CH710472B1 - Plasma assisted vapor phase diamond deposition equipment for coating the inner surface of hollow parts. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un équipement de dépôt (1) de diamant en phase vapeur comprenant: un réacteur sous vide (2) comprenant une chambre de réaction reliée à une source de vide, un porte-substrat (3) disposé dans le réacteur, qui peut se déplacer suivant trois axes et tourner sur lui-même. Selon l’invention, l’équipement comporte une source ponctuelle de plasma (4) qui présente une source active située dans la chambre de réaction. Cette source peut se déplacer suivant trois axes ou être fixé à un bras articulé, afin de permettre de réaliser des dépôts de diamant sur la face interne de substrats creux (5).The present invention relates to a vapor phase diamond deposition apparatus (1) comprising: a vacuum reactor (2) comprising a reaction chamber connected to a vacuum source, a substrate holder (3) disposed in the reactor, which can move along three axes and turn on itself. According to the invention, the equipment comprises a point source of plasma (4) which has an active source located in the reaction chamber. This source can move along three axes or be attached to an articulated arm, to allow diamond deposits to be made on the inner face of hollow substrates (5).
Description
DescriptionDescription
Domaine technique [0001] La présente invention se rapporte au domaine du dépôt de diamant sur la surface interne d’un substrat, particulièrement au dépôt de diamant polycristallin en phase vapeur. L’épaisseur de la couche de diamant déposée dans la présente invention sera généralement inférieure à 2000 nm et le dépôt est réalisé à une température inférieure à 500 °C, de préférence comprise entre 200 et 450 °C.Technical Field [0001] The present invention relates to the field of diamond deposition on the internal surface of a substrate, particularly to the deposition of polycrystalline diamond in the vapor phase. The thickness of the diamond layer deposited in the present invention will generally be less than 2000 nm and the deposit is carried out at a temperature below 500 ° C, preferably between 200 and 450 ° C.
Etat de la technique [0002] Le diamant est un matériau comportant des propriétés exceptionnelles comme sa grande dureté, son module de Young élevé ou sa grande conductivité thermique. Il est possible de le synthétiser en couche mince grâce à la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en activant thermiquement ou par plasma un mélange gazeux contenant au moins un précurseur de carbone et de l’hydrogène. L’activation de la phase gazeuse permet de créer des espèces radicalaires comme l’hydrogène atomique ou le radical méthyl avec une concentration suffisante pour assurer la croissance rapide d’une couche de diamant de grande qualité cristalline.STATE OF THE ART Diamond is a material with exceptional properties such as its high hardness, its high Young's modulus or its high thermal conductivity. It can be synthesized in a thin layer using the chemical vapor deposition (CVD) method by thermally or plasma activating a gas mixture containing at least one carbon and hydrogen precursor. Activation of the gas phase makes it possible to create radical species such as atomic hydrogen or the methyl radical with a concentration sufficient to ensure the rapid growth of a layer of high quality crystalline diamond.
[0003] Diverses applications des couches de diamant nécessitent le revêtement de l’intérieur de substrats de formes tubulaires ou creuses avec une couche de diamant, ce qui ne peut pas, ou très difficilement, être réalisé avec les techniques généralement utilisées.Various applications of the diamond layers require coating the interior of substrates of tubular or hollow shapes with a diamond layer, which cannot, or very difficult, be carried out with the techniques generally used.
[0004] Les substrats de formes tubulaires ou creuses à revêtir peuvent être constitués d’un matériau qui est altéré dans sa structure ou dans sa forme par les températures utilisées par les techniques généralement utilisées pour la synthèse du diamant.The substrates of tubular or hollow forms to be coated can be made of a material which is altered in its structure or in its form by the temperatures used by the techniques generally used for the synthesis of diamond.
