EP1506699A2 - Procede et dispositif de generation d'un rideau de gaz active pour traitement de surface - Google Patents

Procede et dispositif de generation d'un rideau de gaz active pour traitement de surface

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Publication number
EP1506699A2
EP1506699A2 EP02769174A EP02769174A EP1506699A2 EP 1506699 A2 EP1506699 A2 EP 1506699A2 EP 02769174 A EP02769174 A EP 02769174A EP 02769174 A EP02769174 A EP 02769174A EP 1506699 A2 EP1506699 A2 EP 1506699A2
Authority
EP
European Patent Office
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gas
treated
curtain
activated
treatment
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02769174A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pavel Koulik
Mikhail Samsonov
Zorina Evguenia
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
APIT Corp SA
Original Assignee
APIT Corp SA
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Filing date
Publication date
Application filed by APIT Corp SA filed Critical APIT Corp SA
Priority to EP02769174A priority Critical patent/EP1506699A2/fr
Publication of EP1506699A2 publication Critical patent/EP1506699A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • H05H1/484—Arrangements to provide plasma curtains or plasma showers
    • 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
    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/40—Surface treatments

Definitions

  • the present invention relates to a method for generating a curtain of gas activated with the aid of an electric discharge for the treatment of surfaces of conductive, semi-conductor, or dielectric materials, as well as a device for carrying it out. of the process.
  • the surface treatments that can be performed include, among other things, sterilization, pickling, film deposition or activation of particles on the surface of the material.
  • the treatment of large areas using plasma flow of elliptical or annular round section by conventional methods is carried out by scanning the surface in two directions.
  • the treatment of large areas using conventional rake or curtain type flux allows scanning the surface in several directions, provided that the length of the rake or curtain is greater than the width of the surface treat.
  • One disadvantage of two-dimensional scanning devices is that there is an effect of redeposition of residues on the peripheral part of the surface to be treated due to a certain migration of residual products, such as microorganisms, oils and fats, and photoresist products in areas surrounding the treatment.
  • uncontrolled and repeated heating of the peripheral zones and the passage of the surface to be treated under an unconditioned plasma may cause either annealing of the material, or a partial treatment or incomplete physico-chemical transformations of the surface to be treated .
  • These disadvantages are also present in the processes where a scanning by rotation is carried out which, due to the different linear scanning speeds at different diameters, have the additional disadvantage of the different durations of local treatment.
  • a uniform treatment can only be obtained statistically, by carrying out numerous scans on the same area, which excludes a precision surface treatment of the material.
  • Another problem with conventional devices is that a certain amount of metal vapors from the electrodes is present in the plasma jet and contaminates the treated surface. Most applications do not allow the presence of metallic additions in the plasma. from 0.0001 to 0.001%. This is the case, for example, of applications in the fields of electronics, space devices, catalytic devices.
  • Conventional means for reducing the metal vapors include optimizing the material of the electrodes, and of the generating gas, in decreasing the current and increasing the voltage of the discharge, in condensing the metal vapors on the walls.
  • a method and device for generating a uniform plasma cord as described in patent application WO 99/46964 or as proposed and used for the sterilization of surfaces (see P. Koulik, S. Krap ⁇ vina, A. Sa ⁇ tchenko , M. Samsonov, Vide N ° 299. Volume 1/4, 2001, ⁇ .117), consists in generating a plasma in thermodynamic equilibrium in a dielectric channel formed on the one hand, by a set of diaphragms isolated from each other and in which a passage is practiced in the form of a gutter, and on the other hand by the surface to be treated. It's important to emphasize that the surface to be treated, itself takes part in the stabilization of the arc. If the stabilizing channel thus formed is cylindrical, the treatment along the axis of the stabilized channel is theoretically strictly uniform. The treatment of a large area is done by scanning. In this case, the treatment over the entire surface is theoretically uniform.
  • the above method has two disadvantages, however.
  • the first is that only dielectric surfaces can be treated. Since the plasma is under long tension, experience shows that part of the current passes through the body to be treated if it is weakly conductive (for example a silicon wafer). This results in an alteration of the surface to be treated, for example due to the formation of microcraters due to micro-plates in the areas where the potential difference between the plasma and the body to be treated is greatest.
  • the second disadvantage is that the surface of the body to be treated is part of the stabilizing channel and that thereby the slightest irregularity of the surface to be treated or the slightest variation in the section of the stabilizing channel, in particular during the sweeping movement, or even the less instability over time, cause a variation of the current and therefore of all the parameters of the plasma. This system is therefore unstable and obtaining uniform surface treatment under these conditions is practically impossible.
  • an object of the invention is to provide a surface treatment method allowing efficient and uniform treatment of large surfaces to be treated, as well as a device for implementing the method.
  • a surface treatment method and a device for implementing the method which is versatile, in particular which makes it possible to carry out various surface treatments such as sterilization, pickling, film deposition or surface activation, and which makes it possible to treat different materials such as dielectric, semiconductor, conductive, liquid or solid materials. It is also advantageous to carry out a surface treatment process which can be used for powder formation. It is advantageous to carry out a surface treatment method and a device for implementing the method which makes it possible to avoid the deposition of undesirable chemical components, such as metal vapors coming from electrodes.
  • a method of surface treatment or of forming powders on a surface comprises the formation of an electric arc of stabilized plasma, the generation of a jet of activated gas in the form of a curtain from said electric arc essentially perpendicular to the axis A of said electric arc and the projection of the activated gas curtain on the surface to be treated, characterized in that the distance L separating the axis A of the electric arc from the surface to be treated is adjusted that the speed v of the activated gas flow so that the particles of the activated gas curtain are electrically neutral and in a metastable state at the time of contact with the surface to be treated.
  • the distance L separating the electrical axis from the surface to be treated and the speed v of the activated gas flow are adjusted in order to satisfy the relation IJV>% where ⁇ is the relaxation time of the metastable states of the particles.
  • the parameters of the activated gas flow and the scanning speed are also adjusted in order to satisfy the following relationship: the diffusion length D of the molecules, radicals and activated atoms contained in the gas curtain activated is greater than the thickness ⁇ of the boundary layer separating the incident activated gas from the surface to be treated.
  • the above relationship is obtained empirically by tests, by recording different process parameters, such as the speeds, densities and temperatures of the activated gas flow and of the gas flow entrained by the surface to be treated.
  • one of the means according to the invention is to regulate the speed of the gas composing the curtain of activated gas, so that it is greater than the ratio of the distance between the central axis of the electric arc and the surface to be treated at the relaxation time of the particles making up said curtain of activated gas.
  • the present invention makes it possible to create large temperature and concentration gradients of the components of the activated gas on the surface to be treated.
  • the method according to the invention makes it possible to ensure access to the surface to be treated by diffusion not only of excited molecules and radicals, but also of excited atoms, which greatly widens the fields of application of the process according to the invention, especially in electronics.
  • the stabilized electric arc is created by a device comprising diaphragms isolated from each other which form a complex section channel (cylindrical, square, rectangular, triangular and others), having one or more inlets to access it, essentially perpendicular to Tax of this arc, a uniform flow of treatment gas along the axis of Tare.
  • treatment gas is meant filler gas for the creation and maintenance of the plasma electric arc as well as for the generation of activated particles and, where appropriate, a reactive gas for carrying out a film deposition or another reaction. chemical with the surface to be treated.
  • This treatment gas is activated upon contact with the stabilized arc and leaves the channel through an outlet passage which can be in the form of a slot parallel to the arc so that the resulting flux is a gas curtain activated.
  • the gas or gas mixture forming the treatment gas, the speed of the activated gas flow, the distance separating the axis of the electric arc from the surface to be treated as well as the scanning speed of the surface to be treated are chosen and controlled. to make so that the activated gas is out of thermodynamic equilibrium, or in other words metastable, and uniform in a direction parallel to the electric arc which activated it.
  • This activated gas curtain is therefore projected onto the surface to be treated, the relative scanning movement allowing uniform treatment over the entire surface to be treated.
  • the activated gas forming the curtain does not include electrically charged particles and therefore does not conduct electricity, there is no interference between the treated surface and the stabilized arc.
  • the treatment is therefore stable and independent of the state, properties (especially dielectric), movement and position of the treated surface.
  • Said activated gas curtain can be created at subatmospheric (vacuum) or superatmospheric pressures. Its optimal application is however made at atmospheric pressure.
