Brevet FR2544746A1 — publié le 19841026

a 54 h 74 e La présente invention concerne le dépôt de matiè- re de placage par placage ionique à haut niveau d'énergie, et elle porte plus particulièrement sur un procédé de pla- cage ionique utilisant des champs magnétiques. La technologie du vide a été utilisée dans diver- ses applications pour procurer un procédé efficace et de haute qualité pour le dépôt de matières de revêtement sur divers substrats. Dans l'application de revêtements sur des subs- trats, on a utilisé dans le passé, avec des degrés de suc cès variables, des dispositifs d'évaporation sous vide, la pulvérisation cathodique et le placage ionique A l'ôrigine, on utilisait des dispositifs à vide pour le dépôt de matiè- res en évaporant simplement la matière et en la laissant se condenser sur la surface du substrat L'évaporation sous vide procure des vitesses de dépôt élevées, mais elle a l'inconvénient d'être un processus "en vision directe" En outre, du fait qu'aucune accélération des particules n'in- tervient dans le dép 8 t en phase vapeur, l'adhérence peut fréquemment être un problème L'utilisation d'un bombarde- ment cathodique dans les techniques de pulvérisation catho- dique résout dans une certaine mesure le problème de la "vision directe", et offre une grande variété de matières et généralement une meilleure adhérence que le dépôt en phase vapeur. Le brevet US 3 329 601 décrit une technique de placage supplémentaire dans laquelle des ions d'une matière de placage sont formés dans un plasma de gaz inerte et sont extraits de manière électrostatique pour arriver sur le substrat avec un niveau d'énergie potentielle très élevé. l'utilisation du procédé du brevet précité conduit à une bonne adhérence de la matière déposée; cependant, ce pro- cédé ne fonctionne pas bien pour le placage d'isolants et conduit à des couches contaminées par l'argon. Le brevet US Re 30 401 décrit encore un autre pro- cédé de placage ionique, dans lequel le substrat est polari- sé simultanément avec des signaux continu et radiofréquence. Le urocédé de ce brevet produit une ionisation et une attrac- tion statique de la matière évaporée, ce qui conduit à un dispositif permettant deplaquerà la fois des conducteurs et des isolants avec des couches pures, exemptes de gaz. Il existe toujours un besoin portant sur un proces- sus de placage ionique capable de revêtir une grande variété d'articles ayant ime forme irrégulière, avec des creux irré- guliers, et qui produise une surface de revêtement lisse sur de telles irrégularités Il existe en outre un besoin portant sur un procédé de placage ionique par lequel des matières conductrices, comme par exemple l'or, l'argent ou le cuivre, puissent être déposées sur des substrats, comme par exemple des substrats en céramique, avec un niveau d'énergie tel qu'on obtienne un niveau d'adhérence rendant inutile l'uti- lisation d'une couche d'adhérence en une matière étrangère telle que le nickel ou le chrome. L'invention procure un procédé pour le placage ionique d'un substrat qui élimine pratiquement les problèmes associés jusqu'à présent aux procédés de placage ionique. L'invention procure un procédé pour le placage io- nique d'un substlat à l'intérieur d'une chambre, avec une matière de placage Le procédé comprend les opérations con- sistant à faire le vide dans la chambre et à évaporer la ma- tière de placage dans la chambre dans laquelle on a fait le vide On place un champ magnétiaue saturé d'électrons en po- sition adjacente au substrat, poufr ioniser de façon positive les atomes évaporés de la matière de placage soumise à l'éva- porationo On applique une polarisation négative continue à des substrats conducteurs pour attirer les ions positifs de la rmatière de placage évaporée et/ou on applique une polari- sation radiofréquence à des substrats en matiè es isolantes, tour uroduire ainsi une auto-oolarisation négative sur la surface du substrat, afin d'attirer les ions positifs de la matière de placage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure, est un schéma montrant une structure destinée à la mise en oeuvre du procédé de l'invention; la figure 2 est un schéma agrandi montrant un substrat à plaquer par le procédé de l'invention; La figure 3 est une vue agrandie