[0005] C’est par exemple le cas avec une activation thermique du mélange gazeux réactionnel par filament chaud (HFCVD pour Hot Filament Chemical Vapour Déposition). Cette technique permet des dépôts sur de grandes surfaces (> 0,5 m2), mais la température de dépôt est très supérieure à 400 °C, usuellement supérieure à 750 °C. Par conséquent, lorsque le substrat se refroidit après le dépôt, il subit des déformations thermiques selon un coefficient différent du diamant. La déformation différentielle entraîne fréquemment des contraintes ou des défauts au niveau de la couche de diamant ou de l’interface avec la couche de diamant.This is for example the case with thermal activation of the reaction gas mixture by hot filament (HFCVD for Hot Filament Chemical Vapor Deposition). This technique allows deposits on large areas (> 0.5 m 2 ), but the deposition temperature is much higher than 400 ° C, usually higher than 750 ° C. Consequently, when the substrate cools after deposition, it undergoes thermal deformations according to a coefficient different from diamond. Differential deformation frequently results in stresses or defects at the diamond layer or at the interface with the diamond layer.
[0006] Une autre solution est de déposer une couche de diamant polycristallin par la technologie plasma micro-onde conventionnelle, qui permet de déposer du diamant polycristallin de bonne qualité, mais uniquement sur de petites surfaces (< 0,05 m2), pas l’intérieur d’un substrat creux de type tube et à des températures supérieures à 400 °C (usuellement > 600 °C), entraînant des contraintes thermiques similaires à celles évoquées ci-dessus.Another solution is to deposit a layer of polycrystalline diamond by conventional microwave plasma technology, which makes it possible to deposit good quality polycrystalline diamond, but only on small areas (<0.05 m 2 ), not inside a hollow tube-type substrate and at temperatures above 400 ° C (usually> 600 ° C), causing thermal stresses similar to those mentioned above.
[0007] Les deux techniques susmentionnées utilisent des pressions de travail supérieures à 10 mbar engendrant des phénomènes de convexion peu favorables à la diffusion des espèces radicalaires dans des espaces tels que l’intérieur d’un substrat creux ou engendrant une faible uniformité en épaisseur du dépôt sur des substrats de grandes dimensions.The two aforementioned techniques use working pressures greater than 10 mbar generating convection phenomena which are not very favorable for the diffusion of radical species in spaces such as the interior of a hollow substrate or generating a low uniformity in thickness of the deposit on large substrates.
[0008] De plus, pour avoir un dépôt uniforme, il est important que les espèces radicalaires puissent être générées de manière uniforme directement à près ou à l’intérieur du substrat creux, à proximité immédiate de la surface à revêtir, y compris dans des espaces relativement réduits.In addition, to have a uniform deposit, it is important that the radical species can be uniformly generated directly near or inside the hollow substrate, in the immediate vicinity of the surface to be coated, including in relatively small spaces.
[0009] Enfin, pour pouvoir déposer une couche de diamant polycristallin sans altérer les propriétés intrinsèques du matériau à revêtir ou ses tolérances géométriques, il est important de le déposer à basse température pour minimiser les déformations thermiques et les contraintes résultant d’un comportement thermique différent entre le diamant et le substrat.Finally, in order to be able to deposit a layer of polycrystalline diamond without altering the intrinsic properties of the material to be coated or its geometric tolerances, it is important to deposit it at low temperature to minimize thermal deformation and the stresses resulting from thermal behavior different between diamond and substrate.
