Brevet FR2847911A1 — publié le 20040604

La présente invention concerne un procédé de renforcement de la paroi interne d'au moins un corps creux à trou débouchant, ainsi qu'un réacteur pour la mise en oeuvre du procédé et un corps creux obtenu par le procédé. L'invention voit une application non limitative dans le renforcement des 5 orifices des filières pour le tréfilage des métaux, et son application s'applique de manière générale à tous les corps creux à trou débouchants. Il est déjà connu de réaliser les orifices des filières dans des inserts en diamant obtenus par cristallisation de diamant en phase vapeur, généralement par un procédé appelé dépôt chimique en phase vapeur (abréviation C. V. D.), lesdits 10 inserts étant montés sur un support. Un des procédés CVD les plus utilisé est le procédé de synthèse assisté par plasma micro-onde, qui se réalise dans deux types de réacteur, le réacteur " surfaguide " non représenté ou le réacteur de type " cloche " représenté en figure 1 (détaillée plus loin) et constituant l'état de la technique pour la présente invention. 15 Les principaux inconvénients de ce procédé sont: - application actuellement connue limitée à des substrats plans - difficulté de localisation du plasma Des inserts du type précité sont par exemple décrits dans les brevets EP O 494 799 ou EP O 652 057, ils sont obtenus par dépôt CVD sur un substrat plan 20 qui est ensuite découpé et perforé puis monté sur un support. Les principaux inconvénients des inserts sont leurs cots, leur usure irrégulière. L'invention palie tous les inconvénients de l'art antérieur en proposant Préférentiellement mais non limitativement la technique de synthèse est 25 assistée par plasma et elle est choisie dans l'ensemble (plasma micro-onde, torche à plasma, filament chaud etc). Plus particulièrement, il peut s'agir d'une technique de synthèse à plasma assistée par micro-onde consistant à: - disposer le ou les corps creux sur un porte-substrat de manière que 30 le ou les axes des trous débouchants soient parallèles à l'axe central vertical du porte-substrat, - pomper les espèces responsables de la croissance du diamant dans ledit axe central du porte-substrat. En outre, il peut constituer à faire tourner le porte-substrat pendant la 35 synthèse du diamant. L'invention porte également sur un réacteur de mise en oeuvre du procédé qui comporte des moyens pour forcer les espèces responsables de la germination du diamant à pénétrer et à se déposer sur la paroi interne du trou débouchant du ou des corps creux. En particulier le réacteur peut être un réacteur du type cloche dans lequel les espèces entrent dans le réacteur par une entrée haute, sont conduits dans une chambre o se forme la boule de plasma au-dessus d'au moins un corps creux porté par un porte-substrat, le pompage des gaz étant positionné en dessous du porte-substrat, caractérisé en ce que le pompage des gaz est positionné au centre 10 de la sole du réacteur, dans l'axe central du porte-substrat, le ou les corps creux étant installés sur un porte-substrat de façon que l'axe de chacun des trous débouchant soit parallèle à celui du porte-substrat. Le porte substrat est monté sur un montage tournant qui comporte un moteur et un moyen de pompage dans l'axe du porte-substrat. 15 Le montage tournant comporte en outre: - En partie supérieure une plaque circulaire comportant une pluralité de trous lamés débouchant pour recevoir les corps creux, - Une interface plaquant un disque d'accord par vissage sur un bouchon tournant. L'interface comporte une partie supérieure cylindrique creuse sur laquelle est positionnée la plaque portant les filières, une collerette circulaire s'appuyant sur le disque d'accord, un tube avec filetage extérieur pour vissage dans le filetage interne du bouchon tournant. Le bouchon tournant cylindrique comporte un épaulement périphérique pour 25 reposer sur le tube en cuivre qui constitue le tunnel de pompage et qui contient également l'arbre de rotation reliant le porte-substrat au moteur. Préférentiellement, la sortie de pompage est prévue alors latéralement dans le