Brevet FR2663042A1 — publié le 19911213

La présente invention concerne un procédé pour réa Liser un revêtement de haute adhérence sur La surface d'un support, pour obtenir des caractéristi- ques en surface Fonction de L'usage prévu, te L Les que, des caractéristiques mécaniques pour améLiorer La ré- sistance par exemp Le au frottement ou à L'usure, chi miques pour améLiorer La résistance par exemp Le à La corrosion, physiques pour améLiorer Les propriétés de co L Lage et d'adhérence entre p Lusieurs supports, ou encore esthétiques, procédé du type dans Leque L on dépose sur La surface de support une couche mince d'un matériau constituant tout ou partie du revêtement, La couche étant ensuite soumise à une opération de méLange par implantation ionique, opération connue sous Le nom de "mixage par faisceau d'ions", Les ions de mixage ayant une énergie cinétique suffisante pour traverser L'interface support/couche, générer des perturbations à L'éche L Le atomique à L'interface et améLiorer ainsi L'adhérence de La couche. Un te L procédé est connu Une pub Lication de Materia Ls Science and Engineering A 109 ( 1989) 83-88 ayant pour titre "ION BEAM MIXING of CuAL 203 interfaces for Enhanced Adhesion" décrit un procédé de mixage par faisceau d'ions pour améLiorer L'adhérence d'un fi Lm de cuivre déposé par évaporation sur un support en a Lumine L'irradiation est réa Lisée avec des ions Lourds de xénon soumis à un énergie cinétique d'environ 1, 5 Me V, au moyen d'un accéLérateur "Van de Graaf f. L'usage d'ions de mixage de masse atomique éLevee et de haute énergie est attaché à une démarche se Lon Laque L Le L'adhérence d'une couche mince déposée sur un support est d'autant p Lus grande que La pertur- bation créée à L'interface par mixage sera éga Lement p Lus grande Cependant, Les moyens nécessaires à La réa Lisation de L'irridiation sont extrêmement coiteux et ne peuvent être uti Lisés dans des app Lications industrie L Les. IL existe éga Lement des procédés de dépôt de couche mince de type céramique sur un support, par exemp Le sous p Lasma éLectrique ou encore par pu Lvéri- sation ionique ou bombardement éLectronique après éLévation en température du support Ces techniques restent Limitées au traitement de surface de petites pièces, et Le chauffage du support constituerait une contrainte co Oteuse dans Le cas de supports de grandes dimensions De p Lus, dans Les techniques de dépôt par p Lasma éLectrique, La croissance de La couche cérami- que est Lente. On voit que Les différentes techniques con- nues ne conviennent pas pour La réa Lisation indus- trie L Le de revêtements à couche mince sur un support par exemp Le de grands surface L'invention a pour but de permettre de réa Liser un revêtement de haute adhé- rence sur La surface d'un support pouvant étre de grande surface en uti Lisant un procédé apte à être mis en oeuvre de façon continue et dans des conditions industrie L Lement acceptab Les. A cet effet, L' invention a pour objet un procédé du type précité, caractérisé en ce que: on choisit L'ion de mixage et on détermine La dose d'ions et Leur énergie de manière à obtenir, pour Le support et Le matériau considérés, une adhérence prédéterminée de La couche sur Le support; on effectue Le dépôt par évaporation thermique dudit matériau pour déposer Le couche sur Le support, ce support restant à peu près à La tempéra- ture ambiante pendant cette opération; et :3 on imp Lante L'ion de mixage choisi, avec La dose et L'énergie déterminées. Suivant d'autres caractéristiques du procédé se Lon L' invention: L'énergie cinétique d'imp Lantation de L'ion de mixage est inférieure à 200 ke V environ; La couche mince est constituée de carbone ou d'un matériau céramique, et/ou Le support est méta L Lique; La céramique est un oxyde réfractaire te L que L'a Lumine ou La si Lice; on peut effectuer, après L'opération de mixage, un recuit du support et