Procédé et appareil pour déposer une pellicule de matière sur un support par l'évaporation de cette matière dans le vide, à l'intérieur d'une chambre. La présente invention concerne un procédé et un appareil pour déposer une pellicule de matière, par exemple de métal, sur un support en évaporant cette matière dans un vide, à l'intérieur d'une chambre.
Les procédés et appareils utilisés jusqu'à ce jour présentent certains inconvénients. Dans un de ces procédés, du métal à évaporer est contenu dans un récipient fait d'un métal de point de fusion élevé. La capacité thermi que du récipient provoque un retard sérieux .dans le fonctionnement, et les gaz occlus dans 1 e métal du récipient ou absorbés par ce métal sont mis en liberté et rendent difficile le main tien du vide nécessaire. En outre, le métal qu'il s'agit d'évaporer est sujet à se combiner avec le métal du récipient pour donner nais sance à un alliage.
Dans un autre procédé, on a évité l'utilisation d'un récipient en revêtant du métal à évaporer un fil ou une bande de tungstène ou de molybdène en forme d'hélice ou de spirale et en chauffant ce fil ou bande électriquement. Le revêtement de métal fond d'abord, puis s'évapore. Par ce moyen, on évite la grande capacité thermique du réci pient, mais le fil ou bande n'a qu'une courte durée, en raison de la formation d'alliages, et la nécessité de le revêtir à, chaque opération occasionne une perte de temps.
L'un et l'autre de ces procédés ont l'incon vénient sérieux d'exiger un vide élevé (10-4 mm de mercure ou moins) si l'on veut. obtenir une pellicule de bonne qualité. Dans les procédés de ce genre, on constate que le vide doit être tel que le libre parcours des atomes de métal soit au moins de l'ordre de la distance entre le point d'évaporation et le support. Si le libre parcours est plus petit, les atomes de métal entrent en collision entre eux et avec les molécules froides du gaz rési duel. Comme résultat de leur collision avec les molécules de gaz froides, les atomes de métal perdent de l'énergie cinétique et, en heurtant alors d'autres atomes de métal, constituent des particu'es qui donnent naissance à une pelli cule imparfaite.
Le procédé suivant l'invention se caracté rise par le fait que la matière à évaporer est amenée à un organe de chauffage qui est maintenu à une température qui est supérieure à celle à laquelle la matière s'évapore sous le vide appliqué, tandis que la quantité de ma tière amenée à l'organe de chauffage par unité de temps est suffisamment petite pour que l'évaporation de cette matière s'effectue sen siblement aussi vite qu'elle entre en contact avec cet organe.
On peut utiliser la matière à évaporer sous forme d'un fil ou bande, que l'on entraîne de façon que son extrémité entre en contact, avec l'organe de chauffage, la surface de contact étant si faible, par rapport à la masse et aux dimensions dudit organe, que la matière s'éva pore sensiblement aussi vite qu'elle entre en contact avec l'organe. Pour obtenir une éva poration satisfaisante de la matière è, évaporer dès le début de la mise en exécution du pro cédé. l'organe de chauffage devrait être amené à dépasser la température à laquelle la ma tière s'évapore sous le vide appliqué., avant. que la matière arrive au contact de cet organe.
Le gaz résiduel que contient la chambre est de préférence inerte à l'égard de la matière à évaporer et est de préférence ionisé.
Le dessin annexé représente, schématique ment et à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé.
Fig. 1 est une coupe schématique d'un ap pareil servant à évaporer du métal d'un fil ou bande métallique.
Fig. 2 représente un dispositif permettant d'évaporer du métal à l'état granulaire.
Fig. 3 représente un dispositif permettant de déposer une pellicule sur une grande sur- face.
Fig. 4 et 5 sont respectivement une vue de côté et une vue en bout d'un organe de chauf fage.
On se référera d'abord à la fig. 1. La chambre à vide, munie d'une partie supérieure 11 reposant hermétiquement sur la plaque de base 13 grâce à une garniture 12, est vidée de l'air qu'elle contient par un tuyau 14. L'or gane de chauffage 16, maintenu dans des sup ports 15, est constitué par une bande faite d'un métal réfractaire tel que le tungstène ou le molybdène, laquelle bande peut être chauf fée par un courant passant par des conduc teurs 17.
Le métal < à, évaporer est sous forme d'un fil ou bande 18 enroulé sur une bobine 19 et entraîné vers le bas par des rouleaux 20 jusqu'à l'organe de chauffage 16. Dans ce qui suit, le terme "fil" s'entendra aussi bien pour des fils proprement dits que pour des bandes, ces éléments pouvant d'ailleurs posséder toute forme appropriée en section transversale.
