Brevet FR2006022A1 — publié le 19691219

6'""14 2006022 La présente invention concerne des dispositifs électriques ainsi que des procédés de fabrication de ces dispositifs. Suivant un de ses aspects, l'invention offre un dispositif électrique ayant ui/élément doué de résistance électrique, 5 qui est formé par une couche de carbure de tungstène. L'invention est basée sur la découverte qu'une couche de carbure de tungstène possède des caractéristiques qui sont particulière tient avantageuses pour incorporer un élément doué de résistance électrique dans un dispositif électrique. En parti-10 culier, on a constaté qu'une couche de carbure de tungstène a un coeffient de température de résistance électrique très faible, qui peut être nul, en même temps qu'elle est douée de stabilité du point de vue de ses propriétés tant physiques qu'électriques. L'élément résistif peut être fourni sous la forme d'un 15 dépôt en couche de carbure de tungstène porté par un substrat électriquement isolant. En particulier, le substrat peut être fabriqué en matière céramique, et il peut s'agir d'alumine ou d'une composition à prédominance d'alumine. Le dispositif électrique peut être du -type dans lequel 20 des éléments doués de résistance électrique, avec les connexions électriques de montage qui en dépendent-,- sont prévus-sous la forme d'éléments pelliculaires portés, par exemple, par un substrat céramique. Sous ce rapport et suivant une particularité de la présente invention, un dispositif électrique com-25 prend un substrat électriquement isolant, plusieurs éléments pelliculaires en carbure de tungstène portés par le-substrat pour former des résistances électriques du dispositif, et des éléments pelliculaires de matière conduisant le courant électrique, portés par les éléments pelliculaires de carbure de tungstène pour for-30 mer des connexions électriques de faible résistance relatives à ces derniers éléments. Suivant un autre de ses aspects, l'invention offre un procédé de fabrication d'un dispositif électrique, qui consiste à former un élément doué de résistance électrique du dispositif 35 en déposant par pulvérisation une couche de earbure de tungstène. Suivant encore un autre de ses aspects, l'invention fournit un procédé de fabrication d'un dispositif électrique du type dans lequel des éléments doués de résistance électrique sont formés à 69 11144 ^ 2006022 partir d'une pellicule métallique déposée sur un substrat électriquement isolant, cette pellicule métallique étant une pellicule de carbure de tungstène qui est déposés sur le substrat par pulvérisation. Une pellicule d'un autre métal peut Ctre déposée 5 sur la pellicule do carbure de tungstène par pulvérisation et, dans ces circonstances, 1* substrst peut ensuite ître soumis à deux processus d'attaque corrosivc, successivement, pour produira des inter-connexions de circuit du dispositif à partir de la sur-couche et les éléments doués de résistance électrique à partir 10 de la couche de carbure de tungstène, aux endroits où cette couche est exposée, à travers le. sur-couche. D'autres caractéristiques ot avantages du dispositif électrique de l'invention et de son procédé de fabrication ressorti-ront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard 15 du dessin annexé et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur cc dessin : les figures 1 et 2 sont des représentations en coupe simplifiées de l'appareil de pulvérisation utilisé t.ans le procédé 20 do fabrication du dispositif électrique, la coupe de la figure 1 étant faite suivant 1.;. ligne I-I de la figure 2 ; la figure 3 est une m extérieure de l'appareil de pulvérisation des figures 1 et 2 ; la figure 4 est une vue d'une parti-, de la structure inté-25 rieure de l'appareil de pulvérisation des figures 1 et 2, montrant séparément l'un-des trois supports de substrats de cette; structure 5 et la figure 5 est une vue en coupe-élévation latérale illustrant le dispositif électrique. 