WO2023057706A1 - Dispositif de chauffage d'un substrat pour dépôt sous vide - Google Patents

Dispositif de chauffage d'un substrat pour dépôt sous vide Download PDF

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heating plate
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Cyril DUPEYRAT
Maxime PARAILLOUS
Joël FLEURY
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Safran Electronics & Defense
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    • H01L21/67248—Temperature monitoring

Definitions

  • TITLE Device for heating a substrate for vacuum deposition
  • the present invention relates to the deposition of thin layers on a substrate, for example an optical element.
  • the present invention relates more particularly to the heating of the substrate on which thin layers are deposited, the heating of the substrate favoring the good behavior of the thin layers.
  • Multilayer optical treatments are treatments applied to surfaces by stacking processes of thin layers.
  • the optical performance of these coatings depends in part on their thickness and the material used.
  • the mechanical resistance of these thin layers in response to external agents such as chemical compounds or abrasion in all its forms depends essentially on the materials used, in particular that of the layer located the outermost, as well as than the microstructure of the layers, in particular the porosity rate.
  • infrared lamps or fixed ceramic heaters are generally used, powered by an external power source connected to the mains and requiring sealed electrical passages through a wall of the frame.
  • the substrates or optical parts to be treated are generally fixed on a rotating support, hence the need to have to heat the entire enclosure without being able to target the substrate. Heating the entire enclosure leads to a long response time and stabilization of the temperature, which can create increases in the temperature of the parts compared to the setpoint. Additionally, global heating implies a lack of knowledge of the exact temperature of the substrate or of the other elements that the enclosure contains.
  • the heating of the enclosure can also imply the degradation of certain elements of the enclosure such as the seals of the frame, and involves a significant degassing, degrading the vacuum of the enclosure.
  • substrates with infrared application being transparent in this spectral range, are not very sensitive and therefore difficult to heat by thermal radiation using infrared radiation.
  • the internal temperature of the enclosure generally reaches a limit temperature around 250° C. to 300° C., which limits the performance of thin layers with regard to mechanical and chemical protection, and which makes it impossible to develop theoretically ideal materials such as diamond or cubic boron nitride.
  • the present invention therefore aims to overcome the aforementioned drawbacks and to ensure only the heating of the substrate.
  • the subject of the present invention is a device for heating a substrate in a vacuum chamber for multilayer deposition on said substrate, the device comprising a heat source intended to be in contact with the substrate, a support for the heat source, a thermal insulator positioned between the support and the heat source, a battery supplying the heat source, and a structure for holding the substrate against the heat source.
  • this autonomous and embedded system makes it possible to generate a source of heat as close as possible to the substrate and thus to be able to keep a freedom of movement of the support without temperature limit of the substrate.
  • the temperature is quickly reached. It can easily exceed 1000°C.
  • the heating device is inexpensive compared to existing devices and it guarantees a better vacuum in the enclosure insofar as only the parts to be treated are heated.
  • the heat source comprises at least one heating plate, an electrically insulating support intended to be in contact with the thermal insulator and intended to support the heating plate, and two electrodes connected to the supply battery on the one hand and to the heating plate on the other hand.
  • the heating plate comprises a deposit of a resistive layer.
  • the resistive layer comprises a thin layer of chromium or nickel-chromium, the electrically insulating support comprising alumina, the two electrodes comprising a layer of gold.
  • the support structure is integral with the heat source and is made from a material with low thermal conduction.
  • the heating device further comprises a microcontroller, a temperature sensor and a radiofrequency microcard so that the microcard sends and receives information and commands between the interior of the enclosure and the exterior of the enclosure.
  • the battery is an electric battery compatible with vacuum use.
  • the electrical resistance of the heating plate is between 1 and 100 Ohms, preferably between 5 and 15 Ohms.
  • the present invention also relates to a multilayer deposition chamber comprising a heating device as defined above.
  • FIG 1 schematically illustrates a heating device according to the invention.
  • FIG. 1 a schematic view of a heating device 1 of a substrate 2.
  • the substrate 2 is intended to accommodate a multilayer deposit, for example an optical treatment, on a treatment surface 3.
  • the heating device 1 is intended to be placed in a vacuum enclosure delimited by a sealed frame (not shown) comprising deposition means, for example electron guns, necessary for the development of multilayer treatments.