[0010] On connaît l’utilisation d’une technologie plasma avec un couplage de l’énergie micro-onde à travers des ondes de surface, qui permet de réduire la température de dépôt à une valeur proche de 100 °C. On connaît aussi l’utilisation d’une technologie plasma utilisant une matrice d’applicateurs plasma coaxiaux, qui permet également de réduire la température de dépôt à une valeur proche de 100 °C. Une telle technologie est décrite dans le brevet WO 2014 154 424. Toutefois, les dispositifs connus utilisent une nappe de plasma bidimensionnelle, et donc ne permettent pas d’appliquer une couche régulière de diamant sur la surface interne d’un substrat creux comme par exemple un tube, une gaine, un conduit ou une pièce creuse, de type tube, fermée à une de ses extrémités.We know the use of a plasma technology with coupling of microwave energy through surface waves, which reduces the deposition temperature to a value close to 100 ° C. The use of a plasma technology using a matrix of coaxial plasma applicators is also known, which also makes it possible to reduce the deposition temperature to a value close to 100 ° C. Such technology is described in patent WO 2014 154 424. However, the known devices use a two-dimensional plasma sheet, and therefore do not allow a regular layer of diamond to be applied to the internal surface of a hollow substrate such as for example a tube, a sheath, a conduit or a hollow part, of the tube type, closed at one of its ends.
[0011] On connaît la génération d’un plasma à l’intérieur d’un tube permettant le dépôt de diamant à l’intérieur de celui-ci. Toutefois, le matériau du substrat doit être transparent aux micro-ondes, ce qui limite son utilisation à des matériaux tels que la silice ou l’alumine.We know the generation of a plasma inside a tube allowing the deposition of diamond inside thereof. However, the substrate material must be transparent to microwaves, which limits its use to materials such as silica or alumina.
[0012] La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes.The present invention aims to solve these problems.
Divulgation de l’invention [0013] De façon plus précise, l’invention concerne un équipement et un procédé de dépôt mettant en oeuvre cet équipement, tels que mentionnés dans les revendications.Disclosure of the Invention More specifically, the invention relates to equipment and a deposition process using this equipment, as mentioned in the claims.
CH 710 472 B1CH 710 472 B1
Brève description des dessins [0014] D’autres détails de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence au dessin annexé dans lequel:Brief description of the drawings [0014] Other details of the invention will appear more clearly on reading the description which follows, made with reference to the appended drawing in which:
la fig. 1 est une vue représentant un équipement de dépôt de diamant selon l’invention, les fig. 2, 3 et 5 donnent des illustrations des différentes configurations possibles de l’équipement de dépôt afin d’obtenir des dépôts uniformes de diamant quelles que soient la géométrie et la forme de la surface interne du substrat, et la fig. 4 donne des illustrations d’exemples de substrats pouvant être avantageusement recouverts de diamant par un procédé selon l’invention.fig. 1 is a view showing a diamond deposition equipment according to the invention, FIGS. 2, 3 and 5 give illustrations of the different possible configurations of the depositing equipment in order to obtain uniform deposits of diamond regardless of the geometry and the shape of the internal surface of the substrate, and FIG. 4 gives illustrations of examples of substrates which can advantageously be covered with diamond by a method according to the invention.
Mode de réalisation de l’invention [0015] Ainsi qu’on l’a mentionné ci-dessus, on peut réaliser des dépôts de diamant polycristallin à basse température en mettant en oeuvre de manière avantageuse la technologie de dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-onde utilisant des ondes de surface, sur divers substrats, qui seront définis ci-après. Cependant, les équipements de l’état de la technique ne permettent pas de réaliser des dépôts à l’intérieur d’un substrat.EMBODIMENT OF THE INVENTION As mentioned above, polycrystalline diamond deposits can be produced at low temperature by advantageously using the chemical vapor deposition technology by plasma. microwave using surface waves, on various substrates, which will be defined below. However, the equipment of the state of the art does not allow deposits to be made inside a substrate.
[0016] Selon l’invention, on réalise les dépôts sur ce genre de substrat en mettant en oeuvre la technologie de dépôt par plasma micro-onde utilisant une source plasma ponctuelle avec un équipement tel que proposé sur la fig. 1.According to the invention, the deposits are made on this kind of substrate by implementing the microwave plasma deposition technology using a point plasma source with equipment as proposed in FIG. 1.