  • An important feature of the present invention is that the flow of process gas, upon contact with the stabilized plasma arc, the temperature of which can be very high (e.g. 25-30.10 S K) is activated by photo effects - activation, and activation by inelastic collisions with the high energy particles of the plasma, in particular with the peripheral electrons, whose temperature is higher than the temperature of heavy particles (atoms ions).
  • the construction of the activated gas curtain generator is designed so that the flow of treatment gas Qi upstream of the stabilized electric arc tangentially reaches the arc through one or more longitudinal slots, so as to bypass the core strongly ionized and high arc temperature.
  • the treatment gas stabilizes the arc, helping to increase its temperature, since it contracts the section of the arc through which most of the electric current passes.
  • the treatment gas is activated by convection, by photoactivation, and by transfer of energy to its particles on the part of the peripheral particles of the plasma electric arc, in particular high energy electrons. In this way, the gas flow is brought into a metastable state of thermodynamic non-equilibrium. This state has a relatively short life (relaxation).
  • the speed of the gas flow must be chosen so that it is sufficiently S large so that the flow of activated gas can reach the surface to be treated without losing its activation.
  • Another important characteristic of the invention is that the flow of activated gas is not ionized (ie conductor of electricity). This condition can be achieved by ensuring that the flow of process gas essentially only contacts the peripheral area of the arc poor in charged particles.
  • the presence of electrically charged particles in the activated gas curtain is to be avoided for two reasons. The first is that an electrically charged particle has a high cross-section of elastic interaction with a neutral particle, which contributes to making it lose its activation energy before its contact with the surface to be treated, The second is that the particles electrically charged give electrical conduction to the activated gas curtain with all the harmful consequences mentioned above.
  • an important condition for the realization of (the present invention is that the time of passage of the particles of the activated gas curtain from the electric arc to the surface to be treated, is less than the relaxation time ⁇ of the activated particles.
  • the activated gas curtain is in a metastable state (out of thermodynamic equilibrium) when it comes into contact with the surface. This means that the particles bring to the surface to be treated not only their thermal energy but especially their activation energy. This makes possible chemical reactions between the particles of the surface and the activated particles of the gas curtain in the metastable state which cannot be carried out in the case of the flow of hot gas in thermodynamic equilibrium,
  • a stream of complementary process gas Q 2 is brought into contact with the stream of process gas activated by the arc, and this downstream of the arc .
  • the flows of complementary treatment ga ⁇ are organized so as to vary the temperature level of the activated gas curtain, but above all its activation level and its chemical composition.
  • the flow of complementary treatment gas can be brought into contact with the flow of gas activated by lateral channels, most often in the form of longitudinal slots formed in the body of the curtain generation device, or formed by added nozzles.
  • a very effective means of supplying the complementary treatment gas Q 2 is to introduce it into the gap existing between the surface to be treated and the body of the curtain generation device.
  • the pickling, cleaning, sterilization and film deposition treatments are, in this case, extremely effective, and open up new possibilities for technology in specific fields such as the treatment of semiconductors, glass and polymeric materials.
  • a major advantage of the present invention is that the pickling, cleaning and film deposition treatments can be carried out cold, ie without significant heating of the surface to be treated, just by exploiting the activation energy. incident particles brought to the surface to be treated by the activated gas curtain.
  • FIG. 1 is a simplified perspective view of a surface treatment device according to the invention
  • Figures 2a to 2h are sectional views of different embodiments of a device for surface treatment according to the invention.
  • FIGS. 3a to 3d are also simplified section views of different embodiments of a device for the surface treatment according to the invention.
  • a device for implementing a method for treating a surface to be treated 2 of an object to be treated 4 comprises a device 6 for generating an activated gas curtain 8.
  • the device for generation of an activated gas curtain 6 comprises a body 10 comprising a stabilizing channel 12 for guiding and stabilizing an electric arc of plasma 14, one or more inlet conduits 16 for treatment gas Qi in communication with the stabilizing channel 12 via a gas collecting channel 18, and an opening, passage or outlet nozzle 20 for activated gas in communication with the stabilizing channel 12.
  • the body 10 can be formed of stabilizing lamellae or diaphragms 22 juxtaposed, for example, in a material that is a good thermal conductor, such as a metal provided with an insulating layer to electrically insulate the slats from each other.
  • a cooling system such as a water circuit (not shown) can be provided in the body 10 in order to cool the body taking into account the very high temperature of the plasma electric arc.
  • the device also comprises positive 24a and negative 24b electrodes for generating the electric arc, the electrodes being connected to a source of electric current 26.
  • the device 6 can also be provided with an electric field generator 42 (see Fig. 3c) to position the electric arc.
  • the treatment device can furthermore comprise a kinematic system for moving the object to be treated 4 relative to the plasma generation device 6 for carrying out the scanning movement of the plasma curtain 8 on the surface to be treated 2 (the kinematic system n 'is not shown).
  • the plasma generated by the electric arc 14 initiated between the electrodes 24a, 24b is stabilized and oriented parallel to the surface to be treated 2 by the wall of the channel stabilizer 12 formed by the metal strips 22 electrically isolated from each other and by a flow of treatment gas Q> ⁇ directed essentially perpendicular to the axis of the stabilizing channel and therefore of the electric arc.
  • the treatment gas is distributed uniformly over the entire length of the plasma cord, in such a way that the resulting flow of activated gas is directed towards the surface to be treated 2 of the body to be treated 4, which is mounted on a support 28 propelled by a translational movement mechanism 30, ensuring the sweeping of the surface to be treated by the activated gas curtain 8.
  • a device 32 generating acoustic or ultrasonic waves is optionally mounted on the support to generate vibrations of the surface to be treated 2, which makes it possible to carry out an anisotropic treatment of said surface.
  • anode and cathode electrodes 24a, 24b are arranged at angles other than zero relative to the central axis A of the plasma electric arc.
  • the electrodes 24a, 24b can be located in airtight pockets (not shown) ensuring equal pressures in the anode and cathode regions as well as in the region of the electric arc, so as not to disturb (in a perpendicular direction at axis A of the arc) the flow of activated gas so as not to alter the uniformity of the parameters of the activated gas curtain.
  • a system of hermetic seals between the diaphragms with stabilizing lamellae 22 ensures the absence of gas currents in a direction other than the direction perpendicular to the axis A of the electric arc, which contributes to condition the longitudinal uniformity of the activated gas curtain.
  • the gas or gas mixture inlet conduits in the device for generating the activated gas curtain are advantageously carried out via the collecting channels 18 intended to equalize the static pressure of the gases before and after their passage through the arc stabilized electric 14 and thus ensuring the uniform distribution of these gases over the entire length of the gas curtain activated 8.
  • the entry of the treatment gas into the stabilizing channel 12 can take place either through porous walls 36 as illustrated in FIGS. 2g and 2h, or by narrow slots 38 as illustrated in FIGS. 2a to 2f .
  • the supply of the stabilizing channel 12 is via an inlet in the form of a vertical slot, in these cases central, while in the embodiments of the figures 2c, 2e and 2f, the supply takes place via lateral slots 88, that is to say having an angle greater than zero with respect to the direction of the gas flow from the activated gas curtain and / or offset from the vertical plane passing through Tax A of the arc, made on either side of said vertical plane.
  • the body can be provided with several lateral slits on each side of the arch, distributed around the stabilizing channel.
  • the lateral slits do not necessarily have to be positioned symmetrically around the stabilizing channel, depending on the profile of the eastern channel and the position of the outlet slit.
  • an electric arc of plasma is ignited between the electrodes 24a, 24b and is stabilized by the walls of the stabilizing channel 12 and a flow of treatment gas Qi.
  • the surface to be treated is mounted on the mobile support 28 to effect a relative sweeping movement relative to the activated gas curtain 8.
  • the treatment gas is introduced into the stabilizing channel 12 through the lateral and / or central inlet slots 38, 39 or through pores 36 on the side opposite the surface to be treated. This, partly passing through the peripheral zone of the plasma electric arc and partly bypassing the arc, heats up, activates and exits in the form of a curtain of activated gas towards the surface to treat through the opening or the outlet passage 20.
  • the outlet passage 20 may be in the form of a slot of a determined width.
  • the width of the slit is preferably less than the diameter of the plasma electric arc (14) in order to form a thin curtain of activated gas, the parameters of which can be well controlled.