  • the heating device 1 comprises a heat source 5 intended to be in contact with the substrate 2, a support 6 of the heat source 5, a thermal insulator 7 positioned between the support 6 and the heat source 5 and a battery of ' supply 8 from heat source 5.
  • the heat source 5 comprises in particular one or more heating plates 10, an electrically insulating support 11 and two electrodes 12.
  • the heating plate 10 comprises a deposit of a resistive layer deposited on the electrically insulating support 11.
  • the resistive layer is for example a thin layer of chromium or nickel-chromium 10 to 100 nanometers thick.
  • the deposition of the resistive layer forms resistive wires or a continuous layer.
  • the heating plate 10 is produced by sputtering, photolithography processes making it possible to vary the final shape of the resistive layer.
  • the electrical resistance of the heating plate 10 is between 1 and 100 Ohms, preferably between 5 and 15 Ohms.
  • the electrically insulating support 11 is for example alumina or more quartz.
  • the electrically insulating support 11 is for example glued directly to the thermal insulator 7, the heating plate 10 extending over the rest of the non-glued surface of the electrically insulating support 11.
  • the electrodes 12 are positioned at two ends of the heat source 5 against the resistive layer of the heating plate 10.
  • the electrodes 12 comprise a layer of gold.
  • the gold layer allows the high temperature soldering of electrical wires.
  • Each electrode is connected by electric wires 13 to the heating plate 10 on the one hand, in particular to the resistive layer, and to the supply battery 8 on the other hand.
  • the passage of an electric current in the heating plate 10 rapidly raises the temperature of the heating plate 10 as well as of the electrically insulating support 11 so as to also increase the temperature of the substrate 2.
  • the support 6 of the heat source 5 is for example rotatable and can be oriented on several axes.
  • the support 6 is for example an extension coming to be fixed on a support already existing on pre-existing multilayer deposition chambers.
  • the thermal insulator 7 is glued on the one hand to the support 6 and on the other hand to the electrically insulating support 11. It makes it possible not to heat other elements of the enclosure unnecessarily and thus to guarantee all the heating power of the heat source 5 for the substrate 2.
  • the Power Bank 8 includes an electric battery compatible with use in the vacuum chamber.
  • the power supply battery 8 allows the heating device 1 to operate autonomously in energy and without hindering the movements of the support 6 with power supply wires which could come out of the enclosure.
  • the voltage across the terminals of the supply battery 8 is for example 24 V for a current of approximately one ampere.
  • the heating device 1 further comprises a structure 15 for holding the substrate 2 against the heat source 5, a microcontroller 16, a temperature sensor 17 and a radiofrequency microcard 18.
  • the holding structure 15 makes it possible to heat the substrate 2 by direct conduction between the resistive layer of the heating plate 10 and the substrate 2.
  • the holding structure 15 is integral with and fixed to the heat source 5, for example fixed in the support electrically insulating January 1.
  • the retaining structure 15 is made of a material with low thermal conduction.
  • the microcontroller 16 comprises a proportional, integral, derivative regulator making it possible to control the energy leaving the heat source 5 according to different heating programs, information received by the temperature sensor 17 or according to the commands received by the microcard radiofrequency 18.
  • the microcontroller 16 is for example connected to the radiofrequency microcard 18, to the temperature sensor 17 and to the power supply battery 8.
  • the microcontroller 16 optionally comprises a circuit for amplifying the signal from the temperature sensor 17.
  • the temperature sensor 17 comprises a thermocouple measuring the temperature near the treatment surface 3.
  • the temperature sensor 17 is attached to the support structure 15 and measures the temperature of the treatment surface 3 at less than 10 millimeters of the treatment surface 3.
  • the temperature sensor 17 is connected to the microcontroller 16.
  • the radiofrequency microcard 18 comprises an antenna transmitter/receiver intended to communicate with a transmitter/receiver located outside the vacuum enclosure.
  • the communication frequency is for example 433 MHz.
  • the radiofrequency microcard 18 as well as the microcontroller 16 make it possible to remotely control the heating of the substrate 2 and to control the temperature of said substrate 2.
  • the heating device 1 being of small dimensions, several heating devices 1 can be arranged in a multilayer deposition chamber.

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Abstract

Ce dispositif de chauffage d'un substrat (2) dans une enceinte sous vide pour dépôt multicouche sur ledit substrat (2) comprend une source de chaleur (5) destinée à être en contact avec le substrat (2), un support (6) de la source de chaleur (5), un isolant thermique (7) positionné entre le support (6) et la source de chaleur (5), une batterie d'alimentation (8) de la source de chaleur (5), et une structure de maintien (15) du substrat (2) contre la source de chaleur (5).

