Brevet FR2859311A1 — publié le 20050304

La présente invention concerne les dispositifs et procédés de revêtement d'un support mettant en oeuvre l'attaque d'une cible par un arc électrique dans un plasma. On connaît déjà des dispositifs et procédés de ce type. Il est ainsi connu comme représenté sur la figure 1 de constituer un dispositif de revêtement 10 comprenant une enceinte étanche 100 et des moyens annexes. L'enceinte 100 contient un plasma de faible densité d'électrons (typiquement inférieure à 1014 / cm). Cette enceinte contient également un support S que l'on désire revêtir, et qui est placé en regard d'un ensemble formé d'une anode 101 et d'une cathode 102. L'anode et la cathode sont ici représentées en section. Sur cette représentation, l'anode est représentée de forme annulaire, et la cathode a la forme d'un disque placé en regard du centre de l'anneau. L'anode et la cathode sont ainsi séparées par un espace, rempli d'un plasma. L'anode et la cathode sont reliées par un circuit d'alimentation électrique 110 dont la source de tension V est commandée par une source d'impulsions 120. La source 120 génère ainsi des impulsions qui activent la source de tension V, ce qui se traduit par l'établissement d'un courant impulsionnel entre l'anode et la cathode. La faible impédance du plasma permet la génération, à partir des impulsions de courant, d'arcs électriques reliant ces deux éléments. Un arc A est ainsi représenté schématiquement sur la figure. Les arcs ainsi générés sont généralement mis en rotation autour de l'axe de symétrie X de l'anode et de la cathode (les axes de symétrie de ces deux éléments étant confondus dans la configuration exposée ici). 2859311 2 Une des conséquences de cette rotation des arcs est que leurs points d'attaque sur l'anode et la cathode se déplacent, selon une trajectoire sensiblement circulaire. Par ailleurs, les arcs ainsi générés ne sont pas permanents ils ont au contraire une durée de vie extrêmement courte inférieur à la durée séparant deux impulsions successives de la source 120; cette durée est typiquement inférieure à environ 1 microseconde. La figure 2 représente plus en détail l'extrémité d'un tel arc A qui impacte la cathode 102. On observe sur cette figure schématique que la section de l'arc n'a pas une dimension constante. Au contraire, cette section diminue au voisinage de la cathode, de sorte que la dimension du point d'impact de l'arc sur la cathode (on parle couramment de spot pour ce point d'impact) est sensiblement inférieure à la dimension D (typiquement diamètre) de l'arc à distance de cette cathode. Ce resserrement est dû à l'influence magnétique des lignes de champ électriques de l'arc, qui génèrent un champ dont la force électromotrice induite tend à resserrer ces mêmes lignes. L'intensité I du courant passant dans l'arc étant constante, ce resserrement se traduit par une augmentation de la densité de courant J = Il(surface de la section de l'arc). C'est ainsi une densité de courant forte (et donc une énergie forte) qui est associée au spot qui impacte la cathode. Ceci se traduit par une fusion localisée de la surface de la cathode, au niveau du spot (le phénomène ayant comme on l'a dit une durée de vie très limitée, qui ne permet pas à l'énergie de l'extrémité de l'arc de se dissiper autour du spot). Lors de cette fusion, des particules du matériau de la cathode sont 30 ainsi arrachées, et sont projetées dans l'enceinte 100. 2859311 3 La cathode équivaut ainsi à une cible qui est attaquée par l'arc au niveau du spot. Et dans ce texte les termes cathode et cible sont ainsi compris comme équivalents. Ce type de dispositif et de procédé permettent ainsi de réaliser le revêtement d'un support. Cependant, ils sont associés à des limitations. On observe en effet que la taille d des spots qui détermine la taille des particules de revêtement varie dans une large gamme allant d'environ 0.1 micron à environ 100 microns. Ceci se traduit par deux inconvénients: É Premièrement, les particules qui viennent revêtir le support ont des tailles très dispersées ce qui ne permet pas de réaliser un revêtement très homogène, É Deuxièmement, il est généralement souhaité d'effectuer le revêtement avec des particules de tailles le plus réduites possibles, car ceci garantit une meilleure qualité de revêtement. On aimerait donc s'affranchir des É particules de taille importante (typiquement supérieure à 10 microns). On précise qu'il existe certes des solutions pour s'affranchir de la présence des particules les plus grosses. Il est ainsi connu d'ajouter un dispositif de filtre magnétique, en établissant à proximité de la cathode un champ magnétique dont les lignes de champ captent les particules ionisées les plus petites pour les diriger vers le support à revêtir (qui est alors disposé de manière spécifique pour recevoir ces particules), alors que les particules les plus grosses ne sont pas suffisamment déviées pour être dirigées vers ce support. Mais une telle solution présente des inconvénients. En effet, elle nécessite l'adjonction au dispositif de moyens supplémentaires, qui tendent à complexifier le dispositif et son fonctionnement. En outre, les particules les plus grosses sont alors perdues , ce qui diminue le rendement du procédé de revêtement. 