WO2022023647A1 - Dispositif et procede de depot de revetements epais de nitrures metalliques par la voie fluides supercritiques - Google Patents

Dispositif et procede de depot de revetements epais de nitrures metalliques par la voie fluides supercritiques Download PDF

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WO2022023647A1
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sample
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metal nitride
fluid
enclosure
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PCT/FR2021/051364
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Inventor
Marjorie Christine CAVARROC
Cyril Aymonier
Baptiste Simon GIROIRE
Bertrand Guillaume
Angélique Nadine Jeanne POULON
Guillaume AUBERT
Original Assignee
Safran
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite de Bordeaux
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/1204—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/125—Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1291—Process of deposition of the inorganic material by heating of the substrate
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/54—Improvements relating to the production of bulk chemicals using solvents, e.g. supercritical solvents or ionic liquids

Definitions

  • the present invention relates to the general field of coatings of metal nitrides and more particularly to thick coatings (greater than 1 ⁇ m) of metal nitrides, and even more particularly it relates to a device and a process for the thick deposition of coatings of metal nitrides by the supercritical fluid pathway.
  • coatings based on tungsten carbide, steel or cermets produced by the plasma torch technique have been proposed. Nevertheless, they do not make it possible to produce thick coatings, in particular because of the formation of cracks and the degradation of the tribological properties of the coating.
  • the invention relates to a device for depositing a metal nitride with a thickness greater than or equal to 1 ⁇ m on a sample by the supercritical fluid route comprising:
  • a second enclosure delimited by internal walls forming a second closed volume, the second enclosure being placed in the first enclosure and being intended to contain a fluid under supercritical conditions and the material of the internal walls being transparent to electromagnetic radiation;
  • sample holder present in the second volume and configured to support the sample
  • an induction heating device placed in the first enclosure and surrounding the second enclosure so as to be able to heat the sample placed on the sample holder;
  • a fluid in supercritical conditions is a supercritical fluid, that is to say a fluid under pressure and at temperature under supercritical conditions.
  • the device of the invention makes it possible to form a thick coating (greater than 1 ⁇ m) of metal nitride on flat samples or on samples with complex geometry while reducing the mechanical stresses partly responsible for the phenomena of delamination.
  • metal nitride such as titanium nitride TiN and tantalum nitride TaN, can replace hard chrome and is therefore more suitable for different aeronautical applications, such as engine or landing gear applications. .
  • the induction heating device makes it possible to heat only the sample while keeping a temperature on the internal and external walls lower than the temperature of the sample. Indeed, the fact of having internal walls transparent to electromagnetic radiation makes it possible to avoid inductive couplings with these walls and to keep them at a colder temperature than that of the sample in order to control convection movements within the second enclosure. Thus, the formation of metal nitride on the internal walls of the device is avoided, which makes it possible to save reagents such as precursor materials for example.
  • Induction heating also makes it possible to have a better yield than resistive heating because it also makes it possible to heat the entire surface of samples with complex geometry and this, in a faster and more homogeneous way or even by limiting the highest heating to a thickness close to the extreme surface of the part.
  • supercritical fluid The fluid in supercritical conditions, called supercritical fluid, which will be present in the second volume, when the pressure and temperature conditions are met, will promote convection within the second enclosure to obtain heterogeneous germination, significant kinetics of formation and growth of the deposit of metal nitride on the surface of the sample and controllable by the quantity of reagents provided.
  • the material of the internal walls is a ceramic.
  • the majority of ceramics are transparent to electromagnetic radiation, so ceramics are excellent candidates for forming internal walls.
  • the first and second enclosures are closed by two covers in 316L stainless steel.
  • Another object of the invention is a process for depositing a metal nitride with a thickness greater than or equal to 1 ⁇ m on a sample by the supercritical fluid route implemented by the device of the invention and comprising at least the steps following:
  • each precursor material and a fluid into the second volume so as to cause the precursor materials and the fluid to react under supercritical conditions to form metal nitride on a surface of the sample and to grow the metal nitride formed on the sample surface;
  • the method of the invention implemented with the device of the invention makes it possible to produce thick deposits (greater than 1 ⁇ m) of metal nitrides on a sample which may have a complex geometry, that is to say non-planar.
  • each precursor material and the fluid are introduced into the second volume when a temperature of the sample is greater than or equal to 100° C. and a temperature of the internal walls is greater than or equal to 70°C throughout the formation and growth of metal nitride on the surface of the sample.
  • This semi-continuous or continuous mode makes it possible to precisely control and adjust the deposition and the quantities of precursor material and of fluid introduced for better control of the kinetics of formation and growth of the metal nitride on the surface of the sample.
