FR2576608A1

FR2576608A1 - Procede pour revetir des elements de machines ou outils d'une matiere dure et elements de machines et outils fabriques par application de ce procede

Info

Publication number: FR2576608A1
Application number: FR8601319A
Authority: FR
Inventors: Otto Knotek; Wolf-Dieter Munz; Klaus-Jurgen Heimbach
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1985-01-30
Filing date: 1986-01-30
Publication date: 1986-08-01
Also published as: JPS61177365A; BE904130A; SE8600208L; GB8600580D0; DE3503105A1; SE8600208D0; GB2170226A

Abstract

IL S'AGIT DE REVETIR DES PIECES EN ACIERS SENSIBLES A LA TEMPERATURE D'UNE MATIERE DURE CONSTITUEE PAR UN COMPOSE AZOTE ETOU CARBONE D'UN METAL DU GROUPE TI, ZR, HF, CR, TA, W, NB, PAR PULVERISATION CATHODIQUE REACTIVE DE L'UN DE CES METAUX DANS UNE ATMOSPHERE AZOTEE OU CARBONEE. POUR OBTENIR DES COUCHES EPAISSES ET SANS FISSURES SUR DES SUBSTRATS 5 SENSIBLES A LA TEMPERATURE, ON DEPOSE EN ALTERNANCE DES COUCHES ELEMENTAIRES DE MATIERE DURE 7 DU GROUPE TIN, TIC, TICN; ZRN; HFN; CRN, CRC; TAC, TAN; WN, WC; NBN, QUI N'OCCUPENT QU'UNE FRACTION DE L'EPAISSEUR TOTALE, ET DES COUCHES INTERCALAIRES METALLIQUES 6 D'AU MOINS L'UN DES METAUX DU GROUPE TI, ZR, HF, CR, TA, W, NB; AL, NI, FE, CES DERNIERES ETANT DEPOSEES PAR PULVERISATION CATHODIQUE DANS DES CONDITIONS NON REACTIVES.

Description

L'invention se rapporte à un procédé pour revê-

tir des éléments de machines et des outils, de préféren-

ce de tels éléments ou outils faits d'aciers sensibles à

la température, d'une matière dure faite de composés azo-

tés et/ou carbonés de métaux du groupe Ti, Zr, Hf, Cr,

Ta, W et Nb, ce procédé opérant par pulvérisation catho-

dique réactive d'au moins l'un des métaux cités dans une atmosphère contenant de l'azote ou du carbone et dans

des conditions de pulvérisation. -

Un procédé de ce genre ainsi qu'un dispositif approprié pour ce procédé sont décrits dans la demande de brevet de la R.F.A. publiée sous le n 31 07 914 et

dans le brevet des E.U.A. correspondant n 4 426 267. Mê-

me lorsque, dans cette opération, on fait passer plu-

sieurs fois les corps de base des éléments de machines

et outils, c'est-à-dire les substrats à revêtir, à tra-

vers l'ensemble connu de cathodes de pulvérisation, on obtient une pluralité de couches directement adjacente,

de propriétés identiques, dont les interfaces sont cer-

tes encore décelables sous le microscope électronique

mais qui peuvent être considérées dans leur totalité com-

me un ensemble de couches monolithique, bien que cet en-

semble soit composé de couches individuelles.

Les couches dures résistantes à l'usure uti-

lisées pour le renforcement superficiel des outils de coupe, outils de déformation ou éléments de machines exposés à l'usure sont actuellement produites, entre autres, par placage ionique ("ion plating"). Les couches les plus connues sont composées dans ce cas de TiN, TiC, TiCN, ZrN, HfN, CrN, TaC, TaN, WC, WN et NbN. Dans le placage ionique, on applique différents procédés qui diffèrent principalement par la source de matériaux de revêtement qu'on utilise. On connaît des solutions techniques utilisant des dispositifs d'évaporation thermique revêtant la forme de coupelles d'évaporation,

des évaporateurs à faisceaux d'électrons, des dis-

positifs à cathode creuse, des évaporateurs à arc et des dispositifs de pulvérisation cathodique. L'invention se rapporte au procédé de placage ionique par pulvérisation cathodique. Les revêtements résistants à l'usure, destinés à allonger le temps de tenue, par exemple sur les forets