  • a thin exit slit also helps to properly confine and stabilize the plasma arc.
  • the lateral slots 38 for the introduction of the treatment gases Qi into the stabilizing channel 12 are very advantageous since they make it possible to confine the plasma electric arc on the one hand, and to determine the proportion of gas passing through the zone plasma arc device and the proportion of gas bypassing the arc to adjust the composition and density of active particles of the activated gas curtain.
  • the porous walls for introducing treatment gas around the arc as shown in FIGS.
  • the treatment to be carried out influences the process parameters, such as the contact time, the plasma temperature, the relative speed of movement, the distance between the center of the plasma electric arc and the surface to be treated and the gas composition.
  • Plasma temperature from 10,000 to 30,000 Kelvin
  • Plasma speed from 10 to 1,000 m / s. (up to the speed of sound for the given plasma temperature).
  • Plasma composition inert gas, oxidizing, reducing medium, chemically active gases for the synthesis of complex products, ultradisperse powders.
  • Plasma purity absence of unwanted additions, in particular metal vapors.
  • complementary treatment gas we mean gases Q 2 intended possibly to cool the flow of activated gas without deactivating it, or to decrease it, possibly, the electrical conductivity, or to change its chemical composition (introduction of active gases) or intended the deposition of films (introduction of ultra-dispersed powders or vapors of organic or organometallic or inorganic elements).
  • the parameters of the treatment are adjusted in the device of the present invention by an appropriate construction of the stabilizing channel, and of the gas introduction and evacuation scheme.
  • the body 10 of the curtain generation device is made of metal having good electrical and thermal conductivity. To avoid short circuits, it consists of diaphragms, electrically isolated from each other.
  • the stabilizing channel 14 can be of half-round section ( Figures 2a and 2g), round ( Figure 2b), triangular ( Figure 2c), square ( Figures 2e and 2f) or of compound shapes ( Figure 2d). These variants correspond to different means of manufacturing the body 10 and the stabilizing channel 12,
  • the gases or mixtures of complementary treatment gases Q 2 must be introduced more at the beginning of the formation of the activated gas curtain (FIGS. 2a, 2e, 2f) or also downstream of the flow (FIGS. 2b, 2c, 2d), or directly along the surface to be treated ( Figures 2c, 2d, 2h).
  • the embodiment used for this example corresponds to that shown in Figure 3a.
  • This embodiment allows the superficial fusion of large surfaces of refractory materials such as bricks of dimensions 350 x 150 x 30 mm.
  • the body of the device as in all of the following examples, comprises cooled metal diaphragms, the thickness of a diaphragm being 6 mm.
  • Argon flow, used as filler gas 5l / min.
  • the mentioned process is a surface activation treatment: We use a powerful treatment but weak hydrodynamic flows to avoid é aboussures of the superficially fused material. In this case, the width of the curtain of activated gas at the location of the treatment is 5 mm. The uniformity of treatment over the entire length of the material is ⁇ 10% and is determined by the manufacturing parameters of the refractory material and its initial porosity.
  • the material is treated by a free arc (not stabilized) pressed against the surface to be treated by a magnetic field, the arc being in contact with the surface to be treated.
  • the surface to be treated is not in direct contact with the electric arc but with the curtain of activated gas.
  • the quality of the treatment and the uniformity obtained are superior in the case of the present invention, thanks to the exclusion of the axial flows of heat of a co ⁇ vective nature, the helical instabilities of the arc, and the mass transport along the 'arc, elements which lead to the redeposition of residual products and therefore to the variations of the properties of the treated surface, along the direction of the arc.
  • Example 2 Treatment of electrically conductive materials
  • FIG. 3b The block diagram of the construction of the device used is shown in Figure 3b. This embodiment is used to deposit dielectric layers on a roll of aluminum foil 120 mm wide and 0.1 mm thick.
  • the parameters of the device are as follows:
  • Arc current 150 A Voltage 3.5 V
  • Sweep speed (roller winding speed): 1.9 m / sec
  • Thickness of the silicon oxide layer formed 50Q ⁇
  • a film deposition process (SiO 2 ) is carried out from a stabilized arc of plasma at high temperature at atmospheric pressure, continuously over a large conductive surface.
  • Argon as a component of the process gas, is used to transport small doses of reactive gases, such as oxygen and hexamethyldisilasane vapors, to slow (or even eliminate) the volume formation of SiO 2 powders, and to cool the plasma, without losing the excitation energy of molecules and radicals, to temperatures in the region of 3-4 10 a K for which the plasma has an electrical conductivity so low that there is no danger of short circuit between the electric arc and the treated metal.
  • reactive gases such as oxygen and hexamethyldisilasane vapors
  • the result of this application is the obtaining of a uniform passivating layer of silicon oxide SiO ⁇ of the thickness of 0.05 ⁇ m on the surface of the aluminum sheets.
  • This layer has excellent adhesion, is resistant to humidity and corrosion and has a good dielectric quality. It advantageously replaces the lacquer layers conventionally used which are not very solid, sensitive to humidity and of low dielectric quality.
  • FIG. 3c shows the diagram of the device for the treatment of fabrics made of organic fibers (for example polyester).
  • the purpose of the treatment is to modify the structure of the fibers and activate the hydrophilic (or hydrophobic) functions over the entire surface of the fabrics at speeds acceptable by the textile industry for the large-scale processing of its products.
  • the exit slit 38 ′ is produced in the form of a labyrinth so as to exclude the irradiation of the surface to be treated by the ultra-violet rays coming from the discharge, since it is known that the ultra-violet rays violets reduce the solidity qualities of synthetic materials and transform their color.
  • the body of the device is made up of two halves.
  • a 0.2 Tesla magnetic field was added to maintain the arc at the desired distance L from the surface of the tissue to be treated.
  • the result of the treatment is an activation of the surface and a significant increase in its hydrophilic properties.
  • a fabric In combination with certain chemical elements introduced into the zone of contact of the activated gas curtain with the surface to be treated in the form of a flow of complementary treatment gases Q 2 , such as for example C 3 F 6 , a fabric was obtained substantially. hydrophobic (wettability angle around 170 °) which is resistant to washing.
  • the gas C 3 F 6 is introduced upstream of the contact of the activated curtain with the fabric through the longitudinal slot between the body 10 of the curtain generation device and the fabric.
  • Figures 1 and 3 show the diagram of the device for pickling the silicon wafers of the photoresist (photoresist stripping) used during photolitography operations, in Electronics.
  • the silicon wafers tested had a diameter of 200 mm.
  • the thickness of the photoresist layer was 0.3 ⁇ m.
  • the parameters of the device are:
  • Width of the outlet gap of the activated gas curtain 2 mm
  • the photoresist can be stripped regardless of the degree of annealing.
  • Figures 1 and 3d show the diagram of the device for the etching on silicon wafers of silicon oxide through photoresist masks. This operation is used during photolithography operations in electronics.
  • the treated silicon wafers had a diameter of 200 mm.
  • the wafer was fixed to a support subjected to the action of an ultrasonic generator so that the vibrations of the surface to be treated take place in the direction perpendicular to the surface of the silicon wafer.
  • the distance between the photoresist masks was 0.1 ⁇ .
  • Stabilizer channel diameter 5mm
  • Trenches with practically vertical walls were obtained, 1 ⁇ m deep and 0.1 ⁇ m wide. This result is of great interest for electronic applications, for example pickling for conventional vacuum plasma systems gives a degree of a ⁇ isotropy below 30, therefore much lower than the degree of anisotropy obtained by the process according to the invention.
  • the claimed method and devices can be used for the manufacture of powders and, in particular of submicron and nanometric powders.
  • the uniform distribution of the parameters of the activated gas curtain makes it possible to obtain an identical formation of clusters and powders at the different locations of the curtain and therefore to obtain good selectivity in producing the powder with minimal dispersion. its grain size, grain dimensions and their properties.
  • Polycrystalline SiO 2 powders with a grain size of 10Nm ⁇ 10% were formed on a support in the form of a caterpillar conveyor. Uniformly over a width of the conveyor of 20cm.
  • the incident activated gas which serves as a reactive agent is out of thermodynamic equilibrium since the condition v> U ⁇ is fulfilled.
  • the L ⁇ values of all the examples are less than or equal to 10 "4 sec, which is a characteristic relaxation time of the states of the particles of the activated gas curtain, which demonstrates the metastable nature of the active particles in these examples It must remain so inside the boundary layer which separates the incident gas from the surface to be treated.