  • each precursor material and the fluid are introduced into the second volume when a temperature and a pressure in the second volume are greater than or equal to, respectively, the critical temperature and pressure of the fluid introduced, no precursor material and fluid being introduced during the growth of the metal nitride on the surface of the sample.
  • the sample is made of steel or is a metal alloy or is a conductive ceramic or is a conductive polymer.
  • the precursor material is an organometallic of titanium or an organometallic of tantalum.
  • the advantage of using these precursor materials is to form a coating of titanium nitride or tantalum nitride on the sample. Moreover, these precursor materials are not very dangerous and not very toxic for the operator.
  • the fluid introduced into the second volume comprises ammonia.
  • Ammonia then serves both as a source of nitrogen and as a reducing agent for precursor materials comprising a precursor of titanium or tantalum.
  • a temperature of the internal walls is between 90° C. and 200° C. during the formation and the growth of the metal nitride on the surface of the sample.
  • the sample is heated so as to reach a temperature of between 100° C. and 800° C. during the formation and the growth of the metal nitride on its surface.
  • a temperature is between 90° C. and 800° C. and a pressure is between 1 MPa and 25 MPa, for example between 10 MPa and 25 MPa during the formation and the growth of metal nitride on the surface of the sample.
  • a duration of the process is between 1 min and 60 min.
  • the duration of the process is greater than 60 min. This makes it possible to increase the thickness of the metal nitride formed at the surface of the sample.
  • Figure 1 shows, schematically and partially, a sectional view of a deposition device according to the invention.
  • FIG. 2 schematically represents the steps of a deposition method according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 schematically represents the steps of a deposition process according to one embodiment of the invention. Description of embodiments
  • a supercritical fluid or a fluid under supercritical conditions is a fluid under pressure and at temperature under supercritical conditions.
  • FIG. 1 schematically and partially represents a sectional view of a device according to the invention.
  • the device 100 makes it possible to deposit a coating of metal nitride on a sample 104.
  • the device 100 comprises a first enclosure 110 delimited by external walls 101 and forming a first closed volume VI. It also includes a second enclosure 120 delimited by internal walls 102 forming a second closed volume V2. The second enclosure 120 is included in the first enclosure 110.
  • a heat transfer fluid is placed in the first volume VI and thus circulates around the second enclosure 120.
  • the second enclosure 120 is adapted to receive a supercritical fluid and to withstand temperatures and pressures higher than the critical temperature and pressure of the supercritical fluid.
  • the device 100 also comprises an inlet 150 to be able to introduce into the second volume V2 a fluid which will be the supercritical fluid and therefore will be subjected to supercritical pressure and temperature conditions. It also includes an inlet 151 to be able to introduce precursor materials into this same volume V2.
  • An outlet 152 is also present in the device 100 to purge the second volume V2, and thus allow continuous operation of the deposit device 100.
  • a sample holder 105 is placed in the second enclosure 120 to support the sample 104 on which the coating is deposited.
  • the sample holder 105 is placed in the second enclosure 120 so that the sample 104 is held at the center of the inductor forming the induction heater 103.
  • the sample holder 105 has a shape making it possible to support the sample 104 with a minimum of point of contact in order to coat the largest possible surface of the sample with the metal nitride coating deposited and to limit the disturbances in the convection flow of the induction.
  • the sample holder 105 is composed of a material limiting thermal losses, it is for example composed of a non-thermal and electrical conductive material.
  • An induction heater 103 is placed in the first enclosure 110 and surrounds the second enclosure 120.
  • the induction heating makes it possible to heat the sample 104 by limiting the heating of the precursor materials present in the second volume V2.
  • the internal walls 102 are transparent to electromagnetic radiation. They are for example made of ceramic.
  • the ceramics used can be boron nitride, aluminum nitride, alumina or silicon nitride. These examples of dense and non-porous ceramics allow the internal walls 102 to have excellent mechanical strength and thus to resist the pressures present in the second volume V2.
  • the heat transfer fluid present in the first volume VI is dielectric.
  • the heat transfer fluid can be a synthetic oil, air or even nitrogen.
  • seals 130 to 132 may be present at the ends of the two enclosures 110 and 120 in order to guarantee the tightness of the two enclosures 110, 120.
  • These seals 130 to 132 are, for example, made of ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) or even of Kalrez 6375.
  • covers 140 and 141 can be present at the ends of the two enclosures 110 and 120 in order to close them.
  • the covers can for example be made of steel, and more particularly of 316L steel.
  • FIG. 2 represents the steps of a process for depositing a thick metal nitride coating according to one embodiment of the invention, in particular for depositing the coating in semi-continuous mode.
  • a first step 201 the sample on which it is desired to form a metal nitride coating is placed in the second enclosure on the sample holder.
  • the sample is heated by induction using the induction heating means.
  • the second volume is also heated by means of the dielectric heat transfer fluid.
