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WO1999046964A1 - Procede de traitement de surface d'un materiau ou d'un objet et dispositif pour la mise en oeuvre du procede - Google Patents

Procede de traitement de surface d'un materiau ou d'un objet et dispositif pour la mise en oeuvre du procede Download PDF

Info

Publication number
WO1999046964A1
WO1999046964A1 PCT/CH1999/000113 CH9900113W WO9946964A1 WO 1999046964 A1 WO1999046964 A1 WO 1999046964A1 CH 9900113 W CH9900113 W CH 9900113W WO 9946964 A1 WO9946964 A1 WO 9946964A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
treated
bead
cord
discharge
Prior art date
Application number
PCT/CH1999/000113
Other languages
English (en)
Inventor
Serguei Goloviatinskii
Stanislav Begounov
Original Assignee
Ist Instant Surface Technology S.A.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ist Instant Surface Technology S.A. filed Critical Ist Instant Surface Technology S.A.
Priority to AU26077/99A priority Critical patent/AU2607799A/en
Priority to EP99906016A priority patent/EP1072175A1/fr
Priority to US09/646,001 priority patent/US6423924B1/en
Publication of WO1999046964A1 publication Critical patent/WO1999046964A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc

Definitions

  • the present invention relates to a method of surface treatment of a material or an object using a plasma generated by an electric discharge and a device for implementing the method.
  • a plasma generator is described in international patent application WO 97/18693. This generator makes it possible to obtain a plasma jet having the form of a curtain.
  • the parameters of this plasma such as for example the temperature or the composition, are uniform along the curtain, in a direction perpendicular to the direction of the plasma flow.
  • curtain plasma jet technology
  • different types of surface treatment can be carried out, by subjecting the surface to be treated to a substantially orthogonal projection of the plasma flow onto the surface to be treated, so as to perform in particular, cleaning, pickling or sterilizing the surface or even coating it with a film.
  • curtain plasma jet technology is not suitable for carrying out the scanning treatment of large surfaces or non-planar surfaces.
  • the object of the present invention is to carry out, with good energy efficiency, a surface treatment of a material or an object of any size and / or shape using a plasma having a small optical thickness. , thus emitting very little ultraviolet rays and retaining a very high activity in the surface treatment area.
  • the invention relates to a method of surface treatment of a material or an object using a plasma generated by an electric discharge during which said discharge is stabilized by confining said plasma in the form at least one bead and in that the treatment of the surface is carried out by bringing the surface and the plasma bead into contact along the bead.
  • This method has in particular the advantage of retaining a very high activity in the surface treatment zone because the reactive plasma particles are generated in the immediate vicinity of the surface to be treated.
  • the invention also relates to a device for implementing the method comprising at least two electrodes arranged to emit an electric discharge and means for stabilizing said electric discharge by confining the plasma in the form of at least one cord, the device being arranged to perform the surface treatment by contact along the plasma cord.
  • the means for stabilizing the electric discharge and confining the plasma in the form of at least one cord comprise at least one channel formed in part by the surface to be treated, said channel being able to be formed for another part by an essentially dielectric wall in the form of a gutter.
  • this type of device is only used to generate plasma jets and none of the applications of this jet technology proposes or suggests to treat part or all of the internal surface of these diaphragms, or to involve , in one way or another, the surface to be treated to stabilize the electric discharge.
  • the material or the object whose surface is to be treated can be secured to a mobile support.
  • the surface of this support can then also participate in the stabilization of said plasma in the form of a bead.
  • the channel, stabilizing the discharge and inside which the plasma cord is confined may consist on the one hand of a wall in the form of a gutter and on the other hand of the surface to be treated coming to cover this gutter. Thanks to the essentially dielectric properties of the walls of this channel, the current of the electric discharge is forced to cross it. The discharge is thus stabilized there.
  • the plasma generated by the electrical discharge is contained in the channel and takes the form of a cord. However, it does not fully follow the contour of the section of the canal.
  • the cross-section of the gutter-shaped wall can be of any shape, curved or angular, and can vary along the channel. Preferably, this section is circular in shape over the entire length of the channel.
  • the ratio between the dimension of the section of the gutter-shaped channel and its length is less than 0.5. More preferably, the dimension of the section of the channel is constant along this channel.
  • the surface to be treated can be subjected to a relative sweeping movement, in a direction different from that of the axis of the plasma bead, so that the entire surface to be treated is brought into contact with the plasma.
  • the surface to be treated can be of any shape. It can be a flat surface, such as that of a solid sheet, film or plate, or a surface of the "corrugated sheet” type or even a complex surface of a three-dimensional object such as the surface a bottle or a body part.
  • the plasma bead is arranged so as to adapt to the shape of the surface to be treated.
  • the channel, containing the plasma cord can be made of flexible material, which makes it possible to vary its geometry when scanning a surface to be treated of complex shape.
  • the possible presence of a magnetic field passing right through the plasma cord allows in particular, according to the relative orientation of its Ampere force with respect to the direction of the plasma cord, which is created by the electric discharge of direct current, to confine the plasma cord either against the wall of the gutter, which has the effect of increasing the stabilization of the electric discharge, or against the surface to be treated, which has the effect of increasing the efficiency of treatment.
  • the device according to the invention comprises at least one so-called lateral electrode, wrapped in a dielectric body and disposed along the surface to be treated, so as to stabilize said electrical discharge.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of the device for implementing the method of the invention
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the device of Figure 1;
  • FIG. 3 is a perspective view showing a second embodiment of the device for implementing the method of the invention.
  • - Figure 4 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the device for implementing the method of the invention.
  • - Figures 5a and 5b show the radial variations from the central axis of the cord respectively the temperature and the electrical conductivity of a plasma cord;
  • FIG. 6 is a schematic perspective view showing a fourth embodiment of the device for implementing the method of the invention.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view showing a fifth embodiment of the device for implementing the method of the invention.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view showing a sixth embodiment of the device for implementing the method of the invention.
  • FIGS. 9a and 9b schematically represent, respectively in perspective and in cross section, a seventh embodiment of the device for implementing the method of the invention.
  • Figures 9c to 9e are cross sections of three variants of the device of Figure 9a;
  • FIGS. 10a and 10b are two views, one in vertical section, the other in cross section, schematically showing an eighth embodiment of the device for implementing the method of the invention.
  • FIGS. 10c to 10e are cross sections of three variants of the device of FIG. 10a.
  • Figure 10f illustrates a variant of the device of Figure 10a.
  • an anode 11a and a cathode 11b are connected to a source of direct current 12 and emit an electric discharge within a cavity 42 in the form of a gutter of circular section , the two electrodes, constituted for example by metal poles, for example in tungsten or copper, being positioned in the extension of the axis of the cavity 42.
  • the electrodes can be connected to an alternating current source or by pulses.
  • the cavity 42 of partially circular cylindrical shape, was formed within a body comprising a set 41 of diaphragms.
  • This body consists of a series of heat conducting elements 43, for example in the form of metal strips, insulated from each other by electrically insulating seals 44. These insulating seals are intended to give the assembly 41 diaphragms of essentially dielectric properties.
  • Each of these elements and these joints are arranged essentially perpendicular to the direction of the electric discharge.
  • cooling means 45 l 41 set of diaphragms consist for example of an internal circulation of a cooling fluid.
  • the material 51 whose surface is to be treated is supported by a moving part 52.
  • This moving part also consists of a series of heat conducting elements, isolated from each other by electrically insulating joints. It can also be equipped with cooling means 45 so as to eliminate any excess heat.
  • the speed of the scanning movement is chosen in particular so that the local heating by the plasma is compensated by the displacement, thanks to the establishment of a non-exchange. stationary heat between the plasma and the treated surface.
  • the local temperature of the treated surface in this way is determined by the parameters of the plasma (current density, amplitude of the electric field and others) and the speed of movement of the surface relative to the plasma.
  • the scanning of the surface to be treated 51 is obtained by moving the surface 51 relative to the block 41, in the direction indicated by the arrows.
  • this scanning can also be obtained by moving the block 41, the surface 51 remaining fixed.
  • the section shown in Figure 2 passes right through an element 43 presented above as well as the material 51 whose surface is to be treated and which is supported by a metallic element of the moving part 52. It reveals the shape partially circular section of the internal cavity 34.
  • the material 51 is separated from the element 43 by a gap 37.
  • This gap 37 opens a conduit 31a.
  • This conduit constitutes one of the possible means of introducing gaseous particles making it possible to generate and then maintain the plasma.
  • Another introduction means, represented by the conduit 31b, is inserted in the element 43.
  • These means for introducing gaseous particles are arranged so as to direct the gas flow in a predetermined direction.
  • this direction lies in a plane perpendicular to the axis of the plasma bead so as not to introduce hydrodynamic components capable of disturbing the properties of the plasma along its bead and of causing a flow of the plasma in the direction of its axis.
  • the introduction of the gaseous particles can be done along the surface to be treated, for example via the conduit 31a, either upstream with respect to the scanning movement of the surface to be treated, or downstream.
  • the duct 31a can be oriented so that the flow of these particles is directed in the direction opposite to the scanning movement of the surface to be treated.
  • This introduction can also take place in the direction crossing the axis of the plasma cord, for example via the conduit 31b. Any other direction is possible.
  • These different means for introducing gaseous particles can be used separately or in combination.
  • Porous parts 36 are placed through the introduction conduits so as to regulate the flow of activatable gaseous particles and to avoid any hydrodynamic disturbance.
  • the method of the invention can also be implemented without these porous parts by replacing the conduits 31a and / or 31b with longitudinal slots sufficiently thin to constitute a significant hydrodynamic resistance for the flow of gaseous particles so as to ensure uniform distribution.
  • Expansion chambers 35 may optionally be interposed within the conduits so as to regulate the gas pressure.
  • the means for evacuating partially activated gaseous particles are arranged similarly to the introduction means.
  • an evacuation conduit 32 is formed which runs along the surface to be treated.
  • the distance between the inlet of the discharge conduit 32 and the plasma bead must be minimized.