Description

DESCRIPTION
TITRE : Dispositif de chauffage d’un substrat pour dépôt sous vide
Domaine technique
La présente invention concerne le dépôt de couches minces sur un substrat, par exemple un élément optique.
La présente invention concerne plus particulièrement le chauffage du substrat sur lequel sont déposées des couches minces, le chauffage du substrat favorisant la bonne tenue des couches minces.
Techniques antérieures
Les traitements optiques multicouches sont des traitements appliqués sur des surfaces par des procédés d’empilement de couches minces. Les performances optiques de ces traitements dépendent en partie de leur épaisseur et du matériau utilisé.
En revanche, la tenue mécanique de ces couches minces en réponse à des agents extérieurs tels que des composés chimiques ou l’ abrasion sous toute ses formes dépend essentiellement des matériaux utilisés, en particulier celui de la couche située la plus à l’ extérieur, ainsi que de la microstructure des couches, notamment le taux de porosité.
Pour obtenir des couches comprenant un faible taux de porosités, il est nécessaire de chauffer le plus fortement possible le substrat sur lequel sont déposées les couches minces.
Les solutions pour élever la température dans un bâti de dépôt sous vide permettent généralement de chauffer l’ intégralité de l’ enceinte à l’ intérieur du bâti. En effet, on utilise généralement des lampes infrarouges ou des radiateurs céramiques fixes, alimentés par une source d’ alimentation électrique externe branchée sur le secteur et nécessitant des passages électriques étanches au travers d’une paroi du bâti.
Or, les substrats ou pièces optiques à traiter sont en général fixés sur un support tournant, d’ où la nécessité de devoir chauffer l’ intégralité de l’ enceinte sans pouvoir cibler le substrat. La chauffe de l’ entièreté de l’ enceinte entraîne un temps long de réponse et de stabilisation de la température, pouvant créer des surélévations de la température des pièces par rapport à la consigne. Additionnellement, une chauffe globale implique une méconnaissance de la température exacte du substrat ou des autres éléments que contient l’ enceinte.
La chauffe de l’ enceinte peut également impliquer la dégradation de certains éléments de l’ enceinte tels que les joints du bâti, et implique un dégazage important, dégradant le vide de l’ enceinte.
En outre, la consommation électrique de ce mode de chauffage est importante.
De plus, les substrats à application infrarouge, étant transparents dans ce domaine spectral, sont peu sensibles et donc difficiles à chauffer par radiation thermique utilisant le rayonnement infrarouge.
Enfin, et compte tenu de la dispersion de la chaleur dans l’ enceinte, la température interne de l’ enceinte atteint généralement une température limite autour de 250°C à 300° C, ce qui limite les performances des couches minces en ce qui concerne la protection mécanique et chimique, et ce qui rend impossible l’ élaboration de matériau théoriquement idéaux de type diamant ou nitrure de bore cubique.
Exposé de l’invention
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et d’ assurer uniquement la chauffe du substrat.
La présente invention a pour objet un dispositif de chauffage d’un substrat dans une enceinte sous vide pour dépôt multicouche sur ledit substrat, le dispositif comprenant une source de chaleur destinée à être en contact avec le substrat, un support de la source de chaleur, un isolant thermique positionné entre le support et la source de chaleur, une batterie d’ alimentation de la source de chaleur, et une structure de maintien du substrat contre la source de chaleur.
Ainsi, ce système autonome et embarqué permet d’ engendrer une source de chaleur au plus près du substrat et ainsi de pouvoir garder une liberté de mouvement du support sans limite de température du substrat. La température est rapidement atteignable. Elle peut facilement dépasser les 1000°C. De plus, le dispositif de chauffage est peu onéreux comparé aux dispositifs existants et il garantit un meilleur vide dans l’ enceinte dans la mesure où seules les pièces à traiter sont chauffées.
Avantageusement, la source de chaleur comprend au moins une plaque chauffante, un support isolant électriquement destiné à être en contact avec l’ isolant thermique et destiné à supporter la plaque chauffante, et deux électrodes reliées à la batterie d’ alimentation d’une part et à la plaque chauffante d’ autre part.
Avantageusement, la plaque chauffante comprend un dépôt d’une couche résistive.
Dans un mode de réalisation, la couche résistive comprend une couche mince de chrome ou de nickel-chrome, le support isolant électriquement comprenant de l’ alumine, les deux électrodes comprenant une couche d’ or.
Avantageusement, la structure de maintien est solidaire de la source de chaleur et est réalisée à partir d’un matériau à faible conduction thermique.
Avantageusement, le dispositif de chauffage comprend en outre un microcontrôleur, un capteur de température et une microcarte radiofréquence de sorte que la microcarte envoie et reçoit des informations et des commandes entre l’intérieur de l’ enceinte et l’ extérieur de l’ enceinte.
Avantageusement, la batterie est une batterie électrique compatible d’une utilisation sous-vide.
Dans un mode particulier de réalisation, la résistance électrique de la plaque chauffante est comprise entre 1 et 100 Ohms, de préférence entre 5 et 15 Ohms.
La présente invention a également pour objet une enceinte de dépôt multicouche comprenant un dispositif de chauffage tel que défini précédemment.
Brève description des dessins D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’ invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence au dessin annexé sur lequel :
