FR3139735A1

FR3139735A1 - Procédé et dispositif de dépôt de couche mince sur surface courbe

Info

Publication number: FR3139735A1
Application number: FR2209399A
Authority: FR
Inventors: Arnaud Davenel; Pascal Marie Joseph Pont; Geoffrey JAMART
Original assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2024-03-22
Anticipated expiration: 2042-09-19
Also published as: FR3139735B1

Abstract

Procédé de réalisation d’une couche mince de matériau sur une surface (S) d’un substrat (O), comprenant les étapes de projeter des particules de matériau depuis une source (3) de particules de matériau, déplacer le support (4) sur une trajectoire fermée autour d’un premier axe de rotation (A1), faire pivoter le substrat (O) sur lui-même autour d’un deuxième axe de rotation (A3) correspondant à un axe de symétrie de la surface (S) du substrat (O). Le procédé comprend l’étape de déplacer le support pour exposer à une projection directe des particules de matériau différentes portions de la surface (S) du substrat (O) pendant un temps d’exposition dépendant de l’épaisseur de matériau souhaitée sur lesdites portions de surface. Dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 1

Description

Procédé et dispositif de dépôt de couche mince sur surface courbe

La présente invention concerne le domaine de la fabrication de composant optique tel que des lentilles, notamment celles utilisées dans les systèmes de guidage de missiles.

ARRIERE PLAN DE L’INVENTION

Dans le domaine de l’optique, il est connu de recouvrir une surface d’un substrat optique (comme une lentille ou une lame) d’au moins une couche mince de matériau - couramment d’épaisseur comprise entre, environ, 10 nm et 500 nm voire 1 µm - formant des interférences constructives ou destructives. Ces couches minces ont par exemple pour fonction : une fonction anti-reflet ; une fonction de filtrage dichroïque ou interférentiel ; une fonction de filtrage passe-haut, passe-bas ou passe-bande. Les optiques mises en œuvre dans les systèmes de guidage de missiles comprennent couramment de telles couches minces afin de bénéficier de ces fonctions.

Les couches minces sont le plus souvent réalisées en projetant le matériau sur la surface du substrat optique. On a notamment recours à des techniques bien connues d’évaporation sous vide ou de pulvérisation cathodique du matériau destiné à former la couche mince.

Une installation de dépôt de matériau en couche mince comprend généralement un bâti, une source de matériau, et un support de maintien du substrat en regard de la source. Le bâti est pourvu d’une enceinte hermétique raccordée à un circuit de mise sous vide dans laquelle sont placés la source de matériau et le support de maintien du substrat. L’une des principales contraintes pesant sur le dépôt est l’homogénéité de l’épaisseur de la couche mince qui doit être identique en tout point de la surface du substrat recouverte par la couche mince. En effet, une variation de l’épaisseur d’une couche mince induit une variation de l’effet optique attendu, par exemple un décalage des longueurs d’onde transmises. Pour obtenir une épaisseur uniforme, l’idéal serait que les particules de matériau arrivent sur une surface plane comme une pluie verticale, homogène sur toute la surface. Or, les particules de matériau arrivent selon un cône de projection depuis la source.

Il est connu de monter le support sur le bâti de manière à pouvoir déplacer le support de maintien le long d’une trajectoire circulaire centrée sur un premier axe de rotation et faire pivoter le support de maintien sur lui-même autour d’un deuxième axe de rotation qui est perpendiculaire à un plan contenant la trajectoire circulaire et correspond à un axe de symétrie de la surface du substrat. Ceci permet d’assurer le dépôt d’une couche de matériau d’épaisseur uniforme sur les surfaces ayant une courbure nulle ou faiblement prononcée. L’épaisseur déposée varie en effet en fonction de l’inclinaison locale de la surface à recouvrir, et plus particulièrement en fonction du cosinus de la valeur de l’angle d’inclinaison locale. Or, certains substrats ont une surface, concave ou convexe, ayant une courbure très prononcée, proche, pour certaines, de la demi-sphère. L’épaisseur de matériau déposée sera alors quasi-nulle pour les portions de surfaces d’inclinaison quasi verticale.