  • the sample and the second volume continue to be heated by induction. This makes it possible to achieve in the vicinity of the sample the supercritical conditions necessary for the formation of the metal nitride on the surface of the sample of the fluid introduced.
  • the precursor materials and the fluid introduced therefore react under supercritical conditions to form, by chemical reaction of the seeds, metal nitride on the surface of the sample (step 204).
  • the precursor materials and the fluid are introduced into the second chamber.
  • the formation of metal nitride on the surface of the sample thus takes place in semi-open or continuous mode. This allows the amounts of precursor materials and fluid to be adjusted as the metal nitride layer grows.
  • FIG. 3 represents the steps of a method for depositing a thick metal nitride coating according to another embodiment of the invention, in particular for depositing the coating in closed mode.
  • a first step 301 the sample on which it is desired to form a metal nitride coating is placed in the second chamber on the sample holder.
  • the sample is heated by induction using the induction heating means.
  • the second volume is also heated by means of the dielectric heat transfer fluid.
  • the precursor materials and the supercritical fluid will then react and form, by chemical reaction of the seeds, metal nitride on the surface of the sample in order to form a continuous layer which will grow throughout the duration of the reaction.
  • this reaction step 304 no precursor material or fluid is added.
  • the formation of metal nitride on the surface of the sample takes place in closed mode.
  • the second enclosure is cooled before depressurizing it (step 305).
  • the sample can be made of steel, can be a metal alloy, or can be a conductive ceramic or a conductive polymer.
  • the precursor material can be a halide or an organometallic.
  • the precursor material may in particular be a titanium organometallic or a tantalum organometallic, for example titanium tetrakis(dimethylamido) TDMAT or titanium tetrakis(diethylamido) TDEAT.
  • a coating of titanium nitride can be formed on the surface of the sample; or a tantalum nitride coating can be formed with a tantalum organometallic as the precursor material.
  • the supercritical fluid that is to say the fluid introduced into the second chamber, may comprise ammonia, ethanol, methanol, carbon dioxide, dinitrogen, argon, alkanes, toluene or a mixture of these fluids.
  • ammonia will preferably be chosen as the supercritical fluid, since these precursors have good solubility in this medium and the reducing nature of ammonia makes it possible to obtain the desired stoichiometry of the nitride.
  • the precursor materials and the ammonia will be introduced into the second enclosure (step 303) when the temperature reaches at least 132, 3°C and the pressure 11.3 MPa, these thresholds corresponding to the critical temperature and pressure values of ammonia.
  • the temperature of the internal walls can vary between 90° C. and 200° C. during the formation and the growth of the metal nitride on the sample (step 204 or 304).
  • the temperature of the sample can vary between 100°C and 800°C during step 204 or 304.
  • the temperature of the supercritical fluid, and therefore of the second volume can vary in the vicinity of the sample between 90° C. and 800° C. during step 204 or 304.
  • the pressure in the second volume can vary between 1 MPa and 25 MPa, for example between 10 MPa and 25 MPa, during step 204 or 304.
  • the method of the invention can last between 1 min and 60 min, or even longer if necessary depending on the thickness of the metal nitride deposit desired.
  • the process according to the invention makes it possible to obtain a coating of continuous, dense and homogeneous metal nitride on the surface of the sample, the sample possibly having a complex three-dimensional geometry, that is to say non-planar.

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Abstract

Dispositif (100) de dépôt d'un nitrure métallique épais sur un échantillon (104) par la voie fluides supercritiques comprenant : - Une première enceinte (110) formant un premier volume fermé (V1); - Une deuxième enceinte (120) placé dans la première enceinte et délimitée par des parois internes (102) transparentes aux rayonnements électromagnétiques formant un second volume fermé (V2) destiné à comprendre un fluide en conditions supercritiques; - Un fluide diélectrique caloporteur circulant dans le premier volume autour de la deuxième enceinte; - Un porte-échantillon (105) présent dans le second volume; - Un dispositif de chauffage par induction (103) entourant la deuxième enceinte; - Des entrées (150, 151) pour introduire dans la deuxième enceinte un fluide et au moins un matériau précurseur; et - Une sortie (152) pour purger le second volume.

Description

Description
Titre de l'invention : Dispositif et procédé de dépôt de revêtements épais de nitrures métalliques par la voie fluides supercritiques
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine général des revêtements de nitrures métalliques et plus particulièrement aux revêtements épais (supérieurs à 1 pm) de nitrures métalliques, et encore plus particulièrement elle concerne un dispositif et un procédé de dépôt épais de revêtements de nitrures métalliques par la voie fluides supercritiques.