  • the diffusion length D of the molecules, radicals and activated atoms contained in the flow of gas activated during their passage through the boundary layer between the incident flux and the treated surface must be greater than the thickness ⁇ of the boundary layer, as shown in the following estimate.
  • the Lewis, Prandtl and Sch idt numbers are of the order of unity and the thicknesses of the boundary layer with respect to the phenomena of thermal conduction, diffusion , and viscosity are substantially equal.
  • the thermal conduction coefficient ⁇ of the gases activated at atmospheric pressure, and for an incident flux temperature of ⁇ 10 4 K, is of the order of 1 W / m. Of degree.
  • the thickness of the boundary layer is therefore: ⁇ ⁇ ⁇ / q ⁇ 10 m
  • the diffusion length D is estimated as: D "1 / nQ ⁇ 1Q" a m where n is the density of the active particles of the incident flux, ie 0 23 m ⁇ and Q is the cross section of the inelastic interactions (ie deactivating interactions). This is less than O ' ⁇ m 2 for most molecules and radicals and even excited atoms (see LS Polak, Physics and chemistry of low temperature plasma. Naouka, Moscow 1971, ⁇ . 344).

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Abstract

Un dispositif pour le traitement de surface comporte des électrodes (24a, 24b) pour l'amorcement d'un arc électrique de plasma stabilisé (14), un canal stabilisant (12) dans un corps (10) pour confiner l'arc électrique de plasma stabilisé, des conduits (38, 39) dans le corps pour l'introduction uniformément distribuée le long dudit arc d'un gaz de traitement Q1 en amont dudit arc dans une direction essentiellement perpendiculaire à l'axe A dudit arc de manière à former un rideau de gaz activé (8), des moyens d'introduction d'un gaz de traitement complémentaire Q2 en aval dudit arc électrique et un support (28) pour le maintien de l'objet ou du matériau à traiter et pour le positionnement de la surface à traiter dudit objet ou matériau par rapport au corps (10).

Description

Procédé et dispositif de génération d'un rideau de gaz activé pour traitement de surface
lia présente invention concerne un procédé de génération d'un rideau de gaz activé a l'aide d'une décharge électrique pour le traitement de surfaces de matériaux conducteurs, semi-conducteurs, ou diélectriques, ainsi qu'un dispositif pour la mise an oeuvre du procédé.
Les traitements de surface qui peuvent être effectués incluent entre autres la stérilisation, le décapage, le dépôt de films ou l'activation de particules à la surface dμ matériau.
Lé traitement de grandes surfaces à l'aide de flux de plasma de section ronde elliptique ou annulaire par des procédés conventionnels est effectué par un balayage de la surface dans deux directions. Le traitement de grandes surfaces à l'aide de flux du type râteau ou rideau de plasma conventionnel permet d'effectuer un balayage de la surface dans plusieurs directions, à condition que la longueur du râteau ou du rideau soit supérieure à la largeur de la surface à traiter.
Un αésavantage des dispositifs de balayage à deux dimensions est qu'il y a un effet de redéposition de résidus sur la partie périphérique de la surface à traiter en raison d'une certaine migration des produits résiduels, tels que des microorganismes, des resites d'huiles et de graisses, et des produits de photorésiste dans les zones environnant le traitement. En plus, échauffement non contrôlé et répété des zones périphériques et le passage de la surface à traiter sous un plasma non-conditionné peut provoquer soit un recuit du matériau, soit un traitement partiel ou des transformations physico-chimiques non complètes de la surface à traiter. Ces désavantages sont également présents dans les procédés où l'on effectue un balayage par rotation qui, en raison des différentes vitesses linéaires de balayage à différents diamètres, ont le désavantage supplémentaire des durées différentes de traitement local. On ne peut obtenir un traitement uniforme que de manière statistique, en effectuant de nombreux balayages sur une même zone, ce qui exclut un traitement de surface de précision du matériau.
L'utilisation de dispositifs sous forme de râteau ou de rideau de plasma est plus souhaitable en pratique, puisque Ton peut traiter la surface entière en un passage. Les effets de re-déposition sont donc fortement réduits. Il persiste, cependant, les problèmes de recuit et de traitement partiel ou de transformations physico-chimiques incomplètes du matériau, car il est difficile d'obtenir des paramètres du plasma rigoureusement uniformes sur toute la longueur du râteau ou rideau de plasma. Les zones d'intersection des différents jets de plasma ont des propriétés différentes des zone axiales des jets. On peut remédier à ces problèmes en partie en utilisant des champs magnétiques puisants qui font osciller les jets.
Un autre problème des dispositifs conventionnels est qu'une certaine quantité de vapeurs de métaux provenant des électrodes est présente dans le jet de plasma et contamine la surface traitée, La plupart des applications ne permettent pas la présence d'additions métalliques dans le plasma de plus de 0,0001 à 0,001 %. C'est le cas, par exemple, des applications dans les domaines de l'électronique, des appareils pour l'Espace, des dispositifs catalytiques. Les moyens classiques pour réduire les vapeurs métalliques comprennent l'optimisation du matériau des électrodes, et du gaz générateur, à diminuer le courant et augmenter la tension de la décharge, à condenser les vapeurs de métal sur les parois.
Les mesures les plus efficaces pour combattre les additions métalliques sont prises toutefois dans les générateurs de plasma destinés à l'analyse spectroscopiqué des matériaux. On utilise des mesures spéciales telles que l'élimination des vapeurs métalliques par effet piπch thermique et électromagnétique et l'utilisation de régimes de décharges sans taches cathodique et anodique. De telles solutions sont présentes dans les plasrnatrons utilisés pour la détermination de la composition de minerais naturels. Ils résolvent le problème de la génération d'un plasma spectralernent pur dans laquelle la concentration de vapeurs métalliques n'est pas observable par les méthodes spectrographiques connues. Cependant, il est impossible d'utiliser ce type de plasmatron pour obtenir un flux de plasma uniforme le long d'une grande surface.
Il est connu d'utiliser un arc électrique généré dans une chambre cylindrique par deux jets d'électrodes dirigés l'un à encontre de l'autre. Une fente longitudinale est pratiquée dans l'enceinte cylindrique. Le flux de plasma sortant de la chambre par la fente et est utilisé pour différents traitements tels que le recouvrement de pièces par poudres fondues. Dans un tel dispositif, si on évite certains problèmes de la génération d'un flux de plasma sous forme de rideau, l'utilisation de jets de piasma allant à rencontre l'un de l'autre ne permet pas d'assurer un flux de plasma uniforme sur toute fa longueur de la fente, La non-uniformité de plasma est non seulement due aux effets hydrodynamiques, mais également aux instabilités hélicoïdales de nature électrodynamique, dues à l'absence de stabilisation de plasma. En outre, le piasma contient inévitablement des additions métalliques provenant des électrodes. Tous ces effets rendent ce procédé connu inutilisable pour tous traitements de précision, notamment dans le domaine de l'électronique.
Un procédé et dispositif de génération d'un cordon de plasma uniforme, tel que décrit dans la demande de brevet WO 99/46964 ou tel que proposé et utilisé pour la stérilisation de surfaces (voir P. Koulik, S. Krapïvina, A. Saïtchenko, M. Samsonov, Vide N°299. Volume1/4, 2001, ρ.117), consiste à générer un plasma en équilibre thermodynamique dans un canal diélectrique formé d'une part, par un ensemble de diaphragmes isolés les uns des autres et dans lesquels est pratiquée un passage sous forme de gouttière, et d'autre part par la surface à traiter. Il est important de souligner que la surface à traiter, elle-même prend part à la stabilisation de l'arc. Si le canal stabilisant ainsi formé est cylindrique, le traitement le long de l'axe du canal stabilisé est théoriquement strictement uniforme. Le traitement d'une surface étendue se fait par balayage. Dans ce cas, le traitement sur toute la surface est théoriquement uniforme.
