Brevet FR2515691A1 — publié le 19830506

L'invention concerne des conteneurs ou creusets chauffés par résistance, communément appelés nacelles, réchauffeurs ou sources intermétalliques, destinés à la vaporisation de métaux sous vide. Il est bien connu dans l'art antérieur de pou- voir revêtir divers substrats, par exemple en verre, en métal et en matière plastique, d'une mince couche de métal par des procédés de déposition sous vide En général, dans de tels procédés, un métal pouvant être vaporisé, par exemple de l'aluminium, du chrome, du cuivre, du zinc, de l'argent ou de l'or, est vaporisé à haute température, sous vide, et la vapeur métallique est déposée sur le substrat souhaité Le métal est vaporisé par chauffage dans une nacelle servant à la fois d'élément chauffant et de creuset Une nacelle comprend généralement une barre allongée en matière conductrice du courant électrique. Les nacelles peuvent présenter des surfaces planes de vaporisation ou, plus habituellement, un évidement ménagé dans la surface de vaporisation pour contenir une source ou un bain de métal à vaporiser La nacelle est reliée à une source d'énergie électrique La résistance électri- que de la nacelle provoque son échauffement au passage du courant électrique à travers elle La chaleur vaporise le métal fourni à la surface de vaporisation. Les nacelles de vaporisation chauffées par résistance et couramment utilisées, à ce jour, sont cons- tituées d'un mélange de matières céramiques ou composites intermétalliques, par exemple du diborure de titane avec du nitrure de bore, ou du carbure de silicium, ou du diborure de titane avec du nitrure de bore et du nitrure d'aluminium De tels mélanges ont des durées de vie utile notablement supérieures à celles du métal ou des matiè- res à base de graphite précédemment utilisées Cependant, ces matières présentent de graves inconvénients lors de l'utilisation Les mélanges sont choisis sur la base de leur résistance chimique et physique au métal vaporisé et de leur résistance électrique appropriée En général, des constituants à base de borure sont utilisés pour conférer une bonne conductivité électrique, une grande résistance physique et chimique à l'attaque par les métaux fondus'et vaporisés et une bonne mouillabilité à la surface de vaporisation En général, les composants à base de nitrure, qui sont de bons isolants électriques, ne sont généralement pas mouillés par des métaux fondus, tels que l'aluminium, sont utilisés pour ajuster la résis- tivité électrique à un niveau convenant à l'utilisation de l'élément chauffant Ainsi,les matières actuellement utilisées constituent des compromis qui ne permettent pas d'obtenir les meilleures caractéristiques pour chaque fonction. Des métaux vaporisés dans des nacelles classiques se comportent comme un conducteur monté en parallèle dans le circuit électrique comportant la nacelle La résistance électrique du circuit dépend de la profondeur, de la composition et de la température du métal A des températures élevées telles que celles utilisées dans les procédés de vaporisation de métal, les métaux et les impuretés qu'ils contiennent réagissent avec les matières de la nacelle en faisant varier la résistance électrique de cette dernière Cette variation exige un réglage continu de l'alimentation en énergie pour maintenir une puissance d'entrée souhaitée et, par conséquent, La tempé- rature souhaitée de la nacelle et donc la vitesse de vapo- risation. Les nacelles de métallisation sous vide actuel- les éliminent les inconvénients de l'art antérieur par l'utilisation de plusieurs couches Les nacelles actuelles sont conçues de manière à permettre à leur surface de vapo- risation d'être constituée de matièreschoisiesuniquement sur la base de leur mouillabilité, de leur résistance chimique et physique aux métaux fondus et aux vapeurs métalliques et d'une manière à permettre également de façon indépendante de choisir une partie de l'élément chauffant parmi des matières en se basant uniquement sur les propriétés de résistance électrique de ces dernières. La nacelle chauffée par résistance selon l'invention comprend une' partie chauffante et une partie constituant un creuset, séparées l'une de l'autre par une partie conduisant la chaleur mais ne conduisant pratique- ment pas le courant électrique. La partie chauffante, ou élément