Technique antérieure
Actuellement, les revêtements à base de chrome dur élaborés par des synthèses chimiques et électrolytiques avec formation de chrome IV sont plébiscités par les industriels, car ils sont simples à réaliser, peu coûteux et permettent de couvrir de nombreuses applications. Ils sont néanmoins appelés à disparaître du fait des nouvelles réglementations concernant la protection de la santé humaine et de l'environnement.
Afin de remplacer ces revêtements et/ou procédé de fabrication, des revêtements à base de carbure de tungstène, d'acier ou de cermets élaborés par la technique de torche plasma ont été proposés. Néanmoins, ils ne permettent pas de réaliser des revêtements épais, notamment à cause de la formation de fissures et la dégradation des propriétés tribologiques du revêtement.
Des techniques de nickelage autocatalytiques ou de dépôt électrolytiques de nickel ont également été proposées, mais elles sont coûteuses et les revêtements obtenus résistent peu à la corrosion et/ou se dégradent en température. Les techniques de dépôts en phase vapeur ne sont également pas adaptées, car elles ne permettent pas de réaliser des revêtements épais et ni de revêtir des pièces à géométrie complexe, c'est-à-dire non plane. De plus, les précurseurs nécessaires sont souvent dangereux et nécessitent que le matériau, sur lequel on dépose le revêtement, supporte des températures supérieures à 700 °C.
Il est donc souhaitable de disposer d'un dispositif et d'un procédé de dépôt d'un revêtement de nitrures métalliques d'épaisseur supérieure à 1 pm afin de revêtir des pièces de géométrie complexe et d'obtenir un revêtement présentant de bonnes propriétés mécaniques, chimiques et tribologiques pouvant résister au vieillissement thermique, le procédé de dépôt devant également être peu nocif pour l'opérateur et l'environnement.
Exposé de l'invention
L'invention concerne un dispositif de dépôt d'un nitrure métallique d'épaisseur supérieure ou égale à 1 pm sur un échantillon par la voie fluides supercritiques comprenant :
- une première enceinte délimitée par des parois externes formant un premier volume fermé ;
- une deuxième enceinte délimitée par des parois internes formant un second volume fermé, la deuxième enceinte étant placée dans la première enceinte et étant destinée à contenir un fluide en conditions supercritiques et le matériau des parois internes étant transparent aux rayonnements électromagnétiques ;
- un fluide diélectrique caloporteur circulant dans le premier volume autour de la deuxième enceinte ;
- un porte-échantillon présent dans le second volume et configuré pour supporter l'échantillon ;
- un dispositif de chauffage par induction placé dans la première enceinte et entourant la deuxième enceinte de manière à pouvoir chauffer l'échantillon placé sur le porte-échantillon ;
- une entrée configurée pour introduire dans le second volume un fluide ; - une entrée configurée pour introduire dans le second volume au moins un matériau précurseur ; et
- au moins une sortie configurée pour purger le second volume.
Dans l'invention, un fluide en conditions supercritiques est un fluide supercritique, c'est-à-dire un fluide sous pression et en température dans des conditions supercritiques.
Le dispositif de l'invention permet de former un revêtement épais (supérieur à 1 pm) de nitrure métallique sur des échantillons plans ou sur des échantillons à géométrie complexe tout en réduisant les contraintes mécaniques responsables en partie des phénomènes de délaminage. De plus, le nitrure métallique, comme le nitrure de titane TiN et le nitrure de tantale TaN, permet de remplacer le chrome dur et est donc plus adapté aux différentes applications aéronautiques, telles que les applications au niveau du moteur ou du train d'atterrissage.
Le dispositif de chauffage par induction permet de ne chauffer que l'échantillon tout en gardant une température sur les parois internes et externes inférieure à la température de l'échantillon. En effet, le fait d'avoir des parois internes transparentes aux rayonnements électromagnétiques permet d'éviter les couplages inductifs avec ces parois et de les conserver à une température plus froide que celle de l'échantillon afin de contrôler les mouvements de convection au sein de la seconde enceinte. Ainsi, on évite de former du nitrure métallique sur les parois internes du dispositif, ce qui permet d'économiser des réactifs comme les matériaux précurseurs par exemple.
Le chauffage par induction permet également d'avoir un meilleur rendement que des chauffages résistifs car il permet de chauffer également toute la surface d'échantillons à géométrie complexe et ce, de manière plus rapide et plus homogène ou encore en limitant réchauffement le plus élevé à une épaisseur proche de l'extrême surface de la pièce.
Le fluide en conditions supercritiques, dit fluide supercritique, qui sera présent dans le second volume, lorsque les conditions de pression et température seront réunies, permettra de favoriser la convection au sein de la deuxième enceinte pour obtenir une germination hétérogène, des cinétiques de formation et croissance du dépôt de nitrure métallique sur la surface de l'échantillon importantes et contrôlables par la quantité en réactifs apportée.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, le matériau des parois internes est une céramique. La majorité des céramiques est transparente aux rayonnements électromagnétiques, donc les céramiques sont d'excellents candidats pour former les parois internes.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, les première et deuxième enceintes sont fermées par deux couvercles en acier inoxydable 316L.
