Brevet FR2732362A1 — publié le 19961004

Poste pour l'application de revêtement sur des substrats courbes notamment des lentilles optiques ou ophtalmiques La présente invention concerne un poste de revêtement comportant une source de revêtement et, en face de celle-ci, un dispositif satellite porte-pièce pourvu de fixations satellites pour au moins une pièce centrée par rapport à l'axe de satellite. On sait appliquer de fines couches sur des substrats présentant des rayons de courbure différents, notamment sur des lentilles optiques ou ophtalmiques, par métallisation thermique sous vide, évaporation par faisceau électronique ou pulvérisation cathodique et en particulier à l'aide de magnétrons du type planar. On revêt alors simultanément plusieurs substrats par lots. La taille des lots varie de dix substrats à quelques centaines de substrats. Souvent, en particulier lors de la fabrication de lentilles ophtalmiques pour laquelle différents matériaux de lentilles (verres et matières plastiques) doivent être traités avec des formules de traitement différentes, cela constitue un inconvénient considérable car il faut réunir à chaque fois un nombre suffisant de substrats demandant la même formule de traitement pour remplir un lot. Comme revêtements optiques, on peut appliquer des systèmes à une ou plusieurs couches présentant par exemple des indices de réfraction variables ; les matériaux courants sont en particulier les matériaux diélectriques comme SiO, Si3N4. Cela montre que la diversité des formules est beaucoup trop grande en particulier pour les lentilles optiques ou ophtalmiques. Les installations pour le revêtement par évaporation sont généralement grandes et complexes, ce qui a parfois pour conséquence qu'elles ne peuvent fonctionner de façon rentable qu'avec des lots importants. Il faut ajouter à cela que les lentilles optiques ou ophtalmiques peuvent présenter des courbures positives ou négatives très différentes. Les revêtements à action optique sur de telles lentilles doivent présenter une répartition d'épaisseur de couche très uniforme, avec des variations typiques de l'ordre de t 1 %. Avec les procédés de métallisation sous vide dans des installations pour lots connues, on obtient cela grâce au fait que les substrats, c'est-à-dire les lentilles, sont disposés à une grande distance de la source d'évaporation, sur des porte-substrats concaves en forme de calottes sphériques où les particules de revêtement arrivent pratiquement partout à angle droit sur les surfaces à revêtir. Pour le revêtement individuel ou par paires de lentilles, un tel procédé est peu approprié. De plus, il n'est pas facile à automatiser. La pulvérisation cathodique par magnétron du type planar est un procédé de revêtement qui s'est avéré parfaitement adapté pour un revêtement de substrats individuels automatisé, dans de nombreuses applications comme par exemple le revêtement de CD ou la fabrication de semi-conducteurs. D'après "Thin Film Processes", John L. Vossen et al., Academic Press, Inc., p. 147, on sait disposer des lentilles, pour leur revêtement, en face d'un magnétron du type planar, à savoir sur un dispositif satellite porte-pièce avec lequel les lentilles tournent de façon centrée par rapport aux axes de satellites correspondants, en tournant en même temps avec le système solaire. Définitions Sur un dispositif tournant ou satellite, on appelle dans ce qui suit "système solaire" ce qui tourne seulement autour de l'axe central du système ou axe de système solaire. Le "système satellite" tourne non seulement autour de l'axe central, mais aussi sur un axe de satellite correspondant. Le dispositif satellite porte-pièce et les substrats posés sur lui couvrent une surface concave tournée vers la surface de la source de pulvérisation cathodique, laquelle source agit essentiellement comme source ponctuelle dans la calotte sphérique. En raison de la forme de calotte sphérique du dispositif satellite porte-pièce et de la disposition centrée par rapport à celui-ci du magnétron, les zones de pièces les plus proches, de façon centrée, de l'axe de système solaire présentent par rapport à la surface du magnétron les mêmes distances minimum que des zones de pièces ou de substrats extérieures par rapport à l'axe de système solaire. L'inconvénient de cette technique de revêtement présentée schématiquement dans l'article cité est que la répartition d'épaisseur de couche pouvant être