Le procédé précité a cependant deux désavantages. Le premier est que seules les surfaces diélectrique peuvent être traitées. Vu que le plasma est longrtudiπalement sous tension, l'expérience montre qu'une partie du courant passe par le corps à traiter s'il est faiblement conducteur (par exemple une plaque de silicium). Il en résulte une altération de la surface à traiter, par exemple due à la formation de microcratères due à des microclaquages dans les zones où la différence de potentiel entre le plasma et le corps à traiter est la plus grande. Le deuxième désavantage est que la surface du corps à traiter fait partie du canal stabilisant et que de ce faite la moindre irrégularité de la surface à traiter ou la moindre variation de la section du canal stabilisant, notamment lors du mouvement de balayage, ou encore la moindre instabilité dans le temps, provoquent une variation du courant et donc de tous les paramètres du plasma. Ce système est donc instable et obtenir un traitement de surface uniforme dans ces conditions est pratiquement impossible.
Au vu des inconvénients précités, un but de l'invention est de réaliser un procédé de traitement de surface permettant un traitement efficace et uniforme de grandes surfaces à traiter, ainsi qu'un dispositif pour la mise en œuvre du procédé.
II est avantageux de réaliser un procédé de traitement de surface et un dispositif pour la mise en œuvre du procédé qui est versatile, notamment qui permet d'effectuer différents traitements de surfaces tels qu'une stérilisation, un décapage, un dépôt de film ou une activation de surface, et qui permet de traiter différents matériaux tels que les matériaux diélectrique, semi-conducteur, conducteur, liquide ou solide. Il est également avantageux de réaliser un procédé de traitement de surface qui peut être utilisé pour la formation de poudre. Il est avantageux de réaliser un procédé de traitement de surface et un dispositif pour la mise en œuvre du procédé qui permet d'éviter le dépôt de composants chimiques indésirables, tels que les vapeurs métalliques provenant d'électrodes.
Des buts de l'invention ont été réalisés par un procédé de traitement de surface selon la revendication 1 et par un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 11 ,
Dans la présente invention, un procédé de traitement de surface ou de formation de poudres sur une surface comprend la formation d'un arc électrique de plasma stabilisé, la génération d'un jet de gaz activé sous forme de rideau à partir dudit arc électrique essentiellement perpendiculairement à l'axe A dudit arc électrique et la projection du rideau de gaz activé sur la surface à traiter, caractérisé en ce que l'on ajuste la distance L séparant l'axe A de l'arc électrique de la surface à traiter ainsi que la vitesse v des flux de gaz activé de manière à ce que les particules du rideau de gaz activé sont électriquement neutres et à l'état métastable au moment du contact avec la surface à traiter.
En particulier, l'on ajuste la distance L séparant l'axe électrique de la surface à traiter et la vitesse v du flux de gaz activé afin de satisfaire la relation IJV > % où τ est le temps de relaxation des états métastables des particules.
Dans le procédé selon l'invention, l'on ajuste également les paramètres du flux de gaz activé et la vitesse de balayage afin de satisfaire la relation suivante : la longueur de diffusion D des molécules, radicaux et atomes activés contenus dans le rideau de gaz activé est supérieur à l'épaisseur δ de la couche limite séparant le gaz activé incident de la surface à traiter. En pratique, compte tenu de la complexité de calcul de la couche limite, la relation précité est obtenu de manière empirique par des essais, en enregistrant différents paramètres du procédé, tels que les vitesses, les densités et les températures du flux de gaz activé et du flux de gaz entraîné par la surface à traiter. Afin de créer le rideau formé de particules électriquement neutres à l'état métastable, un des moyens selon l'invention est de régler la vitesse du gaz composant le rideau de gaz activé, de sorte qu'elle soit supérieure au rapport de la distance entre l'axe central de l'arc électrique et la surface à traiter au temps de relaxation des particules composant ledit rideau de gaz activé.
En générant un rideau de gaz activé avec des dimensions transversales réduites, la présente invention permet de créer des gradients importants de température et de concentration des composantes du gaz activé sur la surface à traiter. De cette manière, le procédé selon l'invention permet d'assurer l'accès à la surface à traiter par diffusion non seulement de molécules et de radicaux excités, mais aussi d'atomes excités, ce qui élargit fortement les domaines d'application du procédé selon l'invention, notamment dans l'électronique.
L'arc électrique stabilisé est créé par un dispositif comprenant des diaphragmes isolés les uns des autres qui forment un canal de section complexe (cylindrique, carrée, rectangulaire, triangulaire et autres), ayant une ou plusieurs entrées pour y faire accéder, essentiellement perpendiculairement à Taxe de cet arc, un flux de gaz de traitement uniforme le long de l'axe de Tare. Par gaz de traitement on entend gaz d'apport pour la création et le maintien de l'arc électrique de plasma ainsi que pour la génération de particules activées et, le cas échéant, un gaz réactif pour effectuer un dépôt de films ou une autre réaction chimique avec la surface à traiter. Ce gaz de traitement est activé lors de son contact avec l'arc stabilisé et sort du canal par un passage de sortie qui peut être sous forme d'une fente parallèle à Taxe de l'arc de manière à ce que le flux résultant soit un rideau de gaz activé. Le gaz ou mélange gazeux formant le gaz de traitement, la vitesse du flux de gaz activé, la distance séparant l'axe de l'arc électrique de la surface à traiter ainsi que la vitesse de balayage de la surface à traiter sont choisis et maîtrisés pour faire de sorte que le gaz activé est hors d'équilibre thermodynamique, ou autrement dit métastable, et uniforme dans une direction parallèle à l'arc électrique qui l'a activé. Ce rideau de gaz activé est donc projeté sur la surface à traiter, le mouvement de balayage relatif permettant un traitement uniforme sur toute la surface à traiter. Suivant \a nature des gaz introduits, il est possible d'effectuer différents traitements de surface, tels que le décapage, le nettoyage, la stérilisation et le dépôt de films, ou de former des poudres sur une surface de support.
Le gaz activé formant le rideau ne comprenant pas de particules électriquement chargées et donc n'étant pas conducteur d'électricité, il n'y a pas d'interférence entre la surface traitée et l'arc stabilisé. Le traitement est donc stable et indépendant de l'état, des propriétés (notamment diélectriques), du mouvement et de la position de la surface traitée.
Ledit rideau de gaz activé peut être créé à des pressions subatmosphériques (vide) ou suratmosphériques. Son application optimale se fait toutefois à pression atmosphérique.
Une caractéristique importante de la présente invention est que le flux de gaz de traitement, lors de son contact avec l'arc stabilisé de plasma, dont la température peut être très élevée (par exemple 25-30.10SK) est activé par effets de photo- activation, et d'activation par collisions inélastiques avec les particules de haute énergie du plasma, notamment avec les électrons périphériques, dont la température est supérieure à la température des particules lourdes (atomes ions). La construction du générateur de rideau de gaz activé est conçue de manière à ce que le flux de gaz de traitement Q-i en amont de l'arc électrique stabilisé accède tangentiellement à l'arc par une ou plusieurs fentes longitudinales, de manière à contourner le noyau fortement ionisé et de haute température de l'arc. D'une part, le gaz de traitement stabilise l'arc, concourant à en augmenter la température, puisqu'il contracte la section de l'arc par laquelle passe la plus grande partie du courant électrique. D'autre part, le gaz de traitement s'active par convection, par photo- activation, et par transfert d'énergie à ses particules de la part des particules périphériques de l'arc électrique de plasma, notamment des électrons de haute énergie. De cette manière, le flux de gaz est porté dans un état métastable de non- équilibre thermodynamique. Cet état a un temps de vie (relaxation) relativement court. La vitesse du flux de gaz doit être choisie de telle manière qu'elle soit assez S grande pour que le flux de gaz activé puisse atteindre la surface à traiter sans perdre son activation.
Une autre caractéristique importante de l'invention est que le flux de gaz activé n'est pas ionisé (c.à.d conducteur d'électricité). Cette condition peut être réalisée en faisant de sorte que le flux de gaz de traitement ne contacte essentiellement que la zone périphérique de l'arc pauvre en particules chargées. La présence de particules chargées électriquement dans le rideau de gaz activé est à éviter pour deux raisons. La première est qu'une particule chargée électriquement a une section efficace élevée d'interaction élastique avec une particule neutre, ce qui concourt à lui faire perdre son énergie d'activation avant son contact avec la surface à traiter, La deuxième est que les particules chargées électriquement confèrent une conduction électrique au rideau de gaz activé avec toutes les conséquences néfastes mentionnées précédemment.