Il est également connu d’interposer un masque entre la source et le support de maintien pour bloquer une partie des particules à l’aplomb de certaines zones de la surface du substrat et laisser passer les particules à l’aplomb d’autres zones de la surface du substrat. Le masque est ainsi agencé pour modifier la distribution des particules déposées sur la surface du substrat. Même si l’utilisation d’un masque améliore l’uniformité du dépôt, le dépôt de matériau dans les zones de la surface ayant l’inclinaison la plus forte reste problématique et la constitution du masque peut être complexe.

OBJET DE L’INVENTION

L’invention a notamment pour but de faciliter la réalisation de couches minces notamment sur les surfaces comportant au moins une zone ayant une forte inclinaison locale.

A cet effet, on prévoit un procédé de réalisation d’une couche mince de matériau sur une surface d’un substrat, le procédé comprenant les étapes de : maintenir le substrat sur un support pour qu’au moins une portion de la surface soit orientée vers une source de particules de matériau, projeter les particules de matériau depuis la source de particules de matériau, déplacer le support sur une trajectoire fermée autour d’un premier axe de rotation, faire pivoter le substrat sur lui-même autour d’un deuxième axe de rotation correspondant à un axe de symétrie de la surface du substrat. Selon l’invention, le procédé comprend l’étape de déplacer le support entre deux positions extrêmes sur une trajectoire en arc de cercle autour d’un troisième axe de rotation parallèle à une direction localement tangentielle à la trajectoire fermée pour exposer à une projection directe des particules de matériau différentes portions de la surface du substrat pendant un temps d’exposition dépendant de l’épaisseur de matériau souhaitée sur lesdites portions de surface.

Ainsi, on ajoute une troisième rotation aux deux existantes. Cette troisième rotation étant réalisée autour d’un axe sensiblement tangentiel à la trajectoire fermée, elle permet d’exposer à la source, autrement dit à la projection des particules de matériau, des portions de surface qui seraient difficilement atteignables par les particules de matériau avec les procédés de l’art antérieur. On comprend que l’épaisseur du dépôt de matériau sur une portion de surface est proportionnelle au temps pendant lequel cette portion de surface est exposée aux particules de matériau projetées. Ce temps d’exposition dépend de la vitesse de déplacement du support de maintien. Cette vitesse peut ne pas être constante autour du troisième axe de rotation selon la forme de la surface, par exemple pour augmenter le temps d’exposition de la périphérie de la surface par rapport au temps d’exposition du centre de la surface de manière à uniformiser l’épaisseur de matériau déposée sur l’ensemble de la surface.

L’invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.

Le dispositif de dépôt d’un matériau sur une surface d’un substrat, comprend, un bâti délimitant une enceinte hermétique et, dans ladite enceinte hermétique, une source de matériau, et un support de maintien d’au moins une portion de la surface du substrat en regard de la source. Le support de maintien du substrat est monté sur le bâti pour être déplacé le long d’une trajectoire fermée autour d’un premier axe de rotation et pour pivoter sur lui-même autour d’un deuxième axe de rotation correspondant à un axe de symétrie de la surface du substrat. Le support de maintien est monté sur le bâti pour être déplacé entre deux positions extrêmes sur une trajectoire en arc de cercle autour d’un troisième axe de rotation parallèle à une direction tangentielle à la trajectoire fermée. Le dispositif comprend au moins un actionneur de déplacement du support de maintien et une unité électronique de commande de l’actionneur qui sont agencés pour déplacer le support de maintien de manière à orienter vers la source différentes portions de la surface du substrat à une vitesse dépendant de l’épaisseur de matériau souhaitée sur lesdites portions.

Optionnellement, le dispositif comprend un plateau monté sur le bâti pour tourner autour du premier axe de rotation, le plateau étant entrainé en rotation par un moteur formant au moins en partie l’actionneur, le support de maintien étant monté pour pivoter sur un basculeur monté mobile sur le plateau pour déplacer le support de maintien sur la trajectoire en arc de cercle.