chauffant, est constituée d'une matière conductrice du courant électrique, ayant une résistance électrique spécifique choisie, capa-_ ble d'être chauffée par effet Joule à des températures élevées La partie chauffante présente avantageusement une résistance mécanique suffisante pour être auto-portante. La partie chauffante est convenablement réalisée dans des carbures, des borures, des nitrures, des siliciures et des oxydes métalliques réfractaires, ainsi que dans des mélan- ges de ces matières De telles matières ou mélanges sont choisies uniquement d'après leur aptitude à présenter la résistance électrique souhaitée Des mélanges de diborure de titane avec du nitrure de bore, du nitrure d'aluminium ou du carbure de silicium, présentent généralement une conductivité électrique située dans la plage souhaitée. Le diborure de zirconium, des mélanges de nitrure de bore, de nitrure de silicium, de nitrure d'aluminium ou de diborure de titane, ou des mélanges de ces matières con- viennent également La longueur de l'élément chauffant d'une nacelle chauffée par résistance est généralement déterminée par l'équipement de vaporisation dans lequel la nacelle doit être utilisée La section de la partie chauffante de la nacelle selon l'invention peut donc être modifiée de façon commode pour que l'on obtienne la résis- tance électrique souhaitée et une répartition optimale de la chaleur, sans affecter la surface de vaporisation Par exemple, en diminuant la largeur ou l'épaisseur d'une section de la partie chauffante de la nacelle, on accroît la chaleur dégagée par la nacelle, ou bien dans la zone de la section diminuée, sans qu'il soit nécessaire de modifier la forme de la surface de vaporisation. Le creuset de la nacelle selon l'invention présente une surface de vaporisation et il est réalisé dans des matières, par exemple des carbures, des borures, des nitrures, des siliciures et des oxydes métalliques réfractaires, ainsi que des mélanges de ces matières, choisies uniquement sur leur aptitude à présenter une bonne mouillabilité par le métal à vaporiser, une résistance chimique physique souhaitée envers le métal, ou bien en fonction de la présence des impuretés contenues dans le métal à vaporiser et dans l'atmosphère de vaporisation. Par exemple, le diborure de titane, le diborure de zirconium et leurs mélanges conviennent éminemment à la réalisation d'une surface de vaporisation pouvant être mouillée par le métal à vaporiser et ayant une excellente résistance à l'attaque par les métaux fondus et vaporisés tels que l'aluminium, le cuivre, le nickel et le chrome, et par les impuretés qu'ils renferment généralement ou qui leur sont associées Jusqu'à présent, de telles matières ne pouvaient être utilisées en totalité ou en grande quantité, en raison de leur conductivité électri- que indésirable et de la nécessité de conférer à la nacelle une faible conductivité électrique pour qu'elle puisse être chauffée par effet Joule. La partie de séparation est constituée d'une matière conductrice de la chaleur mais ne conduisant pra- tiquement pas le courant électrique Cette partie de séparation peut être convenablement réalisée en nitrure de bore, en oxyde de bore ou en mélange de ces matières. Une matière préférée est le nitrure de bore; La partie de séparation peut également être constituée de mélanges de matières contenant une partie importante de nitrure de bore, d'oxyde de bore ou de mélangesde ces matières De préférence, de tels mélanges-contiennent au moins 90 % en poids, et, d'une façon encore plus préférable, au moins 95 % en poids de nitrure de bore, d'oxyde de bore ou de mélangesde ces matières Des exemples de matières conve- nables pouvant être introduites dans la partie de sépa- ration sont le carbonate de bore et le borate de calcium. Etant donné que la fonction principale de la partie de séparation est de conduire la chaleur de la partie chauffante vers le creuset tout en isolant électriquement la partie chauffante du creuset, la partie de séparation peut se présenter sous la forme d'une mince couche ou, dans certaines formes de réalisation, sous la forme d'une pellicule qui peut être appliquée par dépôt de vapeur chi- mique, par peinturage ou par pulvérisation La partie de séparation n'est pratiquement pas conductrice du courant électrique, c'est-à-dire que sa résistivité transversale est supérieure à environ 10 3 ohms-cm et, de préférence, supérieure à environ 10 6 ohms-cm, mesurée à la tempéra- ture ambiante. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure l est une vue schématique d'une forme préférée de réalisation du dispositif selon l'inven- tion; la figure 2 est une vue en perspective du dis- positif représenté sur la figure 1; la figure 3 est une vue schématique d'une autre forme préférée de réalisation du dispositif selon l'invention; et la figure 4 est une vue schématique d'une autre forme préférée de réalisation du dispositif selon l'invention. Comme représenté sur la figure 1, une partie chauffante 11 du dispositif est réalisée en une matière % 30 réfractaire conductrice du courant électrique, par exem- ple des carbures, des borures, des nitrures, des sili- ciures et des oxydes métalliques, ou des mélanges de ces matières Des mélanges de diborure de titane avec du nitrure de bore, du nitrure d'aluminium ou du carbure de silicium sont particulièrement utiles La longueur, la composition et le profil et la dimension en section de la partie chauffante 11 peuvent être modifiés pour correspondre à la résistance du circuit et permettre le dégagement de chaleur souhaitée En général, la longueur de la partie chauffante il est prédéterminée par l'appa- reil de vaporisation dans lequel elle est utilisée et, en pratique, l'aire en section ou la composition de la partie chauffante est modifiée pour faire varier la con- ductivité électrique Cependant, l'invention permet de choisir la composition de la partie chauffante il en se basant uniquement sur la conductivité électrique, indé- pendamment de la résistance à l'attaque par le métal fondu à vaporiser Ainsi, la partie chauffante peuts être conçue pour avoir une longueur et une section prédéter- minées afin de correspondre à la résistance du circuit et de produire la chaleur souhaitée. La partie 13 formant creuset est réalisée en une matière réfractaire, par exemple des carbures, des bo- rures,des nitrures, des siliciures et des oxydes métalli- ques, ou des mélanges de ces matières Le creuset 13 pré- sente une surface 15 de vaporisation qui est mouillée par le métal à vaporiser et qui résiste chimiquement et phy- siquement aux métaux fondus et aux vapeurs métalliques. La surface 15 peut présenter avantageusement une gorge ou une cavité telle que représentée en 19, ménagée dans la partie supérieure et destinée à recevoir et maintenir le métal fondu avant sa vaporisation 1 La partie chauffante 11 et le creuset 13 sont séparés par une partie 17 qui est réalisée en une matière bonne conductrice de la chaleur, mais mauvaise conduc- trice du courant électrique Du nitrure de bore, de l'oxyde de bore ou des mélanges de ces matières peuvent être avantageusement utilisés On utilise de préférence du nitrure de bore Des mélanges de matières céramiques contenant une grande quantité, de préférence au moins 90 % en poids, et, de façon encore plus préférable, au moins 95 % en poids, de nitrure de bore; d'oxyde de bore ou de mélangesde ces matières peuvent être utilisés Des matières céramiques convenables sont choisies en fonction de leur effet sur la résistivité électrique de la couche de séparation Habituellement, de grandes quantités de tels diluants ou agents de modification ont un effet nuisible en abaissant à un niveau indésirable la résis- tivité électrique de la partie de séparation Des exem- ples de matières céramiques pouvant être introduites dans la partie 17 de séparation sont le carbonate de bore, le borate de calcium ou des mélanges de ces matières. Bien qu'il soit possible de faire varier largement l'épais- seur de la partie 17 de séparation, l'exigence essentielle est la formation d'une barrière électriquement isolante, conductrice de la chaleur et, dans une forme préférée de réalisation, cette barrière se présente sous là forme d'une mince couche Des épaisseurs comprises entre envi- ron 0,05 et 0,50 cm conviennent, des épaisseurs comprises de préférence entre environ 0,10 et 0,15 cm étant parti- culièrement commodes et utiles La partie 17 de séparation présente une bonne conductivité thermique, c'est-à-dire une conductivité thermique comprise entre environ 0,033 J cm 2/s/( 0,21 et environ 0,63 J cm 2/s/( C/cm) la résistivité électri- que de la partie 17 de séparation est supérieure