tube en cuivre. Des roulements à billes permettent de centrer l'arbre pour les roulements à 30 billes inférieurs, et de supporter la masse de l'axe pour le roulement supérieur. Le porte-substrat est constitué de deux parties cylindriques coaxiales traversées par un trou de diamètre coaxial avec l'axe de pompage, avec une partie supérieure d'un diamètre plus important, dans lequel est placé le corps creux, une partie inférieur plongeant à l'intérieur du tube en cuivre. En outre, on prévoit de fermer l'espace entre le tube en cuivre et le portesubstrat avec un disque intermédiaire en graphite percé en son centre, la partie inférieure du porte substrat se trouve alors ajustée dans l'orifice. L'invention concerne également un corps creux à trou débouchant 5 caractérisée en ce que la paroi interne du trou débouchant est revêtue au moins partiellement d'une couche de diamant au moyen d'un procédé selon l'invention. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description ci-après faite en référence aux figures annexées suivantes: - Figure 1: schéma d'un réacteur de l'état de la technique. - Figure 2: schéma du réacteur de la figure 1 modifié pour la mise en oeuvre de l'invention. - Figure 3: schéma d'un porte-substrat modifié donné à titre d'exemple non limitatif. - Figure 4: schéma montrant la modification du pompage, en concordance 15 avec un porte-substrat selon la figure 3 - Figure 5: Schéma d'un montage tournant optionnel pour la mise en oeuvre de l'invention. On se rapporte d'abord à la figure 1 de l'état de la technique. Le mélange de gaz entre dans le réacteur (a) par une entrée haute (b), est conduit dans une 20 chambre (c) o se forme une boule de plasma (d) au- dessus d'un substrat (e) plan posé sur un support fixe (f) en cuivre formant suscepteur porté par un tube en quartz (k) et entouré d'un écran refroidi (g). L'onde micro-onde assurant l'interaction onde/gaz est générée par un générateur (h) et conduite par un guide d'onde débouchant directement sur le haut 25 de la chambre (c) près d'une antenne (i). Le pompage () des gaz est positionné sur la sole du réacteur entre la paroi de la chambre et le tube à quartz (k). Le traitement des filières impose de nombreuses modifications sur un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde, conçu 30 au départ pour traiter des substrats plans. En effet, les surfaces à traiter sont celles d'une cavité plus profonde que large et sont difficilement immergeables dans le plasma micro-onde. Il faut alors forcer les espèces responsables de la germination du diamant à pénétrer et à se déposer sur les parois de la filière. Les inventeurs ont déplacé le système de pompage pour que la convection dans le réacteur soit 35 favorable à cette configuration. Le porte-substrat lui aussi doit être modifié, non seulement pour favoriser le dépôt sur les parois internes mais également pour éviter les points chauds, qui dégradent l'adhérence des dépôts. La taille des filières permet d'envisager un traitement de plusieurs filières simultanément par exemple quatre. Pour augmenter l'homogénéité des dépôts sur s chacune d'entre elles les inventeurs ont installé un porte-substrat tournant optionnel intégrant les premières modifications ci-dessus (pompage et porte-substrat). Les filières traitées selon l'invention présentent un trou débouchant dont la paroi interne est revêtue totalement ou au moins partiellement d'une couche de diamant déposée directement sur la surface en carbure de tungstène. Cette couche 10 recouvre au moins la hauteur de la partie la plus sollicitée lors du tréfilage. On détaille à présent chacune des modifications en se reportant aux figures 2 à 5: - Les moyens de pompage (voir figure 2): Pour obliger les espèces responsables de la croissance de diamant à passer 15 à l'intérieur de la cavité du corps creux, on déplace l'évacuation (1) des gaz à l'intérieur du réacteur. Anciennement située sur la sole du réacteur mais côté paroi (figure 1), l'évacuation des gaz est positionnée au centre de la sole (2). Pour forcer "l'écoulement " des espèces au niveau du porte-substrat (3) on