30 Le procédé de fabrication qui sera décrit en se référant en particulier aux figures 1 à 4 est utilisé dans Ici production en discontinu de dispositifs électriques pour circuits intégrés du type représenté sur la figure 5, c'est-à-dire du type dans • lequel des éléments doués de résistance électrique du circuit, 35 associés avec les intsr-connexions électriques de circuit, sont prévus sous la forme de couches ou pellicules'métalliques très minces, portées par un substrat électriquement isolant. 69 11144 3 2006022 En se référant à la figure 5, le substrat 10 du dispositif est une plaque céramique rectangulairefeyant une longueur de 5 f)6aa une l-rgour de 2 , cm et une epaisseur de 0 }oxp mu . et une composition qui consiste en 95 d'alumine. Une face 101 non vitrifiée du substrat 10 porte des éléments- 102 5 formés do minces pellicules de carbure de tungstène, qui sont partiellement revêtues d'éléments 103 en pellicules minces ce matière conduisant le courant électrique, ayant une faible résistance électrique ; cette matière peut être du cuivre et c'est ce que l'on supposera ci-après, mais il peut s'agir, à 10 titre de variante, d'or ou d'un alliage de nickel et chrome (par exemple un alliage de nickel-chrome à 80 %-20 fô, tel que celui vendu dans le commerce sous la marque déposée "îTichxoiae"). Les éléments 103 représentent les inter-connexions de circuit électriqu^&u dispositif, tandis que les éléments 102, aux endroits 15 où ils sont laissés sans revêtement entre les éléments 103, représentent les résistances électriques du circuit. D'autres constituants électriques 104, par exemple des condensateurs et des semi-conducteurs, sont soudés à l'autogène, à l'étain ou autrement fixés aux éléments 103, de manière à être incorporés conve-20 nablement dans le circuit avec les résistances. Le dispositif électrique de la figure 5 est fabriqué en déposant tout d'abord deu:: pellicules métalliques l'une sur l'autre sur la face non vitrifiée 101 du substrat céramique 10, la première pellicule (déposée directement sur la face 101) étant 25 une pellicule de carbure de tungstène et la seconde étant une pellicule de cuivre. Après que les deux pellicules ont été déposées, le substrat 10 est soumis à deux processus d'attaque corrosive pour former à partir des deux pellicules métalliques les résistances 30 et les inter-connexions de circuit désirées. Le premier processus -d'attaque corrosive affecte la pellicule supérieure de cuivre, mais non la pellicule inférieure de carbure de tungstène, et laisse juste les parties de la pellicule de cuivre, à savoir les éléments 103, nécessaires pour le motif des inter-connexions 35 de circuit du dispositif. Le second processus d'attaque corrosive affecte la pellicule inférieure ou pellicule de carbure de tungstène aux endroits où elle a été exposée par l'enlèvement de la pellicule de cuivre pendant le premier processus d'attaque 69 11144 2006022 _4~ corrosive, et ne laisse que les parties de la pellicule ou éléments 102 qui présentent les surfaces exposées nécessaires pour constituer des résistances, lorsque le revêtement profilé du substrat 10 a été stabilisé par cuisson, les composants électri-5 ques de circuit 104 (psr exemple des condensateurs et des semiconducteurs) sont ensuite soudés à l'autogèngfou à l'étain, ou autrement liés au motif de cuivre, de manière à être incorporés dans le circuit électrique et à compléter le dispositif de circuit imprimé. 