hélicoïdaux, sont actuellement dans l'intervalle d'épais-

seur de couche allant de 2 à 5 pm, ou de 2 000 à 5 000 nm. Pour obtenir une adhérence suffisante et une densité

de structure de couches suffisante, on dépose ces cou-

ches sur des substrats qui sont portés à des températu-

res entre 300 et 500 C. Il est essentiel que ces élé-

ments soient maintenus à un niveau de température aussi constant que possible, par exemple de 450 C, pendant tout le processus de revêtement. Ceci peut s'effectuer en faisant séjourner les substrats continuellement dans

le plasma de la zone de revêtement afin que le bombarde-

ment ionique essentiel pour le placage ionique puisse

être entretenu uniformément. Dans les procédés de revête-

ment utilisés actuellement, ces conditions sont égale-

ment respectées.

Si l'opération de revêtement comporte de gran-

des différences de température qui peuvent se produire en raison du fait que les substrats sortent de la région

du bombardement ionique pendant le processus de revête-

ment, on observe, sous l'effet de la fragilité des mati-

ares dures, ainsi qu'en raison de leur dureté et de leurs tensions internes, une accumulation inhomogène des couches qui conduit fréquemment à des microfissures et à des décollements localisés de la couche. Si l'on utilise un outil revêtu de cette façon pour usiner une pièce par

enlèvement de copeaux, les contraintes thermiques varia-

bles qui se manifestent dans cette opération entraînent une destruction du revêtement lorsque ce dernier n'est

pas suffisamment homogène.

Les effets préjudiciables décrits ci-dessus se produisent surtout lorsque l'opération de revêtement est exécuté à des températures inférieures à l'intervalle de température précité. C'est ainsi que, dans la production

de couches superficielles décoratives sur des pièces sen-

sibles à la température, comme, par exemple, les bot-

tiers de montres en laiton, on a observé qu'il est possi-

ble d'obtenir un revêtement utilisable à des températu-

res plus basses lorsque le revêtement est exécuté par pas successifs, ou que la couche se compose de couches

élémentaires distinctes. Un procédé de ce type est éga-

lement décrit dans la demande de brevet de la R.F.A.

31 05 914, déjà citée. Lors des passages multiples des substrats fixés à un support de substrats tournant, ces substrats peuvent se refroidir après être sortis de la

zone de revêtement, de sorte qu'on n-'excède pas une tem-

pérature maximum d'environ 200 à 250 C. Le procédé con-

nu s'est révélé parfaitement approprié pour la produc-

tion de couches de couleur dorée faites de TiN parce que ces couches possèdent une épaisseur maximum d'environ 1 Pm ou 1 000 nm. Toutefois, des expériences ont montré que, si l'on augmente l'épaisseur des couches, pour la porter à des valeurs de 2 000 à 5 000 nm ou plus, telles

que celles dont on a besoin pour les applications techni-

ques, il se pose le problème décrit plus haut, à savoir, que la couche présente des microfissures, dé sorte qu'on

observe l'écaillage de parties de la surface qu'on a dé-

crit plus haut. Ceci est inacceptable dans le cas des

éléments de machines ou outils soumis à de hautes con-

traintes mécaniques parce que les efforts mécaniques pro-

voquent très rapidement un écaillage important de la

structure stratifiée, qui est déjà affaiblie par des mi-

crofissures.

La possibilité d'utiliser des couches de mati-

ères dures techniques, c'est-à-dire techniquement utili-

sables, pourrait être élargie dans une grande mesure si l'on parvenait à limiter les températures du susbtrat à des valeurs de l'intervalle allant de 150 à 200 C dans le processus de revêtement, et à atteindre cependant des épaisseurs de couche de 10 000 nm ou plus. Dans ce cas,

les aciers d'outillage tels que ceux qui sont nécessai-

res pour les outils de coupe et de déformation, ainsi

que les éléments de machines exposés à de fortes con-

traintes de frottement comme, par exemple, les guide-

fils des machines textiles ou même les pièces en matière

plastique, pourraient être revêtus de matière dure.

10. L'invention se donne donc pour but de créer un procédé du genre décrit au début qui puisse être utilisé pour des susbtrats sensibles à la température et qui soit cependant approprié également pour la production de couches d'épaisseur relativement grande sans que la

structure de la couche ne soit fragilisée par des micro-

fissures et/ou de fortes tensions internes.