d'un substrat re- présentant une carte de circuit imprimé qui illustre le pro- cédé de l'invention; et la figure 4 est un schéma montrant une structure destinée à la mise en oeuvre du procédé de l'inventions Un dispositif destiné à la mise en oeuvre du pro- cédé de placage ionique de l'invention est représenté sur la figure 1 qui montre un dispositif de placage sous vides désigné de façon générale par la référence 10 Le dispositif comprend une source de matière d'évaporation, désignée de façon générale par la référence 20 les atomes de matière d'évaporation sont ionisés par des collisions avec des élec- trons lorsqu'ils traversent un champ magnétique, désigné de façon générale par la référence 50, en direction d'un subs- trat, désigné de façon générale par la référence 40, dans le but de faire passer à l'état de plasma, dans la zone du substrat 40, la matière à plaquer sur le substrat 40. Le dispositif 10 comprend une enceinte de chambre 52 dans laquelle on peut établir le vide L'enceinte de chambre 52 peut être verticale ou horizontale et elle peut être constituée par n'importe quelle matière appropriée pour maintenir une pression correspondant à un certain niveau de vide L'enceinte de chambre 52 comprend un orifice de sortie 54 commandé par une valve 56 qui mène à une pompe (non re- présentée) destinée à faire le vide dans l'enceinte de cham- bre 520 On peut ramener le dispositif 10 à la pression at- mosphérique en utilisant une valve 57. Une structure de montage 58 est placée dans l'en- ceinte de chambre 52 pour maintefnir un ou plusieurs articles ou substrats 40 à revêtiro Le substrat 40 peu consister par exemple en un substrat prévu pour l'utilisation en tant que composant de circuit électrique, qui peut être par exemple en matière plastique, en céramique, en métal revêtu de céra- mique ou en silicium Sur la représentation de la figure 1, le substrat 40 consiste en cartes de circuit imprimé 60 On notera que le procédé de l'invention peut 4 tre utilisé pour revêtir n'importe quel type d'article, et les cartes de cir- cuit imprimé 60 ne sont utilisées ici qu'à titre d'exemple. Il existe une source d'alimentation continue 61 et une source d'alimentation radiofréquence 62, et celles- ci sont connectées à la structure de montage 58 pour attirer vers les cartes de circuit imprimé 60 les ions positifs qui proviennent d'mune source d'évaporation de matière 20 La source d'évaporation 20 peut être constituée par n'importe quelle source appropriée capable d'évaporer une matière de placage, comme par exemple un creuset réfractaire, un canon à faisceau d'électrons, un creuset chauffé par induction, un arc électrique ou, comme le montre la figure 1, un ou plusieurs filaments électriques 64 et 66 qui sont à leur tour connectés à des sources d'alimentation respectives 68 et 70 La matière de placage qui est évaporée par la source 20, peut être par exemple l'une des matières suivantes: l'or, le cuivre, l'argent ou l'aluminium On peut utiliser deux filaments 64 et 66 pour le dépôt de matières différen- tes et pour le dépôt pendant des durées différentes. Un conduit d'alimentation en gaz 72, commandé par une valve de régulation de débit 74,est branché à l'enceinte de chambre 52, ce qui permet d'injecter un gaz d'entrée dans l'enceinte de chambre 52 Le gaz d'entrée peut être un gaz inerte ou d'autres gaz se prêtant à l'accomplissement de fonctions spécifiques, comme par exemple le nettoyage par bombardement ionique avec un gaz inerte des cartes de cir- cuit imprimé 60, avant le processus de placage, ou la diffu- sion par collision des atomes de matière d'évaporation, pour améliorer l'uniformité du revêtement d'objets tridimension- nels, La source radiofréquence 62 est prévue dans ce dernier but, du fait que la pulvérisation cathodique radiofréquence a généralement une action de nettoyage meilleure que celle d'une source continue. De plus, le gaz d'entrée peut 4 tre un plasma con- tenant un métal, pour produire une grande pénétration de mé- tal Si on désire chauffer le substrat, un gaz d'entrée ri- che en hydrogène, comme l'ammoniac, fera circuler un courant élevé, du fait du potentiel d'ionisation élevé de l'hydro- gène. La structure de montage 58 comprend des aimants 76 et 78 qui peuvent consister par exemple en