à environ 3 ohms-cm, et de préférence supérieure à environ 10 6 ohms-cm. A titre de comparaison, le rapport de la résis- tivité électrique de la partie chauffante il à celle de la partie 17 de séparation est de l'ordre d'environ 1 à , et de préférence de l'ordre de 1 à 10 000, et, d'une manière encore plus préférable, de l'ordre de 1 à l 000 000 ou plus. Lors de l'utilisation, les extrémités de la par- tie chauffante Il sont serrées dans ou sur des bornes de fixation ou d'autres moyens convenables pour fournir de l'énergie électrique à la' partie chauffante il placée à l'intérieur d'une chambre à vide Il est prévu, à l'inté- rieur de cette chambre, des moyens permettant de placer Z 515691 l'article à revêtir en regard de la surface 15 de vapori- sation afin que la vapeur métallique s'élevant de cette surface se condense et se dépose sur-l'article En géné- ral, le vide établi à l'intérieur de la chambre est abaissé à moins de 0, 001 mm de mercure Une puissance électrique suffisante est ensuite fournie à la partie chauffante 11 pour élever la surface 15 de vaporisation à une température suffisante pour vaporiser une charge de métal placée sur cette surface 15 de vaporisation ou fournie à cette surface 15, ce qui provoque l'évapora- tion du métal à un débit efficace et le dépôt de la vapeur de métal sur l'article. La figure 2 représente la nacelle allongée de la figure 1 Sur cette vue, la partie chauffante il com- porte des extrémités en saillie telles que les extrémités 21 et 22, destinées à être serrées ou autrement reliées à une source d'énergie électrique. La figure 3 représente une forme préférée de réalisation dans laquelle le creuset 13 est prolongé dans le bas autour de la partie chauffante 11 Les saillies 23 du creuset 13 s'étendent le long des côtés de la partie chauffante 11 Ces côtés prolongés 23 du creuset protè- gent l'élément chauffant des vapeurs métalliques et/ou des impuretés qui leur sont associées, ce qui réduit notablement la surface de l'élément chauffant exposée à de telles vapeurs Cette forme de réalisation réduit la dégradation chimique de l'élément chauffant et les varia- tions résultantes*de la résistance électrique, provoquées par cette dégradation Les côtés prolongés du creuset 13 peuvent être séparés de la partie chauffante il par une couche de séparation, telle que la couche 17, le long de la partie supérieure des côtés ou bien, comme montré sur la figure 3, ils peuvent être séparés par une couche 17 s'étendant le long du sommet de la partie chauffante 11, et par un intervalle s'étendant physiquement entre les côtés de la partie chauffante il et la surface intérieure des côtés prolongés du creuset 13 Dans chacune de ces formes de réalisation, les vapeurs métalliques produites sont d'une plus grande pureté, car la partie chauffante 11, étant contiguë aux côtés prolongés du creuset, est protégée de toute attaque et aucun produit de décomposi- tion de la partie chauffante n'est diffusé dans l'atmos- phère de vaporisation De telles formes de réalisation sont particulièrement utiles à la vaporisation d'allia- ges aluminium/silicium/cuivre dans le domaine des semi- conducteurs en raison de la pureté élevée souhaitée de la couche à déposer, notamment sur des tranches de sili- cium Dans la forme de réalisation représentée o les côtés en saillie 23 du creuset 13 sont séparés physique- ment, la chaleur rayonnant des côtés de la partie chauf- fante 11 est utilisée comme chaleur additionnelle pour le creuset 13 et la chaleur fournie par la partie chauf- fante 11 est donc utilisée de façon plus efficace. De plus, de telles formes de réalisation prolon- gent la durée de vie utile de la partie chauffante 11 en réduisant l'aire de la surface exposée de cette partie chauffante, ce qui a pour résultat une diminution de la diffusion d'éléments ayant des pressions de vapeurs rela- tivement élevées et généralement utilisés dans les par- ties chauffantes, par exemple du nitrure d'aluminium et du nitrure de bore En outre, la composition de la couche 17 de séparation peut comprendre le ou les cons- tituants de diffusion de la partie chauffante 11, ce qui constitue une source de diffusion d'un tel constituant ou de tels constituants qui diffusent dans la couche chauffante, compensant la perte de ce constituant ou de ces constituants à partir de la surface