés, le revêtement est utilisable pour de nombreuses applications, à savoir pour l'industrie mécanique, automobile, spatiale (comme revêtement dur, anti-usure ou anti-friction), dans les applications militaires (pour l’invisibilité infrarouge), dans le domaine du bâtiment (revêtement favorisant le refroidissement radiatif), dans l'industrie optique et photovoltaïque (comme couches antireflet, anti-rayures, réflectrices) ou dans l’industrie du solaire concentré, comme couches réflectrices résistantes à l’abrasion pour miroirs concentrateurs, ou comme couches sélectives pour le refroidissement.Because of its many properties, the coating can be used for many applications, namely for the mechanical, automotive, space industry (as hard coating, anti-wear or anti-friction), in military applications (for invisibility infrared), in the building sector (coating favoring radiative cooling), in the optical and photovoltaic industry (as anti-reflective, anti-scratch, reflective layers) or in the concentrated solar industry, as reflective layers resistant to abrasion for concentrating mirrors, or as selective layers for cooling.

Le revêtement est ainsi utilisable pour un dispositif comme un moteur thermique ou récepteur solaire.The coating can thus be used for a device such as a heat engine or solar receiver.

Dans ce dernier cas, il est à noter que le revêtement, et notamment les épaisseurs des couches, peut être optimisé en choisissant une cible d’optimisation comme l’absorption solaire la plus élevée possible, ou mieux, le rendement de conversion rayonnement solaire/chaleur le plus élevé possible. Une telle optimisation peut être faite avec un logiciel de simulation optique, tel que CODE® (COating DEsigner).In the latter case, it should be noted that the coating, and in particular the thicknesses of the layers, can be optimized by choosing an optimization target such as the highest possible solar absorption, or better, the conversion efficiency of solar radiation / highest possible heat. Such optimization can be done with optical simulation software, such as CODE® (COating DEsigner).

Par exemple, chaque couche présente une épaisseur et chaque couche est réalisée en un matériau respectif présentant un indice optique, le dispositif étant un récepteur solaire présentant un ensemble de paramètres parmi lesquels chaque épaisseur et chaque indice optique et dans lequel le récepteur solaire présente un rendement, le rendement étant défini comme le rapport entre le rayonnement solaire effectivement absorbé par le récepteur solaire diminué des pertes thermiques et le rayonnement solaire reçu par le récepteur solaire, le rendement dépendant de l’ensemble de paramètres, les épaisseurs et les indices optiques étant choisis pour que le rendement du récepteur solaire soit supérieur ou égal à 70% du rendement maximal obtenu en faisant varier uniquement les épaisseurs et les indices optiques, de préférence supérieur ou égal à 90% du rendement maximal obtenu en faisant varier uniquement les épaisseurs et les indices optiques.For example, each layer has a thickness and each layer is made of a respective material having an optical index, the device being a solar receiver having a set of parameters among which each thickness and each optical index and in which the solar receiver has an efficiency , the efficiency being defined as the ratio between the solar radiation actually absorbed by the solar receiver less thermal losses and the solar radiation received by the solar receiver, the efficiency depending on the set of parameters, the thicknesses and the optical indices being chosen so that the efficiency of the solar receiver is greater than or equal to 70% of the maximum efficiency obtained by varying only the thicknesses and the optical indices, preferably greater than or equal to 90% of the maximum efficiency obtained by varying only the thicknesses and indices optics.

Pour comprendre une telle définition du rendement du récepteur solaire, il convient de définir des valeurs spectrales de réflectivité R(/L) et de transmittivité T(A) de la surface d’un matériau, quantités mesurables pour en déduire son absorptivité spectrale A(A) - 1 R(X) - T(À), ainsi que deux valeurs totales (indépendantes de la longueur d’onde) représentatives du comportement optique du matériau, utilisées pour déterminer l’efficacité des revêtements sélectifs :To understand such a definition of the efficiency of the solar receiver, it is necessary to define spectral values of reflectivity R (/ L) and transmittivity T (A) of the surface of a material, measurable quantities to deduce its spectral absorptivity A ( A) - 1 R (X) - T (À), as well as two total values (independent of the wavelength) representative of the optical behavior of the material, used to determine the effectiveness of selective coatings:

- l’absorptance solaire as, fonction du spectre solaire G(2), donnée par le rapport entre la densité de flux réellement absorbée par le matériau et la densité de flux solaire incident I. Un coefficient d’absorptance solaire Os élevé correspond à une absorption solaire élevée.- the solar absorbance as, a function of the solar spectrum G (2), given by the ratio between the flux density actually absorbed by the material and the incident solar flux density I. A high solar absorbance coefficient Os corresponds to a high solar absorption.

