Brevet FR2648955A1 — publié le 19901228

Procédé de régulation de la position du foyer dans un vaporiseur à arc sous vide ". L'invention concerne un procédé de régulation de la position du foyer dans un vaporiseur à arc sous vide, au moyen de champs magnétiques extérieurs, s'étendant sensiblement parallèlement à la surface d'érosion qui présentent au moins des composantes parallèles à une partie de la bordure de délimitation-de la surface d'érosion. Ce procédé peut s'appliquer à tous les vaporiseurs de ce type de construction afin d'assurer une vaporisation régulière du matériau de la cathode. La structure et le mode de fonctionnement des vaporiseurs qui utilisent le principe de la décharge sous vide d'un arc sont déjà décrits et largement connus (cf Neue Hutte 32 (1987) 4, 121). L'avantage notable de ce principe de vaporiseur réside dans le fait qu'on peut atteindre des taux de séparation élevés avec des dispositifs comparativement simples. De plus, le vaporiseur sous vide à arc se distingue par le fait que la vapeur dégagée au foyer de la cathode est fortement ionisée et que les ions présentent des énergies cinétiques importantes (10... eV), ce qui fait qu'on peut produire des couches de densités élevées et présentant de bonnes propriétés d'adhérence. L'inconvénient principal réside dans le fait que le foyer se déplace de manière entièrement stochastique à la surface de la cathode. Il en résulte une érosion irrégulière de la surface de la cathode, qui diminue la durée d'utilisation de la cathode et réduit la reproductibilité des propriétés de revêtement obtenues. En particulier. cette évaluation s'applique aux matériaux de cathode pour lesquels le foyer présente une faible mobilité (par exemple le cuivre, le carbone). Il finit' par se produire de profonds cratères d'érosion, ce cui modifie la répartition directionnelle de la vapeur ionisée lorsque la profondeur augmente et abcu:it enfin à une extinction de la décharge. Selon l'état de la technique, il existe déjà différentes tentatives d'influencer le déplacement du foyer sur la cathode au moyen de cha-.ps magnétiques. Ainsi, le DD-WP 265 506 revendicqe des champs magnétiques répartis selon une syr.métrie axiale et présentant des composantes de champ parallèles à la surface de la cathode. Le DD-WP 265 5C6 met en oeuvre des champs tournants pour stimuler le déplacement du foyer. Certes, on peut arriver par ces procédés à exercer une influence sur le déplacement du foyer, mais il n'est toutefois pas possible de déterminer avec certitude la position respective du foyer ni d'empêcher avec sécurité que le foyer ne quitte la surface de la cathode, respectivement qu'il se localise sur le bord de la cathode et y provoque des dégâts au dispositif. Pour empêcher la fuite du foyer, il fut également proposé (DE- 33 45 442) de disposer une bague de délimitation en matériau magnétisable perméable autour de la zone d'érosion souhaitée. Cette bague a pour effet de ramener le foyer sur la zone d'érosion. Le EP 277 341 propose de fabriquer la bague de délimitation en matériau bon conducteur, par exemple en cuivre. Cette solution empêche surtout la fuite de l'arc sous vide aux hautes intensités électriques et dans le cas de plusieurs foyers. La solution présente des avantages surprenants, mais elle ne résout pas le problème de l'usure du matériau de la cathode provoquée par l'érosion irrégulière de celle- ci et ainsi d'un comportement instable du foyer o a lieu la décharge de l'arc. Les problèmes de ce genre surviennent en particulier dans le cas de matériaux de 'cathode pour lesquels le déplacement du foyer est faible, par exemple pour le cuivre et le carbone. La fuite déjà mentionnée provoque la formation de cratères profonds qui peuvent empêcher le fonctionnement du dispositif. Du fait de l'érosion irrégulière de la cathode, le déplacement stochastique du foyer sur la cathode à l'intérieur de la bague de délimitation provoque en outre une émission accrue de gouttelettes et une diminution de la qualité du revêtement obtenu, respectivement de la reproductibilité de la qualité du revêtement. Pour obtenir une érosion régulière de la cathode, il a déjà été proposé de mettre en oeuvre des décharges pulsées d'arc ayant une durée de combustion de quelques ps, qui sont par exemple allumées par des plasmas de laser. Ces solutions sont toutefois techniquement très complexes et aboutissent