obtenue ne satisfait pas aux exigences mentionnées précédemment. Dans "Planetary system for high uniformity deposited layers on large substrates", A. Perrin et al., SPIE Vol. 1782, Thin Films for Optical Systems (1992), 238-244, on sait revêtir de grands substrats (+ 300 mm) à l'aide d'une source d'évaporation à action ponctuelle, étant précisé que pour une bonne répartition d'épaisseur de couche, on prévoit un dispositif satellite porte-substrat convexe par rapport à la source d'évaporation et que celle-ci est décalée par rapport à l'axe de système solaire. La distance verticale entre la surface d'évaporation et les centres de rotation des satellites est supérieure au diamètre du système solaire. Ce qui est désavantageux dans ce procédé, c'est la position décentrée de la source d'évaporation, qui fait que la vitesse d'évaporation varie avec la fréquence de rotation du système solaire et que le processus d'évaporation est ainsi relativement mal exploité. De plus, I'installation correspondante est relativement volumineuse car la forme ponctuelle requise pour la source n'est garantie qu'avec la distance relativement grande mentionnée entre la source et la trajectoire des substrats sur les satellites. A partir de l'art antérieur cité en dernier, la présente invention a pour but de proposer un poste de revêtement qui permette le revêtement aussi rentable que possible d'un petit nombre de substrats présentant une surface à revêtir à courbure quelconque, et ce avec une bonne répartition d'épaisseur de couche et dans une large mesure indépendamment de la durée de fonctionnement de la source. Le poste doit être compact et le traitement facile à manier. Ce but est atteint avec un poste qui est caractérisé en ce que la source de revêtement est une source de pulvérisation cathodique plane dont la surface est centrée par rapport à un axe de système solaire dans l'un au moins de ses sens d'extension, et en ce que le dispositif satellite et la source de pulvérisation cathodique sont conçus pour que la distance minimum entre la zone de pièce la plus à l'extérieur par rapport à l'axe de système solaire et la surface neuve de la source de pulvérisation soit supérieure à la distance minimum entre la zone de pièce la plus à l'intérieur par rapport à l'axe de système solaire et la surface neuve de la source de pulvérisation. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la surface neuve de la source de pulvérisation cathodique est globalement plane et l'axe solaire et les axes de satellites du dispositif satellite porte-pièce sont parallèles entre eux et perpendiculaires à la surface neuve, et la distance radiale définie entre lesdites zones de pièce les plus à l'extérieur et l'axe du système solaire est supérieure à la moitié du diamètre de la surface de pulvérisation cathodique, au moins le long d'une zone essentielle de sa périphérie. Les axes de satellites se coupent avantageusement sur le côté du système satellite opposé à la surface de la source de pulvérisation, de préférence sur l'axe du système solaire. L'invention prévoit que les axes de satellites coupent l'axe solaire suivant un angle B de 10 à 25 , de préférence de 15". Elle prévoit aussi que la distance entre le plan dans lequel tournent les centres de rotation des satellites prévus pour les pièces et la surface neuve soit de 50 mm à 100 mm, de préférence d'environ 65 mm. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, enfin, le rapport de la distance entre les centres de rotation des satellites et l'axe de système solaire au rayon de pièces aptes à être montées de façon centrée sur les satellites est au maximum de 2, de préférence de 1,7 à 1,4 et en particulier d'environ 1,6. L'invention va maintenant être décrite à titre d'exemple à l'aide des figures. La figure 1 montre schématiquement un premier mode de réalisation du poste de l'invention, la figure 2 montre un second mode de réalisation, préféré, du poste de l'invention à l'aide d'une représentation analogue à celle de la figure 1, la figure 3a montre la répartition d'épaisseur de revêtement obtenue à l'aide d'un agencement comprenant un dispositif satellite porte-pièce concave, essentiellement tel qu'il est présenté dans John L.Vossen et al., en fonction du rayon et de la courbure de substrat de la surface revêtue, la figure 3b montre la répartition de vitesse de revêtement obtenue avec le dispositif satellite concave en fonction du rayon