Un autre objet de l'invention est un procédé de dépôt d'un nitrure métallique d'épaisseur supérieure ou égale à 1 pm sur un échantillon par la voie fluides supercritiques mis en œuvre par le dispositif de l'invention et comprenant au moins les étapes suivantes :
- placement de l'échantillon sur le porte-échantillon ;
- chauffage par induction de l'échantillon et chauffage du second volume par le fluide diélectrique caloporteur ;
- introduction de chaque matériau précurseur et d'un fluide dans le second volume de manière à faire réagir les matériaux précurseurs et le fluide en conditions supercritiques pour former du nitrure métallique sur une surface de l'échantillon et faire croître le nitrure métallique formé sur la surface de l'échantillon ; et
- refroidissement puis dépressurisation du second volume.
Le procédé de l'invention mis en œuvre avec le dispositif de l'invention permet de réaliser des dépôts épais (supérieurs à 1 pm) de nitrures métalliques sur un échantillon pouvant avoir une géométrie complexe, c'est-à-dire non plane.
Selon un mode de réalisation de l'invention, chaque matériau précurseur et le fluide sont introduits dans le second volume quand une température de l'échantillon est supérieure ou égale à 100 °C et qu'une température des parois internes est supérieure ou égale à 70 °C pendant toute la durée de la formation et de la croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon.
Cela permet de réaliser un dépôt en mode semi-continu ou continu, c'est-à-dire que le dépôt croît au fur et à mesure de l'ajout et de la réaction des matériaux précurseurs et du fluide en conditions supercritiques dans la deuxième enceinte. Ce mode semi-continu ou continu permet de contrôler et d'ajuster précisément le dépôt et les quantités de matériau précurseur et de fluide introduits pour un meilleur contrôle de la cinétique de formation et croissance du nitrure métallique à la surface de l'échantillon.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, chaque matériau précurseur et le fluide sont introduits dans le second volume quand une température et une pression dans le second volume sont supérieures ou égales, respectivement, à la température et à la pression critiques du fluide introduit, aucun matériau précurseur et fluide n'étant introduits lors de la croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon.
Cela permet de réaliser un dépôt en mode fermé.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'échantillon est en acier ou est un alliage métallique ou est une céramique conductrice ou est un polymère conducteur.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le matériau précurseur est un organométallique de titane ou un organométallique de tantale. L'intérêt d'utiliser ces matériaux précurseurs est de former un revêtement de nitrure de titane ou de nitrure de tantale sur l'échantillon. De plus, ces matériaux précurseurs sont peu dangereux et peu toxiques pour l'opérateur.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le fluide introduit dans le second volume comprend de l'ammoniac. L'ammoniac sert alors à la fois de source d'azote et de réducteur pour des matériaux précurseurs comprenant un précurseur de titane ou de tantale Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, une température des parois internes est comprise entre 90 °C et 200 °C durant la formation et la croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, l'échantillon est chauffé de manière à atteindre une température comprise entre 100 °C et 800 °C durant la formation et la croissance du nitrure métallique sur sa surface.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, dans le second volume, une température est comprise entre 90 °C et 800 °C et une pression est comprise entre 1 MPa et 25 MPa, par exemple entre 10 MPa et 25 MPa durant la formation et la croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, une durée du procédé est comprise entre 1 min et 60 min.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, la durée du procédé est supérieure à 60 min. Cela permet d'augmenter l'épaisseur du nitrure métallique formé en surface de l'échantillon.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
[Fig. 1] La figure 1 représente, de manière schématique et partielle, une vue en coupe d'un dispositif de dépôt selon l'invention.
[Fig. 2] La figure 2 représente, de manière schématique, les étapes d'un procédé de dépôt selon un mode de réalisation de l'invention.
[Fig. 3] La figure 3 représente, de manière schématique, les étapes d'un procédé de dépôt selon un mode de réalisation de l'invention. Description des modes de réalisation
Dans toute la description, un fluide supercritique ou un fluide en conditions supercritiques est un fluide sous pression et en température dans des conditions supercritiques.
La figure 1 représente de manière schématique et partielle une vue en coupe d'un dispositif selon l'invention.
Le dispositif 100 permet de déposer un revêtement de nitrure métallique sur un échantillon 104. Le dispositif 100 comprend une première enceinte 110 délimitée par des parois externes 101 et formant un premier volume VI fermé. Il comprend également une deuxième enceinte 120 délimitée par des parois internes 102 formant un second volume V2 fermé. La deuxième enceinte 120 est incluse dans la première enceinte 110.