On peut utiliser n'importe quel dispositif d'en traînement convenable, tel qu'un mouvement d'horlogerie, indiqué par la boîte 21, des moyens commandés de l'extérieur de la cham bre étant prévus pour mettre ee dispositif en marche ou l'arrêter. Les supports sur lesquels les pellicules doivent être déposées sont repré sentes en 22 et 23, ces supports étant main tenus dans des montures 25 et 24. respective ment.
Deux électrodes 26 et 2 7 sont reliées à une source 30 de courant à haut potentiel et ont pour rôle d'ioniser le gaz résiduel que contient la chambre. Ces électrodes ne sont pas essentielles, mais elles sont avantageuses lorsque le vide est faible. Le tuyau 32, muni du robinet 31, permet d'introduire du gaz. dans la chambre lorsqu'on désire que le gaz résiduel soit autre que l'air.
L'organe de chauffage 16 est porté à une température sensiblement supérieure au point d'évaporation du métal 18 sous le vide appli qué. Par exemple, si le métal à évaporer est l'aluminium et si le vide est de l0-3 mm de mercure, on porte ledit organe à environ 11500'. On met les rouleaux 20 en marche pour entraîner le fil 18 vers et contre l'organe 16 et, aussitôt que le fil touche cet organe, sa pointe se vaporise immédiatement et la va peur se dépose sur les transports 22 et 23.
Il convient que la vitesse d'entraînement soit réglable de façon que, pour un métal quel conque, ce métal soit entraîné aussi rapide- ment qu'il -est possible de le faire sans d6pas- ser la vitesse à laquelle -le métal peut être évaporé par son contact avec 1-'organe de chauf fage.
Lorsqu'il s'agit de constituer un dépôt pelliculaire sur de longs supports flexibles tels que des bandes de :papier, ces bandes peuvent être portées par des rouleaux ou bobines dis posés de façon à fournir la bande pour l'expo ser au métal évaporé. Tour les applications de ce genre, ou lorsqu'il s'agit de recouvrir de nombreux supports, le dispositif décrit, dans lequel le métal à évaporer est porté par une bobine, est commode, mais, lorsque la quan tité de métal à évaporer est faible, on peut placer un fil rectiligne dans le guide 33 de façon qu'il repose sur l'organe de chauffage <B>16.</B> Ce fil descend alors par son propre poids à. mesure que sa pointe s'évapore.
Lorsque la matière à évaporer peut être obtenue d'une façon plus commode sous une forme granulaire, comme par exemple dans le cas du quartz, on peut utiliser le - dispositif représenté sur la fig. 2, clans laquelle on n'a représenté que le dispositif d'entraînement de la matière et l'organe de chauffage 38 monté dans des supports 37. La matière granulaire cst transférée d'un récipient 34, par un trans porteur 35,à une trémie 36 qui la dirige vers l'organe de chauffage 38.
Ce dernier a de pré férence la forme d'un<B>U</B> de façon que les grains qui rebondissent en entrant en contact avec la base,de cet organe puissent venir heur ter les branches de<B>PU.</B>
La fig. 3 montre un dispositif permettant de déposer une mince pellicule sur une grande surface pour constituer, par exemple, un mi roir (la chambre à vide et d'autres accessoires n'étant pas représentés). LTne série de fournis seurs de fil métallique, avec organes de chauf fage 39, sont montés sur une barre 40 assu jettie à des douilles 41 qu'on peut faire mon ter et descendre sur des guides 42 en regard d'un support 43 de telle sorte que les points d'évaporation passent près de tous les .points dudit support.
Les fig. 4 et 5 représentent un autre type d'organes de chauffage composé d'un cylindre 44 constitué par un .treillis ou toile de fil -e n métal réfractaire et muni de bornes 45.
Le'fil 47, fait du métal à évaporer et supporté= à l'in- térieur d'un guide 46, passe par -un 'trou ou fente du -cylindre 44 et s'évapore dans ce cylindre.-Cette forme d'organe de chauffage a l'avantage que les atomes de métal se distri buent sur une grande surface. sans se refroidir parce qu'il s'échauffe en passant à l'extérieur à travers les mailles du treillis.
On peut uti liser ,les équivalents d'un treillis, tel qu'une cage en fil métallique ou un cylindre (le métal perforé.