et de l'épaisseur de substrat (substrats plans), la figure 4a montre, avec une représentation analogue à celle de la figure 3a, les conditions du revêtement avec un poste représenté schématiquement sur la figure 1, la figure 4b montre, avec une représentation analogue à celle de la figure 3b, les conditions du revêtement avec le poste de l'invention selon la figure 1, la figure 5a montre, avec une représentation analogue à celle de la figure 4a, les conditions du revêtement avec un poste représenté schématiquement sur la figure 2, et la figure 5b montre, avec une représentation analogue à celle de la figure 4b, les conditions du revêtement avec un poste de l'invention selon la figure 2. La figure 1 représente schématiquement un poste de revêtement par pulvérisation cathodique 1 comportant une source de pulvérisation 3 du type planar, par exemple, en particulier un magnétron du type planar. La surface de pulvérisation cathodique 5 de la source 3 est à l'état neuf, c'est-à-dire qu'elle est globalement plane comme surface neuve. En face de la surface de pulvérisation 5 est prévu un dispositif satellite porte-pièce 7. As désigne l'axe de rotation du système solaire 9, Ap les axes de rotation des systèmes satellites 11, R le rayon entre l'axe As du système solaire et les axes Ap des satellites 11, H la distance entre le centre des satellites et la surface neuve 5, et r le rayon maximum défini par des substrats 13 disposés de façon centrée ou avec une symétrie centrale sur les satellites du système satellite 11. Si la surface de pulvérisation est circulaire, elle est centrée par rapport à l'axe As. Si elle est par exemple rectangulaire ou ovale, elle est centrée par rapport à l'axe As dans l'un au moins de ses sens d'extension. Comme on l'a représenté schématiquement, le dispositif satellite porte-pièce 7 est entraîné par un entraînement 15 disposé à l'extérieur du poste 1 et agissant sur le système solaire 9. Les satellites 11 du système satellite sont ainsi mis en rotation autour des axes de rotation de système satellite Ap, comme il est représenté schématiquement en 17, grâce à un entraînement par friction ou par engrenage par rapport à la paroi de poste fixe. Les satellites comportent chacun un dispositif porte-pièce sur lequel un substrat 13 est fixé de préférence en étant centré par rapport à l'axe de satellite Ap. Si on dispose éventuellement au niveau de chaque satellite plus d'un substrat, les substrats sont disposés avec une symétrie centrale par rapport à l'axe Ap. La valeur de la hauteur H représente la distance entre le point d'appui central pour les substrats 13 au niveau des satellites 11 et la surface neuve 5 de la source de pulvérisation. + représente le diamètre de la source de pulvérisation, qui est de préférence circulaire mais qui peut tout à fait présenter d'autres formes, et donc des diamètres différents. Selon ce mode de réalisation, la valeur (R+r) est supérieure à 9/2 au moins dans des sections essentielles de la périphérie de la surface de pulvérisation (dans le cas d'une surface de source circulaire, le long de toute la périphérie). On obtient ainsi que la distance minimum D, entre les zones de pièces passant le plus à l'extérieur par rapport à l'axe As, et la surface de source de pulvérisation 5 soit supérieure selon l'invention à la distance minimum D2 entre les zones de pièces passant le plus à l'intérieur par rapport à l'axe de système solaire As et ladite surface 5. Comme mode de réalisation préféré, la figure 2 montre la disposition préférée d'une source de pulvérisation cathodique 3 pourvue d'une surface neuve 5, et du dispositif satellite porte-pièce 7. Par souci de clarté, seuls les éléments essentiels sont représentés ici, et on a choisi les mêmes chiffres de référence que sur la figure 1. Dans le mode de réalisation préféré de la figure 2, contrairement à celui de la figure 1, la valeur (R+r) est globalement égale à la moitié du diamètre 9 le long de zones essentielles, au moins, de la périphérie de la surface de pulvérisation, mais elle peut aussi être inférieure. En revanche, les axes As et Ap ne sont plus parallèles, mais ils se coupent en un point P qui se trouve à l'opposé de la source de pulvérisation 3 par rapport au dispositif satellite. Le dispositif satellite est ainsi convexe. Les rapports de distance de l'invention sont respectés grâce au choix de l'angle B. On utilise de préférence les valeurs suivantes