Selon l'invention, ce problème est résolu par

un procédé décrit au début du présent mémoire et caracté-

risé en ce que, entre les couches élémentaires de mati-

ère dure du groupe TiN, TiC, TiCN; ZrN; HfN; CrN, Cr2C3; TaC, TaN; WN, WC; NbN, qui n'occupent qu'une fraction de l'épaisseur de la couche totale, on dépose

par pulvérisation cathodique et dans des conditions sen-

siblement non réactives des couches intercalaires métal-

liques faites d'au moins un des métaux du groupe Ti, Zr,

Hf, Cr, Ta, W, Nb; Al, Ni, Fe.

Grâce à la séparation, caractéristique de l'in-

vention, des couches élémentaires composées de la mati-

ère dure par des couches intercalaires métalliques de la

composition indiquée, on peut produire, à des températu-

res de substrat relativement basses, par exemple, infé-

rieures à 200 C, des couches dures qui ne tendent pas à s'écailler, même dans le cas de grandes épaisseurs de couches, supérieures à environ 2 000 nm. Ainsi que l'ont montré des recherches au microscope électronique, il ne s'y produit pas de microfissures et on peut supposer que les tensions internes qui, autrement, croissent avec l'épaisseur de la couche, sont détendues par la plus

grande ductilité des couches intercalaires métalliques.

En tout cas, la notion de "couches intercalai-

res métalliques" n'exclut pas la présence d'une petite

quantité de produits issus de la réaction du métal consi-

déré avec l'atmosphère régnant à l'intérieur du disposi-

tif de revêtement. Il est suffisant que les couches in-

tercalaires métalliques présentent un caractère nette-

ment métallique, c'est-à-dire, un caractère ductile et

un effet réducteur vis-à-vis des matières dures adjacen-

tes. Naturellement, on doit chercher à obtenir le résul-

tat idéal, c'est-à-dire des couches intercalaires pure-

ment métalliques.

Dans le choix des métaux à utiliser pour les

couches intercalaires, il est important de faire en sor-

te que ces couches présentent une adhérence suffisante sur la matière voisine (interface). Par ailleurs, il est

souhaitable que la matière de la couche intercalaire pos-

sède un effet réducteur par rapport à la matière voisi-

ne, ainsi qu'on l'a déjà indiqué. Pour expliquer cet ef-

fet, il convient d'indiquer que, dans la production des

couches élémentaires, les substrats sortent nécessaire-

ment de la zone de revêtement alors qu'ils se trouvent à

une température relativement élevée et qu'ils se trou-

vent cependant dans une atmosphère qui est au moins par-

tiellement composée de molécules gazeuses excitées et ac-

tivées. Etant donné que, dans les dispositifs de revête-

ment, ce qu'on appelle l'atmosphère résiduelle contient généralement des traces d'oxygène, qui est très réactif,

ceci conduit -à la formation de très minces couches d'oxy-

des sur les couches élémentaires, ce qui détruit aussi bien l'homogénéité de la couche que la cohérence interne

du paquet de couches. Cet effet peut être largement com-

pensé, sinon entièrement supprimé, par l'effet réducteur

du métal de la couche intercalaire.

6 2576608

Finalement, il est souhaitable que la couche in-

tercalaire métallique possède une haute conductibilité

thermique. En présence d'une haute sollicitation thermi-

que variable, en particulier dans le cas d'une telle sol-

licitation thermique locale, comme celle qui se manifes-

te fréquemment dans le cas des outils de coupe, il s'en-

gendre dans la couche de matière dure elle-même, une ac-

cumulation de chaleur qui conduit naturellement à des

contraintes thermiques correspondantes. Une conductibili-

té thermique appropriée des couches intercalaires métal-

liques peut contribuer dans une large mesure à supprimer ces différences de température et, par conséquent, à

éliminer les contraintes thermiques.