Parle procédé décrit plus haut, il ne s'éva pore qu'une très faible quantité de métal à tout instant et l'évaporation a lieu à une tem pérature élevée, de sorte que la vapeur est surchauffée et que sa densité est faible. En outre, l'évaporation a lieu en un point (ou suivant une ligne si une bande est utilisée) et les atomes. se meuvent vers l'extérieur dans toutes les directions en s'éloignant. de l'organe de chauffage, de sorte qu'ils sont d'autant plus éloignés les uns des autres et d'autant moins sujets à entrer en collision .qu'ils sont plus éloignés du point ou ligne d'évaporation.
Dans ces conditions, si un atome heurte une molécule de gaz, il tend à conserver une éner gie cinétique assez élevée en raison de la va leur très élevée de son énergie cinétique ini tiale, et le risque que deux atomes de faible énergie cinétique se heurtent mutuellement et s'unissent est très faible. Pour cette raison, le vide peut -être sensiblement plus faible que celui qu'exigeaient les procédés appliqués jus qu'à ce -jour pour produire une pellicule de bonne qualité.
Dans le cas où l'on utilise une série de points d'évaporation, il est important que la distance qui sépare ces points soit telle que la grosseur de. chaque point soit négligeable en comparaison avec cette distance, afin d'assu rer une très faible densité de vapeur.
Un autre avantage du procédé est que, si le métal à évaporer n'est amené au contact de l'organe de chauffage qu'après que cet or gane a. été porté à une température supérieure au point d'évaporation du métal, il ne se forme pas d'alliage et, par conséquent, l'or gane de chauffage a une longue durée.
Il est préférable de remplacer l'air résiduel que contient la chambre par un gaz inerte tel que l'hydrogène. et l'on peut utiliser un vide encore plus faible si le gaz est ionisé à l'aide des électrodes 26 et<B>27.</B>
A method and apparatus for depositing a film of material on a support by evaporating that material in a vacuum within a chamber. The present invention relates to a method and apparatus for depositing a film of material, for example metal, on a support by evaporating this material in a vacuum, within a chamber.
The methods and apparatus used to date have certain drawbacks. In one of these processes, metal to be evaporated is contained in a vessel made of a high melting point metal. The thermal capacity of the container causes a serious delay in operation, and gases occluded in or absorbed by the metal of the container are released and make it difficult to maintain the necessary vacuum. Furthermore, the metal to be evaporated is liable to combine with the metal of the container to give rise to an alloy.
In another method, the use of a container has been avoided by coating a metal to be evaporated on a wire or a strip of tungsten or molybdenum in the form of a helix or a spiral and by heating this wire or strip electrically. The metal coating first melts and then evaporates. By this means, the great thermal capacity of the container is avoided, but the wire or strip has only a short duration, due to the formation of alloys, and the need to coat it with, each operation causes a loss. of time.
Both of these methods have the serious drawback of requiring a high vacuum (10-4 mm of mercury or less) if desired. get good quality film. In processes of this kind, it is observed that the vacuum must be such that the free path of the metal atoms is at least of the order of the distance between the point of evaporation and the support. If the free path is smaller, the metal atoms collide with each other and with the cold molecules of the residual gas. As a result of their collision with the cold gas molecules, the metal atoms lose kinetic energy and, then colliding with other metal atoms, form particles which give rise to an imperfect skin.
The process according to the invention is characterized in that the material to be evaporated is brought to a heater which is maintained at a temperature which is higher than that at which the material evaporates under the applied vacuum, while the quantity of material supplied to the heating member per unit of time is sufficiently small for the evaporation of this material to take place as quickly as it comes into contact with this member.
The material to be evaporated can be used in the form of a wire or strip, which is driven so that its end comes into contact with the heating member, the contact surface being so small, compared to the mass and to the dimensions of said organ, that the material evaporates substantially as quickly as it comes into contact with the organ. To obtain satisfactory evaporation of the material è, evaporate at the start of the process. the heater should be caused to exceed the temperature at which the material evaporates under the applied vacuum. that matter comes into contact with this organ.
The residual gas contained in the chamber is preferably inert with respect to the material to be evaporated and is preferably ionized.
The appended drawing represents, schematically and by way of example, several embodiments of the apparatus for carrying out the method.
Fig. 1 is a schematic sectional view of an apparatus for evaporating metal from a metal wire or strip.
Fig. 2 shows a device for evaporating metal in the granular state.
Fig. 3 shows a device for depositing a film over a large surface.
Fig. 4 and 5 are respectively a side view and an end view of a heating member.
Reference will first be made to FIG. 1. The vacuum chamber, provided with an upper part 11 resting hermetically on the base plate 13 by means of a gasket 12, is emptied of the air which it contains by a pipe 14. The heating organ 16 , held in supports 15, is constituted by a strip made of a refractory metal such as tungsten or molybdenum, which strip can be heated by a current passing through conductors 17.