H : 50 mm à 100 mm, de préférence environ 65 mm B : 10" à 25 , de préférence environ 15" rapport de R au rayon r pour les fixations de pièces centrées au niveau des satellites A partir de ces valeurs, en particulier de la faible hauteur H et du faible rapport R/r, on peut voir que le poste de revêtement de l'invention est extrêmement compact, qu'il est construit simplement et avec peu de pièces et qu'il offre ainsi une grande fiabilité et une exploitation avantageuse du matériau de revêtement. Comme source de pulvérisation cathodique, on utilise de préférence un magnétron, commandé par une source à courant continu, à courant alternatif ou les deux, comme le divulgue par exemple EP-A-0 564 789 sous la forme d'une commande à vibreur, selon le brevet US N" 08/300 865, qui sont déclarés à ce sujet partie intégrante de la présente description. Le traitement de revêtement peut se faire par exemple de façon réactive ou selon le mode métallique ou encore selon ce qu'on appelle l'"intramode". On se référera à ce sujet à EP-A-0 508 359, selon US-A-5 292 417, qui sont déclarés à ce sujet partie intégrante de la présente description. Exemple de référence Avec un poste selon la figure 2, mais comportant des satellites dont les axes Ap coupaient l'axe de système solaire As à 15 côté source de pulvérisation, et donc avec un dispositif porte-pièce tel qu'on le connaît déjà d'après John L. Vossen et al., c'est-à-dire en forme de calotte concave, on a revêtu de SiO2 des surfaces de lentilles présentant des rayons et des courbures différents, à l'aide d'un magnétron du type planar comme source de pulvérisation 3. Les valeurs valables pour cet exemple étaient les suivantes H: 65 mm ; r : 40 mm R: 65 mm ; courbure Kr. des substrats : 0 B : + 15" b: : 125mu. Sur la figure 3a, I'épaisseur de revêtement relative en pourcentage est indiquée d'une part en fonction du rayon variable r' en mm des corps de lentilles revêtus, qui ont été posés au niveau des porte-lentilles satellites de façon centrée par rapport à l'axe de satellite Ap. L'épaisseur de couche relative est indiquée d'autre part en fonction de la courbure des lentilles en 1/m, les courbures négatives désignant les surfaces de lentilles concaves tournées vers la surface du magnétron tandis que les courbures positives désignent les surfaces de lentilles convexes. La figure 3b représente la vitesse de revêtement relative sur les substrats en fonction du rayon variable r' et de l'épaisseur du substrat. Avec ces répartitions réalisées comme exemple de référence selon la technique déjà connue, on va maintenant comparer les répartitions réalisées selon l'invention, selon les exemples 1 et 2. Exemple 1 A l'aide d'un poste représenté schématiquement sur la figure 1, on a revêtu comme dans l'exemple de référence des corps de lentilles fixés de façon centrée par rapport aux axes de satellites Ap et présentant des surfaces à revêtir convexes et concaves. Les dimensions valables étaient les suivantes H: 65 mm ; r : 40 mm R: 84 mm; Kir. : varie ss : 0 ; # : 125 mm. Le traitement de revêtement a été réalisé avec les mêmes paramètres de réglage et le même magnétron que dans l'exemple de référence. Les résultats sont représentés sur les figures 4a et 4b de la même manière que sur les figures 3a et 3b, respectivement. Pour les conditions de la figure 4b, la courbure du substrat Kr. = 0. Exemple 2 On a revêtu des corps de lentilles convexes et concaves de la même manière mais avec un dispositif satellite porte-pièce conçu selon la figure 2. Là aussi ,on a réalisé le traitement de revêtement comme dans l'exemple de référence. Les valeurs valables étaient les suivantes H: 65 mm; r: 40 mm R: 65 mm; Kir. : varie B : - 15" ; :125 mm (intersection comme sur la figure 2). Les résultats ressortent des figures 5a et 5b. La aussi, Kr. = 0 pour les conditions de la figure 5b. Discussion Si on compare les résultats obtenus avec les postes de revêtement de l'invention selon les figures 1 et 2, c'est-à-dire selon les figures 4a, 5a, à ceux d'un poste comportant un dispositif satellite porte-pièce concave et donc selon l'exemple de référence, par exemple selon John L. Vossen (figure 3a), on voit que les substrats de l'invention peuvent être revêtus avec des épaisseurs de couche relatives de 97,5 % à 102,5 % avec des rayons nettement plus grands et dans une zone de courbure convexe et concave nettement plus grande : une nette amélioration est évidente. Cela