SUBSTRAT

L’invention se rapporte au domaine de la synthèse des matériaux composites nanostructurés.

Ces matériaux sont formés par des nanoparticules enrobées ou non dans une matrice d’un matériau différent.

Par nanoparticules, on entend des particules, généralement solides, dont la taille est comprise entre 1 nm (nanomètre) et quelques centaines de nanomètres.

Les matériaux composites nanostructurés présentent des propriétés singulièrement différentes de celles du même matériau à l’état massif, en particulier en fonction de la taille des nanoparticules enrobées dans la matrice.

Il existe différentes techniques pour former de tels matériaux sur une surface cible, ci- après le substrat.

L’une d’entre elles consiste à coupler deux systèmes distincts, l’un pour déposer les nanoparticules sur un substrat, l’autre pour déposer la matrice sur ledit substrat, matrice dans laquelle les nanoparticules sont destinées à être enrobées, le cas échéant.

Il est connu un dispositif comprenant une chambre de dépôt et un système pour générer un jet de nanoparticules dans un gaz porteur. La chambre de dépôt comporte un système de dépôt, qui peut être formé par une ou plusieurs cathodes de pulvérisation magnétron, d’une matrice sur un substrat. Le système pour générer un jet de nanoparticules comprend une chambre d’expansion munie d’un orifice de sortie des nanoparticules vers la chambre de synthèse. Dans ce dispositif, la distance entre l’orifice de sortie de la chambre d’expansion et le substrat est réglable.

Ce dispositif présente l’avantage de produire des revêtements homogènes et de permettre la synthèse d’un matériau composite nanostructuré avec un choix potentiellement illimité dans les natures chimiques respectives du cœur des nanoparticules et de la matrice qui les enrobe. Par « revêtement homogène » on entend un revêtement dont l’épaisseur d’une part, et la concentration locale en nanoparticules dans les trois dimensions d’autre part sont sensiblement constantes.

Toutefois, un inconvénient du dispositif évoqué est qu’il permet une homogénéité sur des surfaces d’étendue limitée, typiquement de l’ordre de la dizaine de centimètres carrés.

Les applications industrielles exigent de pouvoir produire des substrats dont le revêtement est homogène sur des surfaces plus grandes, et par exemple d’au moins la centaine de centimètres carrés.

Partant du dispositif de l’art antérieur évoqué, une possibilité consiste à éloigner le substrat du système pour générer un jet de nanoparticules de sorte à permettre le revêtement d’une surface plus importante en exploitant la divergence du jet de nanoparticules, Cependant, la pression de travail dans la chambre d’expansion est de Tordre de 5.10 ³ mbar pour faire fonctionner la pulvérisation magnétron dans des conditions standards. Dans ce cas, l’allongement de la distance entre la source du jet de nanoparticules et le substrat devient trop importante pour garantir l’intégrité du jet. Une autre possibilité consiste à utiliser un système pour générer des jets de nanoparticules, plus volumineux. Mais une homothétie de rapport a du substrat requiert également des moyens de pompage multipliés par a. Un tel système de pompage induit des coûts supplémentaires incompatibles avec des applications industrielles. Une autre raison réside dans les propriétés intrinsèques du gaz porteur et notamment sa viscosité dynamique, ce qui implique que ses propriétés d’écoulement ne sont pas transposables par une simple homothétie. De ce fait, les trajectoires des nanoparticules sont difficiles à prédire et l’homogénéité des dépôts n’est alors pas garantie.

L’invention vise à remédier à l’un au moins des inconvénients précités.

En particulier, un objectif est de permettre le revêtement homogène de substrats sur des surfaces plus grandes que dans l’état de l’art, et par exemple au moins égale à 100 cm ² _.

A cet effet, l’invention propose un dispositif de dépôt de particules de taille nanométrique sur un substrat caractérisé en ce que le dispositif comprend : des moyens dits de production chacun apte à produire, à partir d’une extrémité des moyens de production, un jet de particules de taille nanométrique, chacun desdits moyens de production étant configuré pour présenter un axe longitudinal orienté dans une première direction X définissant un axe de propagation du jet, et configuré de sorte que le jet est divergent à partir d’un point P de divergence avec un demi-angle de divergence a par rapport à son axe de propagation, les moyens de production étant agencés de sorte que les différents axes longitudinaux sont parallèles entre eux et sous la forme d’au moins une première colonne et une deuxième colonne décalées l’une par rapport à l’autre selon une deuxième direction Y orthogonale à la première direction X où la première colonne 9 et la deuxième colonne comportent chacune au moins un moyen de production, ledit au moins un moyen de production de la première colonne étant par ailleurs décalé par rapport audit au moins moyen de production de la deuxième colonne selon une troisième direction Z à la fois orthogonale à la première direction X et à la deuxième direction Y,

une chambre d’expansion dans laquelle logent au moins chaque extrémité des moyens de production ;

une chambre de dépôt comportant :

• ledit substrat

• un moyen de préhension du substrat, apte à déplacer ledit substrat dans la deuxième direction Y

• une pluralité de masques comportant chacun une ouverture, chaque masque étant situé, selon la première direction X définissant la direction de propagation du jet, entre un moyen de production et le substrat si bien que lesdits masques se présentent également sous la forme d’au moins une première colonne et une deuxième colonne décalées l’une par rapport à l’autre selon la deuxième direction Y où la première colonne et la deuxième colonne comportent chacune au moins un masque, ledit au moins un masque de la première colonne étant par ailleurs décalé par rapport audit au moins un masque de la deuxième colonne selon la troisième direction Z, et si bien que, toujours selon la première direction X définissant la propagation du jet, les masques sont séparés par une première distance di du point P de divergence du jet et par une deuxième distance d ₂ du substrat et chaque ouverture étant munie d’un centre par lequel passe l’axe longitudinal du moyen de production associé, les centres de deux ouvertures les plus proches et appartenant à des colonnes différentes étant séparées d’une distance a selon la troisième direction Z et d’une distance b selon la deuxième direction Y,

chaque ouverture d’un masque étant inscriptible dans un cercle de diamètre Id^ina,

l’ouverture dudit au moins un masque de la première colonne définissant :