[Fig 1 ] illustre schématiquement un dispositif de chauffage selon l’ invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
On a représenté sur la figure 1 une vue schématique d’un dispositif de chauffage 1 d’un substrat 2. Le substrat 2 est destiné à accueillir un dépôt multicouche, par exemple un traitement optique, sur une surface de traitement 3.
Le dispositif de chauffage 1 est destiné à être placé dans une enceinte sous vide délimité par un bâti étanche (non représenté) comprenant des moyens de dépôt, par exemple des canons à électrons, nécessaires à l’élaboration de traitements multicouche.
Le dispositif de chauffage 1 comprend une source de chaleur 5 destinée à être en contact avec le substrat 2, un support 6 de la source de chaleur 5, un isolant thermique 7 positionné entre le support 6 et la source de chaleur 5 et une batterie d’ alimentation 8 de la source de chaleur 5.
La source de chaleur 5 comprend en particulier une ou plusieurs plaques chauffantes 10, un support isolant électriquement 1 1 et deux électrodes 12.
La plaque chauffante 10 comprend un dépôt d’une couche résistive déposée sur le support isolant électriquement 1 1. La couche résistive est par exemple une couche mince de chrome ou de nickel- chrome de 10 à 100 nanomètres d’ épaisseur. Le dépôt de la couche résistive forme des fils résistifs ou une couche continue. La plaque chauffante 10 est réalisé par pulvérisation cathodique, des procédés de photolithographie permettant de varier la forme finale de la couche résistive. La résistance électrique de la plaque chauffante 10 est comprise entre 1 et 100 Ohms, de préférence entre 5 et 15 Ohms. Le support isolant électriquement 1 1 est par exemple de l’ alumine ou encore du quartz. Le support isolant électriquement 1 1 est par exemple collé directement à l’ isolant thermique 7, la plaque chauffante 10 s’ étendant sur le reste de la surface non collée du support isolant électriquement 11.
Les électrodes 12 sont positionnées à deux extrémités de la source de chaleur 5 contre la couche résistive de la plaque chauffante 10. Les électrodes 12 comprennent une couche d’ or. La couche d’ or permet la brasure haute température des fils électriques. Chaque électrode est reliée par des fils électriques 13 à la plaque chauffante 10 d’une part, en particulier à la couche résistive, et à la batterie d’ alimentation 8 d’ autre part. Le passage d’un courant électrique dans la plaque chauffante 10 élève rapidement la température de la plaque chauffante 10 ainsi que du support isolant électriquement 1 1 de manière à augmenter également la température du substrat 2.
Le support 6 de la source de chaleur 5 est par exemple rotatif et peut être orienté sur plusieurs axes. En particulier, le support 6 est par exemple une extension venant se fixer sur un support déj à existant sur des enceintes de dépôt multicouche préexistantes.
L’ isolant thermique 7 est collé d’une part au support 6 et d’ autre part au support isolant électriquement 1 1 . Il permet de ne pas chauffer inutilement d’ autres éléments de l’enceinte et ainsi de garantir toute la puissance de chauffe de la source de chaleur 5 pour le substrat 2.
La batterie d’ alimentation 8 comprend une batterie électrique compatible avec une utilisation dans l’ enceinte sous vide. La batterie d’ alimentation 8 permet au dispositif de chauffage 1 de fonctionner de manière autonome en énergie et sans entraver les mouvements du support 6 avec des fils d’ alimentation qui pourraient sortir de l’ enceinte. La tension aux bornes de la batterie d’ alimentation 8 est par exemple de 24 V pour un courant d’ environ un ampère.
Le dispositif de chauffage 1 comprend en outre une structure de maintien 15 du substrat 2 contre la source de chaleur 5, un microcontrôleur 16, un capteur de température 17 et une microcarte radiofréquence 18. La structure de maintien 15 permet de chauffer le substrat 2 par conduction directe entre la couche résistive de la plaque chauffante 10 et le substrat 2. La structure de maintien 15 est solidaire et fixée à la source de chaleur 5, par exemple fixée dans le support isolant électriquement 1 1. La structure de maintien 15 est réalisée dans un matériau à faible conduction thermique.
Le microcontrôleur 16 comprend un régulateur proportionnel, intégral, dérivé permettant de piloter l’ énergie sortant de la source de chaleur 5 en fonction de différents programmes de chauffage, des informations reçues par le capteur de température 17 ou en fonction des commandes reçues par la microcarte radiofréquence 18. Le microcontrôleur 16 est par exemple relié à la microcarte radiofréquence 18, au capteur de température 17 et à la batterie d’ alimentation 8. Le microcontrôleur 16 comprend optionnellement un circuit d’ amplification du signal du capteur de température 17.
Le capteur de température 17 comprend un thermocouple mesurant la température à proximité de la surface de traitement 3. Par exemple, le capteur de température 17 est fixé à la structure de maintien 15 et mesure la température de la surface de traitement 3 à moins de 10 millimètres de la surface de traitement 3. Le capteur de température 17 est relié au microcontrôleur 16.
La microcarte radiofréquence 18 comprend un émetteur/récepteur à antenne destiné à communiquer avec un émetteur/récepteur situé en dehors de l’ enceinte sous vide. La fréquence de communication est par exemple de 433 MHz. La microcarte radiofréquence 18 ainsi que le microcontrôleur 16 permettent de piloter à distance la chauffe du substrat 2 et de contrôler la température dudit substrat 2.
Le dispositif de chauffage 1 étant de faibles dimensions, plusieurs dispositifs de chauffage 1 peuvent être disposés dans une enceinte de dépôt multicouche.