[0017] Cet équipement de dépôt (1) comporte un réacteur sous vide (2), un porte-substrat (3) et une source de plasma ponctuelle, ici un applicateur coaxial (4), logé dans la paroi du réacteur sous vide (2) ou à l’extrémité d’un bras articulé (6), et le substrat (5) posé sur le porte-substrat (3). De préférence, l’applicateur coaxial présente, à son extrémité située dans la chambre de réaction, une fenêtre de quartz ou d’alumine, définissant une zone active située dans la chambre de réaction. Les micro-ondes provenant d’un générateur sont guidés dans deux tubes d’aluminium coaxiaux. Ce type d’applicateur est disponible commercialement et n’a pas besoin d’être décrit en détail.This deposition equipment (1) comprises a vacuum reactor (2), a substrate holder (3) and a point plasma source, here a coaxial applicator (4), housed in the wall of the vacuum reactor ( 2) or at the end of an articulated arm (6), and the substrate (5) placed on the substrate holder (3). Preferably, the coaxial applicator has, at its end situated in the reaction chamber, a window of quartz or alumina, defining an active zone situated in the reaction chamber. The microwaves from a generator are guided in two coaxial aluminum tubes. This type of applicator is commercially available and does not need to be described in detail.
[0018] Grâce à l’utilisation d’une source plasma ponctuelle, il est possible d’abaisser la pression de travail à une valeur inférieure à 1 mbar, de préférence comprise entre 0,1 et 1 mbar. Une telle pression permet de favoriser les phénomènes de diffusion des espèces chimiques et donc d’avoir des dépôts très homogènes sur la circonférence de la surface interne du substrat dans lequel la source ponctuelle est placée.Thanks to the use of a point plasma source, it is possible to lower the working pressure to a value less than 1 mbar, preferably between 0.1 and 1 mbar. Such a pressure makes it possible to favor the phenomena of diffusion of the chemical species and therefore to have very homogeneous deposits on the circumference of the internal surface of the substrate in which the point source is placed.
[0019] On peut également travailler avec une température comprise entre 100 °C et 500 °C, ce qui permet de limiter les déformations thermiques du substrat, particulièrement avec un substrat métallique. Ainsi, lors du refroidissement du substrat revêtu, le différentiel de déformation entre le substrat et la couche de diamant est réduit, ce qui limite d’autant les contraintes mécaniques à l’interface des matériaux, sans devoir recourir à des couches intermédiaires.One can also work with a temperature between 100 ° C and 500 ° C, which allows to limit the thermal deformations of the substrate, particularly with a metal substrate. Thus, during the cooling of the coated substrate, the deformation differential between the substrate and the diamond layer is reduced, which therefore limits the mechanical stresses at the interface of the materials, without having to resort to intermediate layers.
[0020] Afin d’obtenir une couche uniforme le long du substrat; le porte-substrat peut se déplacer le long de l’axe du substrat défini par z comme le montre la fig. 2 ou c’est la source plasma qui peut également être déplacée comme le montre la fig. 3.In order to obtain a uniform layer along the substrate; the substrate holder can move along the axis of the substrate defined by z as shown in fig. 2 or it is the plasma source which can also be moved as shown in fig. 3.
[0021] Afin d’obtenir une couche uniforme sur la circonférence du substrat, le porte-substrat ou la source plasma peut se déplacer suivant les axes perpendiculaires à l’axe du substrat défini par x et y, mais également avoir un mouvement de rotation sur lui-même.In order to obtain a uniform layer on the circumference of the substrate, the substrate holder or the plasma source can move along the axes perpendicular to the axis of the substrate defined by x and y, but also have a rotational movement. on himself.