0.28 · G(Â) dÀ _ Densité de flux absorbée par le matériau (W/m2)0.28 · G (Â) dÀ _ Density of flux absorbed by the material (W / m 2 )

Densité de flux solaire incident (W/m2)Incident solar flux density (W / m 2 )

- l’émittance thermique ¢(7) à la température T, fonction du spectre d’émission du corps noir P(Â,T) (loi de Planck), donnée par le rapport entre la densité de flux réellement émise par le matériau et la densité de flux qui serait émise par un corps noir idéal à la même température (maximum d’émission). ¢(7) représente la capacité globale du matériau à émettre un rayonnement lorsqu’il est chaud. Réduire les pertes thermiques radiatives revient donc à diminuer ¢(7).- the thermal emittance ¢ (7) at temperature T, a function of the emission spectrum of the black body P (Â, T) (Planck's law), given by the ratio between the flux density actually emitted by the material and the flux density that would be emitted by an ideal black body at the same temperature (maximum emission). ¢ (7) represents the overall capacity of the material to emit radiation when it is hot. Reducing radiative heat losses therefore amounts to reducing ¢ (7).

Ces deux grandeurs permettent de calculer le rendement dit « héliothermique », c’est-à-dire le rendement de conversion du rayonnement solaire concentré (avec un facteur de concentration C) en chaleur, c’est-à-dire le rayonnement solaire concentré qu’il absorbe réellement (as.C.I), diminué des pertes radiatives (loi de Stefan-Boltzmann ¢(7).σΓ1), sur le rayonnement solaire concentré qu’il reçoit (C./). C’est ce rendement qui doit être optimisé, en augmentant as et en diminuant ¢(7).These two quantities make it possible to calculate the so-called “solar thermal” efficiency, that is to say the efficiency of conversion of concentrated solar radiation (with a concentration factor C) into heat, that is to say concentrated solar radiation that it actually absorbs (a s .CI), minus the radiative losses (Stefan-Boltzmann ¢ law (7) .σΓ 1 ), on the concentrated solar radiation it receives (C. /). It is this yield which must be optimized, by increasing a s and by decreasing ¢ (7).

as C I-e(T) aT4 ε(Τ)·σΤ4 η Φζ l)______________v '________= /y • heliothermique ▼ Sa s C Ie (T) aT 4 ε (Τ) · σΤ 4 η Φζ l) ______________ v '________ = / y • solar thermal ▼ S

CITHIS

Toutefois, de tels revêtements, et notamment le cas des revêtements composites métal-céramique ou à bicouche comportant une couche métallique et une première couche, sont difficiles à obtenir.However, such coatings, and in particular the case of composite metal-ceramic or two-layer coatings comprising a metal layer and a first layer, are difficult to obtain.

Le réacteur 10 illustré sur la figure 4 est un réacteur permettant à un homme du métier spécialisé dans le domaine d’obtenir un tel revêtement.The reactor 10 illustrated in FIG. 4 is a reactor allowing a person skilled in the art specialized in the field to obtain such a coating.

Le réacteur 10 est un réacteur de dépôt de couches sur un substrat 22 à revêtir.The reactor 10 is a layer deposition reactor on a substrate 22 to be coated.

Le réacteur 10 est propre à fonctionner selon deux modes de fonctionnement, un premier mode de fonctionnement dans lequel le réacteur 10 est propre à obtenir au moins une couche du dépôt par pulvérisation d’une cible sur le substrat 22 (technique PVD) et un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le réacteur 10 est propre à obtenir au moins une couche du dépôt par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir d’un précurseur gazeux ou liquide évaporé (technique PECVD).The reactor 10 is capable of operating according to two operating modes, a first operating mode in which the reactor 10 is capable of obtaining at least one layer of the deposit by spraying a target on the substrate 22 (PVD technique) and a second operating mode in which the reactor 10 is capable of obtaining at least one layer of the deposit by a chemical vapor deposition assisted by plasma from a gaseous precursor or evaporated liquid (PECVD technique).

Un réacteur 10 propre à fonctionner selon deux modes de fonctionnement est intéressant dans la mesure où les techniques PVD et PECVD sont complémentaires.A reactor 10 capable of operating according to two operating modes is advantageous insofar as the PVD and PECVD techniques are complementary.