Optionnellement alors :

le bâti comprend un chemin de came s’étendant sensiblement en regard de la trajectoire fermée avec un espacement variable par rapport au plateau et le basculeur est relié par au moins une tringle à un chariot parcourant le chemin de came de manière à amener le basculeur entre deux positions extrêmes correspondant aux positions extrêmes du support sur la trajectoire en arc de cercle ;
le bâti est pourvu d’un rail s’étendant en regard de la trajectoire fermée avec un espacement constant par rapport au plateau et un galet est monté sur le basculeur coaxialement au support de maintien pour être appliqué contre le rail et est lié en rotation au support de maintien de telle manière que le déplacement du support de maintien le long de la trajectoire fermée provoque la rotation du support autour du deuxième axe de rotation.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention.

Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

la est une vue schématique en coupe axiale d’un élément optique réalisé en mettant en œuvre le procédé de l’invention ;

la est une vue schématique en coupe d’un dispositif selon l’invention ;

la est une vue schématique en perspective montrant les moyens de déplacement du support de maintien autour du troisième axe de rotation ;

la est une vue schématique en perspective, selon un angle de vue différent de celui de la , montrant les moyens de déplacement du support de maintien autour du troisième axe de rotation ;

la est une vue schématique en perspective, selon un angle de vue différent de celui des figures 3 et 4, montrant les moyens de déplacement du support de maintien autour du troisième axe de rotation ;

la est une vue schématique en élévation, montrant les moyens de déplacement du support de maintien autour du troisième axe de rotation lorsque le support de rotation est dans une position intermédiaire entre ses deux positions extrêmes ;

la est une vue analogue à celle de la , montrant les moyens de déplacement du support de maintien autour du troisième axe de rotation lorsque le support de rotation est dans une première de ses deux positions extrêmes ;

la est une vue analogue à celle de la , montrant les moyens de déplacement du support de maintien autour du troisième axe de rotation lorsque le support de rotation est dans une deuxième de ses deux positions extrêmes.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

L’invention concerne la réalisation d’une couche mince C de matériau sur une surface S d’un substrat O pour former un élément optique E (représenté à la ). La surface S est en forme de calotte sphérique, ici convexe, ayant un axe central de symétrie S’.

Le procédé mis en œuvre comprend les étapes de :

maintenir le substrat O pour qu’au moins une portion de la surface S soit orientée vers une source de particules de matériau,
projeter les particules de matériau depuis une source de particules de matériau,
déplacer le substrat O sur une trajectoire fermée, ici circulaire, autour d’un premier axe de rotation tout en faisant pivoter le substrat O sur lui-même autour d’un deuxième axe de rotation correspondant à un axe de symétrie du substrat O,
déplacer le substrat O entre deux positions extrêmes sur une trajectoire sensiblement en arc de cercle autour d’un troisième axe de rotation localement tangentiel à la trajectoire fermée pour orienter vers la source différentes portions de la surface S du substrat O à une vitesse dépendant de l’épaisseur de matériau souhaitée sur lesdites portions de surface.

Le procédé de l’invention est mis en œuvre au moyen d’un dispositif de dépôt d’un matériau sur la surface S du substrat O.

Le dispositif ( ) comprend un bâti 1 délimitant une enceinte hermétique 2 dans laquelle sont disposés une source 3 de matériau, et un support 4 de maintien d’au moins une portion de la surface S du substrat O en regard de la source 3.

L’enceinte hermétique 2 est raccordée à un circuit de mise sous-vide, symbolisé en 5, comprenant par exemple une pompe.

La source 3 est par exemple un creuset qui contient le matériau à déposer et qui est pourvu d’un élément de chauffage du matériau permettant l’évaporation de particules du matériau. L’élément de chauffage comprend par exemple une résistance électrique et/ou un émetteur laser dirigé sur le matériau. La résistance électrique et/ou l’émetteur laser sont raccordés à une source d’alimentation en énergie électrique. On notera que la source 3 est représentée de manière symbolique sur la , que ce soit pour sa structure ou son positionnement. D’autres techniques de production et projection de particules sont bien entendu utilisables.