De manière générale, une condition importante pour la réalisation de (a présente invention est que le temps de passage des particules du rideau de gaz activé de l'arc électrique à la surface à traiter, soit inférieur au temps de relaxation τ des particules activées. Cela amène à Ja relation, pour la vitesse v du flux des particules activées v ≥ L/τ où L est la distance entre l'axe centrale de l'arc et la surface à traiter.
En pratique, pour des distances L environ égales à 1cm et des temps de relaxation de l'ordre de 10'4 sec (voir L.S. Polak Cinétique plasmo-chimique, Physique et Chimie des plasmas à basse température, Naouka, Moscou 1971 p.302-3S0) on a la relation v ≥ 10Om/s. En pratique, sur la base des règles mentionnées ci-dessus, le spécialiste pourra trouver la vitesse à laquelle le jet de gaz activé doit être projeté sur la surface à traiter pour chaque cas concret.
Il est à remarquer que dans WO 99/46964, on mentionne la possibilité de créer un flux de gaz de faible conductivité électrique en séparant la zone de contact du flux de gaz avec le cordon de piasma et la zone de traitement par une lumière à épaisseur variable. On insiste sur le fait que la température du gaz obtenu peut être très proche de celle du cordon de plasma mais que la conductivité électrique est "éliminée", Cette argumentation est basée sur des calculs publiés par Yu Raizer ( 987) ou les gaz sont en état d'équilibre thermodynamique. Le flux de gaz résultant, dans ce cas n'est qu'un flux de gaz chaud et son action sur la surface à traiter ne sera qu'un traitement d'échauffement avec éventuellement plus ou moins d'ablation, ou de dépôt de film par voie pyroiithique. Les applications de ce type dans le domaine des traitements de surface sont très limitées.
Une différence importante de la présente invention par rapport aux procédés connus est que le rideau de gaz activé est en état métastable (hors d'équilibre thermodynamique) quand il arrive en contact avec la surface. Cela veut dire que les particules apportent à la surface à traiter non seulement leur énergie thermique mais surtout leur énergie d'activation. Ceci rend possibles des réactions chimiques entre les particules de la surface et les particules activées du rideau de gaz à l'état métastable qui ne peuvent pas être réalisées dans le cas du flux de gaz chaud en équilibre thermodynamique,
Une autre différence substantielle est que un ou plusieurs flux de gaz de traitement, appelé flux de gaz de traitement complémentaire Q2, est mis en contact avec le flux de gaz de traitement activé par l'arc, et ceci en aval de l'arc. Les flux de ga∑ de traitement complémentaire sont organisés de manière à varier le niveau de température du rideau de gaz activé, mais surtout son niveau d'activation et sa composition chimique. Le flux de gaz de traitement complémentaire peut être amené en contact avec le flux de gaz activé par des canaux latéraux le plus souvent en forme de fentes longitudinales pratiquées dans le corps du dispositif de génération du rideau, ou formés par des buses ajoutées. Un moyen très efficace d'apport du gaz de traitement complémentaire Q2 est de l'introduire dans l'interstice existant entre la surface à traiter et le corps du dispositif de génération du rideau. Ce moyen est très simple et efficace, puisque la surface à traiter entraîne le gaz de traitement complémentaire par l'intermédiaire de la couche {imite. Comme la surface du corps du rideau de gaz activé est parallèle à la surface à traiter (ou à la surface du support), l'écoulement des gaz dans la fente délimitée par ces surfaces est un écoulement laminaire de Couette, La distribution des vitesses en direction perpendiculaire au flux est linéaire. Il est donc avantageux de doser la quantité de gaz de traitement complémentaire et le distribuer en fonction du débit et de la distance entre la surface à traiter et l'endroit d'introduction du gaz de traitement complémentaire. De cette manière, la composition du gaz dans l'interstice entre la surface à traiter et le corps du dispositif est totalement contrôlée. Le dispositif d'introduction du gaz de traitement complémentaire n'est représenté sur les figures que par une ou des flèches Q2.
Les traitements de décapage, de nettoyage, de stérilisation, de dépôts de films sont, dans ce cas extrêmement efficaces, et ouvrent de nouvelles possibilités pour la technologie dans les domaines spécifiques tels que le traitement des semi- conducteurs, du verre et des matières polymériques. Un avantage majeur de la présente invention est que les traitements de décapage, de nettoyage et de dépôt de films peuvent être effectués à froid, à.d sans échauffement significatif de la surface à traiter, rien qu'en exploitant l'énergie d'activation des particules incidentes, apportées à la surface à traiter par le rideau de gaz activé.
Dans le cas où l'on génère l'arc électrique, et donc un plasma, par une source de courant continu, il est avantageux de générer un champ magnétique, perpendiculaire aux lignes de courant de l'arc électrique de plasma stabilisé pour maintenir le plasma à l'aide des forces d'Ampère, dans le canal stabilisant.
D'autres aspects avantageux de l'invention ressortiront des revendications et de la description de formes d'exécution et des exemples ci-après, en relation avec les figures dans lesquelles
la Fig. 1 est une vue en perspective simplifiée d'un dispositif de traitement de surface selon l'invention; les Figures 2a à 2h sont des vues en section de différentes formes d'exécution d'un dispositif pour le traitement de surface selon l'invention; et
les Figures 3a à 3d sont également des vues en section simplifiées de différentes formes d'exécution d'un dispositif pour le traitement de surface selon l'invention,
Faisant référence aux figures, un dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé de traitement d'une surface à traiter 2 d'un objet à traiter 4 comprend un dispositif 6 de génération d'un rideau de gaz activé 8. Le dispositif de génération d'un rideau de gaz activé 6 comporte un corps 10 comprenant un canal stabilisant 12 pour guider et stabiliser un arc électrique de plasma 14, une ou plusieurs conduits d'entrée 16 pour du gaz de traitement Qi en communication avec le canal stabilisant 12 via un canal collecteur de gaz 18, et une ouverture, un passage ou une tuyère de sortie 20 de gaz activé en communication avec le canal stabilisant 12. Le corps 10 peut être formé de lamelles ou diaphragmes stabilisants 22 juxtaposés, par exemple, en un matériau bon conducteur thermique, tel qu'un métal muni d'une couche d'isolation pour isoler électriquement les lamelles les unes des autres. Un système de refroidissement, tel qu'un circuit d'eau (non montré) peut être réalisé dans le corps 10 afin de refroidir le corps compte tenu de la température très élevée de l'arc électrique de plasma.
Le dispositif comprend en outre des électrodes positive 24a et négative 24b pour générer l'arc électrique , les électrodes étant connectées à une source de courant électrique 26. Le dispositif 6 peut en outre être muni d'un générateur de champ électrique 42 (voir Fîg. 3c) pour positionner l'arc électrique. Le dispositif de traitement peut en outre comporter un système cinématique pour déplacer l'objet à traiter 4 par rapport au dispositif de génération de plasma 6 pour effectuer le mouvement de balayage du rideau de plasma 8 sur la surface à traiter 2 (le système cinématique n'est pas montré).
Le plasma généré par l'arc électrique 14 initié entre les électrodes 24a, 24b est stabilisé et orienté parallèlement à la surface à traiter 2 par la paroi du canal stabilisant 12 formée par les lamelles métalliques 22 électriquement isolées les unes des autres et par un flux de gaz de traitement Q>ι dirigé essentiellement perpendiculairement à l'axe du canal stabilisant et donc de l'arc électrique. Le gaz de traitement est distribué uniformément sur toute la longueur du cordon de plasma, de telle manière que le flux de gaz activé résultant soit dirigé vers la surface à traiter 2 du corps à traiter 4, qui est monté sur un support 28 propulsé par un mécanisme de mouvement translationnel 30, assurant le balayage de la surface à traiter par le rideau de gaz activé 8.
Un dispositif 32 générant des ondes acoustiques ou ultrasonïques est éventuellement monté sur le support pour générer des vibrations de la surface à traiter 2, ce qui permet d'effectuer un traitement anisotrope de ladite surface.
Afin d'éviter que les électrodes anodiques et cathodiques 24a, 24b ne contaminent le rideau de gaz activé avec des vapeurs métalliques, elles sont disposées sous des angles différents de zéro par rapport à l'axe centrale A de l'arc électrique de plasma.