2859311 4 Le but de l'invention est de remédier aux limitations et inconvénients exposés ci-dessus. Afin d'atteindre ce but, l'invention propose selon un premier aspect un dispositif de revêtement d'un support S mettant en oeuvre l'attaque d'une 5 cible par un arc électrique A dans un plasma: É le dispositif comprenant une enceinte 200 contenant une anode 201 et une cathode 202 constituant la cible, l'anode et la cathode étant séparées par un espace, É l'anode et la cathode étant situées dans un plasma contenu dans 10 l'enceinte, É l'anode et la cathode étant reliées par un circuit 210 d'alimentation électrique commandé par une source 220 de signaux de commande, caractérisé en ce que le dispositif comprend également: É un moyen capteur 230 apte à recueillir et caractériser au moins un 15 paramètre représentatif de l'état du plasma, É des moyens 231 de traitement reliés audit moyen capteur et aptes à déduire du ou desdits paramètres représentatifs de l'état du plasma l'existence d'un arc ainsi qu'un paramètre d'état de l'arc, É des moyens 232 de contrôle de la source de signaux de commande 20 reliés auxdits moyens de traitement et aptes à commander le déclenchement d'un signal de commande du circuit d'alimentation électrique. Des aspects préférés, mais non limitatifs d'un tel dispositif selon l'invention sont les suivants: É ledit paramètre d'état de l'arc est un paramètre de fusion, É le moyen capteur est un capteur de rayonnement visible, É le dispositif comprend une mémoire dans laquelle sont mémorisées des instructions permettant de gérer le fonctionnement des moyens de traitement et des moyens de contrôle, 2859311 5 É lesdites instructions permettent de commander la source de signaux de commande par l'intermédiaire des moyens de contrôle en fonction d'une gamme de tailles désirées des impacts de l'arc sur la cible. L'invention propose selon un deuxième aspect un procédé de revêtement d'un support mettant en oeuvre l'attaque d'une cible par un arc électrique dans un plasma, le procédé comprenant l'envoi de signaux de commande de l'établissement d'un courant entre une anode et une cathode constituant la cible, de manière à générer un arc électrique dans un plasma situé entre l'anode et la cathode, caractérisé en ce que le procédé comprend également: É l'acquisition d'au moins un paramètre représentatif de l'état du plasma, É et la commande sélective desdits signaux de commande en fonction du ou desdits paramètres. Des aspects préférés, mais non limitatifs d'un tel procédé selon l'invention sont les suivants: É le procédé comprend également la détermination de l'existence d'un arc, ainsi que d'yn paramètre d'état de l'arc., É ledit paramètre d'état est un paramètre de fusion, É le paramètre représentatif de l'état du plasma est un rayonnement de lumière visible, É ladite commande sélective prend en compte une gamme de tailles désirées des impacts de l'arc sur la cible. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante d'une forme de réalisation de l'invention, faite en référence aux dessins annexés qui, outre les figures 1 et 2 qui ont déjà été commentées en référence à l'état de la technique, comprennent la figure qui est une représentation schématique d'un dispositif 20 selon l'invention. Ce dispositif comprend, comme le dispositif 10 de l'état de la 30 technique: 2859311 6 É une enceinte étanche contenant un plasma de faible densité (enceinte 200), É une anode 201 et une cathode 202, ayant la même forme et la même disposition que les éléments 101 et 102 de la figure 1, É un circuit électrique d'alimentation 210, dont la source d'alimentation est commandée par un générateur d'impulsion 220. On remarquera que le circuit d'alimentation 210 est représenté sous la forme d'une source de courant 211 monté en parallèle d'une résistance R'. Le générateur d'impulsion 220 est ainsi relié à la source de courant 10 211, pour lui transmettre une impulsion de commande et sélectivement déclencher une impulsion de courant. La