- une première portion, centrale, dont la largeur L _ls définie selon la deuxième direction Y, est constante, et dont la hauteur Efi, définie selon la troisième direction Z, est également constante,

- une deuxième portion 21, dont la largeur L , définie selon la deuxième direction Y, est variable selon la troisième direction Z,

l’ouverture dudit au moins un masque de la deuxième colonne définissant :

- une troisième portion, centrale, dont la largeur L ₂ , définie selon la deuxième direction Y, est constante et égale à la largeur L _ls et dont la hauteur ¾, définie selon la troisième direction Z, est également constante, et

- une quatrième portion 22, dont la largeur L ₄ , définie selon la deuxième direction Y, est variable selon la troisième direction Z,

lesdites deuxième portion et quatrième portion étant d’une part situées entre lesdites première portion et troisième portion et présentant d’autre part une hauteur maximale H ₂ , définie selon la troisième direction Z, identique,

la somme S = L ₃ + L ₄ des largeurs variables selon la troisième direction de la deuxième portion et de la quatrième portion desdits masques, lorsque ces derniers sont mis en vis-à-vis selon la troisième direction Z, étant constante et égale à L _ls les relations suivantes étant en outre respectées :

ou :

Un tel dispositif permet avantageusement d’obtenir un revêtement homogène de substrats sur de grandes surfaces. En particulier ce dispositif permet ainsi de produire des revêtements homogènes de l’ordre de la centaine de centimètres carrés levant le verrou technique qui jusqu’alors empêchait les industries d’utiliser ce type de revêtement.

Diverses caractéristique supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :

- l’ouverture dudit au moins un masque de la première colonne et l’ouverture dudit au moins un masque de la deuxième colonne ont des formes différentes.

- l’ouverture dudit au moins un masque de la première colonne et l’ouverture dudit au moins un masque de la deuxième colonne ont des formes identiques.

- l’ouverture dudit au moins un masque de la première colonne et l’ouverture dudit au moins un masque de la deuxième colonne présentent une forme hexagonale.

- le masque comprend une bande qui s’étend selon la troisième direction Z et séparant chaque ouverture en deux.

- il est prévu au moins un système de dépôt d’une matrice sur le substrat.

- il est prévu une pluralité de systèmes de dépôt d’une matrice sur la substrat, lesdits systèmes de dépôt étant agencés de manière symétrique par rapport à la première direction X.

- la position du ou de chaque système de dépôt de la matrice sur le substrat est réglable, par exemple pour faire varier la distance entre ledit système et le substrat et/ou l’angle de dépôt de la matrice par rapport au substrat.

L’invention propose également un ensemble comportant un dispositif selon l’invention et un système d’acheminement de particules destiné à alimenter les moyens de production dudit dispositif, le système comprenant des moyens aptes à générer un aérosol, un orifice critique, un séparateur de flux, une bride de distribution aux moyens de production et un volume tampon situé entre l’orifice critique et le séparateur de flux, système dans lequel, l’orifice critique est placé avant le séparateur de flux. Cet ensemble pourra comprendre l’un au moins de caractéristiques additionnelles suivantes, prises seules ou en combinaison :

- le volume du ou des canalisations entre G orifice critique et le séparateur de flux est inférieure ou égale à 10 cm ³ .

- des canalisations entre le séparateur de flux et la bride de distribution sont droites ou faiblement courbées.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après en relation avec les dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs dans lesquels :

- la figure 1 est une représentation schématique de dessus du dispositif selon l’invention ;

- la figure 2 est une représentation schématique de côté du dispositif représenté sur la figure 1 ;

- la figure 3 a est une vue de face de plusieurs masques utilisés dans le dispositif des figures 1 et 2 et disposés selon l’invention ;

- la figure 3b est une vue de face d’un dépôt obtenu sur un substrat avec les masques disposés selon la figure 3 a ;

- la figure 4a est une vue de face de plusieurs masques selon une variante de réalisation de l’invention ;

- la figure 4b est une vue de face d’un dépôt obtenu sur un substrat avec des masques disposés selon la figure 4a ;

- la figure 5 est une vue de face d’un dépôt sur le substrat à partir du masque de la figure 4a ;

- la figure 6a est une vue de face de plusieurs masques selon une variante de réalisation de l’invention ;

- la figure 6b est une vue de face d’un dépôt obtenu sur un substrat avec des masques disposés selon la figure 6a ;

- la figure 7 est un représentation schématique d’un système d’acheminement des particules selon l’invention. Dans la suite de la description, on adoptera par convention le repère orthogonal direct défini comme suit :

- un axe X définissant une première direction, qui correspond à la direction de propagation des jets 3 de particules,

- un axe Y orthogonal à l’axe X et définissant une deuxième direction ainsi qu’un plan

XY,

- un axe Z à la fois orthogonal à l’axe Y et à l’axe X et définissant une troisième direction ainsi que des plans ZY et ZX.

Dans les modes de réalisation représentés sur les figures annexées, l’axe Z est confondu avec un axe vertical en référence à la gravité terrestre. Toutefois, selon l’orientation du dispositif 1, Taxe Z peut être distinct de cet axe vertical.

Sur les figures 1 et 2, est représenté un dispositif 1 de dépôt de particules de taille nanométrique sur un substrat 4.