On a constaté que les métaux proposés pour les couches intercalaires résolvent totalement le problème

posé. On peut donc avoir une alternance de couches compo-

sées du métal considéré et du produit de réaction de ce

métal, qui forme la matière dure. Il est possible de pul-

vériser le même métal successivement et alternativement dans une atmosphère réactive et dans une atmosphère non réactive, ce métal se présentant pour la pulvérisation

sous la forme d'une plaquette cible qui se fixe à une ca-

thode de pulvérisation cathodique. Ceci simplifie consi-

dérablement la conduite du procédé. Toutefois, il est également possible d'utiliser comme métaux pour les cou-t ches intercalaires, l'aluminium, le nickel et le fer, c'est-à-dire des métaux qui ne sont pas prévus euxmêmes

pour la formation des couches de matière dure.

Dans ce cas, il est particulièrement important que le dépôt des couches intercalaires métalliques par pulvérisation cathodique soit exécuté avec application au substrat d'une tension de polarisation négative d'un

niveau correspondant, c'est-à-dire, par placage ionique.

On montre encore en regard d'un diagramme que, avec l'ac-

croissement de la tension de polarisation négative, la densité de la matière de la couche précipitée croit pour atteindre une densité comprise entre la densité maximum possible en pratique et la densité maximum possible en

théorie. Cette disposition accroit en même temps considé-

rablement la résistance mécanique des couches intercalai-

res métalliques, de sorte que la solidité de l'empile-

ment complet de couches est augmentée en même temps.

Il est particulièrement avantageux dans ce cas que le métal des couches intercalaires présente un point de fusion particulièrement bas, en tous cas, un point de

fusion bas comparativement au point de fusion de la ma-

tière dure. En effet, on a constaté que l'on n'obtient

des couches denses de métaux possédant un point de fu-

sion relativement élevé, comme les couches de matière du-

re, que s'il se produit simultanément un bombardement

ionique pendant le processus de pulvérisation cathodi-

que. Dans le cas de couches intercalaires composées de métaux à point de fusion relativement bas, le processus de pulvérisation cathodique peut être exécuté avec une quantité relativement faible de bombardement ionique, c'est-à-dire avec une faible- polarisation négative du substrat. Ceci a à son tour l'avantage de permettre

d'abaisser également la température de substrat résultan-

te puisque, en effet, l'échauffement du substrat est sen-

siblement proportionnel à la tension de la polarisation

(négative) et, par conséquent, proportionnel au bombarde-

ment ionique.

Naturellement, il est indispensable que l'empi-

lement de couches selon l'invention présente une liaison par adhérence extrêmement forte avec la matière de base

ou le substrat. Etant donné que les composants métalli-

ques des couches de matière dure sont, de par leur na-

ture, de bons promoteurs d'adhérence vis-à-vis de la plu-

part des matériaux de susbtrat, lors de la constitution

du revêtement selon l'invention, on peut procéder, parti-

culièrement avantageusement de la façon suivante: on dé-

pose tout d'abord sur la surface du substrat, dans une atmosphère non réactive, une couche purement métallique composée du constituant métallique de la matière dure puis, par une introduction progressive du gaz réactif

considéré, on transforme cette couche en la couche de ma-

tière dure proprement dite avec une transition conti- nue. Dans cette opération, on peut utiliser comme

gaz de réaction pour la formation des nitrures, de l'azo-

te lui-même et, pour la formation des carbures, un hydro-

carbure saturé ou insaturé et facilement volatil comme, par exemple l'acétylène. Pour la préparation de ce qu'on appelle les carbonitrures, on peut utiliser dans ce cas également des mélanges de composés azotés et de composés

hydrocarbures. Toutefois, la fraction principale de l'at-

mosphère de pulvérisation est de préférence composée d'un gaz inerte. La composition de telles atmosphères de pulvérisation fait partie de l'état de la technique, de sorte que l'on ne s'attardera pas davantage sur ce sujet

dans le présent mémoire.

Dans la production de l'empilement de couches

selon l'invention, on peut adopter en principe trois pro-

cédures. Ici, on suppose tout d'abord que le processus

de revêtement se produit simultanément sur les faces op-

posées des substrats, c'est-à-dire que les cathodes de pulvérisation sont disposées par paires, comme cela est décrit dans la demande de brevet de la R.F.A. 31 07 914 précitée:

1. Lorsqu'on utilise une seule paire de catho-

des, les couches métalliques et les couches de matière dure peuvent être obtenues par interruption cyclique de

l'introduction de gaz. La puissance d'aspiration des pom-

pes à vide qui sont de toute façon nécessaires pour le

dispositif de revêtement est alors généralement suffisan-

te pour débarrasser assez rapidement l'atmosphère de pul-

vérisation de sa teneur en gaz réactifs.