à des taux de revêtement relativement faibles, du fait que, pour des raisons d'ordre physique, les temps de pause entre deux impulsions sont en général un multiple de la durée de l'impulsion. L'invention a pour but de constituer au moyen d'un vaporiseur à arc sous vide des couches présentant une grande homogénéité dans des conditions très économiques. L'invention a pour but d'indiquer un procédé dans lequel on exerce une influence sur la position du foyer, de telle sorte que le matériau de la cathode d'un vaporiseur à arc sous vide soit extrait de manière notablement régulière sur l'ensemble de la surface de la cathode. Selon l'invention, le problème est résolu, pour un procédé utilisant, de manière connue, des champs magnétiques extérieurs s'étendant sensiblement parallèlement à la surface d'érosion qui présentent au moins des composantes parallèles à une partie de la bordure de délimitation de la surface d'érosion, par le fait que l'on mesure le potentiel, isolé de la terre, du plasma au moyen d'une sonde, extérieure à la cathode et isolée par rapport à celle-ci., et que l'on fait varier la direction du champ magnétique extérieur lorsqu'on atteint une valeur de consigne. La valeur de consigne est déterminée principalement par l'expérience pour un vaporiseur donné et elle est en règle générale fixée de telle façon qu'elle soit justement atteinte lorsque le foyer a atteint le bord de la surface d'érosion, du fait que le potentiel, isolé de la terre, est alors à son maximum. Arrivé à ce point, le déplacement aléatoire du foyer présente une direction préférentielle déterminée qui est imprimée aufoyer par les champs magnétiques extérieurs. En atteignant la valeur de consigne sur la sonde, lorsque la direction du champ magnétique extérieur est modifiée, il en est de même également obligatoirement de la direction préférentielle du déplacement du foyer et celui-ci est ramené sur les zones intérieures de la surface de cathode en fonction du champ magnétique. La direction préférentielle du foyer (également appelé foyer cathodique ou point de pied) s'étend alors toujours perpendiculairement aux composantes du champ magnétique qui s'étendent parallèlement à la surface d'érosion. Par suite de la superposition du champ magnétique extérieur au champ magnétique propre du O10 courant du foyer d'électrode, on aboutit à un déplacement en sens opposé du foyer de cathode et du plasma qui s'éChappe du foyer cathodique. Si l'on part d'un champ magnétique extérieur stationnaire présentant des composantes qui se propagent au moins parallèlement à une partie de la bordure de délimitation de la surface d'érosion de la cathode, la zone de séecur du foyer cathodique est toujours déplacée en direction de la bordure de la surface d'érosion. Le potentiel, isolé de la terre, d'un dispositif de sonde approprié, qui est de manière appropriée identique à l'écran électrostatique de la cathode et qui entoure celle-ci de manière concentrique, se règle à présent à une valeur déterminée en fonction de la position instantanée du foyer et de la caractéristique de propagation du courant plasma dans le champ magnétique extérieur. Il s'avère que le potentiel, isolé de la terre, est une fonction de l'écartement entre foyer et sonde. Par la fixation de valeurs de consigne inférieure et supérieure du potentiel isolé de la terre, lors de l'atteinte desquelles il y a variation de la direction du champ magnétique extérieur dans le plan parallèle à la surface d'érosion de la cathode, le foyer cathodique peut par modification du champ magnétique instantané être déplacé depuis des zones présentant des conditions d'existence défavorables jusqu'à des zones meilleures. La sonde selon l'invention, servant à mesurer le potentiel, isolé de la terre, du plasma, est réalisée de manière appropriée sous forme d'électrode annulaire disposée autour de la cathode. Le fait de savoir qu'elle est la zone de bordure géométrique dans laquelle se déplace le foyer est alors totalement indifférent. On mesure toujours le potentiel plasma le plus bas, lorsque le foyer s'approche du bord. Le champ magnétique est ensuite modifié et le foyer est déplacé dans la nouvelle direction préférentielle correspondante, jusqu'à ce qu'il produise dans la zone de bordure sur la sonde la valeur de consigne pour le potentiel de plasma et soit à nouveau déplacé dans une autre direction. La variation