  • the device can be arranged so as to allow the direction of circulation of the gaseous particles to be introduced and evacuated to be alternated, by alternating the functions of introduction and evacuation of the conduits 31a and 32.
  • the device In order to avoid any damage liable to be caused by overexposure of the surface to be treated, either to activated gaseous particles, or to particles or products to be evacuated, it is possible, in particular, to arrange the device in one of the following two ways .
  • the activatable gaseous particles are introduced upstream with respect to the scanning movement of the surface to be treated and directed towards the plasma bead and the products to be removed are downstream.
  • care will be taken that, on the one hand, there is no interaction between said particles and the surface to be treated before the latter passes over the plasma bead and, on the other hand apart, that the products to be evacuated do not interact with the treated surface downstream of the bead, for example by redepositing thereon during a pickling treatment.
  • the activatable gaseous particles are introduced downstream of the plasma bead relative to the scanning movement of the surface to be treated and directed towards the bead, in the direction opposite to that of the movement of the surface to be treated with a flow enough for them to reach the plasma cord.
  • the products to be evacuated are then upstream of the cord.
  • the means for introducing and removing gaseous particles can be arranged so that the gas flow penetrates the plasma bead at any angle.
  • the perpendicular direction is preferable since it makes it possible to distribute the introduction and evacuation gases uniformly over the entire length of the bead, thus ensuring uniform treatment over the entire length of the bead.
  • the discharge means are located in this same plane.
  • the second embodiment of the device shown in Figure 3 differs from the previous embodiment essentially in that each of the two electrodes is replaced by a plasma jet generator 13.
  • the two plasma jets 11a and 11b are of opposite polarities, one, the jet 11a, playing the role of anode while the other, the jet 11 b, plays the role of cathode. These two jets emit an electric shock.
  • Each of the two generators 13 is arranged in such a way that the direction of their plasma jet is preferably perpendicular to the direction of the electric discharge 21. However, any other direction different from that of the electric discharge is conceivable for these jets .
  • the device can also include a magnetic field generator, for example in the form of two solenoids 46, 46 ′, - 10 -
  • the rest of the device is arranged in a similar manner to that of the previous embodiment. Its mode of operation is similar.
  • the third embodiment of the device shown in FIG. 4 differs from the first and second embodiments essentially in that the plasma bead is confined inside a channel 42 'produced inside the block 41 and that a lumen 37, formed within the block 41, opens the channel 42 'towards the surface 51 to be treated. It is possible, by inserting diaphragm parts 61 between the block 41 and the surface to be treated, to adjust the thickness of the light 37 as desired.
  • the advantage of the presence of light 37 with adjustable thickness lies in the fact that it makes it possible, according to the types of treatments sought, to bring into contact with the surface to be treated a plasma of temperature very close to that of the plasmas obtained within previous modes of execution but in which practically all electrical conductivity of the plasma has been eliminated. It is also possible to put the surface to be treated in contact with a plasma having a certain conductivity, this by precisely adjusting the thickness of the light.
  • the light 37 is in a plane tangent to the channel, thus making it possible to almost completely remove the surface to be treated from the very low residual emission of ultraviolet rays which would remain within the plasma. . - 1 1 -
  • a new slot 38 can be made which can also be used for the introduction of the filler gases and / or evacuation of the reaction products between the activated particles in the plasma and the surface. to be treated, thus completing all the possibilities of introduction and extraction already described above.
  • an electrical discharge 21 with pulsating alternating current is generated within the cavity 42 between the two electrodes 11.
  • the electrode 11a is connected to the current source 12 while the electrode 11b is connected to earth.
  • the latter electrode is fitted with an insulating screen 17 allowing better current distribution.
  • such equipment is not essential.
  • the current source 12 delivering a current by pulses can also emit a stationary current.
  • the cavity 42 also in the form of a gutter, was formed within a body or block 41 of dielectric material, for example made of quartz.
  • the rest of the device is arranged in a similar manner to that of the previous embodiments. Its mode of operation is similar.
  • the four embodiments of the device of the invention presented above make it possible to emit and stabilize an electric arc within a closed channel of partially circular cylindrical shape.
  • the channel is of "curvilinear" shape.
  • the material 51 the surface of which is to be treated, has a complex shape of the "corrugated sheet” type.
  • the shape of the gutter in which the plasma cord is confined must correspond to the shape of the surface - 12 -
  • the gutter defined by the cavity 42 formed within a block 41 follows an essentially curvilinear direction "parallel" to that of the surface 51.
  • the rest of the device is arranged in a similar manner to that of the previous embodiments. Its mode of operation is similar.
  • the block 41 can be made of a material having a certain flexibility, for example made of a polymer composition, so that the edges of the gutter can, at any time during the sweeping movement, follow the relief of the surface to be treated.
  • the sixth embodiment of the device shown in Figure 8 allows for the simultaneous treatment of two sides of the same material, for example in the form of sheet or plate.
  • This device comprises two bodies or blocks 41. Each of these two blocks configures a cavity 42a, 42b, having the same shape of gutter, for example semi-cylindrical. Placed in opposite position, these two gutters define an internal cavity of cylindrical shape.
  • the two blocks 41 are however separated from each other by a space 43 whose thickness corresponds substantially to that of the material whose surfaces are to be treated.
  • a capacitive discharge 21 with alternating current is emitted between a central electrode 11a and a lateral electrode 11b.
  • the side electrode has the form of a grounded metal rod and is placed along the surface to be treated. The electric discharge is thus stabilized by the entire length of the side electrode.
  • the current density vector is directed essentially perpendicular to the side electrode and the plasma is concentrated where the current density is highest.
  • the metal rod is located in a dielectric body 41 in which is formed a gutter-shaped notch.
  • the part to be treated 51 in this planar case, is provided with a translational movement. In its movement, it closes the gutter, forming a channel where the plasma is confined.
  • the section of the device represented in FIG. 9b illustrates the relative configuration of the lateral electrode and the surface to be treated and shows the position of the plasma cord as well as the current lines.
  • the plasma cord is confined in the channel formed by the gutter of the side electrode body and the treated surface.
  • FIGS. 9c to 9d three variants of this embodiment of the device are shown in Figures 9c to 9d.
  • the plasma cord is located where the current density and the electric field are at their maximum.
  • no gutter is necessary to confine the plasma in the form of a cord.
  • the surface to be treated is flush with the plasma bead.
  • the lateral electrode has an edge directed towards the surface to be treated.
  • the concentration of the current and the magnitude of the electric field are such that they stabilize the discharge and give rise to two plasma beads, one confined by the body of the lateral electrode and one of the faces of the surface to be treated (face in front of the electrode), the other confined against the other face of the surface to be treated (face opposite to the electrode).
  • the two faces of the material to be treated can be treated simultaneously by the two plasma beads.
  • the flow of activatable particles can be introduced into the plasma bead in a similar manner to those described during the presentation of the previous embodiments.
  • this variant is that a capacitive electric current crosses the surface to be treated.
  • this current intensifies the treatment by bringing the zone of creation of the activated and excited particles closer to the surface to be treated and supporting the energy of the particles which diffuse towards the surface to be treated.
  • the eighth embodiment shown in FIG. 10a is particularly suitable for the surface treatment of three-dimensional objects having an axis of symmetry such as for example a bottle.
  • the side electrode and its insulating envelope substantially matches the shape of the object whose surface is to be treated, in this case a bottle.
  • the side electrode is placed outside the bottle.
  • the thickness of the insulating envelope separating the bottle whose surface is to be treated from the side electrode may vary depending on the distance which separates each of the points of the side electrode from the central electrode, this thickness being greater in the close vicinity of the central electrode.
  • the density of capacitive electric current remains constant along the surface to be treated.
  • the lateral electrode 11b can be extended under the bottom of the bottle so as to allow the treatment of the entire bottle.
  • the body of the lateral electrode can have a longitudinal notch in the form of a gutter 42 which serves to confine the plasma bead between the lateral electrode and the surface of the bottle.
  • the bottle has a rotational movement the speed of which allows the entire surface of the bottle to be scanned during discharge.
  • each pulsed discharge having the effect of treating a part of the surface in the form of a strip of determined width, depending, in particular on the speed of rotation of the bottle.
  • the entire surface of the bottle can be treated.
  • Such a procedure is particularly advantageous in the case where the material of the bottle cannot withstand being subjected to high temperatures for a long time. So the material of the bottle - 15 -
  • the heating control of the bottle can be further increased if the device is adjusted so as to successively treat non-adjacent strips. According to a variant, it is also possible to rotate the bottle step by step and treat a given strip of the bottle by an impulse discharge at each stop of the bottle.
  • FIGS. 10c to 10e Three variant embodiments are illustrated in FIGS. 10c to 10e and generally take up the configurations of the embodiments presented with regard to FIGS. 9c to 9e.
  • the plasma is found confined in the form of one or two cords.
  • the plasma generation method according to the invention is particularly suitable for types of treatment such as, for example, surface cleaning, surface pickling, film deposition on the surface, sterilization etc.
  • the use of the process according to the invention is also suitable for the simultaneous treatment of the two faces of an element in the form of a thin sheet, such as for example polymeric sheets or films, sheets of paper, in particular of paper constituting Bank notes. It can also be textile threads and fabrics or bottles. - 16 -
  • the method according to the invention can also be used for carrying out surface treatments of materials of complex three-dimensional shape, such as for example certain body parts of vehicles.
  • the method and the devices according to the invention make it possible to treat large surfaces of materials with a very small plasma volume. This small volume of plasma requires very low power consumption.
  • Non-limiting examples of implementation of the method according to the invention and their application are given below for the surface treatment of dielectric materials.
  • a generator of a DC plasma cord was built according to the embodiment shown in Figure 3, and tested for the etching of the photoresist of silicon wafers up to 30 cm (in particular 20 cm) of diameter at all stages of creating integrated diagrams.
  • the electric current can vary from 100 to 200 A.
  • the difference in potentials between the electrodes can vary from 200 to 300 V.
  • the electrodes are jets of argon plasma, coming from plasmatrons whose axis of symmetry is perpendicular to the axis of the bead so that the gases coming from the electrodes do not have access to the plasma bead and therefore do not contaminate it not.