[0022] Afin d’obtenir une couche uniforme sur une surface complexe définie par plusieurs changements de pente comme le montre la fig. 4, la source plasma peut être placé sur un bras articulé pour que sa zone active reste à équidistance de la surface à revêtir quelle que soit la forme de la surface interne de la pièce à traiter. La fig. 5 montre la configuration du réacteur de dépôt avec un bras articulé 6.In order to obtain a uniform layer on a complex surface defined by several changes in slope as shown in fig. 4, the plasma source can be placed on an articulated arm so that its active area remains equidistant from the surface to be coated whatever the shape of the internal surface of the part to be treated. Fig. 5 shows the configuration of the deposition reactor with an articulated arm 6.
[0023] En mettant en oeuvre cette installation, on peut ainsi effectuer un dépôt de diamant polycristallin sur une pièce creuse telle que proposée à la fig. 5. Cette pièce creuse est définie par sa cote intérieur, d, du substrat à revêtir dont la dimension est comprise entre 30 mm et 400 mm, ainsi que sa longueur, D, dont la dimension entre comprise entre 10 et 2000 mm. La surface intérieure peut être plane (fig. 4.1), convexe (fig. 4.2), concave (fig. 4.3), complexe (fig. 4.4), lisse, structurée ou microstructurée.By implementing this installation, it is thus possible to deposit a polycrystalline diamond on a hollow part as proposed in FIG. 5. This hollow part is defined by its internal dimension, d, of the substrate to be coated whose dimension is between 30 mm and 400 mm, as well as its length, D, whose dimension is between 10 and 2000 mm. The interior surface can be flat (fig. 4.1), convex (fig. 4.2), concave (fig. 4.3), complex (fig. 4.4), smooth, structured or microstructured.
[0024] Une telle pièce peut être réalisée en un matériau choisi parmi les matériaux suivants: métaux réfractaires et dérivés, métaux de transition et dérivés, aciers inoxydables, carbures cémentés, silicium, verres, oxydes tels que silice fondue ou alumine, aciers inoxydables, superalliages, polymères organiques, semi-conducteurs III—V ou II—VI, autres matériaux revêtus d’une couche mince des matériaux précédemment cités.Such a part can be made of a material chosen from the following materials: refractory metals and derivatives, transition metals and derivatives, stainless steels, cemented carbides, silicon, glasses, oxides such as fused silica or alumina, stainless steels, superalloys, organic polymers, III-V or II-VI semiconductors, other materials coated with a thin layer of the aforementioned materials.
[0025] Selon un exemple particulier, 1, le substrat est en inox de nuance 316L, de forme tubulaire comme décrite dans la fig. 4.1 (d = 80 mm et D = 500 mm), uniquement ensemencé par une méthode de l’état de l’art et sans aucun prétraitement additionnel ou dépôt préalable d’une couche intermédiaire, telle qu’une barrière de diffusion.According to a particular example, 1, the substrate is made of stainless steel of grade 316L, of tubular shape as described in FIG. 4.1 (d = 80 mm and D = 500 mm), only seeded by a state of the art method and without any additional pretreatment or prior deposition of an intermediate layer, such as a diffusion barrier.
[0026] Le substrat est placé sur un porte-substrat tournant sur lui-même à une vitesse de 20 rpm et se déplaçant suivant l’axe z à une vitesse linéaire de 1 mm/s. Le réacteur de dépôt est décrit dans la fig. 2.The substrate is placed on a substrate holder rotating on itself at a speed of 20 rpm and moving along the z axis at a linear speed of 1 mm / s. The deposition reactor is described in fig. 2.
CH 710 472 B1 [0027] Une couche de 200 nm de diamant polycristallin est déposée en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assistée avec une source plasma ponctuelle au moyen d’une installation telle que décrite ci-dessus avec les conditions de dépôt suivantes:CH 710 472 B1 A 200 nm layer of polycrystalline diamond is deposited using the chemical vapor deposition method assisted with a point plasma source by means of an installation as described above with the deposition conditions following:
- Temps de dépôt = 20 heures,- Deposit time = 20 hours,
- Température du substrat = 300 °C,- Substrate temperature = 300 ° C,
- Pression de travail = 0,5 mbar.- Working pressure = 0.5 mbar.