La technique PVD est relativement simple à mettre en oeuvre et bien adaptée au dépôt sur de grandes surfaces. La technique consiste à bombarder une cible 20 grâce aux ions énergétiques d’un plasma soumis à une fréquence d'excitation, de manière à en extraire des atomes pour les déposer sur un substrat 22. La technique PVD permet d’agir sur la microstructure de la couche mince en appliquant une polarisation sur le substrat 22 à revêtir, et ainsi densifier le matériau déposé pour en augmenter notamment la tenue à l’oxydation (pénétration de l’oxygène ambiant plus difficile dans un matériau dense). Le principal défaut de cette technique de pulvérisation cathodique réside dans l'obtention de faibles vitesses de dépôt, augmentant donc les temps d’élaboration et les coûts de fabrication. En effet, la fréquence d’excitation plasma employée (courant continu (DC), basse fréquence (BF 50-500 kHz) ou radiofréquence (RF, quelques MHz)), qui sert à arracher les électrons aux atomes de gaz pour générer le plasma, entraîne une faible densité électronique (inférieure à 101° cm'3). Par conséquent, la concentration d’ions pulvérisant la cible est faible, induisant une faible vitesse de dépôt. Afin d’obtenir des plasmas plus denses provoquant une pulvérisation plus importante de la cible et des vitesses de dépôt plus élevées, la configuration magnétron est souvent utilisée : les électrons issus de l’ionisation des gaz plasmagènes sont alors confinés autour de la cible pulvérisée grâce à des aimants, augmentant localement la densité du plasma et la pulvérisation associée. Un inconvénient de cette configuration magnétron est que le plasma, et par conséquent l’usure de la cible, sont inhomogènes car ils suivent les lignes de champs magnétiques des aimants, et il n’est souvent pas possible de pulvériser plus d’un tiers de la cible, ce qui entraîne des coûts de fonctionnement élevés (coût matière important). La technique PVD est cependant bien adaptée pour déposer des matériaux conducteurs tels que les métaux, à partir d’une cible métallique plongée dans un plasma de gaz neutre (comme l’argon). En effet, la nature conductrice de la cible permet l’application d’un courant continu sur la cible pour générer le plasma de pulvérisation.The PVD technique is relatively simple to implement and well suited for depositing on large areas. The technique consists in bombarding a target 20 with the energetic ions of a plasma subjected to an excitation frequency, so as to extract atoms from it to deposit them on a substrate 22. The PVD technique makes it possible to act on the microstructure of the thin layer by applying a polarization on the substrate 22 to be coated, and thus densify the deposited material to increase in particular the resistance to oxidation (penetration of ambient oxygen more difficult in a dense material). The main shortcoming of this sputtering technique lies in obtaining low deposition rates, thus increasing the processing times and the manufacturing costs. In fact, the plasma excitation frequency used (direct current (DC), low frequency (BF 50-500 kHz) or radiofrequency (RF, a few MHz)), which is used to extract electrons from the gas atoms to generate the plasma , results in a low electronic density (less than 10 1 ° cm ' 3 ). Consequently, the concentration of ions sputtering the target is low, inducing a low deposition rate. In order to obtain denser plasmas causing greater sputtering of the target and higher deposition rates, the magnetron configuration is often used: the electrons from the ionization of the plasma gases are then confined around the sputtering target thanks magnets, locally increasing the density of the plasma and the associated sputtering. A disadvantage of this magnetron configuration is that the plasma, and therefore the wear of the target, are inhomogeneous because they follow the lines of magnetic fields of the magnets, and it is often not possible to spray more than a third of the target, which results in high operating costs (significant material cost). The PVD technique is however well suited for depositing conductive materials such as metals, from a metal target immersed in a plasma of neutral gas (such as argon). Indeed, the conductive nature of the target allows the application of a direct current on the target to generate the spray plasma.