  • the plasma cord is formed by a series of copper diaphragms, covered with a thin layer of silicon oxide, separated from each other by insulating hard rubber seals.
  • the diaphragms are cooled with water. They are provided, at their periphery, with a notch of cylindrical shape, practiced in such a way that once placed one after the other and separated from each other by the insulating joints, they form a partially open channel, recalling a gutter, the axis of which intersects, at its two ends, the axes of the two plasma jets coming from the electrodes.
  • the length of the gutter is, in particular, 200 mm and its diameter, in particular, 4 mm.
  • a flat support made of copper plates covered with a film of Si ⁇ 2 and separated from each other by insulating joints.
  • the support is constructed so that the - 17 -
  • silicon wafer to be treated can be fixed to it by means of a vacuum device making it adhere to the support, a housing intended to receive the wafer having been provided so that the silicon wafer - support assembly form a flat surface.
  • the space between the gutter and the flat support is important to ensure good stabilization of the plasma cord. In this example, it is 0.2 mm.
  • a filler gas containing argon, possibly helium, water vapors, oxygen, CF 4 , is introduced upstream of the bead by a longitudinal slot parallel to the axis of the bead plasma, so that the filler gas is trapped in the space (0.2 mm) between the surface of the silicon wafer and the bead.
  • This gas decomposes and activates in the plasma, and scours the polymeric material of the photoresist.
  • Other gases or mixtures of filler gases can be imagined.
  • the flow rate of the feed gas can be varied. In the example given, it reached 20 l / min.
  • the etching speed of the photoresist varied between 1 and 100 ⁇ m / s, depending on the properties of the photoresist.
  • the etching of the photoresist layer was observed to be uniform over the entire surface of the silicon wafer. A passage of wafer on the plasma bead at a speed of 0.2 m / s was sufficient to perform a complete stripping of the photoresist with a thickness of 0.4 ⁇ m.
  • the duration of the treatment of a 20 cm diameter cake is 1 s.
  • a magnetic field generator in the form of a solenoid, powered by a direct current and arranged near the generator as shown in Figure 3 was used to create a magnetic field H perpendicular to the vector J of the current density in the plasma cord. This resulted in the formation of a magnetic field of an absolute magnitude of about 10 Gauss in the region of the plasma bead.
  • processing parameters such as for example the pickling speed of the photoresist.
  • the treatment was carried out at atmospheric pressure. It did not require any enclosure around the device described.
  • the same device was used to carry out the pickling of the silicon dioxide using a filler gas containing CF4.
  • a pickling speed of 10 ⁇ m / s was reached, uniformly over the entire surface of the 200 mm diameter silicon wafer.
  • the same device was used to deposit a dielectric film, for example SiO x , using argon as filler gas containing hexamethyldisilasane vapors and oxygen, x varying from 1.8 to 2, 1 according to the ratio of oxygen and silicon concentrations in the plasma formed.
  • a growth speed of the SiO x film of 5 ⁇ m / s was recorded, uniformly over the entire surface of the silicon wafer. The degree of non-uniformity obtained does not exceed 1%.
  • the electric current which generates the plasma cord is parallel to the axis of the plasma cord and therefore to the surface to be treated.
  • a generator of a plasma cord with high frequency current was built according to the model represented in figure 9a, according to the mode of execution represented in figures 9, and tested for the treatment (smoothing, pickling, deposit of films , surface restructuring, sterilization, deodorization etc.) of polymer sheets, fiduciary paper, plastic parts, fabrics and bundles of wires in synthetic and natural materials. - 19 -
  • the generator operates in pulses at a frequency of 4 MHz. It includes a central, cooled, copper electrode in the form of a rod.
  • the second electrode, lateral earthed, also made of copper, is surrounded by a thick (5-10 mm) layer of dielectric materials, in particular of the polyfluoride carbon type, in particular materials marketed under the brands Teflon, POM.
  • the section of this envelope has the shape of a gutter whose axis is parallel to the axis of the central electrode.
  • the discharge is formed between the central electrode and the lateral electrode. It is concentrated in the gutter and forms a bead of plasma along it.
  • the distribution of the plasma parameters along the gutter can be adjusted by varying the thickness of the dielectric material covering the second electrode.
  • a plasma bead, uniform over its entire length, was obtained by using central and lateral electrodes displaced relative to each other and by varying the thickness of the dielectric material which covers the lateral electrode, from 5 to 10 mm, the upper thickness corresponding to the area of the lateral electrode closest to the central electrode.
  • the parameters of the discharge are:
  • the gas used for the discharge is air or a mixture of air and argon.
  • the device is supplied with pulses, the duration of each pulse varying from 0.001 s to 0.5 s, and the repetition frequency of the pulses is from 100 Hz to 1 Hz, respectively.
  • the surface to be treated passes tangentially to the plasma bead created in the gutter, in a direction perpendicular to the axis of the bead, so that all the points of this surface are subjected to the action of the bead at the time of their exposure to this one.
  • a support gas containing chemical components is introduced along the surface to be treated, downstream of the plasma bead, through a longitudinal slot so that this gas has come into contact with the treated surface and the plasma bead. This gas, then, is activated by the plasma and the surface treatment is - 20 -
  • This device can be used to treat flat or cylindrical surfaces.
  • the axis of symmetry of the cylinder is parallel to the axis of the plasma bead.
  • the layer of silicon oxide obtained has a thickness of 0.1 to 0.15 ⁇ m over the entire treated surface.
  • a generator of a high frequency current plasma cord was built according to the model shown in Figure 10a, according to the embodiment shown in Figure 10e, and experimented with the deposition of films on the internal surface of bottles. in plastic.
  • This means has been used to create a layer of silicon oxide on PET bottles in order to obtain an impermeable barrier against oxygen, carbon monoxide, water vapor and acetaldehyde.
  • the second electrode has been designed to so as to match the shape of the surface of the bottle, taking into account the thickness of the dielectric material which covers the second electrode.
  • a rotary movement was transmitted to the bottle with a speed of rotation such that the entire surface of the bottle passes at least once over the plasma bead.
  • an electrical pulse discharge in such a way that each discharge lines a surface strip with a determined width and in such a way that these strips cover the entire surface to be treated.
  • This speed in particular for PET bottles of 11, was 50 to 150 revolutions per minute for plasma pulse durations ranging from 0.0001 to 0.002 s, exposure times between pulses ranging from 0.01 to 0.05 s.
  • a high frequency plasma cord generator for continuous treatment for continuous treatment (smoothing, pickling, cleaning, depositing films) of polymer sheets, fiduciary paper, strips of fabrics, textile threads.
  • This plasma cord generation device differs from that of Example 2 in that the second electrode is cooled and is wrapped therein in a - 22 -
  • dielectric body in particular in cooled quartz, which allows it to dissipate the heat given off by the passage of high frequency current through the dielectric material.
  • the electric current has reached 10 A and the voltage between the electrodes 10 kV.
  • the dielectric surface to be treated which encloses the cord and stabilizes it, may not be cooled since its speed is such that, during its exposure and its treatment by the plasma cord, it does not heat up strongly, the heat released by the electric current being absorbed by the material of determined thermal capacity.
  • a speed in the region of 1 m / s has been found to be sufficient to continuously clean a cotton fabric or a bundle of threads, so as to eliminate the polymeric materials incorporated during its weaving.
  • a speed of 10 m / s has been found sufficient for bleaching and cleaning in a continuous regime of a textile yarn of polymeric material.
  • This tissue and this bundle of wires pass tangentially to the plasma cord, in particular with a diameter of 4 mm, in a direction perpendicular to its axis.
  • the bundle of wires can pass through the plasma bead.
  • the uniformity of treatment of the wire surface is increased.
  • a speed of 3 m / s in continuous regime was sufficient to deposit a silicon oxide film (0.1 ⁇ m) on a cotton-based fiduciary paper to give it impermeability and make it uncoatable ( security).
  • the current which generates the plasma bead is directed essentially perpendicular to the surface to be treated.
  • the treatment therefore consists of a plasmochemical reaction on contact with the plasma cord with the surface to be treated, but also by an essentially electronic bombardment of this surface.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement de surface d'un objet à l'aide d'un plasma généré par une décharge électrique, au cours duquel on stabilise ladite décharge en confinant ledit plasma sous la forme d'un cordon et que l'on effectue le traitement de la surface par balayage de la surface le long du cordon de plasma. Le but de l'invention est de réaliser un traitement de surface à l'aide d'un plasma ayant une petite epaisseur optique, n'émettant ainsi que très peu de rayons ultraviolets.

Description

Procédé de traitement de surface d'un matériau ou d'un objet et dispositif pour la mise en œuyre du procédé
La présente invention concerne un procédé de traitement de surface d'un matériau ou d'un objet à l'aide d'un plasma généré par une décharge électrique et un dispositif pour la mise en œuvre du procédé.
Un générateur de plasma est décrit dans la demande de brevet internationale WO 97/18693. Ce générateur permet d'obtenir un jet de plasma ayant la forme d'un rideau. Les paramètres de ce plasma, tels que par exemple la température ou la composition, sont uniformes le long du rideau, dans une direction perpendiculaire à la direction du flux de plasma.
En utilisant cette technologie de jet de plasma en "rideau", différents types de traitement de surface peuvent être réalisés, en soumettant la surface à traiter à une projection sensiblement orthogonale du flux de plasma sur la surface à traiter, de façon à effectuer notamment, le nettoyage, le décapage ou la stérilisation de la surface ou bien encore de la revêtir d'un film.
Cependant, le faible rendement énergétique obtenu en mettant en œuvre cette technologie de jet de plasma en rideau n'est pas favorable à son développement.
Il a été en effet constaté que la quantité d'énergie du plasma disponible pour réaliser le traitement de surface est faible par rapport à la quantité d'énergie mise en jeu pour générer ce plasma en "rideau". Ceci est dû à une dissipation de chaleur, mais aussi à une perte de particules activées du plasma provoquée par des phénomènes de conduction, de diffusion et de convection thermique au voisinage du rideau de plasma. D'autre part ce type de plasma perd beaucoup de son activité au fur et à mesure qu'il s'éloigne de la source du jet.