Le dispositif 1 comprend une pluralité de moyens 2a, 2b, 2c, 2d aptes à produire chacun un jet 3 de particules de taille nanométrique. Dans ce qui suit, ces moyens 2a, 2b, 2c, 2d sont dénommés moyens 2a, 2b, 2c, 2d de production. Plus précisément, chacun de ces moyens de production produit un jet 3 de particules dans un gaz porteur. Chaque moyen de production est ainsi apte à produire un jet 3 selon la première direction (X) en direction d’un substrat 4, cette première direction se confondant avec un axe longitudinal de chaque moyen de production 2a, 2b, 2c, 2d. Cette première direction X définit un axe de propagation du jet 3 de particules. Par ailleurs, chacun de ces moyens de production est configuré de sorte que le jet 3 de particules de taille nanométrique ainsi produit est divergent à partir d’un point P de divergence avec un demi-angle de divergence a par rapport à Taxe de propagation du jet 3.

Ces moyens de production sont associés à une chambre d’expansion 15, destinée à être mise sous un vide poussée.

La chambre 15 d’expansion comprend ainsi au moins une extrémité 60a, 60b, 60c, 60d des moyens 2a, 2b, 2c, 2d de production. Les moyens 2a, 2b, 2c, 2d de production sont par exemple des lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, la chambre 15 d’expansion comprend quatre lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques réparties deux à deux entre une première colonne 9 et une deuxième colonne 10. Ainsi, les moyens 2a, 2b, 2c, 2d de production sont agencés de sorte à former au moins deux colonnes 9, 10 adjacentes ainsi qu’illustré sur la figure 1. La première colonne 9 comprend au moins un moyen 2a, 2c de production et la deuxième colonne 10 comprend au moins un moyen 2b, 2d de production.

Ledit au moins un moyen 2a, 2c de production de la première colonne 9 est décalé par rapport audit au moins un moyen 2b, 2d de production de la deuxième colonne 10 selon l’axe

Y. Ledit au moins un moyen 2a, 2c de production de la première colonne 9 est décalé par rapport audit au moins un moyen 2b, 2d de production de la deuxième colonne 10 selon l’axe

Z.

Le dispositif 1 comprend également une chambre 5 de dépôt logeant le substrat 4 sur lequel les particules de taille nanométrique sont destinées à être déposées. La chambre 5 de dépôt comporte au moins un système 6a, 6b de dépôt d’une matrice apte à enrober les particules nanométriques sur le substrat 4.

Dans une variante de réalisation non représentée sur les figures, la chambre 5 de dépôt ne comporte pas de système de dépôt d’une matrice. Dans ce cas aucun dépôt de matrice n’est réalisé sur le substrat et seules les particules nanométriques sont déposées sur le substrat. La matrice permet de modifier les propriétés du dépôt.

Le dispositif 1 comprend aussi un moyen 7 de préhension du substrat 4, apte à déplacer le substrat 4 selon la deuxième direction (Y). L’intérêt de ce moyen de préhension sera expliqué par la suite.

Le dispositif 1 comprend en outre une pluralité de masques 11, 11 a, l lb, l lc, l ld, avantageusement situés dans la chambre de dépôt 5. Chaque masque 11, 11 a, l lb, l lc, l ld définit une ouverture 12, l2a, l2b, l2c, l2d. Chaque masque 11, l la, l lb, l lc, l ld est respectivement agencé en regard, selon la première direction (X) correspondant à la direction de propagation de chaque jet 3, d’un moyen 2a, 2b, 2c, 2d de production sur le trajet du jet 3 de particules. Ainsi, les masques sont également agencés selon une première colonne 13 et une deuxième colonne 14, selon un décalage similaire à celui des moyens de productions 2a, 2b, 2c, 2d. Le décalage des masques est particulièrement visible sur les figures 3a, 4a et 6a. L’ouverture l2a, l2c d’un masque l la, l lc de la première colonne 13 définit une première empreinte. L’ouverture l2b, l2d d’un masque l lb, l ld de la deuxième colonne 14 définit une deuxième empreinte, identique ou différente, de la première empreinte. Les empreintes de la première colonne 13 sont toutes identiques. Les empreintes de la deuxième colonne 14 sont toutes identiques.

On comprend que les masques 11, l la, l lb, l lc, l ld sont situés entre le moyen de production 2a, 2b, 2c, 2d correspondant et le substrat 4.

Les masques permetent de modifier le profil spatial du jet 3 de particules et contribuent à l’obtention d’un revêtement homogène sur de grandes surfaces. Les masques 11, l la, l lb, l lc, 1 ld ne laissent passer que la partie centrale du jet 3 de particules et filtrent les bords.

La chambre 5 de dépôt communique avec la chambre 15 d’expansion via des écorceurs 16. Le dispositif 1 comporte autant d’écorceurs 16 que de moyen de production 2a, 2b, 2c, 2d. Les écorceurs 16 se situent sur le trajet des jets 3 de particules. Les écorceurs 16 se présentent sous la forme d’ouvertures qui permetent d’isoler la chambre 15 d’expansion de la chambre 5 de dépôt d’un point de vue de la pression qui règne dans ces deux chambres 5, 15. Le diamètre des écorceurs 16 est variable et peut être ajusté en fonction du demi-angle de divergence des jets 3 de particules. Les écorceurs 16 laissent passer l’intégralité des nanoparticules tout en limitant drastiquement la quantité de gaz transmise de la chambre 15 d’expansion vers la chambre 5 de dépôt. Ainsi, une pression suffisamment basse peut être maintenue dans la chambre 5 de dépôt pour garantir l’intégrité du jet 3, qui dans la chambre de dépôt comporte essentiellement des particules, jusqu’au substrat 4 à des pressions compatibles avec le fonctionnement du système 6a, 6b de dépôt.