La technique PECVD, basée sur l’activation plasma des réactions entre précurseurs gazeux ou un liquide évaporé, de l’ambiante à 500°C, permet de synthétiser des céramiques. La technique PECVD permet de plus de déposer des céramiques avec une grande maîtrise des interfaces substrat-dépôt et surtout de la composition. Les précurseurs comportant les éléments à déposer sont dilués dans un gaz plasmagène tel que l’argon. Un plasma de ce mélange est généré par excitation avec un champ électromagnétique. Un seul mode d’excitation est le plus souvent utilisé en PECVD. Il s’agit d’un champ directement appliqué sur le substrat 22 à revêtir. Ainsi, les électrons du plasma généré entrent en collision avec les précurseurs gazeux pour former des espèces réactives, énergétiques ou neutres qui viennent se déposer en surface et former le film. Les électrons ont aussi tendance à s’accumuler sur la surface à revêtir car ils sont les seules espèces du plasma assez petites pour suivre les oscillations rapides du champ électrique appliqué. Les ions positifs du plasma sont attirés par cette tension négative (autopolarisation) sur la surface à revêtir et bombardent le dépôt en cours de croissance. Ce bombardement ionique peut avoir un effet bénéfique sur la couche déposée, en permettant d’ajuster la microstructure et la composition du matériau (densification, pulvérisation sélective d’environnements chimiques. Mais il conduit aussi à un échauffement naturel des pièces à revêtir. Ainsi, il n’est pas possible de contrôler indépendamment la température de la surface traitée, ni de traiter des pièces sensibles à basse température (ex. polymères). D’autre part, dans cette configuration où un seul mode d’excitation est appliqué à la surface à revêtir, les densités de puissance nécessaires au maintien du plasma sont très importantes (de l’ordre de 0.2 - 0.6 W/cm2). Ceci est rédhibitoire pour le passage à l’échelle industrielle car les puissances nécessaires et les coûts de fabrication associés sont considérables lorsque l'on veut revêtir des surfaces de grandes dimensions. Enfin, pour déposer des céramiques organosiliciées SiC(N,O,H) en PECVD, le précurseur céramique est souvent un mélange gazeux à base de silane SiH4, associé à CH4 et/ou NH3 et/ou O2, selon la composition recherchée. Le silane est cependant un gaz toxique et extrêmement inflammable, nécessitant des niveaux de sécurité élevés et coûteux.The PECVD technique, based on the plasma activation of reactions between gaseous precursors or an evaporated liquid, from ambient to 500 ° C, makes it possible to synthesize ceramics. The PECVD technique also makes it possible to deposit ceramics with great mastery of the substrate-deposit interfaces and especially of the composition. The precursors comprising the elements to be deposited are diluted in a plasma gas such as argon. A plasma of this mixture is generated by excitation with an electromagnetic field. Only one excitation mode is most often used in PECVD. It is a field directly applied to the substrate 22 to be coated. Thus, the electrons of the generated plasma collide with the gaseous precursors to form reactive, energetic or neutral species which are deposited on the surface and form the film. Electrons also tend to accumulate on the surface to be coated because they are the only plasma species small enough to follow the rapid oscillations of the applied electric field. Positive plasma ions are attracted by this negative voltage (self-polarization) to the surface to be coated and bombard the deposit being grown. This ion bombardment can have a beneficial effect on the deposited layer, by making it possible to adjust the microstructure and the composition of the material (densification, selective spraying of chemical environments. But it also leads to a natural heating of the parts to be coated. it is not possible to independently control the temperature of the treated surface, nor to treat sensitive parts at low temperature (eg polymers). On the other hand, in this configuration where only one excitation mode is applied to the surface to be coated, the power densities necessary for maintaining the plasma are very high (of the order of 0.2 - 0.6 W / cm 2 ). This is unacceptable for the transition to industrial scale because the powers required and the costs of associated manufacturing are considerable when one wants to coat large surfaces. Finally, to deposit organosilicon ceramics SiC (N, O, H) in PECVD, l he ceramic precursor is often a gaseous mixture based on silane SiH 4 , associated with CH 4 and / or NH 3 and / or O 2 , depending on the composition sought. Silane is however a toxic and extremely flammable gas, requiring high and costly safety levels.

Le réacteur 10 propre à fonctionner selon deux modes de fonctionnement permet donc de réaliser des bicouches métal et céramique.The reactor 10 capable of operating according to two operating modes therefore makes it possible to produce metal and ceramic bilayers.

Le réacteur 10 comporte une première source 14, une deuxième source 16 et une troisième source 18.The reactor 10 comprises a first source 14, a second source 16 and a third source 18.

Un plasma est généré par au moins une source des sources précédentes de sorte qu’elle(s) fait généralement office de générateur de plasma 12. De préférence, la première source 14 est utilisée.A plasma is generated by at least one source from the previous sources so that it (s) generally acts as a plasma generator 12. Preferably, the first source 14 is used.

La première source 14 est propre à émettre des ondes électromagnétiques, la première source 14 étant propre à exciter un plasma P entre la cible 20 et le substrat 22.The first source 14 is capable of emitting electromagnetic waves, the first source 14 being capable of exciting a plasma P between the target 20 and the substrate 22.

La première source 14 est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 1 gigahertz et 100 gigahertz.The first source 14 is capable of emitting electromagnetic waves having a frequency between 1 gigahertz and 100 gigahertz.

La première source 14 comporte un générateur micro-ondes 24, un répartiteur de puissance 26 et une pluralité de crayons 28 munis chacun à une extrémité d’un aimant 30.The first source 14 comprises a microwave generator 24, a power distributor 26 and a plurality of pencils 28 each provided at one end with a magnet 30.

Dans l’exemple illustré, quatre crayons 28 sont représentés sur la figure 4.In the example illustrated, four pencils 28 are shown in FIG. 4.