Il a été aussi constaté que la génération de tels plasmas s'accompagnait d'une émission importante de rayons ultraviolets, allant jusqu'à entraîner des effets de photo-ionisation du matériau dont la surface est à traiter.
Ce phénomène, vraisemblablement dû à l'épaisseur relativement importante de la couche du rideau de plasma, s'avère désavantageux en micro-électronique, domaine où l'irradiation de surface par des rayons ultraviolets doit être particulièrement contrôlée, comme par exemple lorsque l'on réalise certaines opérations de traitement sur des plaques de silicium.
Enfin, cette technologie de jet de plasma en rideau n'est pas appropriée pour réaliser le traitement par balayage de surfaces de grandes dimensions ou de surfaces non planes.
Le but de la présente invention est de réaliser, avec un bon rendement énergétique, un traitement de surface d'un matériau ou d'un objet de dimensions et/ou de forme quelconques à l'aide d'un plasma ayant une petite épaisseur optique, n'émettant ainsi que très peu de rayons ultraviolets et conservant une très haute activité dans la zone de traitement de la surface.
A cette fin, l'invention concerne un procédé de traitement de surface d'un matériau ou d'un objet à l'aide d'un plasma généré par une décharge électrique au cours duquel on stabilise ladite décharge en confinant ledit plasma sous la forme d'au moins un cordon et en ce que l'on effectue le traitement de la surface par la mise en contact de la surface et du cordon de plasma le long du cordon.
Ce procédé présente en particulier l'avantage de conserver une très haute activité dans la zone de traitement de la surface du fait que les particules réactives du plasma sont générées à proximité immédiate de la surface à traiter.
Différentes variantes du procédé selon l'invention sont définies en particulier par les caractéristiques des revendications 2 à 10.
L'invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre du procédé comprenant au moins deux électrodes agencées pour émettre une décharge électrique et des moyens pour stabiliser ladite décharge électrique en confinant le plasma sous la forme d'au moins un cordon, le dispositif étant agencé pour effectuer le traitement de la surface par contact le long du cordon de plasma.
Selon un premier mode d'exécution du dispositif, les moyens pour stabiliser la décharge électrique et confiner le plasma sous la forme d'au moins un cordon comprennent au moins un canal constitué en partie par la surface à traiter, ledit canal pouvant être constitué pour une autre partie par une paroi essentiellement diélectrique en forme de gouttière. - 3 -
On connaît déjà des dispositifs permettant de stabiliser une décharge électrique au sein d'un canal. Ce type de dispositif, généralement appelé "plasmatron avec stabilisation par diaphragme", permet d'insérer plus ou moins fortement la colonne d'une décharge électrique au sein d'une série de diaphragmes coaxiaux. Un dispositif de ce type est décrit par W. Finkelnburg et H. Maecker dans "Electrische Bόgen und thermisches Plasma", Handbuch der Physik, Ed. A. Flϋgge, Vol XXII, Gasentladungen II, Springer Verlag, Berlin, 1956, pp 254-444.
Cependant, ce type de dispositif n'est utilisé que pour générer des jets de plasma et aucune des applications de cette technologie de jet ne propose ni ne suggère de traiter une partie ou la totalité de la surface interne de ces diaphragmes, ou de faire participer, d'une manière ou d'une autre, la surface à traiter à la stabilisation de la décharge électrique.
Dans le dispositif selon l'invention, le matériau ou l'objet dont la surface est à traiter peut être solidaire d'un support mobile. Dans ce cas, la surface de ce support peut alors également participer à la stabilisation dudit plasma sous forme de cordon.
Le canal, stabilisant la décharge et à l'intérieur duquel est confiné le cordon de plasma, peut être constitué d'une part d'une paroi en forme de gouttière et d'autre part de la surface à traiter venant recouvrir cette gouttière. Grâce aux propriétés essentiellement diélectriques des parois de ce canal, le courant de la décharge électrique est forcé de le traverser. La décharge s'y trouve ainsi stabilisée. Le plasma généré par la décharge électrique est contenu dans le canal et prend la forme d'un cordon. Il n'épouse pas pour autant totalement le contour de la section du canal.
La section de la paroi en forme de gouttière peut être de forme quelconque, courbe ou angulaire, et peut varier le long du canal. De préférence, cette section est de forme circulaire sur toute la longueur du canal.
De préférence, le rapport entre la dimension de la section du canal en forme de gouttière et sa longueur est inférieur à 0,5. De préférence encore, la dimension de la section du canal est constante le long de ce canal.
La surface à traiter peut être soumise à un mouvement relatif de balayage, dans une direction différente de celle de l'axe du cordon de plasma, de façon que toute la surface à traiter soit mise au contact du plasma. - 4 -
La surface à traiter peut être de forme quelconque. Ce peut être une surface plane, telle celle d'une feuille, d'un film ou d'une plaque solide, ou une surface de type "tôle ondulée" ou même une surface complexe d'un objet en trois dimensions telle que la surface d'une bouteille ou d'une pièce de carrosserie. Dans ce cas, le cordon de plasma est agencé de façon à s'adapter à la forme de la surface à traiter. En particulier, le canal, contenant le cordon de plasma, peut être exécuté en matière flexible, ce qui permet de faire varier sa géométrie lors du balayage d'une surface à traiter de forme complexe.
La présence éventuelle d'un champ magnétique traversant de part en part le cordon de plasma permet en particulier, selon l'orientation relative de sa force d'Ampère par rapport à la direction du cordon de plasma, qui est créée par la décharge électrique de courant continu, de confiner le cordon de plasma soit contre la paroi de la gouttière, ce qui a pour effet d'augmenter la stabilisation de la décharge électrique, soit contre la surface à traiter, ce qui a pour effet d'augmenter l'efficacité du traitement.
Selon un autre mode d'exécution, le dispositif selon l'invention comporte au moins une électrode dite latérale, enveloppé dans un corps diélectrique et disposée le long de la surface à traiter, de façon à stabiliser ladite décharge électrique.
D'autres caractéristiques du procédé et du dispositif selon l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à titre d'exemple, et qui se réfère au dessin dans lequel :
- la figure 1 est une vue en perspective représentant un premier mode d'exécution du dispositif de mise en œuvre du procédé de l'invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue en perspective représentant un deuxième mode d'exécution du dispositif de mise en œuvre du procédé de l'invention ;
- la figure 4 est une vue en coupe transversale représentant un troisième mode d'exécution du dispositif de mise en œuvre du procédé de l'invention ; - les figures 5a et 5b représentent les variations radiales à partir de l'axe central du cordon respectivement de la température et de la conductivité électrique d'un cordon de plasma ;
- la figure 6 est une vue schématique en perspective représentant un quatrième mode d'exécution du dispositif de mise en œuvre du procédé de l'invention ;
- la figure 7 est une vue schématique en perspective représentant un cinquième mode d'exécution du dispositif de mise en œuvre du procédé de l'invention ;
- la figure 8 est une vue schématique en perspective représentant un sixième mode d'exécution du dispositif de mise en œuvre du procédé de l'invention ;
- les figures 9a et 9b représentent de façon schématique, respectivement en perspective et en coupe transversale, un septième mode d'exécution du dispositif de mise en œuvre du procédé de l'invention,
- les figures 9c à 9e sont des coupes transversales de trois variantes du dispositif de la figure 9a ;
- les figures 10a et 10b sont deux vues, l'une en coupe verticale, l'autre en coupe transversale, représentant schématiquement un huitième mode d'exécution du dispositif de mise en œuvre du procédé de l'invention,
- les figures 10c à 10e sont des coupes transversales de trois variantes du dispositif de la figure 10a, et
- la figure 10f illustre une variante du dispositif de la figure 10a.
Selon le mode d'exécution du dispositif représenté aux figures 1 et 2, une anode 11a et une cathode 11b sont reliées à une source de courant continu 12 et émettent une décharge électrique au sein d'une cavité 42 en forme de gouttière de section circulaire, les deux électrodes, constituées par exemple par des pôles métalliques, par exemple en tungstène ou en cuivre, étant positionnées dans le prolongement de l'axe de la cavité 42. Selon une variante, les électrodes peuvent être reliées à une source de courant alternatif ou par impulsions. La cavité 42, de forme partiellement cylindrique circulaire a été pratiquée au sein d'un corps comprenant un ensemble 41 de diaphragmes. Ce corps est constitué d'une série d'éléments 43 conducteurs de la chaleur, par exemple sous la forme de lamelles métalliques, isolés les uns des autres par des joints électriquement isolants 44. Ces joints isolants ont pour but de conférer à l'ensemble 41 de diaphragmes des propriétés essentiellement diélectriques. Chacun de ces éléments et de ces joints sont disposés essentiellement perpendiculairement à la direction de la décharge électrique.
Du fait d'une part de réchauffement du plasma dû à l'effet Joule, provoqué par le passage du courant, et d'autre part de la conductivité thermique des éléments 43, il peut être utile d'équiper de moyens de refroidissement 45 l'ensemble 41 de diaphragmes. Ces moyens consistent par exemple en une circulation interne d'un fluide de refroidissement.
Tel que représenté sur les figures 1 et 2, le matériau 51 dont la surface est à traiter est supporté par une pièce mobile 52. Cette pièce mobile est elle aussi constituée d'une série d'éléments conducteurs de chaleur, isolés les uns des autres par des joints électriquement isolants. Elle peut également être équipée de moyens de refroidissement 45 de façon à éliminer un excès éventuel de chaleur.
Le passage d'un courant électrique, émis entre les deux électrodes 11 , au sein de la cavité interne 34 contenant des particules gazeuses, crée une décharge électrique 21 en générant un plasma 22. Grâce aux propriétés essentiellement diélectriques de l'ensemble des matériaux constituant toutes les parois de la cavité interne, la décharge électrique se trouve stabilisée au sein de cette cavité et le plasma y est confiné.