[0028] Un contrôle de l’épaisseur de la couche déposée (mesure sur des coupes métallographiques) et de la qualité du dépôt (mesure par spectrométrie Raman) montre que la variation d’uniformité (calculée par la formule = [min-max]/ moyenne) est inférieur à 10% sur toute la surface déposée.A check of the thickness of the deposited layer (measurement on metallographic sections) and of the quality of the deposit (measurement by Raman spectrometry) shows that the variation in uniformity (calculated by the formula = [min-max] / average) is less than 10% over the entire area deposited.
[0029] Selon un exemple particulier, 2, le substrat est en silice fondue, de forme concave comme décrite dans la fig. 4.2 (d = 60 mm et D = 300 mm), uniquement ensemencé par une méthode de l’état de l’art et sans qu’il soit nécessaire d’appliquer un prétraitement additionnel ou dépôt préalable d’une couche intermédiaire.According to a particular example, 2, the substrate is made of fused silica, of concave shape as described in FIG. 4.2 (d = 60 mm and D = 300 mm), only seeded by a state of the art method and without the need to apply an additional pretreatment or prior deposition of an intermediate layer.
[0030] Le substrat est placé sur un porte-substrat tournant sur lui-même à une vitesse de 20 rpm et se déplaçant suivant l’axe z à une vitesse linéaire de 1 mm/s, et les axes x et y à une vitesse linéaire de 1 mm/s, afin de maintenir une distance de 30 mm entre le centre du plasma et la surface à revêtir.The substrate is placed on a substrate holder rotating on itself at a speed of 20 rpm and moving along the z axis at a linear speed of 1 mm / s, and the x and y axes at a speed linear of 1 mm / s, in order to maintain a distance of 30 mm between the center of the plasma and the surface to be coated.
[0031] Une couche de 500 nm de diamant polycristallin a été déposée en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assistée avec une source plasma ponctuelle au moyen d’une installation telle que décrite ci-dessus avec les conditions de dépôt suivantes:A 500 nm layer of polycrystalline diamond was deposited using the chemical vapor deposition method assisted with a point plasma source by means of an installation as described above with the following deposition conditions:
- Temps de dépôt = 22 heures,- Deposit time = 22 hours,
- Température du substrat = 400 °C,- Substrate temperature = 400 ° C,
- Pression de travail = 0,25 mbar.- Working pressure = 0.25 mbar.
[0032] Un contrôle de l’épaisseur de la couche déposée (mesure sur des coupes métallographiques) et de la qualité du dépôt (mesure par spectrométrie Raman) montre que la variation d’uniformité (calculée par la formule = [min-max]/ moyenne) est inférieur à 10% sur toute la surface déposée.A check of the thickness of the deposited layer (measurement on metallographic sections) and of the quality of the deposit (measurement by Raman spectrometry) shows that the variation in uniformity (calculated by the formula = [min-max] / average) is less than 10% over the entire area deposited.
[0033] Selon un exemple particulier, 3, le substrat est en alliage base titane (TÌ-4AI-6V), de forme convexe comme décrite dans la fig. 4.3 (d = 75 mm et D = 250 mm), uniquement ensemencé par une méthode de l’état de l’art et sans aucun prétraitement additionnel ou dépôt préalable d’une couche intermédiaire, telle qu’une barrière de diffusion.In a particular example, 3, the substrate is made of a titanium base alloy (TÌ-4AI-6V), of convex shape as described in fig. 4.3 (d = 75 mm and D = 250 mm), only seeded by a state of the art method and without any additional pretreatment or prior deposition of an intermediate layer, such as a diffusion barrier.