La deuxième source 16 est distincte de la première source 14.The second source 16 is distinct from the first source 14.

La deuxième source 16 est propre à émettre des ondes électromagnétiques, la deuxième source 16 étant propre à exciter la cible 20.The second source 16 is capable of emitting electromagnetic waves, the second source 16 being capable of exciting the target 20.

La deuxième source 16 est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 1 Mégahertz et 400 Mégahertz.The second source 16 is capable of emitting electromagnetic waves having a frequency between 1 megahertz and 400 megahertz.

La troisième source 18 est distincte de la première source 14 et de la deuxième source 16.The third source 18 is distinct from the first source 14 and the second source 16.

La troisième source 18 est propre à émettre des ondes électromagnétiques, la troisième source 18 étant propre à exciter le substrat 22 à revêtir.The third source 18 is capable of emitting electromagnetic waves, the third source 18 being adapted to excite the substrate 22 to be coated.

La troisième source 18 est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 30 kilohertz et 3 Mégahertz.The third source 18 is capable of emitting electromagnetic waves having a frequency between 30 kilohertz and 3 Megahertz.

Dans la figure 4, d’autres éléments du réacteur 10 sont représentés comme une enceinte à vide 32, un système de pompage 34 dont uniquement un tuyau est représenté par simplification, un injecteur 36 de gaz contrôlé par régulateur(s) de débit, un système porte-substrat 38, optionnellement chauffant (face arrière) et/ou rotatif et/ou polarisable par le troisième générateur 18, un obturateur 40 amovible, une cathode 42 (magnétron optionnel) refroidie.In FIG. 4, other elements of the reactor 10 are represented as a vacuum enclosure 32, a pumping system 34 of which only one pipe is shown for simplicity, a gas injector 36 controlled by flow regulator (s), a substrate carrier system 38, optionally heating (rear face) and / or rotary and / or polarizable by the third generator 18, a removable shutter 40, a cathode 42 (optional magnetron) cooled.

Le fonctionnement du réacteur 10 est maintenant décrit en référence à un procédé de dépôt de couches sur un substrat 22 à revêtir à l’aide du réacteur 10.The operation of the reactor 10 is now described with reference to a process for depositing layers on a substrate 22 to be coated using the reactor 10.

Le procédé comporte une phase de dépôt d’une couche par pulvérisation d’une cible 20 sur le substrat 22.The method includes a phase of depositing a layer by sputtering a target 20 on the substrate 22.

La phase de dépôt par pulvérisation comporte trois étapes d’excitation.The spray deposition phase has three excitation steps.

Une étape d’excitation est l’excitation par la première source 14 du plasma P entre la cible 20 et le substrat 22 par des ondes électromagnétiques.An excitation step is the excitation by the first source 14 of the plasma P between the target 20 and the substrate 22 by electromagnetic waves.

Plus précisément, les crayons de la première source 14, répartis sur les parois du réacteur 10, sont équipés d’aimants qui confinent les électrons les plus énergétiques du plasma P sur leurs lignes de champ magnétique. Le plasma P est ainsi produit autour des sources (par collisions inélastiques des électrons rapides sur les atomes et molécules du gaz), puis diffuse hors de la zone de production sous l’effet des gradients de densité. Les micro-ondes n’ont pas à se propager dans le réacteur 10 et le plasma P de diffusion est bien plus stable, homogène et dense, notamment autour de la cible 20, que dans une configuration magnétron classique.More specifically, the rods from the first source 14, distributed over the walls of the reactor 10, are equipped with magnets which confine the most energetic electrons of the plasma P on their magnetic field lines. The P plasma is thus produced around the sources (by inelastic collisions of fast electrons on the atoms and molecules of the gas), then diffuses out of the production zone under the effect of the density gradients. The microwaves do not have to propagate in the reactor 10 and the diffusion plasma P is much more stable, homogeneous and dense, in particular around the target 20, than in a conventional magnetron configuration.

Une autre étape d’excitation est l’excitation par la deuxième source 16 de la cible 20 par des ondes électromagnétiques.Another excitation step is the excitation by the second source 16 of the target 20 by electromagnetic waves.

Les ions du plasma P sont ensuite attirés par la polarisation négative appliquée séparément sur la cible 20. Le couplage avec la première source 14 permet d'assurer une pulvérisation et une usure bien plus homogènes de la cible 22 qu’en configuration magnétron classique (et ainsi éviter de gâcher la matière première et réduire les coûts de fabrication).The ions from the plasma P are then attracted by the negative polarization applied separately to the target 20. The coupling with the first source 14 makes it possible to ensure a much more homogeneous sputtering and wear of the target 22 than in a conventional magnetron configuration (and thus avoiding wasting the raw material and reducing manufacturing costs).