Pour que le traitement de la surface du matériau 51 puisse s'effectuer, il est nécessaire que le plasma 22 soit en contact avec cette surface, ce qui a bien lieu puisque, en prenant part à la stabilisation de la décharge électrique, cette surface affleure le cordon de plasma, en suivant le plan de tangente de ce cordon.
Dans le cas d'un traitement de surface par balayage, la vitesse du mouvement de balayage est choisie en particulier de façon à ce que le réchauffement local par le plasma soit compensé par le déplacement, grâce à l'établissement d'un échange non-stationnaire de chaleur entre le plasma et la surface traitée. La température locale de la surface traitée, de cette manière est déterminée par les paramètres du plasma (densité de courant, amplitude du champ électrique et autres) et la vitesse de déplacement de la surface par rapport au plasma.
Tel que représenté à la figure 1 , le balayage de la surface à traiter 51 est obtenu en déplaçant la surface 51 par rapport au bloc 41 , selon le sens indiqué par les flèches. Bien entendu, ce balayage peut également être obtenu en déplaçant le bloc 41 , la surface 51 restant fixe.
La coupe représentée à la figure 2 traverse de part en part un élément 43 présenté ci-dessus ainsi que le matériau 51 dont la surface est à traiter et qui est supporté par un élément métallique de la pièce mobile 52. Elle laisse apparaître la forme partiellement circulaire de la section de la cavité interne 34.
On constate que le matériau 51 , dont la surface est à traiter, est séparé de l'élément 43 par un interstice 37. Dans cet interstice 37 débouche un conduit 31a. Ce conduit constitue l'un des moyens possibles d'introduction de particules gazeuses permettant de générer puis d'entretenir le plasma. Un autre moyen d'introduction, représenté par le conduit 31b, est inséré dans l'élément 43.
Ces moyens d'introduction de particules gazeuses sont agencés de façon à diriger le flux gazeux dans une direction prédéterminée. De préférence, cette direction se situe dans un plan perpendiculaire à l'axe du cordon de plasma de façon à ne pas introduire de composantes hydrodynamiques susceptibles de perturber les propriétés du plasma le long de son cordon et de provoquer un écoulement du plasma dans la direction de son axe.
Selon les applications recherchées, l'introduction des particules gazeuses peut se faire en longeant la surface à traiter, via par exemple le conduit 31a, soit en amont par rapport au mouvement de balayage de la surface à traiter, soit en aval. Lorsque les particules gazeuses sont introduites en amont, le conduit 31a peut être orienté de façon que le flux de ces particules soit dirigé dans le sens opposé au mouvement de balayage de la surface à traiter. Cette introduction peut également se faire dans la direction traversant l'axe du cordon de plasma, via par exemple le conduit 31b. Toute autre direction est envisageable. Ces différents moyens d'introduction de particules gazeuses peuvent être utilisés séparément ou en combinaison. - 8 -
Des pièces poreuses 36 sont placées au travers des conduits d'introduction de façon à réguler le flux de particules gazeuses activables et à éviter toute perturbation hydrodynamique. Cependant, le procédé de l'invention peut également être mis en œuvre sans ces pièces poreuses en remplaçant les conduits 31a et/ou 31 b par des fentes longitudinales suffisamment fines pour constituer une résistance hydrodynamique importante pour le flux de particules gazeuses de manière à en assurer une distribution uniforme.
Des chambres d'expansion 35 peuvent éventuellement être intercalées au sein des conduits de façon à réguler la pression de gaz.
Les moyens d'évacuation de particules gazeuses en partie activées sont disposés de manière similaire aux moyens d'introduction. En l'occurrence, à partir de l'interstice 37 prend naissance un conduit d'évacuation 32 longeant la surface à traiter. Pour certaines applications, il est nécessaire de réaliser le conduit d'évacuation 32 de manière que les particules ou produits à évacuer soient le moins possible en contact avec la surface à traiter. A cet effet, la distance entre l'entrée du conduit d'évacuation 32 et le cordon de plasma doit être minimisée. Selon la nature des produits à évacuer, il peut être nécessaire de retirer les pièces poreuses 36 du conduit d'évacuation 32 afin d'éviter toute obturation.
Le dispositif peut être agencé de façon à permettre d'alterner le sens de circulation des particules gazeuses à introduire et à évacuer, en alternant les fonctions d'introduction et d'évacuation des conduits 31a et 32.
Afin d'éviter tout dommage susceptible d'être provoqué par une surexposition de la surface à traiter soit aux particules gazeuses activées, soit aux particules ou aux produits à évacuer, on peut, notamment, agencer le dispositif de l'une des deux façons suivantes.
Selon la première façon, les particules gazeuses activables sont introduites en amont par rapport au mouvement de balayage de la surface à traiter et dirigées vers le cordon de plasma et les produits à évacuer le sont en aval. Dans ce cas, on veillera à ce que, d'une part, qu'il n'y ait pas d'interaction entre lesdites particules et la surface à traiter avant le passage de cette dernière sur le cordon de plasma et, d'autre part, que les produits à évacuer n'interagissent pas avec la surface traitée en aval du cordon, par exemple en se redéposant sur celle-ci lors d'un traitement de décapage. Selon la deuxième façon, les particules gazeuses activables sont introduites en aval du cordon de plasma par rapport au mouvement de balayage de la surface à traiter et dirigées vers le cordon, dans la direction opposée à celle du mouvement de la surface à traiter avec un débit suffisant pour qu'elles atteignent le cordon de plasma. Les produits à évacuer le sont alors en amont du cordon.
Les moyens d'introduction et d'évacuation de particules gazeuses peuvent être disposés de façon que le flux de gaz pénètre le cordon de plasma sous un angle quelconque. Cependant, la direction perpendiculaire est préférable puisqu'elle permet de distribuer les gaz d'introduction et d'évacuation uniformément sur toute la longueur du cordon, assurant ainsi un traitement uniforme sur toute la longueur du cordon.
Lorsque les moyens d'introduction se trouvent être dirigés dans un plan perpendiculaire à la direction du cordon de plasma, alors les moyens d'évacuation se situent dans ce même plan.
Le deuxième mode d'exécution du dispositif représenté à la figure 3 diffère du mode d'exécution précédent essentiellement par le fait que chacune des deux électrodes est remplacée par un générateur 13 de jet de plasma.
Les deux jets de plasma 11a et 11 b, chacun émis par un générateur 13 relié à une source de courant 12, sont de polarités opposées, l'un, le jet 11a, jouant le rôle d'anode alors que l'autre, le jet 11 b, joue le rôle de cathode. Ces deux jets émettent une décharge électrique. Chacun des deux générateurs 13 est agencé d'une façon telle que la direction de leur jet de plasma soit de préférence perpendiculaire à la direction de la décharge électrique 21. Toutefois, toute autre direction différente de celle de la décharge électrique est envisageable pour ces jets.
La substitution d'électrodes classiques, constituées de pôles métalliques, par de telles électrodes, constituées de jets de plasma, a comme avantage d'éviter toute éventuelle pollution du cordon de plasma par des vapeurs métalliques susceptibles de perturber les opérations de traitement de surface.
Comme illustré à la figure 3, le dispositif peut comporter en outre un générateur de champ magnétique, par exemple sous la forme de deux solénoïdes 46, 46', - 10 -
alimentés par un courant continu et disposés parallèlement à l'ensemble de diaphragmes 41 , de part et d'autre de celui-ci.
Le reste du dispositif est agencé d'une manière similaire à celle du mode d'exécution précédent. Son mode de fonctionnement est similaire.
Le troisième mode d'exécution du dispositif représenté à la figure 4 diffère des premier et deuxième modes d'exécution essentiellement par le fait que le cordon de plasma est confiné à l'intérieur d'un canal 42' réalisé à l'intérieur du bloc 41 et qu'une lumière 37, pratiquée au sein du bloc 41 , ouvre le canal 42' vers la surface 51 à traiter. Il est possible, en intercalant des pièce-diaphragmes 61 entre le bloc 41 et la surface à traiter, de régler à volonté l'épaisseur de la lumière 37.
Le mode de fonctionnement de ce dispositif est similaire à ceux des modes d'exécution précédents. Ainsi, une décharge électrique 21 est stabilisée au sein du canal et un cordon de plasma 22 s'y trouve confiné.
L'intérêt de la présence de la lumière 37 à épaisseur réglable réside dans le fait qu'elle permet, selon les types traitements recherchés, de mettre au contact de la surface à traiter un plasma de température très proche de celle des plasmas obtenus au sein des modes d'exécutions précédents mais dans lequel on a pratiquement éliminé toute conductivité électrique du plasma. Il est également possible de mettre la surface à traiter au contact d'un plasma ayant une certaine conductivité, ceci en réglant avec précision l'épaisseur de la lumière.
On sait en effet, comme l'a décrit Yuri P. Raïzer dans un ouvrage russe édité par Nauka en 1987 et dont le titre en français est "Physique des décharges dans les gaz", d'une part à la page 215, d'autre part aux pages 438 à 448, que la conductivité d'un plasma décroît très rapidement et de manière exponentielle au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'axe de la décharge, la décroissance de la température du plasma se faisant moins rapidement. Les figures 5a et 5b, extraites de cet ouvrage, illustrent ces dépendances.
De préférence, comme cela est représenté sur la figure 4, la lumière 37 se trouve dans un plan de tangente au canal, permettant ainsi de soustraire quasiment totalement la surface à traiter à la très faible émission de rayons ultraviolets résiduelle qui subsisterait au sein du plasma. - 1 1 -
Entre les pièce-diaphragmes 61 et le bloc 41 , on peut pratiquer une nouvelle fente 38 qui peut être également utilisée pour l'introduction des gaz d'apport et/ou évacuation des produits de réaction entre les particules activées dans le plasma et la surface à traiter, venant compléter ainsi toutes les possibilités d'introduction et d'extraction déjà décrites ci-dessus.
Cette disposition permet d'éviter tout contact direct entre la surface à traiter et les particules de gaz d'apport non activées (non excitées) qui perturberait le traitement à entreprendre. Cela permet également de maintenir ces particules au sein du plasma pendant une période plus longue, leur conférant ainsi un niveau d'activation (d'excitation) plus élevé.