La chambre 5 de dépôt comprend les moyens 7 de préhension ou porte-substrat 7, aptes à déplacer le substrat 4. Le porte-substrat 7 peut se présenter sous diverses formes selon que l’on souhaite effectuer le dépôt sur un substrat 4 souple, par exemple en rouleau comme utilisé dans l’industrie, ou encore sur un substrat 4 rigide. Le substrat 4 peut être chauffé et/ou polarisé afin d’obtenir des revêtements plus denses ayant de meilleures propriétés mécaniques tel que la dureté. A cet effet, le dispositif 1 peut comporter des moyens de chauffage et/ou de polarisation du substrat (non représentés).

Avantageusement, le ou chaque système 6a, 6b de dépôt est une cathode magnétron. Lorsque, avantageusement, plusieurs systèmes 6a, 6b de dépôt sont prévus, ils sont disposés de manière symétrique par rapport à l’axe X pour améliorer l’homogénéité du dépôt de la matrice. Sur les figures annexées, la chambre 5 de dépôt comporte d’ailleurs deux cathodes 6a, 6b magnétron. Toutefois ce chiffre peut être supérieur en fonction de l’étendue de la surface à revêtir.

Les cathodes 6a, 6b magnétron permettent le recouvrement du substrat par une matrice en même temps que les particules, cette matrice étant destinée à enrober les particules. Ainsi que l’on peut le voir sur les figures 1 et 2, un profil spatial 17 de projection de la matrice par les cathodes 6a, 6b magnétron recouvre les jets 3 de nanoparticules. Afin de garantir une épaisseur constante du dépôt de la matrice dans différentes conditions de dépôt (pression, matériau déposé, type d’alimentation utilisée et puissance de l’alimentation utilisée), la position des cathodes 6a, 6b magnétron est avantageusement réglable. On peut par exemple régler la distance entre un système de dépôt et le substrat. Cette distance pourra être typiquement réglée entre 5cm et 20cm. On peut aussi régler l’angle de dépôt de la matrice par rapport au substrat (qui est plan). Ainsi, cet angle peut être ajustée de sorte à être compris entre 45° et 80°.

La chambre 5 de dépôt comprend avantageusement des dispositifs 18 de caractérisation in situ. Ces dispositifs 18 sont visibles sur la figure 2. Avantageusement ces dispositifs 18 utilisent l’ellipsométrie spectrale. Ils permettent de suivre en temps réel et à différents endroits les propriétés optiques du dépôt effectué.

Le dispositif 1 comprend des moyens 19, 20 de pompage aptes à créer un vide dans la chambre 15 d’expansion et dans la chambre 5 de dépôt, respectivement. Des premiers moyens 20 de pompage sont aptes à créer un vide dont la pression est de l’ordre de 5.10 ³ mbar dans la chambre 5 de dépôt lorsque le dispositif 1 fonctionne et de l’ordre de 10 ⁵ mbar en absence de jet, c’est-à-dire lorsque le dispositif 1 ne fonctionne pas. Une pression inférieure à 5.10 ² en fonctionnement est souhaitable pour garantir l’intégrité du trajet des particules à travers la chambre 5 de dépôt. Des second moyens 19 de pompage sont aptes à créer un vide de l’ordre de 1 mbar dans la chambre 15 d’expansion. Les moyens 19 de pompage peuvent être des pompes, par exemple du type roots multiétagés. Les moyens 20 de pompage peuvent être des pompes, par exemple du type turbomoléculaires ou du type roots.

Dans ce qui suit, nous allons préciser les conditions d’obtention d’un revêtement homogène sur une grande surface, en référence aux figures 3 à 7.

Dans ce but, la disposition des masques n’est pas aléatoire.

Nous avons déjà fait remarquer que chaque masque l la, l lb, l lc, l ld était en correspondance, donc en particulier sous la forme de deux colonnes comportant chacune au moins un masque avec un certain décalage selon les directions Y et Z, d’un moyen de production 2a, 2b, 2c, 2d sur le parcours d’un jet 3 de particules (axe X). Ceci est une condition pour obtenir un dépôt homogène des particules de taille nanométrique sur le substrat.

D’autres conditions relatives à l’agencement des masques, ainsi qu’à la forme des ouvertures de ces masques, sont importantes pour obtenir un dépôt homogène sur le substrat 4.

Nous allons tout d’abord définir un certain nombre de paramètres géométriques relatifs à l’agencement des masques ainsi qu’aux ouvertures de ces masques.

Les masques 11, l la, l lb, l lc, l ld sont séparés d’une distance d de l’extrémité 60a, 60b, 60c, 60d du moyen de production correspondant, prise selon la première direction X. Les masques 11, l la, l lb, l lc, l ld sont par ailleurs séparés d’une distance d ₂ du substrat 4, prise selon la première direction X.

Le jet 3 issu de chaque moyen de production 2a, 2b, 2c, 2d est un jet divergent. Cela implique que le profil spatial de jet s’étend au fur et à mesure que l’on s’éloigne de l’extrémité 60a, 60b, 60c, 60d du moyen de production correspondant. On comprend donc que le positionnement des masques entre les moyens de production et le masque est important. Plus précisément, on peut définir un rapport d’homothétie permettant de relier le rapport entre les dimensions du dépôt, sur le substrat 4, provenant d’un masque, et les dimensions des ouvertures l2a, l2b, l2c, l2d des masques (facteur d’homothétie). Ce facteur d’homothétie s’exprime comme suit :

Ce facteur d’homothétie f est le même pour l’ensemble des masques et on comprend donc, comme cela est d’ailleurs visible sur les figures annexées que tous les masques sont situés dans un même plan, en l’occurrence le plan XZ ( figure 2 par exemple).