prévoit un tube en cuivre (4) traversant la sole (2) en son centre et verticalement, cette disposition 20 permet le pompage des gaz juste en dessous du porte-substrat (3). Cette configuration permet d'avoir un écoulement vertical des espèces dans le réacteur: celles-ci entrent par une entrée haute (5) du réacteur, au niveau de l'antenne micro-onde (6), et s'évacuent par le tube en cuivre central (4). - Le porte-substrat (voir figures 3 et 4): Le pompage centré peut être optimisé par une modification du porte-substrat (3). Ce dernier doit répondre à deux caractéristiques: la première est de ne pas provoquer de points chauds sur la filière pendant le traitement. La deuxième est de favoriser au mieux la pénétration du dépôt dans le couloir de mise en pression de la filière. Une première possibilité consiste à poser une filière avec son axe de travail horizontal sur un porte-substrat (3) destiné au traitement des produits plats. Cette position particulière de la filière sur le porte-substrat lui permet d'avoir son entrée et sa sortie en contact avec le plasma micro-onde. La pénétration du dépôt dans la cavité est rendue favorable. On remarque cependant la formation d'un micro plasma 35 chaud provoqué par un effet d'antenne important du flan de la filière. Ce micro plasma engendre un gradient thermique important dans la filière. Après refroidissement, les contraintes thermiques alors générées par ce type de chauffage hétérogène provoquent la décohésion du film de diamant. Pour éliminer cet inconvénient et les effets de pointes sur les filières on prévoit un nouveau porte-substrat (7) dont le schéma est montré sur la figure (3). Il 5 est constitué de deux parties cylindriques coaxiales, traversées par un trou de diamètre (d). La partie supérieure (7a) du porte-substrat possède un diamètre (dl) plus important que d, par exemple 22 mm, un lamage d'une profondeur (h) prédéterminée, par exemple 4,5 mm, et un diamètre (A) capable de recevoir une filière avec son axe vertical. Celle-ci doit se trouver suffisamment enfoncée pour ne 10 pas provoquer de points chauds et pas trop éloignée de la décharge micro-onde pour favoriser la mise en place du revêtement. La partie inférieure du portesubstrat, plus étroite et plus longue, par exemple d'une longueur I = 20 mm, doit plonger à l'intérieur du tube en cuivre du système de pompage, pour forcer l'écoulement des gaz dans ledit tube en cuivre (4). A titre d'exemple, deux types de porte-substrat ont 15 été conçus pour recevoir deux types de filières avec A = 11 mm et A = 7 mm environ. Les portesubstrats (3 ou 7) sont réalisés en graphite de qualité nucléaire. Ce matériau possède, en effet, une grande densité et permet ainsi de limiter les pertes de pompage par les porosités. D'autre part, il possède une bonne pureté qui 20 lui procure un faible taux de cendres Pour favoriser le pompage à travers le trou de la filière (8) posée sur un disque d'accord (9), on prévoit de fermer l'espace entre le tube en cuivre (4) et le porte-substrat (7) avec un disque intermédiaire en graphite (10) percé en son centre (figure 4). La partie inférieure (7b) du porte-substrat se trouve alors ajustée dans 25 l'orifice (10). L'entrée des gaz (5) est toujours réalisée en partie haute près de l'antenne micro-onde (6). - Le montage tournant (voir figure 5): On prévoit de façon optionnelle d'installer un porte-substrat capable de 30 tourner pendant les synthèses de diamant. Ce mouvement de rotation permet d'obtenir une homogénéisation du chauffage par le plasma micro-onde. En effet, le plasma micro-onde n'est jamais parfaitement symétrique sur le porte-substrat car il est sensible aux effets d'antenne opérés par les parois du réacteur. Un mouvement de rotation du porte-substrat permet d'amoindrir ces hétérogénéités. Ce montage 35 convient particulièrement pour le traitement des petites filières qui peuvent alors être traitées par groupe de quatre (par exemple). Le montage tournant doit respecter les modifications précédentes (pompage centré, écoulement vertical des gaz). De ce fait, le porte substrat comme la partie inférieure du