2. Lorsqu'on utilise deux paires de cathodes,

ces paires peuvent être garnies de la même matière de ci-

ble et on peut faire travailler une paire de cathodes dans une atmosphère de gaz réactifs tandis qu'on fait travailler l'autre paire de cathodes dans une atmosphère de pulvérisation non réactive. 3. Dans le cas o l'on utilise deux paires de

cathodes, il est possible de garnir ces paires de catho-

des de matières différentes et de faire travailler ici

également une paire de cathodes dans une atmosphère réac-

tive et l'autre dans une atmosphère non réactive.

Dans le cas de la disposition en série dans l'espace de deux paires de cathodes, il se présente à nouveau deux possibilités de base pour le déplacement des substrats. Il est possible de faire aller et venir

les substrats entre les paires de cathodes. Par ail-

leurs, dans le cas de l'agencement de deux paires de ca-

thodes sur le parcours d'une voie circulaire de circula-

tion d'un support de substrats, il est possible de faire

passer les susbtrats dans le même sens l'un après l'au-

tre et aussi souvent qu'on le veut à travers les deux paires de cathodes. Le mode opératoire décrit en dernier lieu est décrit plus bas avec plus de détails à propos

d'un exemple de réalisation.

Les couches intercalaires métalliques peuvent

être constituées, par exemple, par des couches d'allia-

ges métalliques composés de:

Ti/A1; Ni/Cr/Fe; Cr/Al; Ta/Al.

Les successions de couches préférées sont les suivantes:

TiN-Al-TiN-Al-....

CrN-Cr-CrN-Cr-.... TaN-Ti/Al-TaN-Ti/Al-....

Le nombre des couches qui alternent régulière-

ment entre elles n'est pas limité vers le haut. En prati-

que, on peut concevoir de 2 à 100 couches de matière du-

re qui possèdent les compositions indiquées et qui sont séparées par 1 à 99 couches de métal faites des métaux

indiqués et/ou d'alliages.

Toutefois, il s'est révélé particulièrement avantageux d'utiliser des empilements de couches qui sont composés de 15 à 40 couches de matière dure et de

14 A 39 couches métalliques.

L'épaisseur des couches de matière dure élé-

mentaires peut être choisie entre 50 et 1 000 nm, et cel-

le des couches élémentaires métalliques entre 5 et 100

nm.

Il est particulièrement avantageux de donner aux couches métalliques une épaisseur inférieure à celle des couches de matière dure. C'est ainsi que le rapport des épaisseurs des couches élémentaires de matière dure

à celles des couches élémentaires métalliques est parti-

culièrement avantageusement compris entre 10: 1 et

: 5. On a obtenu des conditions de très bonne repro-

ductibilité avec des rapports d'épaisseurs de couches

d'environ 10: 2.

L'invention concerne également des outils ou éléments de machines, de préférence comprenant un corps de base (substrat) en acier sensible à la température et un revêtement en matière dure fait de composés azotés et/ou carbonés des métaux du groupe Ti, Zr, Hf, Cr, Ta,

W, Nb, caractérisé en ce que, entre les couches élémen-

taires de matière dure du groupe TiN, TiC, TiCN; ZrN; HfN; CrN; Cr2C3; TaC, TaN; WN, WC; NbN, qui n'occupent qu'une fraction de l'épaisseur de la couche

totale, sont interposées des couches intercalaires métal-

liques du groupe Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, W, Nb; Al, Ni, Fe.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention seront mieux compris à la lecture de la descrip-

tion qui va suivre, de plusieurs exemples de mise en oeu-

vre et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 est une coupe d'un empilement de il 2576608

couches de la technique antérieure, prise perpendiculai-

rement à la surface du susbtrat; la figure 2 est une coupe analogue à la figure

1, mais à échelle agrandie, d'un ensemble de couches se-

lon l'invention;

la figure 3 est un diagramme servant à illus-

* trer la relation de dépendance qui lie la densité d'une

couche métallique à la tension de la polarisation négati-

ve du substrat Usub dans la pulvérisation cathodique (placage ionique);

la figure 4 est une coupe horizontale d'un dis-

positif de revêtement comportant un support de substrats tournant; et

la figure 5 est une coupe horizontale d'un dis-

positif de revêtement comportant un support de substrats oscillant.