Un fluide caloporteur est placé dans le premier volume VI et circule ainsi autour de la deuxième enceinte 120.
La deuxième enceinte 120 est adaptée pour recevoir un fluide supercritique et pour supporter des températures et des pressions supérieures aux température et pression critiques du fluide supercritique.
Le dispositif 100 comprend également une entrée 150 pour pouvoir introduire dans le second volume V2 un fluide qui sera le fluide supercritique et donc sera soumis à des conditions de pression et température supercritiques. Il comprend également une entrée 151 pour pouvoir introduire des matériaux précurseurs dans ce même volume V2.
Une sortie 152 est également présente dans le dispositif 100 pour purger le second volume V2, et ainsi permettre un fonctionnement en continu du dispositif 100 de dépôt.
Un porte-échantillon 105 est placé dans la deuxième enceinte 120 pour supporter l'échantillon 104 sur lequel on dépose le revêtement. De manière préférentielle, le porte-échantillon 105 est placé dans la deuxième enceinte 120 de manière à ce que l'échantillon 104 soit maintenu au centre de l'inducteur formant le chauffage par induction 103. De manière préférentielle, le porte-échantillon 105 a une forme permettant de supporter l'échantillon 104 avec un minimum de point de contact afin de revêtir la plus grande surface possible de l'échantillon avec le revêtement de nitrure métallique déposé et de limiter les perturbations dans le flux de convection de l'induction. De manière préférentielle, le porte-échantillon 105 est composé d'un matériau limitant les pertes thermiques, il est par exemple composé d'un matériau non-conducteur thermique et électrique.
Un chauffage par induction 103 est placé dans la première enceinte 110 et entoure la deuxième enceinte 120. Le chauffage par induction permet de chauffer l'échantillon 104 en limitant le chauffage des matériaux précurseurs présents dans le second volume V2.
Afin de ne pas perturber le chauffage de l'échantillon 104 par induction, les parois internes 102 sont transparentes au rayonnement électromagnétique. Elles sont par exemple réalisées en céramique. Les céramiques utilisées peuvent être du nitrure de bore, du nitrure d'aluminium, de l'alumine ou du nitrure de silicium. Ces exemples de céramiques denses et non poreuses permettent aux parois internes 102 d'avoir une excellente tenue mécanique et ainsi de résister aux pressions présentes dans le second volume V2.
Afin de ne pas dégrader le rendement de l'induction, le fluide caloporteur présent dans le premier volume VI est diélectrique. Par exemple, le fluide caloporteur peut être une huile synthétique, de l'air ou encore de l'azote.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, des joints toriques 130, 131,
132 et 133 peuvent être présents aux extrémités des deux enceintes 110 et 120 afin de garantir l'étanchéité des deux enceintes 110, 120. Ces joints 130 à 132 sont, par exemple, en éthylène-propylène-diène monomère (EPDM) ou encore en Kalrez 6375.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, des couvercles 140 et 141 peuvent être présents aux extrémités des deux enceintes 110 et 120 afin de les fermer. Avantageusement, seul un des deux couvercles 140 et 141 est mobile. Les couvercles peuvent par exemple être en acier, et plus particulièrement an acier 316L. La figure 2 représente les étapes d'un procédé de dépôt d'un revêtement de nitrure métallique épais selon un mode de réalisation de l'invention, notamment pour déposer le revêtement en mode semi-continu.
Dans une première étape 201, l'échantillon sur lequel on souhaite former un revêtement de nitrure métallique est placé dans la deuxième enceinte sur le porte- échantillon.
Puis dans l'étape suivante 202, on chauffe l'échantillon par induction grâce au moyen de chauffage par induction. On chauffe également dans cette étape le second volume grâce au fluide caloporteur diélectrique.
Puis dès que la température de l'échantillon Téch. atteint au moins 100 °C et que la température des parois internes Tparoi atteint au moins 70 °C, on commence à introduire dans la deuxième enceinte (étape 203) les matériaux précurseurs et un fluide. Le fluide introduit sera ensuite soumis à des conditions supercritiques dans la deuxième enceinte.
Durant l'introduction des matériaux précurseurs et du fluide, on continue à chauffer par induction l'échantillon et le second volume. Cela permet d'atteindre au voisinage de l'échantillon les conditions supercritiques nécessaires pour la formation du nitrure métallique à la surface de l'échantillon du fluide introduit.
Les matériaux précurseurs et le fluide introduit réagissent donc dans des conditions supercritiques pour former, par réaction chimique des germes, du nitrure métallique à la surface de l'échantillon (étape 204). Durant toute la formation et la croissance du nitrure métallique à la surface de l'échantillon, les matériaux précurseurs et le fluide sont introduits dans la deuxième enceinte. La formation du nitrure métallique à la surface de l'échantillon a ainsi lieu en mode semi-ouvert ou continu. Cela permet d'ajuster les quantités de matériaux précurseurs et de fluide au fur et à mesure de la croissance de la couche de nitrure métallique.