aimants perma- nents ou en électro-aimants, destinés à établir le champ ma- gnétique 30 en position adjacente aux cartes de circuit im- primé 60 Des atomes de matière d'évaporation qui passent à travers les électrons décrivant des trajectoires en spirale dans le champ magnétique 30 sont ionisés par collision avec les électrons et sont immédiatement attirés vers le poten- tiel négatif élevé que produit la charge négative de la source d'alimentation continue 60 Toutes les connexions établies avec l'intérieur de l'enceinte de chambre 52 tra- versent des isolateurs 82. Dans la mise en oeuvre du procédé de l'invention, on fait le vide, par la sortie 54, dans le dispositif de placage ionique à haut niveau d'énergie 10 qui est représen- té sur la figure 1, jusqu'à l'obtention d'un vide approprié, comme par exemple environ 0,013 Pa Si on désire disposer d'une procédure de nettoyage pour des cartes de circuit im- primé 60, pour des raisons chimiques ou physiques, on peut introduire un gaz dans l'enceinte de chambre 52, par le conduit 72, par exemple, à une pression de 1,3 à 2,6 Pa, et un plasma radiofréquence formé par le gaz peut avantageu- sement bombarder la surface des cartes de circuit z:srimé pour effectuer le nettoyage Après le nettoyage, le gaz est extrait de l'enceinte de chambre à vide 52 avant de ccmmencer le processus de placage. Une polarisation négative continue, par exemple 3 à 5 k V, provenant de la scumrce d'alimentation continue 60, peut être appliquée à la strucue de montage 58 qui fait fonction de cathode, pour attirer les ions positifs vers les cartes de circuit imprimé 60, par attraction sous l'effet d'une chute de tension élevée, dans le cas o les cartes de circuit imprimé 60 sont conductrices Lorsque les cartes de circuit imprimé sont isolantes, la source radiofréquence 62 constitue la source de polarisation pour le procédé de l'in- vention Le placage commence lorsque l'un des filaments électriques de matière à évaporer, 64 ou 66, ou les deux, sont chauffés à une température suffisamment élevée pour évaporer la matière de placage Lorsque les filaments 64 et 66 sont des sources chauffées par résistance, on utilise des sources d'alimentation alternatives à faible tension et 2 Q à courant élevé, 68 et 70. Les aimants 76 et 78 appliquent un champ magnéti- que 30 aux électrons émis par effet thermoélectronique par la source d'évaporation 20, ce qui communique à ces élec- trons des trajectoires en spirale, et offre ainsi une sec- tion efficace d'ionisation élevée aux atomes de matière d'évaporation qui traversent le nuage électronique sur leur chemin vers les cartes de circuit izp-rimé 60 L'ionisation est ainsi maximale dans la région des cartes de circuit im- primé 60, o on en a le plus besoin On peut utiliser l'um ou l'autre des filaments électriques à résistance 64 ou 66, ou les deux, en faisant varier la puissance que les sources d'alimentation 68 et 70 appliquent respectivement aux fila- ments 64 et 66, pour plaquer une ou plusieurs pellicules ou couches de matière sua les cartes de circuit imprimé C 60. la "capacité de projection"l, ou capacité de reve- tement tridimensionnel de processus de placage à faible pression résulte du fait que des ions de matière de placage sont extraits uniformément d'un plasma, accélérés sur une distance relativement courte dans l'espace sombre de Crookes, c'est-à-dire une région qui entoure immédiatement et unifor- mément le substrat chargé négativement, et ils arrivent en- suite sur le substrat en provenant d'une source diffuse au lieu d'une source ponctuelle Des procédés antérieurs ont utilisé une chambre emplie de plasma On peut voir que l'ob- tention de bons résultats nécessite seulement la présence du plasma dans la région qui entoure immédiatement le substrat, de façon que le plasma puisse émettre des ions dans "l'espa- ce sombre", pour revêtir ultérieurement le substrat. On va maintenant considérer la figure 2 qui mon- tre une représentation plus détaillée du procédé de placage de l'invention, dans lequel la structure de montage 58 est polarisée électriquement par des sources 61 ou 62 (figure 1). La structure de montage 58 supporte une carte de circuit im- primé 60, en présence du champ magnétique 30 produit par l'aimant 76 Les atomes 90 de la matière