La distance di introduite ci-dessus peut correspondre à la distance d entre l’extrémité 60a, 60b, 60c, 60d et le plan dans lequel les masques 11, l la, l lb, l lc, l ld sont situés. Cependant, il convient de noter que, notamment dans le cas d’une lentille aérodynamique, le jet 3 issu de cette lentille aérodynamique est généralement d’abord convergent puis divergent. La distance di est donc la distance entre le point P de divergence du jet 3 ( = point P de passage de la convergence à la divergence du jet 3) et le plan dans lequel les masques 11, l la, l lb, l lc, l ld sont situés. Nous reviendrons ultérieurement sur cet aspect.

Le demi-angle a de divergence du jet 3 est donc défini à partir de ce point P de divergence.

Par ailleurs, chaque ouverture l2a, l2b, l2c, l2d est munie d’un centre Ca, Cb, Ce, Cd, les centres Ca, Cb ; Ce, Cd de deux ouvertures les plus proches et appartenant à des colonnes 13, 14 différentes de masques étant séparées d’une distance a selon la troisième direction Z et d’une distance b selon la deuxième direction Y (cf. figure 3a ou 4a, par exemple).

Comme cela a été indiqué précédemment, l’axe de propagation d’un jet 3 de particules est défini par la première direction X, laquelle se confond avec l’axe longitudinal du moyen de production ayant produit ce jet 3. Le placement des masques l la, l lb, l lc, l ld est effectué de sorte que l’axe de propagation du jet 3, et ce pour chaque jet issu d’un moyen de production, passe par le centre Ca, Cb, Ce, Cd de l’ouverture du masque associé audit moyen de production. Cela revient à dire que l’axe longitudinal d’un moyen de production passe par le centre de l’ouverture du masque associé.

L’ouverture l2a, l2c dudit au moins un masque de la première colonne 13 de masques définit :

- une première portion 23, centrale, dont la largeur L _h définie selon la deuxième direction Y, est constante, et dont la hauteur H _ls définie selon la troisième direction Z, est également constante,

- une deuxième portion 21, dont la largeur L , définie selon la deuxième direction

Y, est variable selon la troisième direction Z,

L’ouverture l2b, l2d dudit au moins un masque de la deuxième colonne 13 de masques définit :

- une troisième portion 24, centrale, dont la largeur L ₂ , définie selon la deuxième direction Y, est constante et dont la hauteur H ₃ , définie selon la troisième direction

Z, est également constante, et

- une quatrième portion 22, dont la largeur L ₄ , définie selon la deuxième direction (Y), est variable selon la troisième direction (Z).

Compte tenu des paramètres définis ci-dessus, les conditions additionnelles pour obtenir un dépôt homogène sont les suivantes.

Afin que les particules traversent l’ensemble de l’ouverture, il convient que l’ouverture du masque soit inscriptible dans un cercle de diamètre D- :

D- = Id Sina et avantageusement qu’il soit inscriptible dans un cercle de diamètre strictement inférieur (légèrement) à Dj , pour éviter les effets de bord sur l’ouverture du masque.

D’autres conditions sont les suivantes :

La largeur Li est égale à la largeur L ₂ . La relation suivante est vérifiée :

Les deux conditions mentionnées ci-dessus, relatives aux masques et à leurs ouvertures, permettent d’éviter un recouvrement des dépôts entre les deux masques les plus proches de deux colonnes 13, 14 différentes de masques.

En outre, toujours compte tenu des paramètres définis ci-dessus, les conditions additionnelles suivantes doivent également être respectées :

La deuxième portion 21 et la quatrième portion 22 sont situées entre lesdites première portion 23 et troisième portion 24. De plus, la deuxième portion 21 et la quatrième portion 22 présentent une hauteur maximale identique, définie selon la troisième direction Z, nommée ¾.

Et, la relation suivante est vérifiée :

Les deux conditions mentionnées ci-dessus assurent que, au niveau du masque 4, la deuxième portion 21’ du dépôt (correspondant à la deuxième portion 21 de l’ouverture correspondante du masque compte tenu du facteur d’homothétie f) et la quatrième portion 22’ du dépôt (correspondant à la quatrième portion 22 de l’ouverture correspondante du masque compte tenu du facteur d’homothétie f) ont, bien entendu, une même hauteur maximale H’ ₂ (effet du facteur d’homothétie f), mais aussi soient en correspondance, c’est-à-dire, s’étendent sur une même gamme de valeurs de la cote selon la troisième direction Z (cf. figure 3b ou figure 4b).

Une condition additionnelle est que la somme S = L ₃ + L ₄ des largeurs variables selon la troisième direction de la deuxième portion 21 et de la quatrième portion 22 desdits masques, lorsque ces derniers sont mis en vis-à-vis selon la troisième direction Z, est constante et égale à Li. D’un point de vue pratique, et pour vérifier cet aspect, en l’occurrence lorsque les masques ne se présentent pas sur une pièce commune, on peut prendre le masque l la (première colonne 13) et le masque l2a (deuxième colonne 14) et disposer les portions 21, 22 en parfaite correspondance.

On s’assure ainsi en plus, sur cette partie du dépôt sur le masque 4 que, lorsque le moyen de préhension 7 est mis en œuvre pour assurer un déplacement selon la deuxième direction Y, l’association des dépôts concernant les portions 2G, 22’ aura le même effet que le dépôt réalisé grâce aux portions 23, 24 de dimensions constantes des masques.

La figure 4b illustre le dépôt obtenu sur le substrat 4 à un instant prédéterminé à partir de l'agencement des masques l la, l lb, l lc, l ld illustré sur la figure 4a. Les formes l2a’, l2b’, l2c’, l2d’ sont sensiblement identiques aux ouvertures l2a, l2b, l2c, l2d mais diffèrent de par leurs dimensions (facteur d’homothétie f).

Ainsi qu’on peut le voir sur la figure 4b, le dépôt comporte une première portion 21’ et une deuxième portion 22’. En comparaison avec les portions 21, 22 de la figure 4a, les portions 21’, 22’ de la figure 4b sont en correspondance selon la troisième direction Z (pas de décalage).