de La couche mince; Les ions de mixage sont choisis parmi Les éLéments ayant une masse atomique comprise dans L'interva L Le 10 40, notamment par-mi Le néon, L'argon, L'oxygène et L'azote; L'épaisseur de La couche mince du matériau est inférieure à 0,5 pm, et notamment comprise entre 0,01 et 0,2 pm. on peut éga Lement réa Liser sur La couche mince, après L'opération de mixage, un dépôt d'un matériau de même nature, d'épaisseur désirée, afin d'obtenir un revêtement adhérent d'épaisseur r 25 déterminée; La dose imp Lantée des ions de mixage est comprise entre 1015 et 10 '6 ions/'cm 2 environ; simu Ltanément ou après Le mixage, La couche mince peut âtre co Lorée par imp Lantation ionique, Les ions de co Lorations étant notamment choisis parmi Les éLéments méta L Liques de transition; Les ions de co Loration sont imp Lantés de fa"on que dans Leur répartition dans Le revêtement, Leur densité maxima Le se situe près de L'interface support/couche mince. L'invention a éga Lement pour objet un pro- duit constitué d'un support sur Leque L est réa Lisé un revêtement comportant au moins une couche mince adhérant sur Le support, ce produit étant obtenu par un procédé te L que defini ci-dessus. Le revêtement peut être constitué de p Lusieurs couches minces composées de matériaux de nature différente ou de même nature. 7 Q Ce produit peut étre une t 8 Led'acier revêtue pour assurer une protection contre La corrosion associée ou non à une co Loration, ou une mei L Leure adhérence de p Lusieurs tôLes pour former un sandwich Dans un autre exemp Le d'app Lication, Le produit peut être une partie de frottement d'une prothèse articu Laire médica Le. Le description qui suit, faite en regard du dessin annexe, fera mieux comprendre L' invention. La figure 1 est un schéma de principe du test de traction uti Lisé pour La mesure de L'adhérence de La couche mince sur Le support. La figure 2 présente Les caractéristiques d'adhérence mesurées par Le test de traction en fonction des doses d'imp Lantation des ions de mixage, pour des ions de masse différente et d'énergie variab Le. Le procédé se Lon L'invention comporte une suite d'opérations couramment uti Lisées dans L'industrie: une évaporation thermique sous vide d'un matériau sur un support par exemp Le de grande surface, pour La réa Lisation d'une couche mince déposée d'épaisseur inférieure à 0,5 /m L'éLévation de La température du matériau à évaporer est réa Lisée soit par effet Jou Le soit à L'aide d'un canon à éLectrons. Lors de L'évaporation, Le support est à peu près à La température ambiante, ce qui donne à ce stade du procédé une couche mince déposee re Lativement peu adhérente Par "à peu près à La température ambiante", on entend que Le support ne subit aucun chauffage spécifique en vue de cette opération de dép Ft par évaporation thermique L'opération de mixage consécutive assure L'adhérence de La couche interne. une opération de mixage, Au cours du mixage, c'est-à dire Lors de L'interaction des ions imp Lantés avec La matière, i L y a perte d'énergie des ions par des interactions éLec- troniques et par des interactions nuc Léaires Cette interaction se décompose en deux phases: une phase ba Listique primaire indépendante de La température, et une phase chimique secondaire dépendante de La température et pendant Laque L Le ont Lieu notamment Les phénomènes de diffusion assistée. Cette constatation permet La détermination, préa Lab Lement au mixage, d'une va Leur optima Le d'énergie de transfert au niveau de L'interface, va Leur Liée au niveau d'adhérence désirée Cette énergie a été ana Lyvse comme étant Fonction de La nature du support et du matériau constituant La couche mince, de La nature de L'ion de mixage choisi, de L'énergie cinétique d'imp Lantation, de La dose des ions de mixage imp Lantée et de La répartition des pertes d'énergies d'interactions éLectroniques et d'interactions nuc Léaires de