10 Le dépôt de pellicules métalliques sur le substrat céra mique 10 est effectué par pulvérisation, un lot d'environ 60 substrats étant revêtu à chaque opération. Il est évidemment désirable d'assurer, dans cette opération, qu'il y ait une uniformité de dépôt de chaque pellicule en travers de la surface 15 des substrats individuels 10 et d1 un -substrat à un autre dans le lot. En particulier, la pellicule de carbure de tungstène portée par chaque substrat doit avoir une épaisseur uniforme pour offrir une valeur de résistance électrique comprise entre 10 et 200 ohms par carré, et la pellicule de cuivre doit avoir 20 une épaisseur uniforme pour offrir une résistance électrique de 0,1 ohm. par carré (toutes les surfaces carrées d'épaisseur uniforme ont la même résistance et caci s'applique quelle que soit la dimension du-côté). Le dépôt de ces pellicules, avec l'uniformité requise, est obtenu en utilisant l'appareil de pulvéri-25 sation représenté sur les figures 1 à 4. Cet appareil fait l'objet de la demande de brevet britannique n° 25874/67 du 5 Juin 1S67 déposée par la même Demanderesse. En ne référant aux figures 1 à 4, l'appareil de pulvérisation comprend une anode 1 et une cathode 2 qui sont espacées 30 l'une de l'autre le long de l'axe longitudinal 3 d.'une enceinte 4 hermétiquement close. Une plaque métallique 5, qui présente une ouverture centrale 6 et qui est installée à l'intérieur de l'enceinte 4 près de la cathode 2, porte trois ensembles de cibles 7 de forma oblongue, qui sont espacés symétriquement l'un 35 de l'autre autour de l'axe 3 et qui ont chacun uns longueur d'environ 40,6 cm et une largeur d'environ 12,7 cm. Les ensembles de cibles 7 s'étendent parallèlement à l'axe 3 entre la f plaque 5 et une bague métallique 8 qui est supportée près de ■ i 69 11144 2006022 -0- 1'anode 1 par trois tiges 9 à isolement de verre, s'étendant depuis la plaque 5. les substrats céramiques 10 sont chargés clans l'enceinte 4 sur trois supports allongés 11 qui reçoivent 20 substrats 10 5 en deux colonnes ûe dix, les faces à revêtir étant exposées, les trois supports 11 sont disposés dans les espaces compris entre les ensembles de cibles 7, les substrats 10 étant tournés vers l'intérieur et les colonnes s'étendant dans une direction pratiquement parallèle à l'axe 3. Chaque support 11 -est suspendu sur 10 une paire c-e crochets 12 pertes par la bague 8, de manière à faciliter le chargement. Chaque ensemble de cibles 7 comprend deux cibles oblongues 15 et 16, en feuille-métallique, l'une en carbure de tungstène et l'autre en cuivre, qui sont isolées électriquement l'une de 15 l'autre par du verre (la cible en carbure de tungstène 15 est de grande pureté, elle est constituée par exemple par du carbure de tungstène d'une pureté de 98 fi contenant du cobalt à titre d'impureté). Les deux cibles 15 et 16 sont montées dos à dos en vue de tourner l'une avec l'autre sur un arbre 17 parallèle à 20 l'axe 3. Les arbres 17 des trois ensembles 7 sont reliés entre eux par un mécanisme d'entraînement à chaîne 13 (figure 4), de sorte qu'ils tournent ensemble depuis les positions (représentées sur les figureg^ et 2) dans-lesquelles les cibles 15 sont toutes tournées vers l'intérieur, vers les positions (représen-25 tées sur la figure 4) dans lesquelles les cibles'16 sont toutes tournées vers l'intérieur. La commande de ce mouvement de rotation s'obtient à partir d'un moteur électrique (non représenté) accouplé avec un mécanisme d! entraînement à chaîne 13 et excité, lorsqu'on lu désire, depuis l'extérieur de l'enceinte 4. la 30 liaison électrique avecles cibles tourné© vers l'intérieur 15 et 16 de chaque ensemble 7 est effectuée au moyen de l'un des trois contacts à ressort 18 (figure 4) montés sur la plaque 5. Les enroulements de deux électro-aimants de forme toroïdale 19 et-20 entourent l'enceinte 4 près de la plaque 5 et de la ba-35 gue 8, respectivement, et l'ensemble est renfermé par une structure en aluminium 21. La structure 21 comprend deux pièces d'extrémité 22 et 23 en aluminium, qui sont de forme hexagonale et qui entourent l'enceinte 4 près des électro-aimants 19 et 20, 69 11144 . 