La figure 1 montre un substrat en acier d'outil-

lage, par exemple de la qualité HSS. Sur ce substrat, on a déposé immédiatement les unes à la suite des autres,

ies couches élémentaires en matière dure 2, selon un pro-

cédé tel que celui décrit dans la demande de brevet de

la R.F.A. 31 07 914 précitéeo Sous l'effet d'une épais-

seur de couche suffisamment grande, telle que celle qui est nécessaire pour les outils (forets de perçage) (2 000 à 5 000 nm), il se présentait à l'intérieur de l'empilement de couches, aussi bien des microfissures 3

que des écaillages locaux 4, dont la formation est consi-

dérablement favorisée par les microfissures 3.o

La figure 2 représente un susbtrat 5 fait du mê-

me acier d'outillage, sur lequel sont déposées, en une

succession alternée, des couches intercalaires métalli-

ques 6 (en aluminium) et des couches de matière dure 5

(en CrN ou TiN). La couche intercalaire métallique extrd-

me inférieure 6a sert en même temps de promoteur d'adhé-

rence. Une couche produite conformément à la figure 2 était composée, par exemple, de 60 couches élémentaires

12 2576608

au total, à savoir, 30 couches de matière dure 7, 29 cou-

ches intercalaires métalliques 6 et une couche d'adhéren-

ce 6a.

Sur la figure 3, on a porté en abscisses la po-

larisation du substrat Usub en volts et, en ordonnées la

densité e en g/cm3, plus précisément, pour le métal tan-

tale et pour une épaisseur de couche de 6 pm ou 6 000 nm. La température du substrat a été maintenue constante dans toutes les mesures. On observe que, lorsqu'on passe d'une polarisation positive du substrat, de 200 V, à une polarisation négative du substrat, de 500 V, la densité de la matière précipité s'accroit de presque 20 %, ce qui est d'une importance tout à fait significative pour

la résistance à la traction ou au cisaillement de la ma-

tière. (Origine: Mattox, D.M.; Kominiak D.J. "Structu-

re Modification by Ion Bombardement during Deposition",

J. Vac. Sci. & Techn., Vol. 9, N 1, 1972, page 528).

Sur la figure 4, on a représenté une coupe hori-

zontale d'une chambre de réaction 10 possédant sensible-

ment une symétrie de révolution, qui présente une porte 11 dans sa partie avant. Dans la chambre de révolution, est monté rotatif autour de son axe vertical, un support de substrats 12, qui est constitué dans le cas considéré par une cage tournante cylindrique creuse. Le support de

substrats 12 est relié, par une capacité non représen-

tée, à une source de tension, également non représentée.

Sur les deux-côtés du parcours de rotation du support de

substrats 12, sont disposées dans une disposition prati-

quement symétrique en miroir, des paires de doubles ca-

thodes 13, 14 ou 15, 16 respectivement. Chacune de ces

cathodes de magnétrons est construite de la façon tradi-

tionnelle; dans un corps creux, parcouru par un courant

d'eau de refroidissement et composé d'une matière amagné-

tique, est logée une série concentrique d'aimants perma-

nents SN/NS, les aimants permanents présentant les posi-

tions de pôles opposées représentées sur le dessin. Les

faces arrière de ces aimants permanents sont reliées en-

tre elles par une plaque formant culasse. Sur la face frontale du corps creux est fixée une cible en forme de plaque qui est composée d'un métal qui forme, soit le constituant de la couche de matière dure, soit celui de la couche métallique. Les faces avant de ces cibles et

le support de substrats sont orientés sensiblement paral-

lèlement entre eux. Les cathodes de magnétrons considé-

rées sont constituées par des cathodes allongées dont le

grand axe s'étend perpendiculairement au plan du des-

sin. Dans le voisinage des cathodes de magnétrons 13

à 16, sont prévues des entrées de gaz, 17 et 18 respecti-

vement, à travers lesquelles un gaz neutre et/ou un gaz réactif est injecté dans la zone de réaction proprement dite. L'expansion du plasma (représentée en pointillé dans la partie supérieure de la figure 4) est en outre limitée par des diaphragmes 16 qui ménagent cependant une fente suffisante pour le passage des substrats 20, dont le dessin ne représente schématiquement que trois exemplaires. Sur le support de substrats tournant 12 est fixé par ailleurs, sur une partie de la circonférence, un diaphragme 21 servant à la pré-pulvérisation, et qui