L'ion dans La matière, au niveau de L'interface. La figure 1 décrit un test de traction pour La mesure des caractéritiques d'adhérence. Un matériau 1 déposé en couche mince sur un support 2 est soumis à une traction par L'intermédi- aire d'une tige 3, par exemp Le méta L Lique, Liée par son extrémité à La couche mince par une co L Le 4. Dans L'exemp Le de mise en oeuvre décrit ci-dessous, Le procédé pour La réa Lisation d'un revêtement de haute adhérence comporte une évaporation thermique par canon d éLectrons d'une couche de 0,1 ym d'a Lumine sur un support en acier suivie d'une opération de mixage par différents ions de masse et d'énergie variab Les. La figure 2 représente différentes caracté- ristiques d'adhérences, mesurées au moyen du test de La figure 1, en fonction des doses d'imp Lantation des ions de mixage Les ions testés sont entre autres Le xénon, Le krypton, L'argon et Le néon, à différentes énergies cinétiques. D'une façon remarquab Le et inattendue, on a constaté que L'adhérence augmente de façon considéra- b Le, pour une dose donnée, Lorsque La masse atomique de L'ion de mixage est inférieure à 40 environ. Lors de L'uti Lisation d'ions de mixage de masse atomique inférieure à 10, Le trans Fert d'énergie à L'interface est dominé par Les pertes d'interaction éLectronique, interaction qui ne perturbe p Lus de façon suffisante La matière à L'interface et n'améLio- re pas autant par conséquent L'adhérence de La couche. Compte tenu de La masse des ions de mixage se Lon L'invention, i L est a Lors possib Le d'uti Liser une énergie d'imp Lantation faib Le, inférieure à 200 ke V environ, une te L Le énergie d'imp Lantation pouvant être obtenue avec des imp Lanteurs d'ions industrie Ls c Lassiques. Les doses nécessaires pour améLiorer L'adhérence de manière importante sont éga Lement faib Les, c'est à dire inférieures à 0-16 ions/cm 2, ce qui permet une imp Lantation en des temps très courts, et est donc favorab Le à L'industria Lisation du procédé. On a constaté par ai L Leurs qu'un recuit apres mixage amèLiore d'un facteur d'environ 2 La va Leur de La caractéristique d'adhérence. Si pour des raisons techno Logiques, L'épaisseur de La couche est insuffisante pour former Le revêtement, i L peut être déposé sur La couche adhérente aprèes mixage, par tout procédé approprié, par exemp Le par bombardement éLectronique, une couche p Lus épaisse d'un matériau de même caractéristique physicochimique. Le revêtement de haute adhérence peut être co Loré par une imp Lantation ionique, Les ions d'imp Lantation étant choisis parmi Les éLéments méta L Liques de transition et imp Lantés avec une énergie choisie de manière que dans Leur répartition dans Le revêtement adhérent, Leur densité maxima Le se situe près de L'interface. Ainsi, Le revitement de haute adhérence sur un support par exemp Le méta L Lique est obtenu se Lon L'invention par un procêdé pour Leque L i L est nécessaire d'effectuer: une simp Le évaporation thermique d'un matériau te L qu'une céramique comme par exemp Le L'a Lumine, La si Lice ou un autre corps particu Lier comme Le carbone, et un mixage sous une faib Le dose d'ions Légers te Ls que Le néon, L'argon L'azote, L'oxygène, soumis à une énergie cinétique inférieure à 200 ke V fournie par un simp Le dispositif d'imp Lantation industrie L, Le revêtement pouvant être de p Lus co Loré, simu Ltanément ou consécutivement L'opération de mixage, par une imp Lantation d'ions méta L Lique de transition. Le procédé permet aussi La réa Lisation d'un revêtement de p Lusieurs couches de matériaux dif- férents, par exemp Le pour des app Lications en optique. Le procédé, qui fournit un moyen pour n O améLiorer L'adhérence d'une couche mince par exemp Le céramique sur un support par exemp Le méta L Lique, peut être uti Lisé dans divers domaines techniques industrie Ls o une caractéristique de surface est recherchée, comme par exemp