correspond aussi à la comparaison des figures 4b, 5b à la figure 3b, selon laquelle, tout particulièrement selon la figure 5b, la vitesse relative dépend nettement moins, selon l'invention, du rayon et de l'épaisseur du substrat que dans le cas du revêtement avec un dispositif satellite concave selon l'exemple de référence. La comparaison des figures 4a, b pour le poste de l'invention selon la figure 1, et des figures 5a, b pour celui de la figure 2 montre également que le mode de réalisation préféré de la figure 2 donne des résultats encore meilleurs. La zone de rayon et de courbure, sur la figure 5a, à l'intérieur de laquelle l'épaisseur de revêtement va de 97,5 % à 102,5 % est encore plus grande que sur la figure 4a. De plus, selon la figure 5b, la vitesse de revêtement est supérieure à celle de la figure 4b et dépend encore moins du rayon et de l'épaisseur du substrat. Comme il ressort également de la comparaison des figures 4a et 5a (invention), d'une part, et de la figure 3a (art antérieur, exemple de référence), d'autre part, les conditions de revêtement pour les courbures de surfaces de revêtement convexes et concaves sont globalement symétriques selon le procédé de l'invention, ce qui offre de nets avantages en ce qui concerne la souplesse d'utilisation du poste de l'invention pour le revêtement de corps de lentilles convexes et concaves. Outre tous ces avantages, le poste est petit, il offre un maniement simple et permet le revêtement en très petits lots, de sorte que même des non spécialistes du revêtement (par exemple des opticiens) peuvent réaliser des formules de revêtement individuelles sur des substrats présentant des courbures individuelles. Cela s'explique aussi par le fait que le revêtement est reproductible à l'intérieur de tolérances de spécifications étroites, largement indépendamment de l'usure de cible de la source de pulvérisation cathodique. REVENDICATIONS 1. Poste de revêtement comportant une source de revêtement (3) et, en face de celle-ci, un dispositif satellite porte-pièce (7) pourvu de fixations de pièce satellites (11) pour au moins une pièce (13) centrée par rapport à l'axe de satellite (Ap), caractérisé en ce que la source de revêtement est une source de pulvérisation cathodique plane dont la surface est centrée par rapport à un axe de système solaire (As) dans l'un au moins de ses sens d'extension, et en ce que le dispositif satellite (7) et la source de pulvérisation cathodique (3) sont conçus pour que la distance minimum (D,) entre la zone de pièce la plus à l'extérieur par rapport à l'axe de système solaire (As) et la surface neuve (5) de la source de pulvérisation (3) soit supérieure à la distance minimum (D2) entre la zone de pièce la plus à l'intérieur par rapport à l'axe de système solaire (A5) et la surface neuve (5) de la source de pulvérisation (3). 2. Poste selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface neuve (5) de la source de pulvérisation cathodique est globalement plane et l'axe solaire (A5) et les axes de satellites (Ap) du dispositif satellite porte-pièce (7) sont parallèles entre eux et perpendiculaires à la surface neuve (5), et en ce que la distance radiale (R+r) définie entre lesdites zones de pièce les plus à l'extérieur et l'axe (As) du système solaire est supérieure à la moitié du diamètre (b/2) de la surface de pulvérisation cathodique, au moins le long d'une zone essentielle de sa périphérie. 3. Poste selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes de satellites (Ap) se coupent sur le côté (P) du système satellite opposé à la surface de source de pulvérisation (5), de préférence sur l'axe du système solaire (As). 4. Poste selon la revendication 3, caractérisé en ce que les axes de satellites (Ap) coupent l'axe solaire (As) suivant un angle B de 10 à 25 , de préférence de 15". 5. Poste selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la distance (H) entre le plan dans lequel tournent les centres de rotation des satellites prévus pour les pièces (13) et la surface neuve (5) est de 50 mm à 100 mm, de préférence d'environ 65 mm. 6. Poste selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport de la distance (R) entre les centres de rotation des satellites et l'axe de système solaire (A5) au rayon (r) de pièces (13) aptes à être montées de façon centrée sur les satellites est au maximum de 2, de préférence de 1,7 à 1,4 et en particulier d'environ 1,6.