Encore une autre étape d’excitation est l’excitation par la troisième source 18 du substrat 22.Yet another excitation step is the excitation by the third source 18 of the substrate 22.

Une telle étape d’excitation peut conduire par bombardement ionique à la densification des films ou au contrôle de leur composition chimique, ayant un impact direct sur leurs propriétés, notamment optiques, mécaniques et de stabilité thermique.Such an excitation step can lead, by ion bombardment, to the densification of the films or to the control of their chemical composition, having a direct impact on their properties, in particular optical, mechanical and thermal stability.

Autrement formulé, lors de la phase de dépôt par pulvérisation, au moins deux paramètres peuvent ainsi être découplés et gérés séparément, contrairement aux procédés classiques basés sur un mode d’excitation unique : d’une part, la génération (autour des sources micro-ondes) et l’entretien des électrons et ions en volume dans la phase homogène de la décharge, sont assurés par l’excitation micro-ondes et d’autre part, le contrôle de l'énergie d'impact des ions sur la cible 20, gérant l’efficacité de pulvérisation, est assuré par l’autre excitation. Le plasma P étant généré en volume et non plus seulement autour de la cible 20, l’usure de la cible 20 est bien plus homogène et les coûts matière sont réduits.In other words, during the spray deposition phase, at least two parameters can thus be decoupled and managed separately, unlike conventional methods based on a single excitation mode: on the one hand, generation (around micro- waves) and the maintenance of electrons and ions in volume in the homogeneous phase of the discharge, are ensured by microwave excitation and on the other hand, the control of the impact energy of the ions on the target 20 , managing the spraying efficiency, is ensured by the other excitation. Since the plasma P is generated in volume and no longer only around the target 20, the wear on the target 20 is much more homogeneous and the material costs are reduced.

Optionnellement, l’application d’une troisième excitation sur le substrat 22 à revêtir peut permettre d’ajuster plus précisément les propriétés optiques, mécaniques et de stabilité thermique des matériaux élaborés.Optionally, the application of a third excitation on the substrate 22 to be coated can make it possible to more precisely adjust the optical, mechanical and thermal stability properties of the materials produced.

La phase de dépôt PVD est particulièrement adaptée pour le dépôt de métal seul, le mélange gazeux injecté par l’injecteur 36 étant constitué d’un gaz plasmagène pur, les première et deuxième sources 14 et 16 sont allumées et l’obturateur 40 est ouvert.The PVD deposition phase is particularly suitable for the deposition of metal alone, the gas mixture injected by the injector 36 consisting of a pure plasma gas, the first and second sources 14 and 16 are switched on and the shutter 40 is open. .

En variante, seule la deuxième source 16 est allumée au lieu des deux sources 14 et 16.As a variant, only the second source 16 is switched on instead of the two sources 14 and 16.

Le procédé comporte une phase de dépôt d’une couche par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma P à partir d’un précurseur gazeux ou liquide évaporé.The method comprises a phase of depositing a layer by chemical vapor deposition assisted by plasma P from a gaseous precursor or evaporated liquid.

Dans cette phase de dépôt PECVD, deux modes d’excitation séparés sont utilisables. Le premier mode d’excitation provient de la première source 14 qui génère et entretient le plasma P ainsi que la réactivité des précurseurs dans le volume plasma. La première source 14 donne ainsi accès à des densités de plasma P bien plus élevées (» 101° électrons/cm3) que dans la configuration PECVD classique (< 101° électrons/cm3), permettant d’augmenter les vitesses de dépôt et de réduire les coûts de production.In this PECVD deposition phase, two separate excitation modes can be used. The first excitation mode comes from the first source 14 which generates and maintains the plasma P as well as the reactivity of the precursors in the plasma volume. The first source 14 thus gives access to much higher plasma densities P (»10 1 ° electrons / cm 3 ) than in the conventional PECVD configuration (<10 1 ° electrons / cm 3 ), making it possible to increase the speeds of filing and reduce production costs.

Un deuxième mode d’excitation est aussi indépendamment appliqué sur le substrat 22 à revêtir, pour activer la réactivité de surface et contrôler finement la microstructure, la composition et la densification des couches déposées par bombardement ionique. La température de la surface à revêtir est ainsi bien mieux maîtrisée du fait des sources volumiques déportées. De plus, le plasma P réactif étant entretenu en volume par la première source 14, et non plus sur le substrat 22 à revêtir, la puissance nécessaire au dépôt n’est plus directement proportionnelle à la dimension de la surface à revêtir.A second mode of excitation is also independently applied to the substrate 22 to be coated, to activate the surface reactivity and finely control the microstructure, the composition and the densification of the layers deposited by ion bombardment. The temperature of the surface to be coated is thus much better controlled due to the remote volume sources. In addition, the reactive plasma P being maintained in volume by the first source 14, and no longer on the substrate 22 to be coated, the power required for the deposition is no longer directly proportional to the size of the surface to be coated.