Dans un quatrième mode d'exécution, représenté schématiquement à la figure 6, une décharge électrique 21 à courant alternatif par impulsions est généré au sein de la cavité 42 entre les deux électrodes 11. L'électrode 11a est connectée à la source de courant 12 alors que l'électrode 11b est reliée à la terre. Cette dernière électrode est équipée d'un écran isolant 17 permettant une meilleure distribution de courant. Un tel équipement n'est toutefois pas indispensable.
Sous réserve d'adaptation appropriée du dispositif, d'autres types de décharges peuvent être appliqués. Ainsi, la source de courant 12 délivrant un courant par impulsions peut également émettre un courant stationnaire.
La cavité 42, également en forme de gouttière, a été pratiquée au sein d'un corps ou bloc 41 de matériau diélectrique, par exemple en quartz.
Le reste du dispositif est agencé d'une manière similaire à celle des modes d'exécution précédents. Son mode de fonctionnement est similaire.
Les quatre modes d'exécution du dispositif de l'invention présentés ci-dessus permettent d'émettre et de stabiliser un arc électrique au sein d'un canal fermé de forme partiellement cylindrique circulaire.
Selon un cinquième mode d'exécution du dispositif, représenté à la figure 7, le canal est de forme "curviligne". Le matériau 51 , dont la surface est à traiter, possède une forme complexe de type "tôle ondulée". La forme de la gouttière dans laquelle est confiné le cordon de plasma doit correspondre à la forme de la surface - 12 -
à traiter. A cet effet, la gouttière définie par la cavité 42 pratiquée au sein d'un bloc 41 suit une direction essentiellement curviligne "parallèle" à celle de la surface 51.
Le reste du dispositif est agencé d'une manière similaire à celle des modes d'exécution précédents. Son mode de fonctionnement est similaire.
Un dispositif analogue peut être utilisé pour le traitement de surface d'objets de forme tridimensionnelle quelconque. A cet effet, le bloc 41 peut être constitué en un matériau ayant une certaine flexibilité, constitué par exemple en une composition polymérique, de sorte que les bords de la gouttière peuvent, à tout moment au cours du mouvement de balayage, épouser le relief de la surface à traiter.
Le sixième mode d'exécution du dispositif représenté à la figure 8 permet de réaliser le traitement simultané des deux faces d'un même matériau, par exemple en forme de feuille ou de plaque.
Ce dispositif comprend deux corps ou blocs 41. Chacun de ces deux blocs configure une cavité 42a, 42b, ayant une même forme de gouttière par exemple semi-cylindrique. Placés en position de vis-à-vis, ces deux gouttières définissent une cavité interne de forme cylindrique. Les deux blocs 41 , non représentés en tant que tels sur la figure, sont cependant séparés l'un de l'autre par un espace 43 dont l'épaisseur correspond sensiblement à celle du matériau dont les surfaces sont à traiter.
On comprend que, lorsqu'un cordon de plasma 22 est généré à l'aide de la décharge électrique au sein de cette cavité interne, les deux faces du matériau en forme de feuille sont traitées simultanément en glissant dans l'espace 43.
Dans le septième mode d'exécution du dispositif représenté à la figure 9a, une décharge capacitaire 21 à courant alternatif, par exemple à haute fréquence ou à micro-ondes, est émise entre une électrode centrale 11a et une électrode latérale 11b. L'électrode latérale a la forme d'une tige métallique mise à la terre et est placée au long de la surface à traiter. La décharge électrique se trouve ainsi stabilisée par toute la longueur de l'électrode latérale. Le vecteur de la densité de courant est dirigé essentiellement perpendiculairement à l'électrode latérale et le plasma se concentre là où la densité de courant est la plus élevée. - 13 -
La tige métallique se trouve dans un corps diélectrique 41 dans lequel est pratiquée une échancrure de forme de gouttière. La pièce à traiter 51 , dans ce cas plane, est pourvue d'un mouvement de translation. Dans son mouvement, elle referme la gouttière, formant un canal où se confine le plasma.
La section du dispositif représentée à la figure 9b illustre la configuration relative de l'électrode latérale et de la surface à traiter et montre la position du cordon de plasma ainsi que les lignes de courant. Le cordon de plasma est confiné dans le canal formé par la gouttière du corps de l'électrode latérale et la surface traitée.
Il est évident, en considérant la représentation de la figure 9a, que le spécialiste trouvera facilement la manière de placer l'électrode centrale 11a de façon à obtenir un plasma ayant la forme d'un cordon.
Ainsi, trois variantes de ce mode d'exécution de dispositif sont représentées aux figures 9c à 9d. Comme dans le cas des figures 9a et 9b, le cordon de plasma se localise là où la densité de courant et le champ électrique sont à leur maximum. Dans ces trois variantes, aucune gouttière n'est nécessaire pour confiner le plasma sous la forme d'un cordon.
Dans la variante 9d, la surface à traiter affleure le cordon de plasma.
Dans la variante de la figure 9c, l'électrode latérale possède une arête dirigée vers la surface à traiter. Dans ce cas, la concentration du courant et la grandeur du champ électrique sont telles qu'elles stabilisent la décharge et donnent naissance à deux cordons de plasma, l'un confiné par le corps de l'électrode latérale et l'une des faces de la surface à traiter (face en vis-à-vis de l'électrode), l'autre confiné contre l'autre face de la surface à traiter (face opposée à l'électrode). Dans ce cas, les deux faces du matériau à traiter peuvent l'être simultanément par les deux cordons de plasma.
Le flux de particules activables peut être introduit dans le cordon de plasma de manière similaire à celles décrites lors de la présentation des modes d'exécution précédents.
Dans la variante de la figure 9e, il ne reste plus d'espace entre l'électrode et le matériau dont la surface externe est à traiter (face opposée à l'électrode). Un seul cordon de plasma apparaît. Il se trouve au contact de cette surface externe. - 14 -
La particularité de cette variante est qu'un courant électrique capacitaire traverse la surface à traiter. Dans ce cas, ce courant intensifie le traitement en rapprochant la zone de création des particules activées et excitées vers la surface à traiter et soutenant l'énergie des particules qui diffusent vers la surface à traiter.
Le huitième mode d'exécution représenté à la figure 10a est particulièrement approprié pour le traitement de surface d'objets à trois dimensions ayant un axe de symétrie comme par exemple une bouteille.
Dans ce mode d'exécution, l'électrode latérale et son enveloppe isolante épouse sensiblement la forme de l'objet dont la surface est à traiter, en l'occurrence une bouteille. Dans ce cas, l'électrode latérale est placée à l'extérieur de la bouteille.
L'épaisseur de l'enveloppe isolante séparant la bouteille dont la surface est à traiter de l'électrode latérale peut varier en fonction de la distance qui sépare chacun des points de l'électrode latérale de l'électrode centrale, cette épaisseur étant plus importante au voisinage proche de l'électrode centrale. Ainsi, la densité de courant électrique capacitaire reste constante le long de la surface à traiter.
Accessoirement, comme cela est représenté à la figure 10f, l'électrode latérale 11b peut être prolongée sous le fond de la bouteille de façon à permettre le traitement de l'ensemble de la bouteille.
Tel que représenté à la figure 10b, le corps de l'électrode latérale peut avoir une echancrure longitudinale sous forme de gouttière 42 qui sert à confiner le cordon de plasma entre l'électrode latérale et la surface de la bouteille.
La bouteille est dotée d'un mouvement de rotation dont la vitesse permet un balayage de toute la surface de la bouteille durant la décharge.
Il est également possible d'utiliser une décharge électrique par impulsions, chaque décharge impulsée ayant pour effet de traiter une partie de la surface sous la forme d'une bande de largeur déterminée, dépendant, en particulier de la vitesse de rotation de la bouteille. Par un décalage adéquat des bandes traitées, on peut traiter l'entier de la surface de la bouteille. Une telle procédure est particulièrement avantageuse dans le cas où le matériau de la bouteille ne supporte pas d'être soumis longtemps à des températures élevées. Ainsi, le matériau de la bouteille - 15 -
peut se refroidir entre deux impulsions. Le contrôle de échauffement de la bouteille peut encore être augmenté si l'on règle le dispositif de façon à traiter successivement des bandes non adjacentes. Selon une variante, on peut également faire tourner la bouteille pas à pas et traiter une bande donnée de la bouteille par une décharge impulsée à chaque arrêt de la bouteille.
Trois variantes d'exécution sont illustrées aux figures 10c à 10e et reprennent dans l'ensemble les configurations des modes d'exécution présentés au regard des figures 9c à 9e. Ainsi, le plasma se trouvé confiné sous la forme d'un ou de deux cordons.
Ces trois variantes offrent des possibilités identiques de traitement de l'une ou l'autre des surfaces de la paroi de la bouteille (face externe ou face interne), mais également le traitement simultané des deux faces. Ainsi, la variante représentée à la figure 10c permet le traitement de la face externe, celle de la figure 10d celui de la face interne, alors que la variante représentée à la figure 10d permet le traitement simultané des deux faces.
Le procédé de génération de plasma selon l'invention est particulièrement approprié pour les types de traitement tels que, par exemple, le nettoyage de surfaces, le décapage de surface, le dépôt de films sur la surface, stérilisation etc.
Outre le traitement de différents types de flaconnage ou de récipients tels que des bouteilles, il est également particulièrement approprié pour le traitement de surfaces de matériaux sensibles aux rayonnements ultraviolets, ce qui permet d'éviter des phénomènes de photo-ionisation. Ce type de matériaux se rencontre en micro-électronique. Il peut s'agir par exemple d'une galette de silicium que l'on soumet à des opérations de décapage, de nettoyage, ou sur laquelle on dépose un film ou encore de laquelle on décape un film de photorésist.
L'utilisation du procédé selon l'invention est aussi appropriée pour le traitement simultané des deux faces d'un élément sous forme de feuille mince, comme par exemple des feuilles ou des films polymériques, des feuilles de papier, en particulier de papier constituant des billets de banque. Ce peut être aussi des fils et tissus textiles ou encore des bouteilles. - 16 -
Le procédé selon l'invention peut également être utilisé pour la réalisation de traitements de surface de matériaux de forme complexe tridimensionnelle, comme par exemple certaines parties de carrosserie de véhicules.