réacteur doivent subir de nouvelles modifications. Il faut pouvoir accorder la mise en place d'un moteur avec le pompage central. Les modifications apportées dans le but d'installer un porte-substrat tournant (11) sont décrites sur la figure 5. La partie supérieure du porte-substrat tournant (11) est une plaque circulaire (diamètre 22 et épaisseur 8 par exemple) en graphite de qualité nucléaire. Cette plaque (12) comporte plusieurs trous lamés (15) débouchants (par exemple quatre) pour recevoir des filières (8). L'ensemble filières 10 (8) et plaque (12) est supporté par une interface en graphite (13). Celle-ci plaque le disque d'accord (9) en cuivre par vissage sur un bouchon tournant (14) également en graphite. Pour ce faire l'interface (13) comporte une partie supérieure (13a) cylindrique creuse sur la quelle est positionnée la plaque (12) portant les filières (8), une collerette circulaire (13b) s'appuyant sur le disque d'accord (9), un tube (13c) 15 avec filetage extérieur pour vissage dans le filetage interne du bouchon tournant (14). Ledit bouchon tournant (14) cylindrique comporte un épaulement périphérique (14a) pour reposer sur le tube en cuivre (4) qui constitue le tunnel de pompage et qui contient également l'arbre de rotation (16) reliant le porte-substrat (11) au moteur (17). L'installation du moteur (17) et du pompage dans l'axe des filières a été rendu possible par la mise en place d'un tube de pompage en T. La sortie de pompage (1) est prévue alors latéralement dans le tube en cuivre (4). Le moteur (17) est quant à lui dans l'axe du porte-substrat tournant (11) et des filières (8). Il fonctionne en courant continu redressé et est impérativement situé à l'extérieur de 25 l'enceinte de dépôt pour éviter les dégradations dues à l'atmosphère de synthèse. Un montage électrique permet de lui conférer une vitesse réglable à l'aide d'un potentiomètre. Le moteur est couronné par un réducteur (18) qui entraîne l'arbre (16) dans le tube en cuivre (4). L'étanchéité entre l'arbre et l'enceinte de dépôt est réalisée par un " joint " approprié (21). Des roulements à billes (19.20) permettent 30 de centrer l'arbre pour les roulements à billes inférieurs (19), et de supporter la masse de l'arbre pour le roulement supérieur (20). L'arbre de rotation (16) est en cuivre pour éviter les dépôts parasites de graphite. Il communique le mouvement de rotation au bouchon tournant par deux tiges (21). Le montage tournant a été conçu pour que son axe ne supporte pas le 35 poids du porte-substrat (11) et du disque d'accord (9). En effet, l'ensemble portesubstrat et disque d'accord sur le tube en cuivre (4) qui confine le pompage des gaz. De plus, le poids de l'arbre d'entraînement est supporté par des roulements à billes (20) situés près du moteur. De cette manière, le moteur fournit uniquement le mouvement de rotation à l'arbre d'entraînement. Le plasma micro-onde n'est pas perturbé par la rotation du porte-substrat 5 (11). L'expérimentation n'a pas constaté de décrochement inhabituel du plasma au cours des phases de dépôt. Dans le réacteur décrit ci-dessus les forces entraînant les espèces responsables de la germination du diamant à pénétrer dans le trou de la filière ont un sens constant, il est toutefois possible pour améliorer la qualité du dépôt de 10 prévoir des forces agissant en alternance dans les deux sens d'une même direction. Le réacteur est alors modifié en conséquence. REVENDICATIONS 1 Procédé de renforcement de la paroi interne d'au moins un corps creux à trou débouchant caractérisé en ce qu'il consiste à déposer sur une partie au moins ladite paroi interne du ou des corps creux une couche de diamant par une technique de synthèse CVD en phase vapeur. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la technique de synthèse est assistée par plasma. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il s'agit d'une technique de synthèse à plasma assistée par micro-onde consistant à: 10 disposer le ou les corps creux sur un porte-substrat de manière que le ou les axes des trous débouchants soient parallèles à l'axe central vertical du porte-substrat. - pomper les espèces responsables de la croissance du diamant dans ledit axe central du porte-substrat. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il consiste en outre à: - faire tourner le porte-substrat pendant la synthèse du diamant. 5. Réacteur pour la mise en oeuvre d'un procédé de renforcement de la paroi interne d'au moins un corps creux à trou débouchant selon l'une 20 des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour forcer les espèces responsables de la germination du diamant à pénétrer et à se déposer sur la paroi interne du trou débouchant du ou des corps creux. 6. Réacteur selon la revendication 5, réacteur du type cloche dans lequel 25 les espèces entrent dans le réacteur par une entrée haute, sont conduits dans une chambre o se forme la boule de plasma au-dessus d'au moins un corps creux porté par un porte-substrat, le pompage des gaz étant positionné en dessous du porte-substrat, caractérisé en ce que le pompage des gaz est positionné au centre de la sole du réacteur, dans 30 l'axe central du porte-substrat, le ou les corps creux étant installés sur un porte-substrat de façon que l'axe de chacun des trous débouchant soit parallèle à celui du porte-substrat. 7. Réacteur selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'on prévoit un tube en cuivre (4) traversant la sole (2) en son centre et verticalement 35 pour permettre le pompage des gaz juste en dessous du porte-substrat (3). 8. Réacteur selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le porte-substrat es t monté sur un montage tournant. 9. Réacteur selon la revendication 8 caractérisé en ce que le montage tournant comporte un moteur (17) et un moyen de pompage dans l'axe du porte-substrat. 10. Réacteur selon la revendication 9 caractérisé en ce que le montage tournant comporte en outre: - En partie supérieure une plaque circulaire (12)comportant une pluralité de trous lamés débouchant (15) pour recevoir les corps 10 creux. - Une interface (13) plaquant un disque d'accord (9) par vissage sur un bouchon tournant (14). 11. Réacteur selon la revendication 10 caractérisé en ce que l'interface (13) comporte une partie supérieure (13a) cylindrique creuse sur laquelle est 15 positionnée la plaque (12) portant les filières (8), une collerette circulaire (13b) s'appuyant sur le disque d'accord (9), un tube (13c) avec filetage extérieur pour vissage dans le filetage interne du bouchon tournant (14). 12. Réacteur selon l'une des revendications 10 à 11 caractérisé en ce que le bouchon tournant (14) cylindrique comporte un épaulement 20 périphérique (14a) pour reposer sur le tube en cuivre (4) qui constitue le tunnel de pompage et qui contient également l'arbre de rotation (16) reliant le porte-substrat (11) au moteur (17). 13. Réacteur selon l'une des revendications 9 à 12 caractérisé en ce que la sortie de pompage (1) est prévue alors latéralement dans le tube en 25 cuivre (4). 14. Réacteur selon l'une des revendications 9 à 13 caractérisé en ce que des roulements à billes (19.20) permettent de centrer l'arbre pour les roulements à billes inférieurs (19), et de supporter la masse de l'axe pour le roulement supérieur (20). 15. Réacteur selon l'une des revendications 7à 14 caractérisé en ce que le porte-substrat est constitué de deux parties cylindriques coaxiales traversées par un trou de diamètre (d) coaxial avec l'axe de pompage, avec une partie supérieure (7a) de diamètre (di) plus important que d, dans lequel est placé le corps creux, une partie inférieur plongeant à 35 l'intérieur du tube en cuivre (4). 16. Réacteur selon la revendication 15 caractérisé en ce que l'on prévoit de fermer l'espace entre le tube en cuivre (4) et le porte-substrat (7) avec un disque intermédiaire en graphite (10) percé en son centre, la partie inférieure (7b) du porte substrat se trouve alors ajustée dans l'orifice (10). 17. Corps creux à trou débouchant caractérisé en ce que la paroi interne du trou débouchant est revêtue au moins partiellement d'une couche de diamant au moyen d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 4.