[0034] Le substrat est placé sur un porte-substrat tournant sur lui-même à une vitesse de 20 rpm et se déplaçant suivant l’axe z à une vitesse linéaire de 1 mm/s, et les axes x et y à une vitesse linéaire de 1 mm/s, afin de maintenir une distance de 37,5 mm entre le centre du plasma et la surface à revêtir.The substrate is placed on a substrate holder rotating on itself at a speed of 20 rpm and moving along the z axis at a linear speed of 1 mm / s, and the x and y axes at a speed linear of 1 mm / s, in order to maintain a distance of 37.5 mm between the center of the plasma and the surface to be coated.
[0035] Une couche de 300 nm de diamant polycristallin a été déposée en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assistée avec une source plasma ponctuelle au moyen d’une installation telle que décrite ci-dessus avec les conditions de dépôt suivantes:A 300 nm layer of polycrystalline diamond was deposited using the chemical vapor deposition method assisted with a point plasma source by means of an installation as described above with the following deposition conditions:
- Temps de dépôt = 15 heures,- Deposit time = 15 hours,
- Température du substrat = 400 °C,- Substrate temperature = 400 ° C,
- Pression de travail = 0,20 mbar.- Working pressure = 0.20 mbar.
[0036] Un contrôle de l’épaisseur de la couche déposée (mesure sur des coupes métallographiques) et de la qualité du dépôt (mesure par spectrométrie Raman) montre que la variation d’uniformité (calculée par la formule = [min-max]/ moyenne) est inférieur à 10% sur toute la surface déposée.A check of the thickness of the deposited layer (measurement on metallographic sections) and of the quality of the deposit (measurement by Raman spectrometry) shows that the variation in uniformity (calculated by the formula = [min-max] / average) is less than 10% over the entire area deposited.
[0037] Selon un exemple particulier, 4, le substrat est en inconel 625, de forme complexe comme décrite dans la fig. 4.4 (d = 90 mm et D = 1500 mm), uniquement ensemencé par une méthode de l’état de l’art et sans aucun prétraitement additionnel ou dépôt préalable d’une couche intermédiaire, telle qu’une barrière de diffusion.According to a particular example, 4, the substrate is in inconel 625, of complex shape as described in FIG. 4.4 (d = 90 mm and D = 1500 mm), only seeded by a state of the art method and without any additional pretreatment or prior deposition of an intermediate layer, such as a diffusion barrier.
[0038] Le substrat est placé sur un porte-substrat tournant sur lui-même à une vitesse de 20 rpm. La source plasma, ici un applicateur coaxial, est monté sur un bras articulé, afin de maintenir une distance de 30 mm entre le centre du plasma et la surface à revêtir. Le réacteur de dépôt est décrit dans la fig. 5.The substrate is placed on a substrate holder rotating on itself at a speed of 20 rpm. The plasma source, here a coaxial applicator, is mounted on an articulated arm, in order to maintain a distance of 30 mm between the center of the plasma and the surface to be coated. The deposition reactor is described in fig. 5.
[0039] Une couche de 300 nm de diamant polycristallin a été déposée en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assistée avec une source plasma ponctuelle au moyen d’une installation telle que décrite ci-dessus avec les conditions de dépôt suivantes:A 300 nm layer of polycrystalline diamond was deposited using the chemical vapor deposition method assisted with a point plasma source by means of an installation as described above with the following deposition conditions:
- Temps de dépôt = 40 heures,- Deposit time = 40 hours,
- Température du substrat = 400 °C,- Substrate temperature = 400 ° C,
- Pression de travail = 0,20 mbar.- Working pressure = 0.20 mbar.
[0040] Un contrôle de l’épaisseur de la couche déposée (mesure sur des coupes métallographiques) et de la qualité du dépôt (mesure par spectrométrie Raman) montre que la variation d’uniformité (calculée par la formule = [min-max]/ moyenne) est inférieur à 10% sur toute la surface déposée.A check of the thickness of the deposited layer (measurement on metallographic sections) and of the quality of the deposit (measurement by Raman spectrometry) shows that the variation in uniformity (calculated by the formula = [min-max] / average) is less than 10% over the entire area deposited.