Le procédé et les dispositifs selon l'invention permettent de traiter les grandes surfaces des matériaux avec un volume de plasma très faible. Ce petit volume de plasma nécessite une puissance consommée très faible.
On donne ci-après des exemples non limitatifs de mise en œuvre du procédé selon l'invention et leur application pour le traitement de surface de matériaux diélectriques.
Exemple 1
Un générateur d'un cordon de plasma à courant continu a été construit selon le mode d'exécution représenté à la figure 3, et testé pour le décapage du photorésist de galettes de silicium jusqu'à 30 cm (en particulier de 20 cm) de diamètre à toutes les étapes de la création de schémas intégrés. Le courant électrique peut varier de 100 à 200 A. La différence de potentiels entre les électrodes peut varier de 200 à 300 V.
Les électrodes sont des jets de plasma d'argon, issus de plasmatrons dont l'axe de symétrie est perpendiculaire à l'axe du cordon de manière que les gaz issus des électrodes n'aient pas accès au cordon de plasma et donc ne le contaminent pas.
Le cordon de plasma est formé par une série de diaphragmes en cuivre, recouverts d'une fine couche d'oxyde de silicium, séparés entre eux par des joints en caoutchouc dur, isolant. Les diaphragmes sont refroidis à l'eau. Ils sont pourvus, à leur pourtour, d'une echancrure de forme cylindrique, pratiquée de telle manière qu'une fois mis en place les uns après les autres et séparés les uns des autres par les joints isolants, ils forment un canal partiellement ouvert, rappelant une gouttière, dont l'axe recoupe, à ses deux extrémités, les axes des deux jets de plasma issus des électrodes. La longueur de la gouttière est, en particulier, de 200 mm et son diamètre, en particulier, de 4 mm.
Au-dessus de la gouttière circule, tangentiellement au cordon de plasma, un support plat fait de plaques de cuivre recouvertes d'un film de Siθ2 et séparées les unes des autres par des joints isolants. Le support est construit de manière que la - 17 -
galette de silicium à traiter puisse lui être fixée grâce à un dispositif de vide la faisant adhérer au support, un logement destiné à recevoir la galette ayant été prévu pour que l'ensemble galette de silicium - support forment une surface plane.
Lors du passage tangentiellement au cordon de plasma de la surface plane du support - galette de silicium, cette surface confine le cordon de plasma.
Quand la galette de silicium passe tangentiellement le long du cordon, elle est soumise à l'action du plasma uniformément sur toute la longueur du cordon.
L'espace entre la gouttière et le support plat est important pour assurer une bonne stabilisation du cordon de plasma. Il est, dans cet exemple, de 0,2 mm.
Un gaz d'apport, contenant de l'argon, éventuellement de l'hélium, des vapeurs d'eau, de l'oxygène, du CF4, est introduit en amont du cordon par une fente longitudinale parallèle à l'axe du cordon de plasma, de manière que le gaz d'apport soit emprisonné dans l'espace (0,2 mm) entre la surface de la galette de silicium et le cordon. Ce gaz se décompose et s'active dans le plasma, et décape le matériau polymérique du photorésist. D'autres gaz ou mélanges de gaz d'apport peuvent être imaginés.
On peut faire varier le débit du gaz d'apport. Dans l'exemple donné il a atteint 20 l/min. La vitesse de décapage du photorésist a varié entre 1 et 100 μm/s, suivant les propriétés du photorésist. Le décapage de la couche de photorésist a été observé comme étant uniforme sur toute la surface de la galette de silicium. Un passage de galette sur le cordon de plasma à une vitesse de 0,2 m/s a été suffisant pour effectuer un décapage complet du photorésist d'une épaisseur de 0,4 μm. La durée du traitement d'une galette de 20 cm de diamètre est de 1 s.
Un générateur de champ magnétique, sous la forme d'un solénoïde, alimenté par un courant continu et disposé à proximité du générateur comme représenté à la figure 3 a été utilisé pour créer un champ magnétique H perpendiculaire au vecteur J de la densité de courant dans le cordon de plasma. Il en est résulté la formation d'un champ magnétique d'une grandeur absolue d'environ 10 Gauss dans la zone du cordon de plasma.
Suivant la direction de ce champ (direction du courant d'alimentation du solénoïde), la force d'Ampère F résultante déplace le cordon de plasma permettant de changer - 18 -
certains des paramètres de traitement tels que par exemple la vitesse de décapage du photorésist.
Les tests effectués sur la structure de la galette de silicium traitée ont démontré qu'il n'y a pas de dommage dû à un éventuel rayonnement ultraviolet et à un éventuel bombardement de la surface de la structure par les particules actives du plasma, dont l'énergie cinétique est très faible ne dépasse pas 0,3 eV. Aucune trace de tungstène ou de cuivre n'a été décelée sur la structure traitée, ce qui démontre que le traitement s'effectue en conditions propres, dépourvues de toutes possibilités de contamination, notamment par les matériaux des électrodes.
Le traitement a été opéré à pression atmosphérique. Il n'a nécessité aucune enceinte autour du dispositif décrit.
Le même dispositif a été utilisé pour effectuer le décapage du dioxyde de silicium à l'aide d'un gaz d'apport contenant du CF4. Dans ce cas, une vitesse de décapage de 10 μm/s a été atteinte, uniformément sur toute la surface de la galette de silicium de diamètre de 200 mm.
Le même dispositif a été utilisé pour effectuer un dépôt de film diélectrique par exemple SiOx, en utilisant comme gaz d'apport de l'argon contenant des vapeurs d'hexamèthyldisilasane et de l'oxygène, x variant de 1 ,8 à 2,1 suivant le rapport des concentrations d'oxygène et de silicium dans le plasma formé. Une vitesse de croissance du film de SiOx de 5 μm/s a été enregistrée, uniformément sur toute la surface de la galette de silicium. Le degré de non-uniformité obtenu ne dépasse pas 1%.
Dans cet exemple, le courant électrique qui engendre le cordon de plasma est parallèle à l'axe du cordon de plasma et donc à la surface à traiter.
Exemple 2
Un générateur d'un cordon de plasma à courant de haute fréquence a été construit selon le modèle représenté à la figure 9a, selon le mode d'exécution représenté sur les figures 9, et expérimenté pour le traitement (lissage, décapage, dépôt de films, restructuration de surface, stérilisation, desodorisation etc.) de feuilles de polymères, de papier fiduciaire, de pièces en plastique, de tissus et de faisceaux de fils en matières synthétiques et naturelles. - 19 -
Le générateur fonctionne par impulsions à une fréquence de 4 MHz. Il comprend une électrode centrale, refroidie, en cuivre sous forme de tige. La deuxième électrode, latérale mise à la terre, aussi en cuivre, est entourée d'une épaisse (5-10 mm) couche de matériaux diélectriques, notamment du type polyfluorure de carbone, en particulier des matériaux commercialisés sous les marques Téflon, POM. La section de cette enveloppe a la forme d'une gouttière dont l'axe est parallèle à l'axe de l'électrode centrale.
La décharge se forme entre l'électrode centrale et l'électrode latérale. Elle est concentrée dans la gouttière et forme un cordon de plasma le long de celle-ci. La distribution des paramètres du plasma le long de la gouttière peut être ajustée en variant l'épaisseur du matériau diélectrique qui recouvre la deuxième électrode. En particulier, un cordon de plasma, uniforme sur toute sa longueur a été obtenu en utilisant des électrodes centrale et latérale déplacées l'une par rapport à l'autre et en faisant varier l'épaisseur du matériau diélectrique qui recouvre l'électrode latérale, de 5 à 10 mm, l'épaisseur supérieure correspondant à la zone de l'électrode latérale la plus rapprochée de l'électrode centrale.
Les paramètres de la décharge sont :
Courant électrique jusqu'à 10 A, tension 10 kV.
Longueur de l'électrode latérale, mise à la terre, 30 cm.
Le gaz utilisé pour la décharge est l'air ou un mélange d'air et d'argon.
L'alimentation du dispositif est effectuée par impulsions, la durée de chaque impulsion pouvant varier de 0,001 s à 0,5 s, et la fréquence de répétition des impulsions est de 100 Hz à 1 Hz, respectivement.
La surface à traiter passe tangentiellement au cordon de plasma créé dans la gouttière, dans une direction perpendiculaire à l'axe du cordon, de telle sorte que tous les points de cette surface sont soumis à l'action du cordon au moment de leur exposition à celui-ci.
Un gaz de support contenant des composants chimiques est introduit le long de la surface à traiter, en aval du cordon de plasma, par une fente longitudinale de manière que ce gaz soit entré en contact avec la surface traitée et le cordon de plasma. Ce gaz, alors, est activé par le plasma et le traitement de la surface est - 20 -
effectué grâce à l'échange par diffusion des particules activées entre le cordon de plasma et la surface traitée et la réaction plasmochimique sur cette surface. C'est ainsi que, introduisant des vapeurs d'hexamèthyldisilasane et de l'oxygène dans le gaz de support, on a déposé une couche d'oxyde de silicium sur une surface de PET. En n'introduisant que de l'oxygène, on a effectué un décapage superficiel et une désinfection d'une surface plane de matériau PET. La vitesse de passage de la surface de PET est voisine de 1 m/s.
Ce dispositif peut être utilisé pour traiter des surfaces planes ou cylindriques. Dans ce dernier cas, l'axe de symétrie du cylindre est parallèle à l'axe du cordon de plasma.
Les mesures ont montré que le traitement de la surface est uniforme. En particulier la couche d'oxyde de silicium obtenue a une épaisseur de 0,1 à 0,15 μm sur toute la surface traitée.
Toutes ces expériences ont été exécutées à pression atmosphérique ou subatmosphérique.
Exemple 3
Un générateur d'un cordon de plasma à courant de haute fréquence a été construit selon le modèle représenté à la figure 10a, selon le mode d'exécution représenté sur la figure 10e, et expérimenté pour le dépôt de films sur la surface interne de bouteilles en plastique.
