Brevet FR2850116A1 — publié le 20040723

La présente invention concerne un réacteur pour la synthèse de diamant assistée par plasma micro onde et les filières pour le tréfilage de fils métalliques obtenues par traitement dans un tel réacteur. L'invention voit son application première dans le renforcement des orifices des filières pour le tréfilage des métaux. 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 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. 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 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 un réacteur de mise en oeuvre d'une technique de synthèse de diamant assistée par plasma micro onde pour le dépôt d'une couche de diamant sur une paroi caractérisé 25 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 d'une ou de plusieurs filières pour le tréfilage de fils métalliques. Préférentiellement le réacteur est un réacteur du type cloche dans lequel les espèces entrent dans le réacteur par une entrée haute, sont conduite dans une 30 chambre o se forme la boule de plasma au-dessus d'un portesubstrat, 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 l'axe central du porte-substrat, une ou des filières étant installées sur le porte substrat de façon que l'axe du trou débouchant de chaque filière soit parallèle à celui du porte 35 substrat. A cet effet, on prévoit un tube en cuivre traversant la sole en son centre et verticalement pour permettre le pompage des gaz juste en dessous du portesubstrat. Préférentiellement, le porte substrat est monté sur un montage tournant, comportant un moteur et un moyen de pompage dans l'axe du porte-substrat. En outre, le montage tournant comporte: - en partie supérieure une plaque circulaire comportant une pluralité de trous lamés débouchants pour recevoir les filières, - une interface plaquant un disque d'accord par vissage sur un bouchon 10 tournant. L'interface comporte une partie supérieure cylindrique creuse sur la quelle 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. En outre, le bouchon tournant cylindrique comporte un épaulement périphérique pour reposer sur le tube en cuivre qui constitue le tunnel de pompage et qui contient également l'arbre de rotation reliant le portesubstrat au moteur. 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 20 billes inférieurs, et de supporter la masse de l'axe pour le roulement supérieur. En outre, le porte substrat constitué de deux parties cylindriques coaxiales traversées par un trou de diamètre coaxial avec l'axe de pompage, avec une partie supérieure de diamètre plus important que d, dans lequel est placé la filière, une partie inférieure plongeant à l'intérieur du tube en cuivre. Dans ce cas, qu'on prévoit de fermer l'espace entre le tube en cuivre et le porte-substrat avec un disque intermédiaire en graphite percé en son centre, la partie inférieure du porte-substrat se trouve alors ajustée ans l'orifice. Une filière selon l'invention et comportant un trou débouchant est caractérisé en ce que la paroi interne du trou débouchant est revêtue totalement ou au moins 30 partiellement d'une couche de diamant déposée directement sur la surface en carbure de tungstène par une technique de synthèse de diamant en phase vapeur assistée par plasma micro-onde. 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 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 10 gaz entre dans le réacteur (a) par une entrée haute (b), est conduit dans une 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 15 générateur (h) et conduite par un guide d'onde débouchant directement sur le haut de la chambre (c) près d'une antenne (i). Le pompage (j) 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 20 réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde, conçu 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 25 déplacé le système de pompage pour que la convection dans le réacteur soit 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 30 simultanément par exemple quatre. Pour augmenter l'homogénéité des dépôts sur 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 35 diamant déposée directement sur la surface en carbure de tungstène. Cette couche 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 5 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 10 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 portesubstrat 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 25 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 30 prévoit un nouveau porte-substrat (7) dont le schéma est montré sur la figure (3). Il 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 35 filière avec son axe vertical. Celle-ci doit se trouver suffisamment enfoncée pour ne 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 porte-substrat, 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 5 été conçus pour recevoir deux types de filières avec A = 11 mm et A = 7 mm environ. Les porte-substrats (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 10 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 15 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 20 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 25 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 30 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 (1 1) est une plaque circulaire (diamètre 22 et épaisseur 8 par exemple) en graphite de qualité nucléaire. Cette plaque (12) comporte plusieurs trous lamés (15) 35 débouchants (par exemple quatre) pour recevoir des filières (8). L'ensemble filières (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) 5 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 (1 7). 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 15 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 20 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 25 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 (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 35 un sens constant, il est toutefois possible pour améliorer la qualité du dépôt de prévoir des forces agissant en alternance dans les deux sens d'une même direction. Le réacteur est alors modifié en conséquence. REVENDICATIONS 1. Réacteur de mise en oeuvre d'une technique de synthèse de diamant assistée par plasma micro onde pour le dépôt d'une couche de 5 diamant sur une paroi 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 d'une ou de plusieurs filières pour le tréfilage de fils métalliques. 2. Réacteur selon la revendication 1, réacteur du type cloche dans 10 lequel les espèces entrent dans le réacteur par une entrée haute, sont conduite dans une chambre o se forme la boule de plasma audessus d'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 l'axe central 15 du porte-substrat, une ou des filières étant installées sur le porte substrat de façon que l'axe du trou débouchant de chaque filière soit parallèle à celui du porte substrat. 3. Réacteur selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'on prévoit un tube en cuivre (4) traversant la sole (2) en son centre et verticalement 20 pour permettre le pompage des gaz juste en dessous du portesubstrat (3) . 4. Réacteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le porte substrat est monté sur un montage tournant. 5. Réacteur selon la revendication 4 caractérisé en ce que le montage 25 tournant comporte un moteur (17) et un moyen de pompage dans l'axe du porte-substrat. 6. Réacteur selon la revendication 5 caractérisé en ce que le montage tournant comporte en outre: - en partie supérieure une plaque circulaire (12) comportant une 30 pluralité de trous lamés débouchants (15) pour recevoir les filières, - une interface (13) plaquant un disque d'accord (9) par vissage sur un bouchon tournant (14). 7. Réacteur selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'interface 35 (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 (1 3c) avec filetage extérieur pour vissage dans le filetage interne du bouchon tournant (14). 8. Réacteur selon l'une des revendications 6 à 7 caractérisé en ce que 5 le 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). 9. Réacteur selon l'une des revendications 5 à 8 caractérisé en ce que 10 la sortie de pompage (1) est prévue alors latéralement dans le tube en cuivre (4). 10. Réacteur selon l'une des revendications 5 à 9 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 15 pour le roulement supérieur (20). 11. Réacteur selon l'une des revendications 5 à 10 caractérisé en ce que le porte substrat 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 (d1) plus 20 important que d, dans lequel est placé la filière, une partie inférieure plongeant à l'intérieur du tube en cuivre (4). 12. Réacteur selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'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 25 partie inférieure (7b) du porte- substrat se trouve alors ajustée ans l'orifice (10). 13. Filière de tréfilage en carbure de tungstène pour le tréfilage de fils métalliques comportant un trou débouchant caractérisé en ce que la paroi interne du trou débouchant est revêtue totalement ou au moins 30 partiellement d'une couche de diamant déposée directement sur la surface en carbure de tungstène par une technique de synthèse de diamant en phase vapeur assistée par plasma micro-onde. 14. Filière de tréfilage selon la revendication 13 caractérisé en ce que le revêtement de diamant est déposé au moyen d'un réacteur selon 35 l'une des revendications 1 à 12.