exposée de la partie chauffante 11. La nacelle de vaporisation selon l'invention peut être réalisée de manière à présenter, en section, diverses configurations; par exemple, la nacelle peut être de section polygonale, ronde, elliptique ou semi- plate. La figure 4 représente une autre forme préférée de réalisation dans laquelle la partie chauffante il entoure le creuset 13 sur au moins trois côtés (représentés) et, si cela est souhaité, deux extrémités (non représentées) et en est séparée, le long de toutes les surfaces, par la partie 17 de séparation Cette forme de réalisation permet une transmission maximale de la chaleur de la partie chauffante 11 vers le creuset 13 Cependant, l'exposition de la partie chauffante 11 à une attaque par des vapeurs métalliques est également maximisée et, par conséquent, cette forme de réalisation ne peut être utilisée effica- cement que dans des procédés choisis. Lors de l'utilisation, les éléments chauffants tels que l'élément 11 tendent à modifier, soit en l'aug- mentant, soit en la diminuant, la conductivité électri- que par suite de la température élevée-et de l'attaque chimique La présente invention, et notamment la forme de réalisation montrée sur la figure 3, permet aux par- ties chauffantes d'être conçues de façon à être plus durables et de présenter une conductivité électrique qui change ou diminue, c'est-à-dire devient défaillante, d'une manière prévisible. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la nacelle décrite et représen- tée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDI CAT IONS 1 Nacelle chauffée par résistance, caractéri- sée en ce qu'elle comporte une partie chauffante ( 11), une partie creuse ( 13) formant creuset, et une partie ( 17) conductrice de la chaleur, mais pratiquement non conduc- trice du courant électrique, séparant les parties ( 11, 13) l'une de l'autre. 2 Nacelle selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la partie de séparation présente une conduc- tivité thermique comprise entre environ 0,033 et 2,09 J. cm 2/s/e C/cm) et une résistivité électrique supérieure à ohms-cm. 3 Nacelle selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la partie chauffante est constituée d'une matière choisie dans le groupe des carbures, borures, nitrures, siliciures et oxydes métalliques réfractaires, et des mélanges de ces matières. 4 Nacelle selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que la matière de la partie chauffante est choi- sie dans le groupe du diborure de zirconium, du nitrure de bore, du nitrure de silicium, du nitrure d'aluminium, du diborure de titane et de mélanges de ces matières. Nacelle selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la partie formant creuset est constituée d'une matière choisie dans le groupe des carbures, borures, nitrures, siliciures et oxydes métalliques réfractaires et des mélanges de ces matières. 6 Nacelle selon la revendication 5, caractéri- sée en ce que la matière de la partie formant creuset est choisie parmi le diborure de titane, le diborure de zir- conium et des mélanges de ces matières. 7 Nacelle selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la partie conductrice de la chaleur, mais pratiquement non conductrice du courant électrique, est constituée d'au moins 90 % en poids d'une matière choisie dans le groupe du nitrure de bore, de l'oxyde de bore et de mélanges de ces matières. 8 Nacelle selon la revendication 7, caractéri- sée en ce que la partie conductrice de la chaleur, mais pratiquement non conductrice du courant électrique, est constituée d'au moins 90 % en poids de nitrure de bore. 9 Nacelle selon la revendication 1, caractéri- sée en ce qu'une partie allongée ( 13) formant creuset est placée sur le dessus d'une partie chauffante allongée ( 11) et s'étend vers le bas, à proximité immédiate des côtés de cette partie chauffante allongée. 10 Nacelle selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que la saillie ( 23) partant vers le bas de la partie formant creuset est séparée physiquement de la par- tie chauffante. 11 Nacelle selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que la saillie s'étendant vers le bas de la partie formant creuset est séparée de la partie chauffante par ladite partie ( 17) conductrice de la chaleur, mais sensi- blement non conductrice du courant électrique.