Le dispositif comprend un plateau 6 horizontal, monté sur le bâti 1 pour tourner sur lui-même autour d’un axe de rotation A1 vertical. Le plateau 6 est entrainé en rotation par un moteur 7.

Une glissière 8 est fixée en périphérie du plateau 6 pour s’étendre dans un plan radial du plateau 6. La glissière 8 s’étend en arc de cercle autour d’un axe de rotation A2 (figures 3 à 5) parallèle à une direction tangentielle localement au plateau 6 au point de fixation de la glissière 8 (la direction tangentielle est perpendiculaire au plan radial du plateau 6 dans lequel s’étend la glissière 8). La glissière 8 comprend ici une plaque verticale pourvue d’une rainure 8.1 s’étendant en arc de cercle sur 180° autour de l’axe de rotation A2.

Sur la glissière 8 est monté un basculeur 9 (figures 4, 5 et 6 à 8) ayant la forme d’un chariot comportant deux galets 10 roulant dans la rainure 8.1 de la glissière 8 de sorte que le basculeur 9 a deux positions extrêmes, à savoir une position haute (figures 2 et 8) et une position basse (figures 3, 5 et 7), de telle manière que le basculeur 9 a une partie qui est sensiblement orientée vers le haut lorsque le basculeur 9 est en position haute et cette même partie est orientée vers le bas lorsque le basculeur 9 est en position basse. Le basculeur 9 est entrainé selon une trajectoire circulaire autour de l’axe de rotation A1 par la glissière 8 elle–même entraînée le long de cette trajectoire par le plateau 6 lui-même entrainé en rotation sur lui-même par le moteur 7. Lors de ce déplacement le long de la trajectoire circulaire, le basculeur 9 est simultanément déplacé selon une trajectoire en arc de cercle autour de l’axe de rotation A2 entre ses deux positions extrêmes par une tringle 11 ayant une première extrémité articulée au basculeur 9 et une deuxième extrémité articulée à un chariot 12 porté par des roues 13 engagées chacune dans un rail 14 (figures 2, 6 à 8). Les rails 14 s’étendent coaxialement et parallèlement l’un à l’autre au-dessus de la périphérie du plateau 6 : ils ont au moins un tronçon haut 14.1 et un tronçon bas 14.2 relié au tronçon haut par deux tronçons intermédiaires 14.3 inclinés, les tronçons hauts étant espacés du plateau 6 d’une première distance d1 supérieure à une deuxième distance d2 séparant les tronçons bas du plateau 6 ( ). Le chariot 12 est entraîné le long des rails 14 par la tringle 11, le chariot 9, la glissière 8, le plateau 6 et le moteur 7. On comprend que : lorsque le chariot 12 a ses roues 13 engagées dans le tronçon haut des rails 14, le basculeur 9 est dans sa position haute ( ) ; lorsque le chariot 12 a ses roues 13 engagées dans le tronçon bas des rails 14, le basculeur 9 est dans sa position basse ( ). Les rails 14 forment ainsi un chemin de came s’étendant en regard de la trajectoire circulaire avec un espacement variable par rapport au plateau 6. Les rails 14 peuvent comprendre plusieurs tronçons hauts et plusieurs tronçons bas, par exemple deux tronçons hauts symétriquement opposés et deux tronçons bas symétriquement opposés.

Le support 4 est monté sur le basculeur 9 qui déplace le support 4 sur la trajectoire en arc de cercle définie par la glissière 8 autour de l’axe de rotation A2. Le support 4 est monté sur le basculeur 9 pour pivoter sur lui-même autour d’un axe de rotation A3. Le substrat O (représenté en trait mixte double sur les figures 3 à 5 et en trait fort sur les figures 2 et 6 à 8) est monté sur le support 4 de telle manière que l’axe central de symétrie de la surface S soit confondu avec l’axe de rotation A3. Un rail 15 ( ) solidaire du bâti 1 s’étend en regard de la trajectoire circulaire avec un espacement constant par rapport au plateau 6 et un galet 16 (figures 3 à 5) est monté sur le basculeur 9 coaxialement au support 4 pour être appliqué contre le rail 15 et est lié en rotation au support 4 de telle manière que le déplacement du support 4 le long de la trajectoire circulaire provoque le roulement du galet 16 sur le rail 15 et donc la rotation du support 4 autour de l’axe de rotation A3. Le rail 15 a une section transversale circulaire de telle manière que le galet puisse coopérer avec le rail 15 quelle que soit la position du basculeur 9 par rapport au plateau 6. On voit sur les figures 6 à 8 que le galet 16 est amené à se déplacer du pourtour externe du rail 15 jusqu’au pourtour interne du rail 15 sans perdre le contact avec celui-ci.