est amené par la rotation entre deux diaphragmes d'atta-

que 22 et 23. D'autres détails d'un support de substrats

tournant utilisé en combinaison avec un ensemble de dou-

bles cathodes sont décrits dans la deiande de brevet de la R.F.A. 31 013 914 précitée. Toutefois, le dispositif décrit et représenté dans ce document est exclusivement

prévu pour l'opération de pulvérisation cathodique.

Le dispositif selon la figure 4 peut être modifié par suppression des cathodes de magnétrons intérieures 14 et 15 et par remplacement du support de substrats par un substrat en forme de tambour qu'il s'agit de revêtir (rouleau pour copieurs et matrices),

14- 2576608

qui tourne pendant l'opération de revêtement.

Alors que la figure 4 représente un dispositif de pulvérisation cathodique destiné à travailler par charges successives (pour le chargement, on doit laisser l'air pénétrer dans la chambre de réaction), la figure 5 représente une chambre de réaction 30 de forme allongée

qui peut travailler de façon quasi continue, dans un pro-

cédé à passage continu.

En amont et en aval de cette chambre de réac-

tion, sont prévus, aux deux extrémités, des sas à vide 31 et 32 qui sont isolés ou peuvent être isolés de la

chambre de réaction par des vannes de sas 33 et 34 res-

pectivement. La chambre de réaction 30 est équipée sur ses côtés opposés de portes 35 et 36 par lesquelles les paires de cathodes opposées 37/38, 39/40, 41/42, 43/44

sont encastrées les unes en face des autres. Ici égale-

ment, des entrées de gaz 17 et des diaphragmes 19 sont associés à chacune de ces paires de cathodes comme sur la figure 4. Dans le plan de symétrie E-E de toutes les

paires de cathodes, peut se déplacer un support de subs- trats 45 qui est constitué par une construction du type

cadre. Le plan général de ce cadre s'étend perpendiculai-

rement au plan du dessin. Dans chacun des étages de ce

cadre, sont montés plusieurs substrats 46 dont on n'a re-

présenté que trois à titre d'exemple. En garnissant les paires de cathodes de cibles différentes (indiquées en

traits noirs forts), en alimentant les différentes pai-

res de cathodes différemment, au moyen d'un gaz inerte

(argon) ou d'un gaz réactif, en isolant les comparti-

ments de réaction élémentaires compris entre les paires de cathodes au moyen des diaphragmes 19, et en combinant

ces dispositions à un mouvement oscillant, on peut for-

mer par alternance les empilements de couches décrits

plus haut.

Les paramètres de fonctionnement pour les dispo-

sitifs selon les figures 4 et 5 sont contenus dans

l'état de la technique, y compris les systèmes d'alimen-

tation en courant pour les cathodes de magnétrons ou les paires de cathodes, de sorte qu'on peut se dispenser

d'approfondir cette question.

Exemple 1 Dans un dispositif selon la figure 4, la paire de cathodes 13/14 a été garnie de cibles (traits noirs forts) en titane, tandis que la paire de cathodes 15/16

qui lui est diamétralement opposée a été garnie de ci-

bles en aluminium. Comme substrat, on utilisait des gui-

de-fils en acier CK 15 possédant une température de reve-

nu inférieure à 200 C, qui étaient logés dans le sup-

port de substrats 12.

Après les procédures de nettoyage initiales con-

nues, on a alimenté la zone de revêtement comprise entre

les cathodes de magnétrons 13 et 14 avec un mélange d'ar-

gon et d'azote, par les entrées de gaz 17 tandis que la

zone de revêtement comprise entre les cathodes de magné-

trons 15 et 16 a été alimentée avec de l'argon pur par

les entrées de gaz 18. Après allumage des décharges lumi-

neuses dans les différentes paires de cathodes, le sup-

port de susbtrats 12 a exécuté au total environ 30

tours. En réglant de façon appropriée ies taux de pulvé-

risation spécifiques sur les surfaces des cibles, en com-

binaison avec une vitesse de rotation correspondante du support de substrats 12, on a obtenu un temps de séjour des substrats à l'intérieur des paires de cathodes tel que l'épaisseur des couches de TiN qui se formaient soit