Le: 1 15 un dêpût en couche mince d'une céramique sur un méta L pour obtenir une résistance à La corrosion ou à L'usure, une iso Lation éLectrique ou éLêctromagnêtique en surface, une bonne adhérence, ou encore une co Loration particu Lière dans un but esthétique; un dép Ot d'une ou de p Lusieurs couches minces d'un matériau de type céramique sur par exemp Le un verre. REVENDICATIONS 1 Procédé pour réa Liser un revêtement de haute adhérence sur La surface d'un support, du type dans Leque L on dépose sur La surface du support une couche mince d'un matériau constituant tout ou partie du revêtement, La couche étant ensuite soumise à une opération de mixage par faisceau d'ions, Les ions de mixage ayant une énergie cinétique suffisante pour traverser L'interface support/couche, générer des perturbations à L'Vche L Le atomique à L'interface et améLiorer ainsi L'adhérence de La couche, caractérisé en ce que: on choisit L'ion de mixage et on détermine La dose d'ions et Leur énergie de manière à obtenir, pour Le support et Le matériau considérés, une adhérence prédéterminée de La cou he sur Le support; on effectue Le dépôt par évaporation thermique dudit matériau pour dêposer La couche sur Le support, ce support restant à peu prfs à La tempéra- ture ambiante pendant cette opération; et on imp Lante L'ion de mixage choisi, avec La dose et L'énergie cinétique déterminées. 2 Procédé se Lon La revendication 1, carac- térisé en ce que L'énergie cinétique d'imp Lantation de L'ion de mixage est inférieure à 200 ke V. 3 Procédé se Lon La revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que Les ions de mixage sont choisis parmi Les éLéments ayant une masse atomique comprise dans L'interva L Le (O 40), notamment parmi Le néon, n O L'argon, L'oxygène et L'azote. 4 Procédé se Lon L'une que Lconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que La dose imp Lantée des ions de mixage est comprise entre 1015 et 1016 ions/cm 2 environ. Procédé se Lon L'une que Lconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que La couche mince est constituée de carbone ou d'un matériau céramique, notamment d'un oxyde réfractaire te L que L'a Lumine ou La si Lices et/ou en ce que Le support est méta L Lique. 6 Procédé se Lon L'une que Lconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que L'épaisseur de La couche mince est inférieure à 0,5 jm, et notamment comprise entre 0,01 et 0,2 pm. 7 Procédé se Lon L'une que Lconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on effectue après L'opération de mixage par faisceau d'ions un recuit du support et de La couche mince. 8 Procédé se Lon L'une que Lconque des revendications 1 à 7,caractérisé en ce qu'après L'opération de mixage par faisceau d'ions, on réa Lise sur La couche mince un dépôt d'un matériau de même natures d'épaisseur désirée. 9 Procédé se Lon L'une que Lconque des revendications 1 à 8, caractérise en ce que simu Ltanément ou après mixage, La couche mince est co Lorée par implantation ionique, Les ions de co Loration étant notamment choisis parmi Les éLéments méta L Liques de transition. Procédé se Lon La revendication 9, caractérisé en ce que Les ions de co Loration sont implantés de façon que dans Leur répartition dans Le revêtement, Leur densité maxima Le se situe près de L'interface. Il Produit constitué d'un support, notam- ment d'une tôLe d'acier, sur Leque L est réa Lisé un revêtement comportant au moins une couche mince i 1 adhérant sur Le support, caractérisé en ce que ce produit est obtenu par un procédé se Lon L'une que Lconque des revendications 1 à IO. 12 Produit se Lon La revendication 111, caract 6 risé en ce que Le revêtement est constitué de p Lusieurs couches minces composées de matériaux de nature di FFérentes ou de même nature. Produit se Lon La revendication 11 ou 12 > caractérisé en ce qu'i L constitue une partie de frottement d'une prothèse articu Laire médica Le.