2006022 respective-mont, et six barres d'aluminium 24 qui entretoisent les pièces d'extrémité 22 et 23 et portent les enroulements de forme toroïdale 25 respectifs, les enroulements 25 sont placés en couplage inductif avec les trajets électriques fermés offerts 5 par la structure d'aluminium 21 ; ces trajets s'étendent longitu-dinalement aux barres 24, pour constituer des secondaires à une seule spire couplés avec les enroulements 25 et conçus pour produire un champ magnétique agissant transversalement, et à peu près perpendiculairement au trajet du faisceau électronique le 10 long de l'axe 5. Lorsque l'appareil fonctionne, les substrats 10 sont tout d'abord chargés sur les supports 11, puis les supports chargés 11 sont suspendus aux crochets 12 à l'intérieur de l'enceinte 4. L'enceinte 4 est ensuite fermée, puis vidée d'air à une pression —6 15 de 2 x 10" mm de mercure au moyen d'une pompe (non représentée). On introduit ensuite de l'argon gazeux au-moyen d'une soupape (non représentée), se trouvant à distance, dans l'enceinte 4-, du trou d'évent relatif à la pompe, de manière à produire un courant de balayage à travers l'enceinte 4 (la pompe étant encore-en 20 fonctionnement) pour faire monter la pression à 3 x 10 mm de mercure. Dr.ns ces conditions, on applique entre l'anode 1 et la cathode 2 une tension suffisante pour allumer un arc électrique entre ces électrodes et pour assurer l'existence d'une atmosphère d'argon pur à l'intérieur de l'enceinte 4. Aucune tension n'est 25 appliquée entre la cathode 2 et lus ensembles de cibles 7 à ce moment, de sorte qu'un bombardement ionique-ne se produit pas. A-la fin du processus de purification, on réduit l'arrivée d'argon, de sorte que la pression dans l'enceinte 4 est ainsi abaissée à une valeur comprise entre 8 x 10"^ et 5 x 10-^" mm de 30 mercure. Les six enroulements 25 sont excités à ce moment avec un courant électrique alternatif aj^ant une fréquence de 50 cycles par seconde, fourni par une source de courant triphasé, de sorte que les secondaires à une seuls spire, formes par la structure d'aluminium 21, produisent un champ magnétique de direction . 35 radiale qui tourne autou^a l'axe 3. , Pendant 1.' pulvérisation, le champ magnétique tournant est ... maintenu, et un courant continu est fourni à chacun des électroaimants 19 et 20. Initialement, les ensembles de cibles 7 sont. BAD ORIGINAL 69 11144 2006022 -7- disposés de manière que les cibles 15 soient tournées vers l'intérieur, les cibles 15 étant maintenues à ce moment, par l'intermédiaire des contacts 18, à un potentiel négatif important par rapport à lëî cathode 2. L'anode 1 est maintenue à un potentiel 5 positif par rapport à la cathode 2, pour établir une colonne de plasma s'étendant longitud.inslem.ent aux ensembles de cibles 7 et aux supports de substrats 11. Les courants fournis pour exciter les aimants 19 et 20 et les enroulements 25 sont ajustés de manière à produire une colonne de plasma qui a un aspect cylindri-10 que sensiblement--uniforme sur toute sa longueur, ayant un diamètre d'environ 15,2 cm (ce réglage peut être réalisé conformément à des observations antérieures effectuées en utilisant l'appareil sans les ensembles de cibles 7 et les supports 11). Les électroaimants 19 et 20 agissent en établissant un champ magnétique 15 axial qui permet un degré de focalisation du faisceau électronique partant de la cathode 2 i il apparaît que 1'électroaimant 20, sous ce rapport, exerce également un effet de stabilisation sur la colonne de plasma. Une fois que le dépôt de carbure de tungstène désiré a été 20 offectué à partir de la cible 15, le mécanisme d'entraînement à chaîne 13 est mis en marche pour faire tourner les ensembles de cibles 7 vers les positions dans lesquelles les cibles 16, au lieu des cibles 15, sont tournées vers l'intérieur. Ceci transfère automatiquement aux cibles 1-6 la connexion électrique, par l'in-25 termédiaire des contacts 18, de sorte que le dépôt de cuivre se produit maintenant. Après le dépôt de la pellicule de