Quand la croissance de la couche continue de nitrure métallique est achevée, c'est- à-dire quand l'épaisseur de nitrure métallique est atteinte, on refroidit la deuxième enceinte avant de la dépressuriser (étape 205). La figure 3 représente les étapes d'un procédé de dépôt d'un revêtement de nitrure métallique épais selon un autre mode de réalisation de l'invention, notamment pour déposer le revêtement en mode fermé.
Dans une première étape 301, l'échantillon sur lequel on souhaite former un revêtement de nitrure métallique est placé dans la deuxième enceinte sur le porte- échantillon.
Puis dans l'étape suivante 302, on chauffe l'échantillon par induction grâce au moyen de chauffage par induction. On chauffe également dans cette étape le second volume grâce au fluide caloporteur diélectrique.
Dès que la température et la pression au sein de la deuxième enceinte (T, P)2nd volume atteignent au moins la température et la pression critiques (T, P)c du fluide que l'on souhaite introduire, on introduit dans la deuxième enceinte les matériaux précurseurs et le fluide qui sera ainsi placé en conditions supercritiques (étape 303).
Les matériaux précurseurs et le fluide supercritique vont alors réagir et former, par réaction chimique des germes, du nitrure métallique à la surface de l'échantillon afin de former une couche continue qui va croître durant toute la durée de la réaction. Durant cette étape de réaction 304, aucun matériau précurseur ou fluide n'est ajouté. La formation du nitrure métallique à la surface de l'échantillon a lieu en mode fermé.
Quand la croissance de la couche continue de nitrure métallique est achevée, c'est- à-dire quand tous les matériaux précurseurs ont réagi, on refroidit la deuxième enceinte avant de la dépressuriser (étape 305).
Quel que soit le mode de réalisation, l'échantillon peut être en acier, peut être un alliage métallique, ou encore peut être une céramique conductrice ou un polymère conducteur.
Quel que soit le mode de réalisation, le matériau précurseur peut être un halogénure ou un organométallique. Le matériau précurseur peut notamment être un organométallique de titane ou un organométallique de tantale, par exemple le tétrakis(diméthylamido) de titane TDMAT ou le tétrakis(diéthylamido) de titane TDEAT. Ainsi, par exemple avec un organométallique de titane comme précurseur, on pourra former un revêtement de nitrure de titane sur la surface de l'échantillon ; ou on pourra former un revêtement de nitrure de tantale avec un organométallique de tantale comme matériau précurseur.
Quel que soit le mode de réalisation, le fluide supercritique, c'est-à-dire le fluide introduit dans la deuxième enceinte, peut comprendre de l'ammoniac, de l'éthanol, du méthanol, du dioxyde de carbone, du diazote, de l'argon, des alcanes, du toluène ou un mélange de ces fluides. Si le matériau précurseur est le TDMAT ou le TDEAT, on choisira préférentiellement l'ammoniac comme fluide supercritique, car ces précurseurs présentent une bonne solubilité dans ce milieu et le caractère réducteur de l'ammoniac permet d'obtenir la stœchiométrie souhaitée du nitrure.
Dans le cas du procédé décrit en référence à la figure 3, si l'on choisit l'ammoniac comme fluide supercritique, les matériaux précurseurs et l'ammoniac seront introduits dans la deuxième enceinte (étape 303) quand la température atteint au moins 132,3 °C et la pression 11,3 MPa, ces seuils correspondant aux valeurs de température et pression critiques de l'ammoniac.
Quel que soit le mode de réalisation, la température des parois internes peut varier entre 90 °C et 200 °C durant la formation et la croissance du nitrure métallique sur l'échantillon (étape 204 ou 304).
Quel que soit le mode de réalisation, la température de l'échantillon peut varier entre 100 °C et 800 °C durant l'étape 204 ou 304.
Quel que soit le mode de réalisation, la température du fluide supercritique, et donc du second volume, peut varier au voisinage de l'échantillon entre 90 °C et 800 °C durant l'étape 204 ou 304.
Quel que soit le mode de réalisation, la pression dans le second volume peut varier entre 1 MPa et 25 MPa, par exemple entre 10 MPa et 25 MPa, durant l'étape 204 ou 304.
Quel que soit le mode de réalisation, le procédé de l'invention peut durer entre 1 min et 60 min, voire au-delà si nécessaire en fonction de l'épaisseur du dépôt de nitrure métallique souhaitée. Que l'on soit en mode semi-ouvert ou continu (procédé décrit en référence à la figure 2) ou en mode fermé (procédé décrit en référence à la figure 3), le procédé selon l'invention permet d'obtenir un revêtement de nitrure métallique continu, dense et homogène sur la surface de l'échantillon, l'échantillon pouvant être de géométrie tridimensionnelle complexe, c'est-à-dire non plane.