la plus simple du champ magnétique est l'inversion de celui-ci. Il est toutefois également possible de construire au moyen d'une pluralité de pièces polaires un système magnétique dans lequel la commutation du champ magnétique s'effectue à la manière d'un champ rotatif. Outre la valeur de consigne inférieure, on peut également fixer une valeur de consigne supérieure. On peut ainsi empêcher la combustion du foyer dans le cratère, du fait que le potentiel mesuré, isolé par rapport à la terre, du plasma est accru sur la sonde. Le principe du procédé selon l'invention permet, par rapport à l'état de la technique, de réaliser une régulation poussée de la position du foyer, avec l'avantage de l'extraction régulière de la cathode, sans que l'arc puisse quitter la surface d'érosion de la cathode. On peut avantageusement mesurer le potentiel de la sonde selcn l'invention., par rapport à celui de l'anode du tronçon de décharge. D'autres buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé, dans lequel: - la figure 1 représente une coupe dans le dispositif source servant à la vaporisation de graphite par arc sous vide, avec possibilité de régulation selon l'invention du déplacement d; foyer et, - la figure 2 représente la vue de-dessus de la figure 1. Une cathode 1 de forme cylindrique, en graphite, qui présente un diamètre de 50 mm et une hauteur de 50 mm également est disposée coaxialement dans une anode 2 qui présente un diamètre intérieur de mm. La commande du déplacement du foyer sur la surface d'érosion 3 de la cathode 1 utilise un système magnétique se composant de trois bobines magnétiques 4, d'un conducteur magnétique 5 et de pièces polaires 6 prolongées, qui sont approchées directement de la surface d'érosion 3 de la cathode 1. Une sonde 7 servant à la mesure du potentiel, isolé de la terre, du plasma et d'écran électrostatique est disposée coaxialement autour de la cathode, pour éviter l'apparition de décharge sur la surface latérale de la cathode 1. Pendant le déroulement de ia décharge, pour un courant d'arc de 100 A et une tension d'arc de 21 V, il s'établit sur l'écran électrostatique 7 un potentiel compris entre - 5 V et - 19 V par rapport à l'anode 2, en fonction de la position du foyer. Il y a alors correspondance entre les valeurs absolues les plus faibles et les positions proches du bord et entre les valeurs absolues les plus élevées et les positions situées dans des zones déjà profondément érodées de la surface d'érosion 3. L'évaluation du potentiel s'effectue par l'intermédiaire d'un interrupteur à valeur de seuil 8 qui provoque une inversion du sens du champ magnétique par l'intermédiaire d'un dispositif de réglage 9. Le foyer cathodique est dépacé en direction du bord de la surface d'érosion 3 par l'effet alternatif avec les intensités magnétiques de champ produites par le système magnétique sur la surface d'érosion 3. Lorsqu'on atteint un poter.n:iel électrique de l'écran électrostatique 7 situé à -13 V ou -18 V par rapport à l'anode 2, le champ magnétique du système magnétique subit un transfert sur les conditions suivantes prévues, de sorte que le foyer cathodique est éloigné des zones critiques et passe sur d'autres positions. On a ainsi obtenu un comportement stable et une extraction régulière du matériau de la cathode par rapport à une décharge effectuée avec une position du foyer non soumise à régulation. Liste des références utilisées 1.- Cathode 2.- Anode 3.- Surface d'érosion 4.- Bobines magnétiques 5.- Conducteur magnétique 6.- Pièces polaires prolongées 7.- Sonde 8.- Interrupteur à la valeur de seuil 9.- Dispositif de réglage. REVENDICATIONS 1l) Procédé de régulation de la position du foyer dans un vaporiseur à arc sous vide, au moyesn de champs magnétiques extérieurs, s'étendant sensiblement parallèlement à la surface d'érosion qui présentent des composantes parallèles au moins à une partie de la bordure de délimitation de la surface d'érosion, caractérisé en ce que l'on mesure le potentiel, isolé de la terre, du plasma au moyen d'une sonde (7), extérieure à la cathode (1) et isolée par rapport à celle-ci, et que l'on fait varier la direction du champ magnétique extérieur lorsqu'on atteint une valeur de consigne. 2') Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure à l'aide de la sonde (7) le potentiel, isolé de la terre, du plasma, par rapport au potentiel de l'anode.