Claims

7 REVENDICATIONS
1. Dispositif de chauffage d’un substrat (2) dans une enceinte sous vide pour dépôt multicouche sur ledit substrat (2) , caractérisé en ce qu’ il comprend une source de chaleur (5) destinée à être en contact avec le substrat (2) , un support (6) de la source de chaleur (5) , un isolant thermique (7) positionné entre le support (6) et la source de chaleur (5), une batterie d’ alimentation (8) de la source de chaleur (5) , et une structure de maintien ( 15) du substrat (2) contre la source de chaleur (5) .
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la source de chaleur (5) comprend au moins une plaque chauffante ( 10) , un support isolant électriquement ( 1 1 ) destiné à être en contact avec l’ isolant thermique (7) et destiné à supporter la plaque chauffante ( 10) , et deux électrodes ( 12) reliées à la batterie d’ alimentation (8) d’une part et à la plaque chauffante ( 10) d’ autre part.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel la plaque chauffante ( 10) comprend un dépôt d’une couche résistive.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la couche résistive comprend une couche mince de chrome ou de nickel-chrome, le support isolant électriquement ( 1 1 ) comprenant de l’ alumine, les deux électrodes ( 12) comprenant une couche d’ or.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la structure de maintien ( 15) est solidaire de la source de chaleur (5) et est réalisée à partir d’un matériau à faible conduction thermique.
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre un microcontrôleur ( 16) , un capteur de température ( 17) et une microcarte radiofréquence ( 18) de sorte que la microcarte radiofréquence ( 18) envoie et reçoit des informations et des commandes entre l’intérieur de l’ enceinte et l’ extérieur de l’ enceinte.
7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la batterie d’ alimentation (8) est une batterie électrique compatible d’une utilisation sous-vide. 8
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel la résistance électrique de la plaque chauffante ( 10) est comprise entre 1 et 100 Ohms, de préférence entre 5 et 15 Ohms.
9. Enceinte de dépôt multicouche comprenant un dispositif de chauffage ( 1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
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