Les largeurs L’i, L’ ₂ , L’ et L’ ₄ des dépôts sont respectivement égales aux largeurs L _ls L ₂ , L et L ₄ au facteur d’homothétie f près. Les hauteurs H’i, H’ ₂ et H’ des dépôts sont respectivement égales aux hauteurs Hi, H ₂ et H des masques au facteur d’homothétie f près.

On peut aussi relever les aspects suivants.

Les dépôts l2a’, l2b’, l2c’, l2d’ obtenus comprennent les caractéristiques suivantes :

- une extrémité 50 se situe au même niveau, selon l’axe Z, qu’une frontière 51 située à l’intérieur de la forme l2a’, l2b’, l2c’, l2d’. La frontière 51 marque la fin de la portion 21’, 22’, c’est-à-dire le point où la longueur L’ , L’ ₄ ne varie plus selon que l’on se déplace selon l’axe Z ; et la somme S de la troisième largeur L et de la quatrième largeur L est en tout point de l’axe Z égale (ou sensiblement égale) à la première largeur L’i et à la deuxième largeur L\.

La frontière 51 marque la jonction entre les portions 21, 23 et entre les portions 22, 24.

On notera que dans la mesure où l’axe de propagation d’un jet 3 de particules de taille nanométrique passe par le centre Ca, Cb, Ce, Cd correspondant d’une ouverture de masque, la distance a, comme la distance b sont inchangées lorsqu’elles sont mesurées au niveau du masque ou au niveau du dépôt réalisé sur le substrat 4.

Il convient de noter que si le fait d’employer plusieurs masques permet déjà d’obtenir des dépôts sur une surface importante, le fait que le substrat 4 puisse être déplacé selon la deuxième direction Y permet d’atteindre des dépôts sur de grandes surfaces, tout en conservant une homogénéité du dépôt. Cela implique un dépôt dont l’épaisseur est sensiblement constante.

Différentes formes de masques et en conséquence d’ouvertures peuvent être envisagées.

Sur la figure 4a, on a ainsi représenté des masques dont l’ouverture présente une forme hexagonale.

Cette forme hexagonale peut notamment être régulière lorsque tous les côtés de l’hexagone présentent une longueur identique. C’est d’ailleurs le cas sur la figure 4a (ce qui implique notamment Hi = H ₃ ).

En référence à la figure 5 qui illustre un dépôt obtenu (test expérimental) au moyen d’un masque de la figure 4a, la forme l2a’ obtenue présente une forme hexagonale régulière plus grande que l’ouverture l2a. Cette forme symétrique est comprise dans un cercle de rayon D _e . Les côtés 25 de l’hexagone régulier ont donc la même longueur et les angles entre chacun desdits côtés 25 valent sensiblement 120°.

Dans ce cas particulier de l’hexagone régulier, on peut relever que : - Hù = H’ ₃ = De / 2

- H’ ₂ = De / 4

Il en résulte qu’une hauteur H’ _max couverte par un revêtement homogène est calculée à l’aide de la formule suivante : où n est le nombre de masques l la, l lb, l lc, l ld et également le nombre de moyens de production 2a, 2b, 2c, 2d.

Pour D _e = 36,8 mm, la hauteur du revêtement vaut 101,2 mm avec 4 masques (n = 4), ces masques étant en l’occurrence tous identiques. Cette hauteur H’ _max a été représentée sur la figure 4b.

En l’absence de masque, et compte tenu de la divergence du jet, le dépôt réalisé à partir d’un et d’un seul moyen de production 2a serait de forme circulaire. Le diamètre Dj du dépôt associé à ce moyen de production est alors défini par :

D _j = 2 (d ₁ +d ₂ )sina où a est, pour rappel, le demi-angle de divergence du jet 3.

Pour ce test, on a choisi D _e = 0,9.D _j , pour éviter les effet de bord au niveau du masque. Dans l’exemple considéré, cela donne une valeur de D _j ~ 40,89mm.

Ainsi le dépôt homogène couvre une surface d’une hauteur d’environ 10 cm sur le substrat 4.

Ce test a été réalisé avec des particules de tailles nanométrique en Or (Au). La dimension selon l’axe Y dépend alors de l’amplitude du mouvement du substrat 4. Dans le cas d’un substrat 4 souple sous forme de rouleau, il est possible de couvrir de façon homogène d’importantes surfaces.

Dans le cadre de ce test, il a été choisi, de prendre les valeurs théoriques suivantes :

d _th = 164 mm,

d _2,th = 128 mm,

ce qui implique f _ti ,= d _th /(d _2,th +d _th ) ~ 0,5616 (facteur d’homothétie théorique, celui qui est voulu).

Pour une application à des particules d’or de 10 nm, on a pu constater (expérimentalement) que d i. , = d _th - 4 mm = 160 mm. Le véritable facteur d’homothétie (pris à partir du point P de divergence du jet 3, tel que défini précédemment) est alors d _{l th} /( d _2,th + i . ,) ~ 0,5556.

Si on juge que la différence entre le véritable facteur d’homothétie et le facteur d’homothétie théorique est significative, cela implique de devoir faire un ajustement des distances d, di et d ₂ sur le dispositif de manière à retrouver le facteur d’homothétie théorique.

En pratique, la distance d + d ₂ est constante, tout comme la distance di + d ₂ .

L’ajustement (lorsqu’il est jugé nécessaire) se fait en translatant les masques, selon la première direction X, ce qui implique de changer les distances d, di et d ₂ sans changer la somme d + d ₂ (sans changer également la somme di + d ₂ ).

Lors de cet ajustement, d _th devient donc d, d _{l th} devient di et d _2.ti , devient d ₂ , avec d _th +d _2,th = d +d ₂ (et aussi d i . _th +d _2.th = di+d ₂ ). Dans cet ajustement, il faut aussi retrouver le facteur d’homothétie théorique (celui qui est voulu), d’où la relation ¾, = d _t /(d _t + d _2.t| ,) = di/(di + d ₂ ).