Le passage d’une phase à l’autre est obtenu par un contrôleur de la pression de la chambre dans le réacteur 10, le contrôleur étant propre à diminuer ou augmenter la pression dans la chambre pour basculer d’un mode de fonctionnement à un autre mode de fonctionnement.The transition from one phase to another is obtained by a chamber pressure controller in the reactor 10, the controller being able to decrease or increase the pressure in the chamber to switch from one operating mode to another. operating mode.

En effet, en PVD les pressions sont basses (de l’ordre de 10-2 mbar à 10-3 mbar) pour augmenter le libre parcours moyen des espèces gazeuses, et ainsi faciliter la pulvérisation de la cible 20 et la diffusion des espèces évaporées en direction de la pièce à revêtir. En PECVD, le plasma P est réactionnel et les pressions d'élaboration traditionnelles sont largement supérieures (jusqu'au mbar) pour favoriser les réactions chimiques et les recombinaisons d’espèces en volume plasma.Indeed, in PVD the pressures are low (of the order of 10 -2 mbar to 10 -3 mbar) to increase the mean free path of the gaseous species, and thus facilitate the spraying of the target 20 and the diffusion of the evaporated species towards the part to be coated. In PECVD, the P plasma is reactive and the traditional production pressures are much higher (up to mbar) to favor chemical reactions and recombinations of species in plasma volume.

En variante, le procédé est mis en œuvre avec un relativement faible changement de pression entre les deux phases. Dans un tel cas, les crayons 28 sont adaptés à la basse pression à c’est-à-dire entre 10-2 mbar et 10-3 mbar.Alternatively, the method is implemented with a relatively small change in pressure between the two phases. In such a case, the rods 28 are suitable for low pressure, that is to say between 10 -2 mbar and 10 -3 mbar.

La phase de dépôt PECVD est particulièrement adaptée pour le dépôt de céramique seule, le mélange gazeux injecté étant constitué d’un mélange de gaz plasmagène et précurseur(s), la première source 14 est allumée et l’obturateur 40 est fermé.The PECVD deposition phase is particularly suitable for the deposition of ceramic only, the injected gas mixture consisting of a mixture of plasma gas and precursor (s), the first source 14 is switched on and the shutter 40 is closed.

En variante, la première source 14 et la troisième source 18 sont allumées.Alternatively, the first source 14 and the third source 18 are turned on.

Selon une autre variante, seule la troisième source 18 est allumée.According to another variant, only the third source 18 is on.

Le procédé permet soit de réaliser un empilement de multicouches métal/céramique en mettant en œuvre les deux phases PVD et PECVD successivement soit un dépôt de composites métal-céramique, en mettant en œuvre les deux phases simultanément.The method makes it possible either to produce a stack of metal / ceramic multilayers by implementing the two PVD and PECVD phases successively or to deposit metal-ceramic composites, by implementing the two phases simultaneously.

Le procédé permet d’obtenir de manière contrôlée et efficace les revêtements 10 précédemment décrits.The process makes it possible to obtain, in a controlled and efficient manner, the coatings 10 previously described.

L’invention concerne la combinaison de tous les modes de réalisation techniquement possibles.The invention relates to the combination of all technically possible embodiments.

Claims (9)