cuivre, les sources électriques alimentant le système sont mises hors circuit et l'enceinte 4 est ramenée à la pression d'air ambiante. Les supports 11 30 sont ensuite enlevés des crochets 12 et les substrats revêtus 10 sont retirés. Les substrats 10 sont ensuite soumis à un processus de vieillissement à une température d'environ 150°C. On a constaté qu'avec le procédé décrit ci-dessus, la variation de l'épaisseur de pellicule en travers de la surface de 35 l'un quelconque des substrats 10 d'un lot n'escede pas 5 i°, et on présume qu'une grande partie de toute variation rencontrée provient d'une variation de surface du substrat 10 lui-même. On rencontre également une très faible variation d'épaisseur de la 69 11144 2006022 -8- pallicule déposée, d'un substrat 10 à un autre dans un même lot Entre des substrats distants l'un de l'autre longitudinalement à l'axe 3, il existe une tendance selon laquelle le substrat le plus proche de la cathode 2 porte un dépôt de pellicule plus 5 épais. Avec l'appareil de la présente invention, les cibles 15 sont montées à distance de la cathode 2 avec les éléments en feuille métallique 26 au carbure ds tungstène, dans un essai visant à contre-carrer cette tendance. Toutefois, cette tendance est contrariée dans-une large mesure par l'utilisation du champ 10 magnétique tournant, et on peut constater que la combinaison de l'utilisation des cibles rapportées 15 et du champ magnétique tournant aboutit à une mesure de sur-compensation, en ce qui con cerne le dépôt de la pellicule de carbure de tungstène. Avec le procédé décrit ci-dessus, on a obtenu des résul- -15 tats très satisfaisants pouvant être reproduits avec précision, en utilisant des courants d'anode et des courants de cible de 5 ampères et 0,5 ampère, respectivement, 1'anode 1 et les cibles 15 ou 16 étant maintenues à des portentiels par rapport à la cathode 2 de 75 volts positifs et 800 volts négatifs, respective-20 ment, les ampères-tours utilisés pour les électro-aimants 19 et 20 sont respectivement de 600 et 75, tandis que ceux des spires 15 sont de 200. le dépôt de la pellicule de carbure de- tungstène demande de six à sept minutes, tandis que celui du cuivre demande environ trente minutes. 25 l'utilisation de carbure de tungstène pour produii-e les éléments résistifs du dispositif de la figure 5 s'est avérée être très avantageuse. En particulier, on a constaté que le coefficient d- température de la-résistance électrique du carbure de tungstène est très faible, sa valeur étant certainement 30 inférieure à 2 x 10~^ (ce qui est la limite inférieure de la technique d.e mesure utilisée) dans une large gamme de températures 5 avec un dispositif ayant un élément à pellicule de carbure de tungstène fabriqué comme décrit ci-dessus, aucune variation de résistance n'a été détectée-pour une variation de 35 température de -.196 à +170°G. En outre, on a constaté que la résistance spécifique du carbure de tungstène est particulièrement stable et que, (contrairement a celle d'autres matières, par exemple un alliage de nickel-ehrome), cette résistance spé- 69 11144 2006022 cifique ne tend pas à varier dans-des conditions de variations cycliques de température. De plus, il n'est pas nécessaire de protéger le carbure de tungstène de l'atmosphère et, bien que le dispositif de la figure 5 soit normalement pourvu d'un révèle tement protecteur, ceci n'est pas essentiel. L'attaque corrosive de la pellicule de carbure de tungstène pour former les éléments 102-peut être conduite en utilisant une solution composée, en volume, d'-une partie d'acide fluorhydrique ayant une concentration de 60 °/ot une partie d'p.cide nitrique 10 ayant une concentration de 70 % et 4 parties d'eau. L'attaque corrosive de la pellicule de cuivre, par ailleurs, peut être conduite en utilisant une solution de 100 grammes de persulfate d'ammonium dans un litre d'eau, le masquage nécessaire des pellicules pour las deux processus d'attaque corrosive étant effectué 15 en utilisant un revêtement résistant aux acides, soluble dans les bases alcalines (tel que celui vendu par la firme ®oates Brothers & Company Limited). 