Il vient alors: di = d _th [ 1 -(d _ti ,-d i . _th )/(d _ti ,+d _2.ti , )] (R _a ) et: d _{2 -} d _{2 th} + d _{| .t|} , - di (R _b )

On peut alors régler expérimentalement la distance d = d _th - d i .u, + di (R _c ).

Si on prend l’exemple précédent avec les nanoparticules d’or de 10 nm, on a d _¾ - dm, = 4 mm, et on obtient alors di = 161,75 mm et d ₂ = 126,25 mm (on peut au passage vérifier que di + d ₂ = 288 mm = d _{l th} + d _2,th .)

Il n’y a plus qu’à régler physiquement la distance d = di + d _th - d _{l th} = 161,75 + 4 = 165,75 mm (on peut vérifier que d _th /(d _th +d _2,th ) = di/(di+d ₂ ) ~ 0,5616).

Le véritable facteur d’homothétie, ajusté, à savoir la quantité f = di/(di +d ₂ ) est maintenant celui qu’on voulait théoriquement. C’est bien ce véritable facteur d’homothétie, ajusté, qui est en mentionné dans les revendications annexées.

Bien entendu, lorsque l’on constate (expérimentalement) que d _th = m,, aucun ajustement n’est nécessaire. Dans ce cas, d = d _th , di = d _th et en conséquence d ₂ = d ₂ .u, (cas particulier des relations (R _a ), (R _b ) et (R _c ) ci-dessus).

La valeur de d =165, 75 mm est proche de d _th = 164 mm, ce qui implique que d est proche de di. Cependant, dans la pratique, cette proximité peut malgré tout avoir un impact significatif sur le résultat (homogénéité) du dépôt. D’un point de vue théorique, la distance d-di (= d _{th -} dm,) n’est pas connue. Des simulations numériques peuvent donner une idée de cette distance d-di, mais on constate généralement qu’il existe une différence non négligeable par rapport à ce qui peut être mesuré expérimentalement. En conséquence, en pratique, l’ajustement s’effectue expérimentalement par approximations successives. Cet ajustement expérimental est par ailleurs efficace, dans la mesure où la distance d-di dépend fortement de la nature des particules employées. Ainsi et par exemple, pour des particules de silicium de 50 nm, on a pu constater que d-di = 2 mm.

Au final, toujours pour ce test, on a donc f ~ 0,5616 avec di = 161, 75mm et d ₂ = 126, 5mm et le diamètre De, vaut : De ~ 36,8mm. Ce diamètre De peut aussi s’exprimer sous la forme De = (l/f)*(Hi + 2H ₂ ), cf. figure 5 où l’on note que De = H’i + 2H’ ₂ et dans la mesure où Hj = (l/f)Hi et H’ ₂ = (l/f)H ₂ . Par ailleurs, du fait de la géométrie de l’hexagone régulier, il est possible de faire un lien entre H ₂ et EL, à savoir H ₂ = Hisin (p/6). On en déduit Hi ~ 10, 33mm (tous les côtés de l’hexagone régulier ont la même valeur) et H ₂ ~ 5,17mm. Par ailleurs, toujours du fait de la forme d’hexagone régulier, on en déduit Li = 2H _{| C} os(7i/6) ~ 17,89mm = L ₂ . Par ailleurs, de la relation entre Dj et le demi-angle du jet 3, on en déduit sin(a) ~ 40,89/(2*288) ~ 0,071 ce qui nous donne un demi-angle a de divergence du jet 3 d’un peu plus de 4°. La valeur de la distance a peut aussi être estimée à a ~ 27,6 mm par l’équation mentionnée précédemment. Dans ce test, il suffît par ailleurs que b > 15,93mm pour éviter tout recouvrement.

Des empreintes de forme hexagonale régulière présentent plusieurs avantages. Elles permettent un motif identique sur les colonnes de lentilles. Elles sont relativement faciles à réaliser et permettent de filtrer un minimum de particules car la surface des ouvertures l2a, l2b, l2c, l2d est maximisée. Ceci permet une vitesse globale de dépôt de particules élevée.

Une autre forme est représenté sur les figures 3a et 3b. Ici, les masques l la, l lc présentent une empreinte différente des masques 1 lb, 1 ld. Les caractéristiques inhérentes aux hauteurs EL, H ₂ , EL et aux largeurs L _ls L ₂ , L et L ₄ précédemment évoquées, s’appliquent aussi à ce mode de réalisation.

Encore une autre forme des masques l la, l lb, l lc, l ld est illustrée sur la figure 6a. Sur cette figure, l’empreinte du masque l la, 1 lb, l lc, l ld est séparée en deux par une bande 26 centrale qui s’étend selon l’axe Z. L’empreinte forme ainsi deux trapèzes 39 isocèles. Les caractéristiques inhérentes aux largeurs EL, H ₂ , H ₃ et aux largeurs L _h L ₂ , L et L ₄ précédemment évoquées, s’appliquent aussi à ce mode de réalisation. La bande 26 permet avantageusement de filtrer une zone centrale du jet 3 de particules. En effet, dans certains cas, les particules peuvent présenter une distribution de taille faisant apparaître des nanoparticules de grande taille en raison d’une agglomération partielle des particules. Le comportement aérodynamique des particules agglomérées est différent de celui des particules non agglomérées. Notamment, leur angle de divergence est très inférieur à celui des particules non agglomérées. Il en résulte, dans ce cas, une distribution spatiale du jet 3 de particules inhomogène concentrée au centre du jet 3 provoquant une forte surintensité à cet endroit. La bande 26 permet ainsi de filtrer la partie centrale du jet 3 de particules. L’empreinte est formée sur la base de l’hexagone du mode de réalisation des figures 4a et 5. On remarquera que l’hexagone n’est plus strictement régulier. Il a été légèrement allongé selon l’axe Z de sorte que les sommets 27 haut et bas coïncidents avec le cercle de rayon D _e . Ainsi la dimension selon l’axe Z couverte par le revêtement reste inchangée par rapport au masque des figures 4a et 5. La seule différence réside dans le fait que la vitesse de dépôt s’en trouvera légèrement diminuée.