de 50 nm et que l'épaisseur des couches de A1 qui se for-

maient soit de 10 nm. On a formé au total 30 couches de

TiN et 30 couches de Al, dont 29 jouaient le rôle de cou-

ches intercalaires tandis que la couche extrême inférieu-

re représentait le promoteur d'adhérence sur le subs-

trat. En dépit d'une épaisseur de couche totale de 3600

nm, on a obtenu un excellent temps de tenue des guide-

fils dans les conditions de travail habituelles sans qu'on n'ait pu observer d'écaillage, même dans les zones

fortement sollicitées.

Exemple 2

Dans un dispositif selon la figure 5, on a gar-

ni la paire de cathodes 37/38 de cibles faites d'un al- liage TiAl tandis que les autres paires de cathodes

39/40, 41/42 et 43/44 étaient garnies de cibles en tanta-

le. En procédant de la façon décrite plus haut, on a ali-

menté les paires de cathodes garnies de cibles de Ti/A1 avec un gaz de pulvérisation inerte (argon) tandis que les cibles de tantale ont été alimentées avec un mélange

réactif d'azote et d'argon. En raison des aires différen-

tes, dans le rapport de 3: 1, on a obtenu avec des puis-

sances de pulvérisation approximativement égales sur tou-

tes les paires de cathodes, une répartition correspondan-

te des épaisseurs de couche entre les couches de TiN et

les couches de TiAl. L'alternance des couches a été obte-

nue dans ce cas sous l'effet du mouvement oscillant du support de substrats 45. Ici également, on a obtenu une

excellente capacité de résistance à long terme des poin-

çons de moulage utilisés comme susbtrats, sans qu'on n'ait pu observer d'écaillage dans la région fortement

sollicitées des arêtes.

Bien entendu, diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art au procédé qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif

sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S

1 - Procédé pour revêtir des éléments de machi-

nes ou des outils, de préférence de tels éléments ou ou-

tils faits d'aciers sensibles à la température, d'une ma-

tière dure faite de composés azotés et/ou carbonés de mé-

taux du groupe Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, W, Nb, ce procédé opérant par pulvérisation cathodique réactive d'au moins l'un des métaux précités dans une atmosphère contenant

de l'azote ou du carbone et dans des conditions de pulvé-

risation, caractérisé en ce que, entre les différentes couches élémentaires de matière dure, du groupe TiN, TiC, TiCN; ZrN; HfN; CrN, Cr2C3; TaC, TaN; WN, WC; NbN, qui n'occupent qu'une fraction de l'épaisseur

de la couche totale, on dépose par pulvérisation cathodi-

que, et dans des conditions sensiblement non réactives, des couches intercalaires métalliques faites d'au moins un des métaux du groupe Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, W, Nb; Ai,

Ni, Fe.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce qu'on forme le revêtement au moyen de 2 à 100 couches de matière dure et de 1 à 99 couches métalliques

qui se succèdent en alternance.

3 - Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que, pour les différentes couches de matière du-

re, on choisit une épaisseur de 50 à 1 000 nm.

4 - Procédé selon la revendication 1, caractéri-

sé en ce que, pour les différentes couches métalliques,

on choisit une épaisseur de 5 à 100 nm.

- Procédé selon la revendication-l, caractéri-

sé en ce que, pour le rapport liant l'épaisseur des cou-

ches élémentaires de matière dure à celle des couches élémentaires métalliques, on choisit une valeur comprise

entre 10: 1 et 10: 5.

6 - Outils, de préférence du type qui comprend un corps de base (substrat) fait d'un acier sensible à la température et un revêtement fait de matière dure

constituée par des composés azotés et/ou carbonés de mé-

taux du groupe Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, W et Nb, caractéri-

sés en ce que, entre les couches élémentaires de matière dure du groupe TiN, TiC, TiCN; ZrN; HfN; CrN, Cr2C3;

TaC, TaN; WN, WC; NbN, qui n'occupent qu'une frac-

tion de l'épaisseur de la couche totale, sont interpo-

sées des couches intercalaires métalliques du groupe Ti,

Zr, Hf, Cr, Ta, W, Nb; Al, Ni, Fe.