69 11144 -10- 2006022 - KETCKDICATICMS - 1 - Dispositif électrique, caractérise par le fait qu'il comporte un élément doué de résistance électrique qui est formé par une couche de carbure de tungstène. 5 2 - Dispositif électrique suivant la revendication 1, ca ractérisé par le fait que la couche de carbure de tungstène est un dépôt nn couche porté pfr un substrat électriquement isolant. 3 - Dispositif électrique suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que le substrat est un substrat céramique. 10 4 - Dispositif électrique suivant l'une quelconque des re vendications 1 à 3, caractérisé par- le fait que la couche est une couche de carbure de tungstène déposée par pulvérisation. 5 - Dispositif électrique, caractérisé par le fait qu'il comprend un substrat électriquement isolant, plusieurs éléments 1 5 pelliculaires de carbure de tungstène portés par le substrat pour former des résistances électriques du dispositif, et des éléments pelliculaires de matière conduisant le courant électrique, portés par les éléments pelliculaires de carbure de tungstène, pour former des connexions électriques de faible résistance 20 relatives à ces éléments. - 6 - Dispositif électrique suivant la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comporte cîes composants électriques qui sont liés aux éléments pelliculaires de matière conduisant le courant électrique, pour incorporer ces composants dans le 25 circuit avec las résistances. 7 - Dispositif électrique suivant la revendication 5 ou 6. caractérisé par le fait que le substrat est un substrat céramique. 8 - Dispositif électrique suivant la revendication 7, ca- 30 ractérisé par- le fait que le substrat a une composition qui consiste principalement en alumine. 9 - Dispositif -électrique suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé par le fait que les éléments pelliculaires de carbure de tungstène sont des éléments formés 35 d'une pellicule de carbure de tungstène déposée par pulvérisation sur le substrat. 10 - Dispositif électrique suivant l'une quelconque des revendications 5 à S, caractérisé par le fait que la. matière conduisant le courant électrique est le cuivre. BA0 ORIGINAL 69 î 1144 2006022 -11- 11 - Procédé de fabrication d'un dispositif électrique, caractérisé par le fait qu'il consiste à former un élément doué de résistance électrique du dispositif par déjjôt par pulvérisation d'une couche de carbure de tungstèno. 5 12 - Procédé suivant la revendication 11, caractérisé par le fait que la couche est déposée par pulvérisation sur un substrat électriquement isolant, en matière céramique. 13 - Procédé de fabrication d'un dispositif électrique du type dans lequel des éléments doués de résistance électri- 10 que du dispositif proviennent d'une pellicule métallique déposée sur un substrat électriquement isolant, caractérisé par le fait que la pellicule métallique est une pellicule de carbure de tungstène qui est déposée sur le substrat par pulvérisation. 14 - Procédé suivant la revendication 13, caractérisé 15 par le fait qu'une pellicule d'un autre métal est déposée pardessus la pellicule de carbure de tungstène par pulvérisation, et le substrat est soumis, après le dépôt des deux pellicules, à deux processus d'attaque corrosive successivement, pour produire des inter-connexions de circuit du dispositif partant de 20 la sur-couche et les éléments doués de résistance électrique partant de la couche inférieure ou pellicule àe carbure de tungstène aux endroits où cette pellicule est exposée à travers la sur-couche. 15 - Dispositif électrique, fabriqué au moyen d'un procédé 25 conforme à l'une quelconque des revendications 11 à 14.