Ainsi, lorsque le moteur 7 entraine le plateau 6 en rotation autour de l’axe de rotation A1 (ou premier axe de rotation), le support 4 et donc le substrat O :

se déplace le long de la trajectoire circulaire correspondant à la trajectoire de la glissière 8 résultant de la rotation du plateau 6 autour de l’axe de rotation A1 ;
pivote sur lui-même autour de l’axe de rotation A3 (ou deuxième axe de rotation) correspondant à l’axe central de la surface S du substrat O ;
se déplace entre deux positions extrêmes sur la trajectoire en arc de cercle autour de l’axe de rotation A2 (ou troisième axe de rotation) tangentiel à la trajectoire circulaire autour de l’axe de rotation A1.

On notera que la longueur des tronçons haut 14.1 et bas 14.2 des rails 14, la longueur et l’inclinaison des tronçons intermédiaires 14.3 reliant les tronçons haut et bas, et le diamètre du galet 16 vont déterminer le temps de présentation de chaque portion de la surface S vers la source 3 de matériau ou, autrement dit, le temps d’exposition directe de chaque portion de la surface S aux particules de matériau émises par la source 3 de matériau. Par exemple, on pourra décider que chacun des tronçons haut 14.1 et bas 14.2 a une longueur telle que le support 4 fasse un nombre x de tours sur lui-même lorsque le chariot 12 parcourt ledit tronçon sur toute sa longueur compte-tenu du diamètre du galet 16 et de la longueur de rail 15 parcourue par le galet 16 pendant que le chariot 12 a parcouru ledit tronçon.

Le moteur 7, les rails 14, le chariot 12, la tringle 11 et le basculeur 9 forment ainsi un actionneur de déplacement du support 4 qui est agencé avec l’unité de commande 20 ( ) pour déplacer le support 4 de manière à orienter vers la source différentes portions de surface du substrat à une vitesse dépendant de l’épaisseur de matériau souhaitée sur lesdites portions de surface.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.

En particulier, l’émission des particules de matériau peut être obtenu en mettant en œuvre une technique d’évaporation sous vide ou de pulvérisation cathodique par exemple, mais d’autres techniques classiquement utilisées pour le dépôt de couches minces sur des substrats optiques peuvent être employées, par exemple des techniques mettant en œuvre un laser. L’invention peut également être appliquée pour le compactage des couches minces par canon à ions par exemple.

Bien que la motorisation 7 ait été représentée du même côté du plateau 6 que la source 3, la motorisation 7 peut être positionnée du côté du plateau 6 opposé à la source 3.

Il est possible d’utiliser un actionneur dédié, comme un moteur électrique, pour le déplacement du support 4 le long de la trajectoire en arc de cercle ou pour faire pivoter le support 4 sur lui-même.

Bien qu’il ne soit pas représenté de masque entre la source 3 de matériau et le support 4, un ou plusieurs masques peuvent bien évidemment être utilisés en fonction des besoins.

Le plateau 6 peut comprendre un ou plusieurs bras portant chacun un support 4 de maintien d’un substrat.

Les tronçons haut et bas sont ici plans et peuvent avoir une longueur très courte ; on peut prévoir que les tronçons aient une pente variable sur leur longueur ou soient incurvés vers le haut ou vers le bas.