REVENDICATIONS 1. - Réacteur (10) de dépôt de couches sur un substrat (22) à revêtir, le réacteur (10) obtenant au moins une couche du dépôt par pulvérisation d’une cible (20) sur le substrat, le réacteur (10) comportant :1. - Reactor (10) for depositing layers on a substrate (22) to be coated, the reactor (10) obtaining at least one layer of the deposit by spraying a target (20) on the substrate, the reactor (10) comprising: - une première source (14) propre à émettre des ondes électromagnétiques, la première source (14) étant propre à exciter un plasma (P) entre la cible (20) et le substrat (22), eta first source (14) capable of emitting electromagnetic waves, the first source (14) being capable of exciting a plasma (P) between the target (20) and the substrate (22), and - une deuxième source (16) propre à émettre des ondes électromagnétiques, la deuxième source (16) étant propre à exciter la cible (20).- A second source (16) suitable for emitting electromagnetic waves, the second source (16) being suitable for exciting the target (20). 2, - Réacteur selon la revendication 1, dans lequel le réacteur (10) est propre à fonctionner selon deux modes de fonctionnement, un premier mode de fonctionnement dans lequel le réacteur (10) est propre à obtenir au moins une couche du dépôt par pulvérisation d’une cible (20) sur le substrat (22) et un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le réacteur (10) est propre à obtenir au moins une couche du dépôt par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir d’un précurseur gazeux ou liquide évaporé.2, - Reactor according to claim 1, in which the reactor (10) is capable of operating according to two operating modes, a first operating mode in which the reactor (10) is capable of obtaining at least one layer of the spray deposit a target (20) on the substrate (22) and a second mode of operation in which the reactor (10) is capable of obtaining at least one layer of the deposit by a chemical vapor deposition assisted by plasma from an evaporated gaseous or liquid precursor. 3. - Réacteur selon la revendication 2, dans lequel le réacteur (10) présente une chambre, un contrôleur de la pression de la chambre dans le réacteur (10), le contrôleur étant propre à diminuer ou augmenter la pression dans la chambre pour basculer d’un mode de fonctionnement à un autre mode de fonctionnement.3. - Reactor according to claim 2, in which the reactor (10) has a chamber, a controller of the pressure of the chamber in the reactor (10), the controller being able to decrease or increase the pressure in the chamber for tilting. from one operating mode to another operating mode. 4, - Réacteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins une des propriétés suivantes est vérifiée :4, - Reactor according to any one of claims 1 to 3, in which at least one of the following properties is verified: - une première propriété selon laquelle la première source (14) est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 1 gigahertz et 100 gigahertz,a first property according to which the first source (14) is capable of emitting electromagnetic waves having a frequency between 1 gigahertz and 100 gigahertz, - une deuxième propriété selon laquelle la deuxième source (16) est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 1 Mégahertz et 400 Mégahertz, eta second property according to which the second source (16) is capable of emitting electromagnetic waves having a frequency between 1 megahertz and 400 megahertz, and - une troisième propriété selon laquelle chaque source est distincte.- a third property according to which each source is distinct. 5. - Réacteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la première source (14) comporte au moins un crayon (28) muni à une extrémité d’un aimant (30).5. - Reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the first source (14) comprises at least one pencil (28) provided at one end with a magnet (30). 6. - Réacteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le réacteur (10) comporte, en outre, une troisième source (18) propre à émettre des ondes électromagnétiques, la troisième source (18) étant propre à exciter le substrat (22) à revêtir.6. - Reactor according to any one of claims 1 to 5, in which the reactor (10) further comprises a third source (18) suitable for emitting electromagnetic waves, the third source (18) being suitable for exciting the substrate (22) to be coated. 7. - Réacteur selon la revendication 6, dans lequel la troisième source (18) est propre à émettre des ondes électromagnétiques présentant une fréquence comprise entre 30 kilohertz et 3 Mégahertz.7. - Reactor according to claim 6, wherein the third source (18) is adapted to emit electromagnetic waves having a frequency between 30 kilohertz and 3 Megahertz. 8. - Procédé de dépôt de couches sur un substrat (22) à revêtir à l’aide d’un réacteur (10) comportant :8. - Method for depositing layers on a substrate (22) to be coated using a reactor (10) comprising: - une première source (14) propre à émettre des ondes électromagnétiques, la première source (14) étant propre à exciter un plasma (P) entre la cible (20) et le substrat (22), eta first source (14) capable of emitting electromagnetic waves, the first source (14) being capable of exciting a plasma (P) between the target (20) and the substrate (22), and - une deuxième source (16) propre à émettre des ondes électromagnétiques, la deuxième source (16) étant propre à exciter la cible (20), le procédé comprenant une phase de dépôt d’une couche par pulvérisation d’une cible (20) sur le substrat (22), la phase comprenant au moins les étapes de :- A second source (16) capable of emitting electromagnetic waves, the second source (16) being capable of exciting the target (20), the method comprising a phase of depositing a layer by spraying a target (20) on the substrate (22), the phase comprising at least the steps of: - excitation par la première source (14) du plasma (P) entre la cible (20) et le substrat (22) par des ondes électromagnétiques émises, et- excitation by the first source (14) of the plasma (P) between the target (20) and the substrate (22) by emitted electromagnetic waves, and - excitation par la deuxième source (16) de la cible (20) par des ondes électromagnétiques émises.- excitation by the second source (16) of the target (20) by emitted electromagnetic waves. 9. - Procédé selon la revendication 8, dans lequel le procédé comporte une phase de dépôt d’une couche par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à partir d’un précurseur gazeux ou liquide évaporé, à l’aide du réacteur (10).9. - Method according to claim 8, in which the method comprises a phase of depositing a layer by chemical vapor deposition assisted by plasma from a gaseous precursor or evaporated liquid, using the reactor ( 10).
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