représentation particulière du circuit et d'alimentation qui est donnée sur la figure 3 équivaut à une représentation similaire à celle du circuit 210, dans laquelle la résistance R aurait une valeur très importante. On précise en effet que les circuits d'alimentation de l'état de la technique, du type du circuit 110, sont classiquement associés aux valeurs suivantes: É source de tension de l'ordre de 20V, É résistance R de l'ordre de 0,1 Ohm. Ce type de circuit d'alimentation nécessite que le plasma de l'enceinte ait une très faible impédance (typiquement inférieure à 0,1 Ohm). Dans le cas de l'invention, il est possible de mettre en oeuvre un circuit d'alimentation ayant la même configuration. Mais la valeur de la résistance associée à la source de tension doit être très grande devant la résistance électrique associée aux arcs générés. On choisit donc dans le cas de l'invention de mettre en oeuvre: É soit un circuit équivalent au circuit 110 de la figure 1, dans lequel la source de tension a une valeur de l'ordre de quelques dizaines de Volts (par exemple environ 30 Volts), et la résistance R a une valeur de l'ordre d'une fraction d'Ohm (par exemple de l'ordre de 0,2 Ohm), 2859311 7 É soit un circuit d'alimentation du type du circuit 210 représenté sur la figure 3, dans laquelle la source de courant 211 génère une intensité de l'ordre de quelques dizaines d'Ampères, et la résistance R' a une valeur typiquement supérieure à 1 kOhm. Dans tous les cas, on génère ainsi un arc de haute énergie dans le plasma, entre l'anode et la cathode. Ces arcs ont une durée de vie limitée, conditionnée par la durée des impulsions de commande issues du générateur 220. Le dispositif 20 comprend également une boucle de régulation 23 10 permettant de commander le fonctionnement du circuit d'alimentation 210. Cet aspect est spécifique à l'invention. Cette boucle de régulation 23 comprend: É un moyen capteur 230 apte à recueillir et caractériser au moins un paramètre représentatif de l'état du plasma, É des moyens de traitement 231 reliés audit moyen capteur et aptes à déduire du ou desdits paramètres représentatifs de l'état du plasma l'existence d'un arc, ainsi,qu'un paramètre d'état de,l'arc, É des moyens 232 de commande du générateur d'impulsion 220, reliés auxdits moyens de traitement 231 et aptes à commander le déclenchement d'une impulsion de commande du circuit d'alimentation 210. Le moyen capteur 230 est de préférence un capteur de rayonnement visible, apte à observer la région de l'enceinte 200 correspondant à la région de formation des arcs électriques A. Le rayonnement est le rayonnement émis par le plasma. Le but de ce moyen capteur est de permettre de suivre l'évolution de l'état de cette région de l'enceinte. Plus précisément, lors de la formation d'un arc électrique A entre l'anode et la cathode du dispositif, on a vu que l'arc attaquait la cathode 202 30 pour en arracher par fusion des particules qui seront pulvérisées sur un support S placé dans l'enceinte. 2859311 8 Cette fusion, et la pulvérisation qui lui est associée, correspondent à un état spécifique qui peut être observé et caractérisé. En particulier, ce phénomène est associé à une modification de la radiation de lumière associée à l'arc. Plus précisément encore, le capteur 230 sera de préférence un capteur apte à observer un rayonnement de lumière visible. Le paramètre d'état du plasma est ainsi assimilable à un paramètre de fusion, car il est associé à l'activité de fusion que génère un arc électrique à l'intérieur du plasma, sur la surface de la cathode. Les moyens de traitement 231 comprennent quant à eux des éléments permettant une décomposition spectrale de la lumière reçue par le capteur 230. On précise que le fonctionnement de la boucle de régulation qui est ici décrite doit se faire en temps réel, avec un temps de réponse extrêmement réduit (de l'ordre de la microseconde, ou même de préférence de la nanoseconde). Il s'agit donc d'un fonctionnement en temps ultra-réel . A cet égard, on choisira de préférence de réaliser ces moyens de décomposition de la lumière sous la forme d'une série de diodes silicium 20 associées à des filtres de différentes couleurs. Un tel ensemble de diodes, associé à des filtres ne laissant chacun passer qu'une raie de longueur d'ondes déterminée, permet d'élaborer en temps réel une décomposition spectrale de la lumière acquise par le capteur 230, selon ces différentes raies. L'ensemble de diodes fournit ainsi un spectre présentant un niveau d'énergie pour chacune de ces raies. Les diodes alignées reçoivent ainsi chacune une partie de la lumière provenant du capteur 230, un