Tous les paramètres utilisés dans cet exemple sont les mêmes que dans l'exemple 2.
On a utilisé ce moyen pour créer une couche d'oxyde de silicium sur des bouteilles PET afin d'obtenir une barrière imperméable à l'oxygène, l'oxyde de carbone, la vapeur d'eau et l'acétaldéhyde.
Les mesures ont montré que la barrière ainsi obtenue par rapport à l'oxygène permet de réduire la perméabilité de la bouteille par rapport à l'oxygène d'un coefficient allant jusqu'à 20. Dans ce cas, la deuxième électrode a été conçue de manière à épouser la forme de la surface de la bouteille, compte tenu de l'épaisseur du matériau diélectrique qui recouvre la deuxième électrode. - 21 -
Afin que tous les points de la surface de la bouteille soient traités, on a transmis à la bouteille un mouvement de rotation avec une vitesse de rotation telle que toute la surface de la bouteille passe au moins une fois sur le cordon de plasma. Ou encore, il est possible d'utiliser une décharge électrique à l'impulsion de telle manière que chaque décharge trait une bande de surface avec une largeur déterminée et de telle manière que ces bandes couvrent toute la surface à traiter.
Cette vitesse, en particulier pour des bouteilles PET de 11, a été de 50 à 150 tours par minute pour des durées d'impulsion du plasma allant de 0.0001 à 0.002 s, des durées de poses entre impulsions allant de 0.01 à 0.05 s.
Il est possible, en ajustant les paramètres de la décharge (courant et tension), d'obtenir un cordon de plasma partiellement stabilisé par la surface à traiter, à l'intérieur de la bouteille en rotation. En injectant des gaz de support, par exemple, un mélange d'hexamèthyldisilasane et d'oxygène dans la bouteille en rotation avant d'effectuer la décharge, il est possible de recouvrir intérieurement la surface de la bouteille d'une couche d'oxyde de silicium, en particulier d'une épaisseur de 0.02 à 0,15 μm. Cette couche augmente l'imperméabilité de la bouteille PET d'un facteur allant jusqu'à 20.
Il a aussi été possible de former un cordon de plasma à l'extérieur et à l'intérieur de la bouteille simultanément, et donc de recouvrir les deux faces, intérieure et extérieure, de la bouteille d'une couche d'oxyde de silicium, augmentant donc la perméabilité de celle-ci d'un facteur allant jusqu'à 40.
Toutes ces expériences ont été exécutées à pression atmosphérique ou subatmosphérique sans introduire d'éléments solides dans la bouteille et sans utiliser d'enceinte ou d'élément solide enveloppant la bouteille.
Exemple 4
Un générateur de cordon de plasma à haute fréquence pour le traitement (lissage, décapage, nettoyage, dépôt de films) en régime continu de feuilles de polymères, de papier fiduciaire, de bandes de tissus, de fils textiles.
Ce dispositif de génération de cordon de plasma se distingue de celui de l'exemple 2 en ce que la deuxième électrode est refroidie et s'y trouve enveloppée dans un - 22 -
corps diélectrique, en particulier en quartz refroidi, ce qui lui permet d'évacuer la chaleur dégagée par le passage du courant à haute fréquence dans le matériau diélectrique.
Dans cet exemple, le courant électrique a atteint 10 A et la tension entre les électrodes 10 kV.
La surface diélectrique à traiter, qui enserre le cordon et le stabilise, peut ne pas être refroidie puisque sa vitesse est telle que, lors de son exposition et de son traitement par le cordon de plasma, elle ne s'échauffe pas fortement, la chaleur dégagée par le courant électrique étant absorbée par le matériau de capacité thermique déterminée. En particulier, une vitesse voisine de 1 m/s s'est avérée suffisante pour nettoyer, en régime continu, un tissu de coton ou un faisceau de fils, de façon à en éliminer les matières polymériques incorporées lors de son tissage. Une vitesse de 10 m/s s'est trouvée suffisante pour le blanchiment et le nettoyage en régime continu d'un fil textile de matériau polymérique.
Ce tissu et ce faisceau de fils passent tangentiellement au cordon de plasma, d'un diamètre en particulier de 4 mm, dans une direction perpendiculaire à son axe.
Selon un autre mode d'exécution, le faisceau de fils peut traverser le cordon de plasma. Dans ce cas, on augment l'uniformité de traitement de la surface de fils.
Une vitesse de 3 m/s en régime continu a été suffisante pour effectuer un dépôt de film d'oxyde de silicium (0,1 μm) sur un papier fiduciaire à base de coton pour lui donner de l'imperméabilité et le rendre incopiable (sécurité).
Les traitements mentionnés ont été opérés à pression atmosphérique. Ils n'ont pas nécessité d'enceinte hermétique autour du dispositif.
Ici, tout comme dans le cas de l'exemple 2, le courant qui engendre le cordon de plasma est dirigé essentiellement perpendiculairement à la surface à traiter. Le traitement consiste donc en une réaction plasmochimique au contact du cordon de plasma avec la surface à traiter, mais aussi en un bombardement essentiellement électronique de cette surface.

Claims

- 23 -Revendications
1. Procédé de traitement de surface d'un matériau ou d'un objet à l'aide d'un plasma généré par une décharge électrique, caractérisé en ce que l'on stabilise ladite décharge en confinant ledit plasma sous la forme d'au moins un cordon et en ce que l'on effectue le traitement de la surface par la mise en contact de la surface et du cordon de plasma le long du cordon.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on soumet ladite surface à traiter et ledit cordon de plasma à un mouvement de balayage relatif, la direction du mouvement de balayage étant différente de celle de l'axe dudit cordon.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on stabilise ladite décharge en confinant ledit cordon de plasma à l'intérieur d'au moins un canal constitué en partie par la surface à traiter.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on constitue ledit canal pour une autre partie par une paroi essentiellement diélectrique en forme de gouttière.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on entretient la composition dudit plasma par un flux de particules gazeuses, l'introduction dudit flux et son évacuation s'effectuant dans un même plan de section du cordon de plasma, perpendiculaire à la direction du cordon, de façon à contrôler localement la composition du plasma tout en évitant tout écoulement longitudinal de ce plasma.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on répartit l'introduction et l'évacuation des dites particules gazeuses le long du cordon de plasma.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on soumet le cordon de plasma à l'action d'un champ magnétique orienté selon une direction différente de celle de l'axe du cordon de plasma, de façon à créer une force d'Ampère qui influence la position de l'axe du cordon en fonction de la nature du traitement désiré.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on alimente ladite décharge électrique par un courant continu ou alternatif - 24 -
émis entre deux électrodes constituées chacune d'un jet de plasma dont l'axe recoupe l'axe du cordon de plasma, la direction de chacun desdits jets étant différente de celle de la décharge électrique.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on alimente ladite décharge électrique par une source de courant alternatif et en ce que l'on stabilise ladite décharge à l'aide d'une électrode disposée le long de la surface à traiter.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on alimente la décharge par une source de courant par impulsions, en ce que l'on traite de façon discontinue la surface par bandes et en ce que l'on effectue plusieurs passages de balayage afin de traiter l'ensemble de la surface.
11. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux électrodes (11) agencées pour émettre une décharge électrique (21) et des moyens pour stabiliser ladite décharge électrique en confinant le plasma sous la forme d'au moins un cordon, le dispositif étant agencé pour effectuer le traitement de la surface par contact le long du cordon de plasma.
12. Dispositif selon la revendication 11 , caractérisé en ce que lesdits moyens pour stabiliser la décharge électrique et confiner le plasma sous la forme d'au moins un cordon comprennent au moins un canal constitué en partie par la surface à traiter.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit canal est constitué pour une autre partie par une paroi essentiellement diélectrique en forme de gouttière.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la décharge électrique est générée par une source de courant continu, de courant alternatif ou de courant par impulsions et en ce que la paroi en forme de gouttière est constituée dans un corps comprenant un ensemble de diaphragmes (43) en un matériau métallique isolés les uns des autres par des joints isolants (44) et équipé de moyens de refroidissement (45). - 25 -
15. Dispositif selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode dite latérale (11b), l'électrode latérale étant enveloppé dans un corps diélectrique et disposée le long de la surface à traiter, de façon à stabiliser ladite décharge électrique.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'électrode latérale est constituée d'une tige métallique.
17. Dispositif selon l'une des revendications 15 ou 16, caractérisé en ce que l'électrode latérale présente une arête dirigée vers la surface à traiter.
18. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que le corps diélectrique enveloppant l'électrode latérale est conformé de façon à épouser la forme de la surface à traiter.
19. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 18, caractérisé en ce qu'il est agencé pour permettre le déplacement relatif de ladite surface par rapport au cordon de plasma de façon à effectuer le traitement par balayage de ladite surface.
20. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 19, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'introduction (31 ) et/ou d'évacuation (32) de particules gazeuses, permettant de générer puis d'entretenir un plasma (22), disposés dans un même plan, perpendiculaire à la direction dudit cordon de plasma.
21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction et/ou d'évacuation de particules gazeuses sont répartis sur toute la longueur du cordon de plasma.
22. Dispositif selon la revendication 21 , caractérisé en ce que lesdits moyens d'introduction et/ou d'évacuation de particules gazeuses sont agencés de façon à permettre d'alterner, d'une part, le sens de circulation des particules gazeuses à introduire et à évacuer par rapport à la direction du mouvement de balayage et/ou par rapport à la position du cordon de plasma et, d'autre part, les fonctions d'introduction et d'évacuation desdits moyens de façon à pouvoir éviter tout endommagement de la surface à traiter ou de la surface traitée, en amont et en aval du plasma, soit par les particules gazeuses activables, soit par les particules gazeuses ou produits à évacuer. - 26 -
23. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 22, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (46, 46') pour générer un champ magnétique, agencés de façon que les lignes dudit champ magnétique traversent ledit cordon de plasma.
24. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que chacune des dites électrodes est constituée par un générateur (13) de jet de plasma (14), agencé de façon que le jet de plasma ait une direction autre que celle dudit cordon de plasma.
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