Dans sa généralité, l’invention est mise en œuvre avec un masque par colonne 13, 14.

Bien entendu, et comme cela est d’ailleurs représenté sur les figures 3a ou 4a, il est avantageux de prévoir plusieurs masques par colonne 13, 14. Dans ce cas, on comprend d’une part que les masques, et notamment leurs ouvertures, de la première colonne 13 sont identiques et d’autre part que les masques, et notamment leurs ouvertures, de la deuxième colonne 14 sont également identiques. Les masques et les ouvertures associées de la deuxième colonne et de la première colonne peuvent alors être identiques (Fig. 4a) ou différentes (Fig. 3a). On comprend toutefois que, si l’on prend par exemple le mode de réalisation de la fig. 3a, le masque l lc (première colonne 13, deuxième masque) et le masque l ld (deuxième colonne 14, deuxième masque) sont agencés entre eux, de la même façon que le sont les masques 1 la (première colonne 13, premier masque) et l lb (deuxième colonne 14, premier masque). Par ailleurs, le masque l lc (première colonne 13, deuxième masque) présente un agencement, vis-à-vis du masque l lb (deuxième colonne 14, premier masque) identique à l’agencement qui est prévu entre les masques 1 la et l lb.

Sur la figure 7, est représenté un système 40 d’acheminement des particules avant que celles-ci n’arrivent dans les moyens de production 2a, 2b, 2c, 2d.

Le système 40 d’acheminement comprend :

- une suspension 28 colloïdale,

- un générateur 29 d’aérosols à partir de la suspension 28 colloïdale,

- éventuellement un sécheur 30 pour sécher les aérosols,

- un filtre 31 (optionnel),

- une évacuation 32,

- une vanne 33 apte à ouvrir ou fermer le flux d’aérosols vers les moyens 2a, 2b, 2c, 2d, en l’occurrence des lentilles aérodynamiques, - un orifice 34 critique,

- une séparateur 35 de flux,

- un volume 36 tampon situé entre l’orifice 34 critique et le séparateur 35 de flux, et

- une bride 37 de distribution vers les lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques.

Les particules sont générées, via le générateur 29 depuis la suspension 28 colloïdale dont un solvant peut être par exemple de l’eau. Lorsque l’eau est utilisée comme solvant, le système 40 d’acheminement comprend un sécheur 30 à travers lequel passent les aérosols produits via le générateur 29 d’aérosols. En capturant les molécules d’eau, le sécheur 30 permet aux gouttelettes produites par le générateur d’aérosols de s’évaporer rapidement, et donc de fournir à sa sortie des aérosols secs portés par un gaz porteur exempt de molécules de solvant.

Lorsque la vanne 33 est ouverte, une partie du flux d’aérosols est acheminée vers l’orifice 34 critique dont le diamètre détermine le débit volumique orienté vers les lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques. Le débit en sortie du générateur 29 d’aérosols est compris entre 2 et 3 slm (litre standard par minute). Chaque lentille 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamique a besoin d’un débit de l’ordre de 0,15 slm pour une lentille divergente de géométrie standard.

Le débit non utilisé par les lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques est envoyé vers l’évacuation 32. Le diamètre de l’orifice 34 critique est déterminé en fonction du nombre de lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques à alimenter. Ce diamètre est compris entre 350 microns et 550 microns pour quatre lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques et avec de l’argon comme gaz porteur.

L’utilisation d’un seul orifice 34 critique placé avant le séparateur 35 de flux présente l’avantage d’améliorer la robustesse du système 40 d’acheminement car l’orifice 34 critique est moins susceptible de se boucher. En effet, en variante, plusieurs orifices critiques pourraient être utilisés, par exemple un pour chaque lentille 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamique. Dans ce cas, les orifices critiques présentent un diamètre inférieur, de l’ordre de 200 mhi avec de l’argon comme gaz porteur, et peuvent se boucher plus facilement.

Afin de répartir de manière égale le flux d’aérosols dans les lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques, il est préférable que les canalisations conduisant les aérosols du séparateur de flux jusqu’aux lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques aient les mêmes dimensions, et que le volume compris entre l’orifice 34 critique et le séparateur 35 de flux soit rendu minimal. Ceci permet d’éviter qu’une dispersion inhomogène ait le temps de se mettre en place entre l’orifice 34 critique et le séparateur 35 de flux. Avantageusement, ce volume est inférieur à 10 cm ³ .

Avantageusement, une canalisation 41 entre l’orifice 34 critique et le séparateur 35 de flux est rigide et peut se présenter sous la forme d’un tube, par exemple de diamètre intérieur de 8 mm et de longueur de 5 cm, ce qui donne un volume d’environ 2,5 cm ³ .

Une distribution spatiale homogène des particules dans les différents volumes des canalisations 42, contribue à l’homogénéité des revêtements. Afin d’améliorer cette distribution spatiale, des canalisations 42 entre le séparateur 35 de flux et la bride 37 de distribution aux lentilles 2a, 2b, 2c, 2d aérodynamiques sont avantageusement droites ou faiblement courbées. Compte tenu du débit volumique normalement utilisé dans une lentille aérodynamique divergente de géométrie standard (0,15 slm), les canalisations ne comportent avantageusement pas de courbures d’un rayon inférieur à 5 cm sur un arc supérieur à Pi/4 radians.