d'évaporation tra- versent le champ magnétique 30 sur leur chemin vers la carte de circuit imprimé 60, et ces atomes sont produits par la source de matière d'évaporation, comme par exemple le fila- ment électrique 64, qui peut également comprendre un émet- teur d'électrons par effet thermoélectronique Les électrons émis sont capturés et dirigés de force sur des trajectoires en spirale dans le champ magnétique 30, dans lequel les électrons offrent une section efficace d'ionisation élevée aux atomes de matière d'évaporation et convertissent ainsi ces atomes en ions positifs Les ions positifs sont immédia- tement accélérés vers la cathode chargée négativement, c'est- à-dire la structure de support 58, et ils arrivent sur cette dernière avec une énergie de particules élevée O Si les cartes de circuit imprimé 60 sont également des isolants, la source de polarisation constituée par la source radiofréquence 62 doit être utilisée de façon qu'une auto-polarisation négati- ve apparaisse sur la surface de la carte de circuit imprimé L'autopolarisation négative se produit du fait que des électrons sont emprisonnés dans le demi-cycle négatif du cycle radiofréquence et ne peuvent pas s'échapper pendant le demi-cycle positif. Bien que la figure 2 montre une carte de circuit imprimé 60 qui est séparée de l'aimant 76 par la structure de montage 58, il faut noter que les cartes de circuit im- primé 60 peuvent également se trouver en position immédia- tement adjacente à l'aimant 76, de façon que la structure de montage 58 supporte à la fois les cartes de circuit im- primé 60 et l'aimant 76 du même coté. On vra maintenant considérer la figure 3, sur la- quelle on utilise des références semblables pour les élé- ments semblables et correspondants identifiés précédemment en relation avec les figures 1 et 2, et sur laquelle le processus de l'invention est représenté pour l'utilisation dans le dépôt d'un motif 92 pour fabriquer une carte de circuit imprimé 60 Sur la figure 3, l'aimant 76 remplit également la fonction de la structure de montage polarisée électriquement (structure de montage 58 des figures 1 et 2). La carte de circuit imprimé 60 est fixée en contact serré par un masque à trous 94 en KOVAR, en acier ou en une autre matière donnant lieu à une attraction magnétique, pour faire apparaître le motif 92 qui doit être plaqué sur la carte de circuit imprimé 60 la partie restante 96 de la carte de circuit imprimé 60 demeurera non plaquée à la fin du processus de dépôt. Le processus de dépôt dépose ainsi un motif qui était produit jusqu'à présent par l'utilisation de produits chimiques d'attaque Si la carte de circuit imprimé 60 n'est pas conductrice, la polarisation électrique appliquée à l'aimant 76 est appliquée par la source radiofréquence 62 (figure 1) On peut également utiliser le procédé de l'in- vention pour le placage de trous métallisés 98 qui traver- sent la carte de circuit imprimé 60 L'adhérence et la qua- lité électrique de ces couches déposées permet d'effectuer un placage ultérieur par des techniques de placage ordinai- res par voie humide jusqu'à des épaisseurs de plusieurs dizaines de microns. On va maintenant considérer la figure -4 qui mon- tre une structure supplémentaire pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention Dans certaines applications, il peut ne pas être pratique de monter directement l'aimant 76 sur un substrat 40, comme le montrent les figures 1 et 2 La figure 4 représente le dispositif de la figure 1, en utili- sant des références semblables pour des composants sembla- bles et correspondant à ceux identifiés sur la figure 1, pour le placage d'un substrat dans lequel l'aimant ne peut pas être monté directement sur ce substrat La figure 4 montre l'utilisation du procédé de l'invention pour plaquer l'intérieur d'un raccord de tuyaux 100 le raccord de tuyaux 100 est polarisé négativement par la source continue 61 La source de matière d'évaporation 20 dirige des atomes de matière d'évaporation 102 dans un champ magnétique 104 que produit un aimant 106 Pour contribuer à l'accélération des ions dans le but d'obtenir un placage adhérent, on peut utiliser une alimentation 108 pour maintenir une polarisa- tion positive sur l'aimant 106 L'utilisation de la polari- sation positive