Claims

Procédé de réalisation d’une couche mince de matériau sur une surface (S) d’un substrat (O), comprenant les étapes de maintenir le substrat sur un support (4) pour qu’au moins une portion de la surface (S) soit orientée vers une source (3) de particules de matériau, projeter les particules de matériau depuis la source (3) de particules de matériau, déplacer le support (4) sur une trajectoire fermée autour d’un premier axe de rotation (A1), faire pivoter le substrat (O) sur lui-même autour d’un deuxième axe de rotation (A3) correspondant à un axe de symétrie de la surface (S) du substrat (O), caractérisé en ce que le procédé comprend l’étape de déplacer le support (4) entre deux positions extrêmes sur une trajectoire en arc de cercle autour d’un troisième axe de rotation (A2) parallèle à une direction localement tangentielle à la trajectoire fermée pour exposer à une projection directe des particules de matériau différentes portions de la surface (S) du substrat (O) pendant un temps d’exposition dépendant de l’épaisseur de matériau souhaitée sur lesdites portions de surface.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel la trajectoire fermée est circulaire.
Dispositif de dépôt d’un matériau sur une surface (S) d’un substrat (O), comprenant, un bâti (1) délimitant une enceinte hermétique (2) et, dans ladite enceinte hermétique (2) , une source (3) de matériau, et un support (4) de maintien d’au moins une portion de la surface (S) du substrat (O) en regard de la source (3), le support (4) de maintien du substrat étant monté sur le bâti (1) pour être déplacé le long d’une trajectoire fermée autour d’un premier axe de rotation (A1) et pour pivoter sur lui-même autour d’un deuxième axe de rotation (A3) correspondant à un axe de symétrie de la surface (S) du substrat (O), caractérisé en ce que le support (4) de maintien est monté sur le bâti (1) pour être déplacé entre deux positions extrêmes sur une trajectoire en arc de cercle autour d’un troisième axe de rotation (A2) parallèle à une direction tangentielle à la trajectoire fermée, et en ce que le dispositif comprend au moins un actionneur de déplacement du support de maintien et une unité électronique (20) de commande de l’actionneur qui sont agencés pour déplacer le support de maintien de manière à orienter vers la source (3) différentes portions de la surface (S) du substrat à une vitesse dépendant de l’épaisseur de matériau souhaitée sur lesdites portions.
Dispositif selon la revendication 3, comprenant un plateau (6) monté sur le bâti (1) pour tourner autour du premier axe de rotation (A1), le plateau étant entrainé en rotation par un moteur (7) formant au moins en partie l’actionneur, le support (4) de maintien étant monté pour pivoter sur un basculeur (9) monté mobile sur le plateau (6) pour déplacer le support de maintien sur la trajectoire en arc de cercle.
Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le bâti (1) comprend un chemin de came (14) s’étendant sensiblement en regard de la trajectoire fermée avec un espacement variable par rapport au plateau (6) et le basculeur (9) est relié par au moins une tringle (11) à un chariot (12) parcourant le chemin de came de manière à amener le basculeur entre deux positions extrêmes correspondant aux positions extrêmes du support sur la trajectoire en arc de cercle.
Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le chemin de came (14) comprend au moins un tronçon haut (14.1) et un tronçon bas (14.2) reliés entre eux par deux tronçons intermédiaires (14.3) ; les tronçons hauts et bas ayant une longueur, et les tronçons intermédiaires ayant une longueur et une inclinaison, déterminées en fonction d’un temps d’exposition directe souhaité de chaque portion de la surface (S) aux particules de matériau provenant de la source (3) de matériau.
Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le bâti (1) est pourvu d’un rail (15) s’étendant en regard de la trajectoire fermée avec un espacement constant par rapport au plateau (6) et un galet (16) est monté sur le basculeur (9) coaxialement au support (4) de maintien pour être appliqué contre le rail (15) et est lié en rotation au support (4) de maintien de telle manière que le déplacement du support (4) de maintien le long de la trajectoire fermée provoque la rotation du support autour du deuxième axe de rotation (A3).
Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le rail (15) a une section transversale circulaire de telle manière que le galet (16) puisse coopérer avec le rail (15) quelle que soit la position du basculeur (9) par rapport au plateau (6).