CH 710 472 B1 [0041] Selon un exemple particulier, 5, un cylindre de moteur à explosion (d = 81 mm et D = 165 mm) en acier rapide (type H56-5-2C), ensemencé par une méthode de l’état de l’art. Le substrat est placé sur un porte-substrat fixe et la source plasma est en rotation sur elle-même à une vitesse de 20 tours/min et se déplace suivant l’axe z à une vitesse linéaire de 1 mm/s. Le réacteur de dépôt est décrit dans la fig. 3.CH 710 472 B1 According to a particular example, 5, a cylinder of an internal combustion engine (d = 81 mm and D = 165 mm) made of high-speed steel (type H56-5-2C), seeded by a method of state of the art. The substrate is placed on a fixed substrate holder and the plasma source rotates on itself at a speed of 20 revolutions / min and moves along the z axis at a linear speed of 1 mm / s. The deposition reactor is described in fig. 3.
[0042] Une couche de 200 nm de diamant nanocristallin est déposée en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assistée avec une source plasma ponctuelle au moyen d’une installation telle que décrite ci-dessus avec les conditions de dépôt suivantes:A 200 nm layer of nanocrystalline diamond is deposited using the chemical vapor deposition method assisted with a point plasma source by means of an installation as described above with the following deposition conditions:
- Temps de dépôt = 8 heures,- Deposit time = 8 hours,
- Température du substrat = 300 °C,- Substrate temperature = 300 ° C,
- Pression de travail = 0,5 mbar.- Working pressure = 0.5 mbar.
[0043] Par diamant nanocristallin, on entend du diamant polycristallin, présentant une taille de grain compris entre 1 et 100 nm, typiquement autour de 20 nm, permettant d’obtenir une rugosité moyenne inférieure à 200 nm, de préférence inférieure à 50 nm.By nanocrystalline diamond is meant polycrystalline diamond, having a grain size of between 1 and 100 nm, typically around 20 nm, making it possible to obtain an average roughness less than 200 nm, preferably less than 50 nm.
[0044] Un contrôle de l’épaisseur de la couche déposée (mesure sur des coupes métallographiques) et de la qualité du dépôt (mesure par spectrométrie Raman) montre que la variation d’uniformité (calculée par la formule = [min-max]/ moyenne) est inférieur à 10% sur toute la surface déposée.A check of the thickness of the deposited layer (measurement on metallographic sections) and of the quality of the deposit (measurement by Raman spectrometry) shows that the variation in uniformity (calculated by the formula = [min-max] / average) is less than 10% over the entire area deposited.
[0045] Ainsi, en mettant en oeuvre la technologie de dépôt chimique en phase vapeur utilisant une source plasma ponctuelle au moyen d’une installation telle que proposée ci-dessus, on peut réaliser une couche de diamant polycristallin dont l’épaisseur est comprise entre 50nm et plusieurs μm et dont la variation d’uniformité (calculée par la formule = [min-max]/ moyenne) est inférieur à 10% sur toute la surface déposée. Il est possible de réaliser sur des surfaces internes de pièces, à basse pression et à basse température, des dépôts dont la taille de grain comprise entre 1 et 50 nm, typiquement autour de 10 nm, permettant d’obtenir une rugosité moyenne inférieure à 100 nm, de préférence inférieure à 20 nm.Thus, by implementing the chemical vapor deposition technology using a point plasma source by means of an installation as proposed above, a layer of polycrystalline diamond whose thickness is between 50nm and several μm and whose variation in uniformity (calculated by the formula = [min-max] / average) is less than 10% over the entire deposited surface. It is possible to produce on internal surfaces of parts, at low pressure and at low temperature, deposits with a grain size of between 1 and 50 nm, typically around 10 nm, allowing an average roughness of less than 100 to be obtained. nm, preferably less than 20 nm.
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