Les électrodes 24a, 24b peuvent être situées dans des poches hermétiques (non montrées) assurant l'égalité des pressions dans les zones anodîque et cathodique ainsi que dans la zone de l'arc électrique, de manière à ne pas perturber (dans une direction perpendiculaire à l'axe A de l'arc) le flux de gaz activé pour ne pas altérer l'uniformité des paramètres du rideau de gaz activé. D'autre part, un système de joints hermétiques entre les diaphragmes à lamelles stabilisants 22 assure l'absence de courants de gaz dans une direction autre que la direction perpendiculaire à l'axe A de l'arc électrique, ce qui concourt à conditionner l'uniformité longitudinale du rideau de gaz activé.
Les conduits d'entrée de gaz ou de mélanges gazeux dans le dispositif de génération du rideau de gaz activé sont avantageusement effectuées par l'intermédiaire des canaux collecteurs 18 destinés à égaliser la pression statique des gaz avant et après leur passage à travers l'arc électrique stabilisé 14 et donc d'assurer la distribution uniforme de ces gaz sur toute la longueur du rideau de gaz activé 8.
L'entrée du gaz de traitement dans le canal stabilisant 12 peut s'effectuer soit à travers des parois poreuses 36 telles qu'illustrées dans les figures 2g et 2h, soit par des fentes étroites 38 telles qu'illustrées dans les figures 2a à 2f. Dans les formes d'exécution des figures 1 et 2a, l'alimentation du canal stabilisant 12 se fait par l'intermédiaire d'une entrée sous forme de fente verticale, dans ces cas centrale, alors que dans les formes d'exécution des figures 2c, 2e et 2f, l'alimentation se fait par l'intermédiaire de fentes latérales 88, c'est-à-dire ayant un angle plus grand que zéro par rapport à la direction du flux de gaz du rideau de gaz activé et/ou décalées du plan vertical passant par Taxe A de l'arc, réalisées de part et d'autre dudit plan vertical. Le corps peut être muni de plusieurs fentes latérales de chaque côté de l'arc, distribuées autour du canal stabilisant. Les fentes latérales ne doivent pas nécessairement être positionnées symétriquement autour du canal stabilisant, dépendant du profil du canal est de la position de la fente de sortie. On peut également prévoir une combinaison des fentes latérales 38 et centrale 39, telles que montrées dans les figures 2b et 2d.
Toutes causes d'apparition de gradients des différents paramètres du plasma le long de l'axe A de l'arc électrique de plasma et qui occasionnent une non-uniformité du rideau de gaz activé 8 et donc du traitement, sont absentes dans la présente invention. Ceci est dû, d'abord à l'absence de flux de gaz dans une direction non perpendiculaire à l'axe A le long du rideau de gaz activé, ainsi qu'à l'utilisation d'électrodes 24a, 24b dont les axes ne correspondent pas à l'axe A de l'arc électrique de piasma stabilisé dans le canal stabilisant. D'autre part, de cette manière, il n'y pas d'éjection dans le canal stabilisant de vapeurs de métal issues des électrodes, qui sont évacuées par convection.
Dans le procédé de traitement selon l'invention, un arc électrique de plasma est allumé entre les électrodes 24a, 24b et est stabilisé par les parois du canal stabilisant 12 et un flux de gaz de traitement Qi. La surface à traiter est montée sur le support mobile 28 pour effectuer un mouvement relatif de balayage par rapport au rideau de gaz activé 8. Le gaz de traitement est introduit dans le canal stabilisant 12 par les fentes d'entrée latérales et/ou centrale 38, 39 ou à travers des pores 36 du côté opposé à la surface à traiter. Celui-ci, passant en partie à travers la zone périphérique de l'arc électrique de plasma et en partie en contournant l'arc, s'échauffe, s'active et sort sous forme de rideau de gaz activé en direction de la surface à traiter par l'ouverture ou le passage de sortie 20. Le passage de sortie 20 peut être sous forme d'une fente d'une largeur déterminée. Pour beaucoup d'applications, la largeur de la fente est de préférence inférieure au diamètre de l'arc électrique de plasma (14) afin de former un rideau de gaz activé mince et dont les paramètres peuvent être bien contrôlés. Une fente de sortie mince aide également à bien confiner et stabiliser l'arc électrique de plasma. Les fentes latérales 38 pour l'introduction des gaz de traitement Qi dans le canal stabilisant 12 sont très avantageuses puisqu'elles permettent de confiner l'arc électrique de plasma d'une part, et de déterminer la proportion de gaz passant à travers la zone périphérique de l'arc électrique de plasma et la proportion de gaz contournant l'arc électrique afin d'ajuster la composition et la densité en particules actives du rideau de gaz activé. Les parois poreuses pour une introduction de gaz de traitement autour de l'arc telle que montrée dans les figures 2g et 2h permettent également d'ajuster les paramètres du rideau de gaz activé et de confiner l'arc électrique. Il est à remarquer que la position des fentes d'entrée de gaz latérales 38, en combinaison avec le profil du canal stabilisant (carrée, cylindrique, triangulaire ou autres) influence les propriétés et la composition du rideau de gaz activé, la disposition de ces éléments permettant d'optimiser le dispositif pour le traitement à effectuer, qui dépend notamment du type et du matériau de l'objet à traiter.
Lors du mouvement linéaire de ta surface à traiter par rapport au rideau de gaz activé, ce dernier interagit avec la surface à traiter et effectue le processus voulu (stérilisation, activation, décapage, dépôt de films, formation de poudres, etc). Le traitement à effectuer influence les paramètres du procédé, tels que le temps de contact, la température du plasma, la vitesse de mouvement relatif, la distance entre le centre de l'arc électrique du plasma et la surface à traiter et la composition des gaz de traitement, La flexibilité du procédé proposé de génération de piasma et l'envergure des technologies réalisables sont illustrées par les diapasons suivants des principaux paramètres du plasma :
• Température du plasma : de 10000 à 30000 degrés Kelvin, • Vitesse du plasma : de 10 à 1000 m/s. (jusqu'à la vitesse du son pour la température donnée du plasma).
• Composition du plasma : gaz inerte, milieu oxydant, réduisant, gaz chimiquement actifs pour la synthèse de produits complexes, poudres ultradisperses.
• Densité du flux de chaleur : de I0"1 à I02 W/m2.
• Pureté du plasma : absence d'additions non désirées, notamment vapeurs de métaux.
Les paramètres donnés varient en fonction du courant électrique, des débits de gaz de traitement, de la hauteur de l'arc électrique, de la position des fentes d'entrée et de sortie des gaz de traitement et des gaz résiduels, de l'endroit d'entrée et du débit de traitement Qi et des gaz de traitement complémentaires Q2. Par gaz de traitement complémentaires on entend des gaz Q2 destinés éventuellement à refroidir le flux de gaz activé sans le désactiver, ou à en diminuer, éventuellement, la conductivité électrique, ou à en changer la composition chimique (introduction de gaz actifs) ou destinés au dépôt de films (introduction de poudres ultradisperses ou de vapeurs d'éléments organiques ou organométalliques ou non organiques).
Le réglage des paramètres du traitement se réalise dans le dispositif de la présente invention par une construction appropriée du canal stabilisant, et du schéma d'introduction et d'évacuation des gaz.
Le corps 10 du dispositif de génération du rideau est fabriqué en métal ayant une bonne conductivité électrique et thermique. Pour éviter les courts-circuits, il est constitué de diaphragmes, électriquement isolés les uns des autres. On peut également construire la paroi du canal stabilisant en un bloc d'un matériau résistant aux hautes températures de l'arc. Ceci peut être, par exemple, un matériau réfractaire (céramique) poreux à travers lequel est introduit uniformément le gaz de traitement, qui a également l'effet de refroidir la céramique, tel que montré dans les figures 2g et 2h.
Le canal stabilisant 14 peut être de section demi-ronde (figures 2a et 2g), ronde (figure 2b), triangulaire (figure 2c), carrée (figures 2e et 2f) ou de formes composées (figure 2d). Ces variantes correspondent à différents moyens de fabrication du corps 10 et du canal stabilisant 12,
Il est important de bien choisir l'endroit d'introduction du gaz de traitement Q-*. Une fente d'introduction par le bas, au centre du canal, assure un bon remplissage du canal stabilisant, dans tout son volume (figures 2a, 2b). Une introduction latérale (figure 2a) ou tangentielle (figure 2d), permet d'affaiblir l'action du plasma sur les parois verticales du canal.