filtre de couleur spécifique étant interposé entre chaque diode respective et cette arrivée de lumière. L'emploi d'un spectromètre est difficilement envisageable pour réaliser cette décomposition de la lumière, car les spectromètres connus 2859311 9 présentent des temps de réaction qui sont incompatibles avec les valeurs extrêmement faibles évoquées ci-dessus. Les moyens de traitement 231 comprennent également un circuit de traitement apte à recevoir les niveaux d'énergie issus de l'ensemble de diodes, ces niveaux d'énergie correspondant à une décomposition spectrale de la lumière acquise par le capteur 230 selon des raies prédéterminées. Ce circuit de traitement comprend des moyens de comparaison du spectre reçu avec des spectres de référence, qui sont mémorisés dans une mémoire des moyens de traitement 231. Ces moyens de comparaison effectuent en temps réel une comparaison du spectre issu de l'ensemble de diodes, avec des spectres de référence qui correspondent respectivement: É à des conditions dans lesquelles aucun arc électrique n'est présent, et É à des conditions dans lesquelles un arc électrique A est présent. On précise que ces spectres de référence qui sont mémorisés comprennent de préférence plusieurs spectres correspondant à la présence d'un arc, chacun de ces spectres correspondant plus précisément à un arc associé à un spot ayant une taille particulière. Ces spectres de référence correspondant à différents types d'arc couvrent ainsi des spots couvrant une gamme de taille donnée, cette gamme pouvant par exemple aller de 0.1 micron à 10 microns, ou de 0.1 micron à 1 micron. On précise toutefois que cette gamme de taille n'est pas limitative. En tout état de cause, les moyens de traitement 231 permettent de 25 déduire des informations reçues du capteur 230: É l'existence d'un arc, É et, si un arc est détecté, une caractérisation de cet arc. Cette caractérisation correspond de préférence à la taille du spot associé à l'extrémité de l'arc sur la cathode, cette information étant déduite de la 30 comparaison du spectre observé avec les spectres de référence. 2859311 10 La caractérisation de l'arc est obtenu en associant à l'arc observé par le capteur 230 la taille de spot associé au spectre de référence mémorisé qui est le plus proche du spectre observé, issu des moyens de traitement 231. II est également possible d'associer une taille de spot par interpolation, dans le cas où le spectre issu des moyens de traitement 231 correspond à des valeurs intermédiaires entre deux spectres de référence mémorisés. La boucle de régulation 23 comprend également les moyens de commande 232 qui sont reliés aux moyens de traitement 231 et qui reçoivent de ces moyens de traitement l'information selon laquelle un arc a été ou non détecté, et dans le cas où un arc a été détecté, la caractérisation de cet arc (typiquement en termes de taille de spot). Cette transmission des moyens de traitement 231 aux moyens de 15 commande 232 se fait en temps réel, comme tout le fonctionnement de la boucle de régulation 23 et de l'ensemble du dispositif 20. En fonction des informations reçues des moyens de traitement 231, les moyens de commande 232 sont aptes à commander sélectivement le générateur d'impulsion 220 pour déclencher une impulsion de commande du circuit d'alimentation électrique 210. Les moyens de commande 232 sont également associés à une mémoire dans laquelle sont mémorisées des instructions permettant de sélectivement envoyer une commande de déclenchement d'impulsion à destination du générateur d'impulsion 220. Cette mémoire comprend au moins un enregistrement représentatif de valeurs de seuil des paramètres permettant de caractériser l'arc, valeurs seuil à partir desquelles une impulsion de commande du circuit d'alimentation 210 doit être déclenchée pour créer un nouvel arc électrique. Cette mémoire peut également comprendre plusieurs de ces enregistrements, des moyens de sélection étant alors également prévus pour sélectionner un des enregistrements. 2859311 11 Dans ce cas, les différents enregistrements correspondent à différentes valeurs seuil. On peut ainsi adapter le fonctionnement du dispositif en permettant à un opérateur de sélectionner une valeur seuil (par une interface telle qu'un clavier), en particulier en fonction des tailles de spot que l'on désire pour les arcs. En tout état de cause, on comprend que le dispositif permet de commander sélectivement le déclenchement d'impulsion de commande à destination du circuit d'alimentation, pour obtenir un contrôle précis de la génération des arcs électriques entre l'anode et la cathode. Cette commande sélective utilise les informations provenant de la boucle de régulation. Son fonctionnement peut être adapté en fonction des caractéristiques désirées pour les arcs électriques. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de contrôler finement les caractéristiques des arcs électriques produits entre l'anode et la cathode. II en résulte que l'on peut s'affranchir des inconvénients mentionnés en introduction de ce texte à propos des dispositifs de l'état de la technique. En particulier, une conséquence résultant de la mise en oeuvre de l'invention est que les revêtements obtenus sont de meilleure qualité, et que les rendements ne sont pas diminués. On précise qu'il est possible de mettre en oeuvre l'invention pour effectuer un revêtement résultant uniquement de l'attaque d'une cathode par des arcs électriques. Il est également possible de mettre en oeuvre cette invention pour effectuer des phases de dépôt dans un procédé de revêtement alternant avec de telles phases de dépôts des phases de trempage par exposition à une pulsation ultra-brève de très haute énergie (par exemple faisceau ionique). REVENDICATIONS 1. Dispositif (20) de revêtement d'un support (S) mettant en oeuvre l'attaque d'une cible par un arc électrique (A) dans un plasma, É le dispositif comprenant une enceinte (200) contenant une anode (201) et une cathode (202) constituant la cible, l'anode et la cathode étant séparées par un espace, É l'anode et la cathode étant situées dans un plasma contenu dans 10 l'enceinte, É l'anode et la cathode étant reliées par un circuit (210) d'alimentation électrique commandé par une source (220) de signaux de commande, caractérisé en ce que le dispositif comprend également: É un moyen capteur (25) apte à recueillir et caractériser au moins un paramètre représentatif de l'état du plasma, É des moyens (26) de traitement reliés audit moyen capteur et aptes à déduire du ou desdits paramètres représentatifs de l'état du plasma l'existence d'un arc ainsi qu'un paramètre d'état de l'arc, É des moyens (27) de contrôle de la source de signaux de commande reliés auxdits moyens de traitement et aptes à commander le déclenchement d'un signal de commande du circuit d'alimentation électrique. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit paramètre d'état de l'arc est un paramètre de fusion. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen capteur est un capteur de rayonnement visible. 2859311 13 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comprend une mémoire dans laquelle sont mémorisées des instructions permettant de gérer le fonctionnement des moyens de traitement et des moyens de contrôle. 5. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites instructions permettent de commander la source de signaux de commande par l'intermédiaire des moyens de contrôle en fonction d'une gamme de tailles désirées des impacts de l'arc sur la cible. 6. Procédé de revêtement d'un support mettant en oeuvre l'attaque d'une cible par un arc électrique dans un plasma, le procédé comprenant l'envoi de signaux de commande de l'établissement d'un courant entre une anode et une cathode constituant la cible, de manière à générer un arc électrique dans un plasma situé entre l'anode et la cathode, caractérisé en ce que le procédé comprend "également: É l'acquisition d'au moins un paramètre représentatif de l'état du plasma, É et la commande sélective desdits signaux de commande en fonction 20 du ou desdits paramètres. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le procédé comprend également la détermination de l'existence d'un arc, ainsi que d'un paramètre d'état de l'arc. 8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit paramètre d'état est un paramètre de fusion. 9. Procédé selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé 30 en ce que le paramètre représentatif de l'état du plasma est un rayonnement de lumière visible. 2859311 14 10. Procédé selon l'une des quatre revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite commande sélective prend en compte au moins un enregistrement représentatif de valeurs de seuil de paramètre permettant de caractériser l'arc, lesdites valeurs de seuil définissant des valeurs à partir desquelles une impulsion de commande doit être déclenchée pour créer un nouvel arc électrique. 11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite commande sélective prend en compte plusieurs enregistrements, et le procédé inclut la sélection d'un desdits enregistrements. 12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite sélection est effectuée en fonction des tailles désirées des impacts de l'arc sur la cible.