The metal to be evaporated is in the form of a wire or strip 18 wound on a spool 19 and driven downward by rollers 20 to the heater 16. In the following, the term "wire" will be understood as well for actual son as for bands, these elements can moreover have any suitable shape in cross section.
Any suitable driving device can be used, such as a clockwork movement, indicated by box 21, means controlled from outside the chamber being provided to start the device or the device. 'Stop. The supports on which the films are to be deposited are shown at 22 and 23, these supports being held in frames 25 and 24. respectively.
Two electrodes 26 and 27 are connected to a source 30 of high potential current and their role is to ionize the residual gas contained in the chamber. These electrodes are not essential, but they are beneficial when the vacuum is low. The pipe 32, provided with the valve 31, allows gas to be introduced. in the chamber when it is desired that the residual gas be other than air.
The heater 16 is brought to a temperature substantially higher than the point of evaporation of the metal 18 under the applied vacuum. For example, if the metal to be evaporated is aluminum and the vacuum is 10-3 mm Hg, said member is brought to about 11500 '. The rollers 20 are started to drive the wire 18 towards and against the member 16 and, as soon as the wire touches this member, its tip immediately vaporizes and the vapor is deposited on the transporters 22 and 23.
The driving speed should be adjustable so that for any metal that metal is driven as quickly as possible without exceeding the speed at which the metal can be driven. evaporated on contact with the heating organ.
When it comes to forming a film deposit on long flexible supports such as strips of paper, these strips can be carried by rolls or spools arranged so as to provide the strip for exposure to the evaporated metal. . In applications of this kind, or when it comes to covering numerous supports, the device described, in which the metal to be evaporated is carried by a coil, is convenient, but when the quantity of metal to be evaporated is low, we can place a straight wire in the guide 33 so that it rests on the heater <B> 16. </B> This wire then descends by its own weight to. as its tip evaporates.
When the material to be evaporated can be obtained more conveniently in a granular form, as for example in the case of quartz, the device shown in FIG. 2, in which only the material driving device and the heating member 38 mounted in supports 37 have been shown. The granular material is transferred from a container 34, by a conveyor 35, to a hopper 36 which directs it towards the heater 38.
The latter preferably has the shape of a <B> U </B> so that the grains which rebound upon coming into contact with the base of this organ can come up against the branches of <B> PU. < / B>
Fig. 3 shows a device for depositing a thin film over a large area to form, for example, a mirror (the vacuum chamber and other accessories not being shown). A series of metal wire suppliers, with heating members 39, are mounted on a bar 40 attached to bushings 41 which can be raised and lowered on guides 42 facing a support 43 of such type. so that the evaporation points pass close to all the points of said support.
Figs. 4 and 5 show another type of heating member composed of a cylinder 44 formed by a .trellis or wire cloth -e n refractory metal and provided with terminals 45.
The wire 47, made of the metal to be evaporated and supported inside a guide 46, passes through a hole or slot in the cylinder 44 and evaporates in this cylinder. heater has the advantage that the metal atoms are distributed over a large area. without cooling because it heats up when passing outside through the meshes of the mesh.
We can use the equivalents of a mesh, such as a wire cage or a cylinder (the perforated metal.
By the process described above, only a very small amount of metal evaporates at any time and evaporation takes place at a high temperature, so that the vapor is superheated and its density low. In addition, evaporation takes place at a point (or along a line if a strip is used) and atoms. move outward in all directions as they move away. of the heating member, so that they are all the more distant from each other and all the less subject to colliding. the further they are from the point or line of evaporation.
Under these conditions, if an atom collides with a gas molecule, it tends to retain a fairly high kinetic energy due to the very high value of its initial kinetic energy, and the risk that two atoms of low kinetic energy collide. mutually and unite is very weak. For this reason, the vacuum may be significantly lower than that required by the processes applied to date to produce a good quality film.
In the case where a series of evaporation points are used, it is important that the distance between these points is such that the size of. each point is negligible in comparison with this distance, in order to ensure a very low vapor density.
Another advantage of the process is that, if the metal to be evaporated is not brought into contact with the heating member until after this organ has. When heated to a temperature above the point of evaporation of the metal, no alloy is formed, and therefore the heating medium has a long life.
It is preferable to replace the residual air in the chamber with an inert gas such as hydrogen. and an even lower vacuum can be used if the gas is ionized using electrodes 26 and <B> 27. </B>