L'expression « compris(e) entre ... et ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Dispositif (100) de dépôt d'un nitrure métallique d'épaisseur supérieure ou égale à 1 pm sur un échantillon (104) par la voie fluides supercritiques comprenant :
- une première enceinte (110) délimitée par des parois externes (101) formant un premier volume fermé (VI) ;
- une deuxième enceinte (120) délimitée par des parois internes (102) formant un second volume fermé (V2), la deuxième enceinte étant placée dans la première enceinte et étant destinée à contenir un fluide en conditions supercritiques et le matériau des parois internes étant transparent aux rayonnements électromagnétiques ;
- un fluide diélectrique caloporteur circulant dans le premier volume autour de la deuxième enceinte ;
- un porte-échantillon (105) présent dans le second volume et configuré pour supporter l'échantillon (104) ;
- un dispositif de chauffage par induction (103) placé dans la première enceinte et entourant la deuxième enceinte de manière à pouvoir chauffer l'échantillon placé sur le porte-échantillon ;
- une entrée (150) configurée pour introduire dans le second volume un fluide ;
- une entrée (151) configurée pour introduire dans le second volume au moins un matériau précurseur ; et
- au moins une sortie (152) configurée pour purger le second volume.
[Revendication 2] Dispositif de dépôt d'un nitrure métallique selon la revendication
1, dans lequel le matériau des parois internes est une céramique.
[Revendication 3] Dispositif de dépôt d'un nitrure métallique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les première et deuxième enceintes sont fermées par deux couvercles (140, 141) en acier inoxydable 316L.
[Revendication 4] Procédé de dépôt d'un nitrure métallique d'épaisseur supérieure ou égale à 1 pm sur un échantillon par la voie fluides supercritiques mis en œuvre par le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et comprenant au moins les étapes suivantes :
- placement de l'échantillon sur le porte-échantillon (201, 301) ;
- chauffage par induction de l'échantillon et chauffage du second volume par le fluide diélectrique caloporteur (202, 302) ;
- introduction (203, 303) de chaque matériau précurseur et d'un fluide dans le second volume de manière à faire réagir les matériaux précurseurs et le fluide en conditions supercritiques pour former (204, 304) du nitrure métallique sur une surface de l'échantillon et faire croître le nitrure métallique formé sur la surface de l'échantillon ; et
- refroidissement puis dépressurisation du second volume (205, 305).
[Revendication 5] Procédé de dépôt selon la revendication 4 dans lequel, chaque matériau précurseur et le fluide sont introduits dans le second volume (203) quand une température de l'échantillon (Téch.) est supérieure ou égale à 100 °C et qu'une température des parois internes (Tpar0i) est supérieure ou à égale à 70 °C pendant toute la durée de la formation et croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon (204).
[Revendication 6] Procédé de dépôt selon la revendication 4 dans lequel, chaque matériau précurseur et le fluide sont introduits dans le second volume (303) quand une température et une pression dans le second volume ((T, P)2nd volume) sont supérieures ou égales, respectivement, à la température et à la pression critiques du fluide supercritique ((T,P)C), aucun matériau précurseur et fluide supercritique n'étant introduits lors de la croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon (304).
[Revendication 7] Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à
6 dans lequel, l'échantillon est en acier ou est un alliage métallique ou est une céramique conductrice ou est un polymère conducteur.
[Revendication 8] Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à
7 dans lequel, le matériau précurseur est un organométallique de titane ou un organométa Nique de tantale.
[Revendication 9] Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à
8 dans lequel, le fluide introduit dans le second volume comprend de l'ammoniac.
[Revendication 10] Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à
9 dans lequel, une température des parois internes est comprise entre 90 °C et 200 °C durant la formation et la croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon.
[Revendication 11] Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à
10 dans lequel, l'échantillon est chauffé de manière à atteindre une température comprise entre 100 °C et 800 °C durant la formation et la croissance du nitrure métallique sur sa surface.
[Revendication 12] Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à 11 dans lequel, dans le second volume, une température est comprise entre
90 °C et 800 °C et une pression est comprise entre 10 MPa et 25 MPa durant la formation et la croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon. [Revendication 13] Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à
11 dans lequel, dans le second volume, une température est comprise entre 90 °C et 800 °C et une pression est comprise entre 1 MPa et 25 MPa durant la formation et la croissance du nitrure métallique sur la surface de l'échantillon. [Revendication 14] Procédé de dépôt selon l'une quelconque des revendications 4 à 13 dans lequel, une durée du procédé est comprise entre 1 min et 60 min.
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