sur l'aimant 106 établit un gradient de champ qui dirige les ions positifs 102 vers le raccord de tuyaux 100. On notera que dans la description précédente du processus, il n'est pas nécessaire qu'un gaz soit présent pour l'ionisation Il y a cependant des cas dans lesquels la nécessité de l'uniformité de la couche sur des surfaces très irrégulières rend souhaitable l'addition d'une faible quantité de gaz inerte, dans le but d'effectuer une diffu- sion de la matière pour améliorer l'uniformité de la couche. Il faut noter que cette utilisation d'un gaz inerte, comme par exemple de l'argon à une pression inférieure a 2 pres- sion caractéristiqaue de 1,3 à 2,6 Pa qui est nécessaire pour l'ionisation, est sufiisarnent faible pour ne pas af- fecter défavorablement les propriétés de la couche, par l'inclusion du gaz dans la couche déposée. On eet donc voir oue l'ivention procure un pro- cessus de placage ionîique permettant de revêtir mune grande variété d'articles qui ont des formes irrégulières, avec des creux irrlguliers, fe façon a -roduire une surface de revêtement lisse sur de telles irrégularités Le procédé de l'invention peut en outre être utilisé pour déposer une ma- tire 'de placage de fa on à produire une carte de circuit imprimé qui était produite précédermment par des procédures d'attaque chimique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. RENDICATIONS 1 Procédé pour le placage ionique duil substrat ( 40) à l'intérieur d'une chambre ( 52) avec une matière de placage ( 20), caractérisé en ce que: on fait le vide dans la chambre ( 52); on évapore la matière de placage ( 20) dans la chambre dans laquelle on a fait le vide; on place un champ magnétique ( 30) saturé d'électrons en position adjacente au substrat ( 40) pour ioniser les atomes de la ma- tière de placage ( 20) évaporée; et on applique une polari- sation négative au substrat ( 40) pour attirer les ions posi- tifs de la matière de placage ( 20) évaporée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique ( 30) est produit par un aimant permanent ( 76, 78). 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique est produit par -un électro- aimant ( 76, 78). 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération d'application d'une polarisation né- gative au substrat ( 40) comprend l'application d'une polari- sation continue négative au substrat ( 40) lorsque ce subs- trat est en une matière conductrice. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le substrat est maintenu par une structure de montage ( 58) à l'intérieur de la chambre, caractérisé en ce qu'il com- prend en outre l'opération consistant à appliquer un signal radiofréquence à la structure de montage ( 58) du substrat, pour produire une auto-polarisation négative de la surface du substrat ( 40), afin d'attirer les ions positifs de la matière de placage évaporée, lorsque le substrat est en ma- tières non conductrices. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ magnétique attire un masque de dépôt ( 94) destiné à fixer le substrat ( 40) pendant le processus de placage, ainsi qu'à produire un motif ( 92) sur le substrat. 7 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le substrat consiste en une carte de circuit im- primé ( 60). 8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à pla- quer des trous ( 98) contenus dans la carte de circuit impri- mé ( 60). 9 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à ap- pliquer une charge positive dans la zone du champ magnéti- que saturé ( 30), dans le but de diriger le flux d'ions po- sitifs. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 40) est une matière céramique et la matière de placage ( 20) est du cuivre. 11 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 40) est une matière céramique et la matière de placage ( 20) est de l'or. 12 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 40) est une matière céramique et la matière de placage ( 20) est de l'argent. 13 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 40) est en silicium et la matière de placage ( 20) est de l'aluminium. 14 o Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant à in- jecter dans la chambre un gaz consistant en argon ayant une pression partielle inférieure à environ 0,65 Pa.