Les gaz ou mélanges de gaz de traitement complémentaires Q2 doivent s'introduire davantage au commencement de la formation du rideau de gaz activé (figures 2a, 2e, 2f) ou aussi en aval du flux (figures 2b, 2c, 2d), ou directement le long de la surface à traiter (figures 2c, 2d, 2h).
Pour certaines applications, il est utile de déplacer de côté le canal de sortie du rideau de gaz activé par rapport au cylindre formant l'arc stabilisé en formant un labyrinthe 38 tel que montré dans la Fig. 3c de telle manière que les rayons ultraviolets issus de l'arc électrique de plasma ne puissent pas atteindre la surface à traiter et soient reflétés en arrière par les parois saillantes du labyrinthe 40.
Il est aussi utile de prévoir la possibilité d'inverser les fonctions des canaux d'introduction du gaz ou du mélange gazeux de traitement et d'évacuation des gaz résiduels pour assurer le traitement de la surface lors d'un mouvement de balayage de va-et-vient. Les exemples suivants permettront d'illustrer et de mieux comprendre la mise en oeuvre de la présente invention :
Exemple 1 : Traitement de matériaux diélectriques
La forme d'exécution utilisée pour cet exemple correspond à celle montrée dans la figure 3a. Cette forme d'exécution permet la fusion superiïcielle de grandes surfaces de matériaux réfractaires telles que des briques de dimensions 350 x 150 x 30 mm.
Les paramètres de l'installation sont : Courant de l'arc 150 A Tension 280 V
Longueur de l'arc 200 mm.
Forme de profil du canal stabilisant triangulaire Diamètre effectif de la section du canal stabilisant 5 mm Distance L séparant l'axe de l'arc de la surface à traiter 10 mm
Le corps du dispositif, comme dans tous les exemples suivants, comprend des diaphragmes métalliques refroidis, l'épaisseur d'un diaphragme étant de 6 mm.
Quantité de cathodes : 1
Quantité d'anodes : 2
Débit d'argon, utilisé comme gaz d'apport : 5l/min.
Vitesse de balayage : 0,6 /min
Vitesse v du gaz activé : 00m/sec
Résultats :
Epaisseur de la couche vitriforme formée - 1mm.
Le processus mentionné est un traitement d'activation de la surface: On utilise un traitement puissant mais des flux hydrodynamiques faibles pour éviter les é aboussures du matériau superficiellement fusionné. Dans ce cas, la largeur du rideau de gaz activé à l'endroit du traitement est de 5 mm. L'uniformité du traitement sur toute la longueur du matériau, est d© ± 10 % et est déterminé par les paramètres de fabrication du matériau réfractaire et sa porosité initiale.
Dans un procédé connu du traitement par plasma de matériaux de construction, le matériau est traité par un arc libre (non stabilisé) pressé contre la surface à traiter par un champ magnétique, l'arc étant en contact avec la surface à traiter. Dans le cas de la présente invention, la surface â traiter n'est pas en contact direct avec l'arc électrique mais avec le rideau de gaz activé. La qualité du traitement et l'uniformité obtenues sont supérieures dans le cas de la présente invention, grâce à l'exclusion des flux axiaux de chaleurs de nature coπvectives, des instabilités hélicoïdales de l'arc, et du transport de masse le long de l'arc, éléments qui mènent à la redéposition des produits résiduels et donc aux variations des propriétés de la surface traitée, le long de la direction de l'arc.
Exemple 2 : Traitement de matériaux conducteurs d'électricité
Le schéma de principe de la construction du dispositif utilisé est montré sur la figure 3b. Cette forme d'exécution est utilisée pour déposer des couches diélectriques sur un rouleau de feuille d'aluminium de 120 mm de largeur et de 0,1 mm d'épaisseur.
Les paramètres du dispositif sont les suivants :
Courant de l'arc 150 A Tension 3,5 V
Longueur de la décharge 200 mm
Forme de la section du canal stabilisant triangulaire
Largeur de la fente de sortie du rideau de gaz activé 2 mm
Quantité de cathodes 1 Quantité d'anodes 1
Débit du gaz de traitement Q-i (Ar) ~ 6 l/min.
Débit du gaz de traitement complémentaire Q2 : ~ 12,7 l/min (mélange gazeux d'argon, d'oxygène et d'hexaméthyldisilasane)
Vitesse de balayage (vitesse de bobinement du rouleau) : 1 ,9 m./sec
Distance L séparant l'axe de l'arc de la surface à traiter : 8 mm
Vitesse v du gaz activé : 300 m/sec
Résultats :
Epaisseur de la couche d'oxyde de silicium formée ; 50Q Λ
Uniformité de l'épaisseur du dépôt : 95 %
Dans ce cas est réalisé un processus de dépôt de film (SiO2) à partir d'un arc stabilisé de plasma à haute température à pression atmosphérique, de manière continue sur une large surface conductrice. L'argon, comme composante du gaz de traitement est utilisé pour le transport des petites doses de gaz réactifs, tels que l'oxygène et les vapeurs d'hexaméthyldisilasane, pour ralentir (voire éliminer) la formation en volume de poudres de SiO2, et pour refroidir le plasma, sans perdre l'énergie d'excitation des molécules et des radicaux, jusqu'à des températures voisines de 3-4 10a K pour lesquelles le plasma a une conductivité électrique si faible qu'il n'y a pas de danger de court-circuit entre l'arc électrique et le métal traité.
Le résultat de cette application est l'obtention d'une couche uniforme passivant d'oxyde de silicium SiO≥ de l'épaisseur de 0,05 μm sur la surface des feuilles d'aluminium. Cette couche a une excellente adhésion, est résistante à l'humidité et à la corrosion et a une bonne qualité diélectrique. Elle remplace avantageusement les couches de laques utilisées conventionnellement qui sont peu solides, sensibles à l'humidité et de faible qualité diélectrique.
Exemple 3 : Traitement de produits organiques
La figure 3c montre le schéma du dispositif pour le traitement de tissus faits de fibres organiques (par exemple de polyester). Le but du traitement est de modifier la structure des fibres et d'activer les fonctions hydrophiles (ou hydrophobes) sur toute la surface des tissus à des vitesses acceptables par l'Industrie des textiles pour le traitement à grande échelle de ses produits.
Dans le cas présent, la fente de sortie 38' est réalisée sous forme de labyrinthe de manière à exclure l'irradiation de la surface à traiter par les rayons ultra-violets provenant de la décharge, puisqu'il est connu que les rayons ultra-violets réduisent les qualités de solidité des matériaux synthétiques et en transforment la couleur. Le corps du dispositif est constitué de deux moitiés.
Les paramètres sont les suivants :
Courant 100 A
Tension 370 V
Débit du gaz d'apport (Argon 7 + 2 % d'oxygène) 108 l/min.
Diamètre effectif du canal 5 mm
Largeur de la fente de sortie du rideau de gaz activé 1 mm
Largeur de la bande de tissus traitée 200 mm
Vitesse de balayage du tissu 31 m/sec
Distance L séparant l'axe de l'arc de la surface à traiter 12 mm
Vitesse v du gaz activé 400 m/sec
Un champ magnétique de 0,2 Tesla a été ajouté de manière à maintenir l'arc à la distance L voulue de la surface du tissu à traiter.
Résultats :
Uniformité du traitement (du paramètre 'angle de mσuillabilité5): 99%
Le résultat du traitement est une activation de la surface et une augmentation sensible de ses propriétés hydrophiles.
En combinaison avec certains éléments chimiques introduits dans la zone de contact du rideau de gaz activé avec la surface à traiter sous forme de flux de gaz de traitement complémentaires Q2, tels que par exemple le C3F6, on a obtenu un tissu substantiellement hydrophobe (angle de mouillabilité aux environs de 170°) qui est résistant au lavage. Dans cet exemple, le gaz C3F6 est introduit en amont du contact du rideau activé avec le tissu par la fente longitudinale entre le corps 10 du dispositif de génération du rideau et le tissu.
Exemple 4 : Traitement de matériaux semi-conducteurs
Les figures 1 et 3 montrent le schéma du dispositif pour le décapage des galettes de silicium du photorésiste (photoresist stripping) utilisé au cours des opérations de photolitographie, en Electronique. Les galettes de silicium testées avaient un diamètre de 200 mm. L'épaisseur de la couche de photorésiste était de 0,3μm.
Les paramètres du dispositif sont :
Courant ; 120 A
Tension : 320V
Débit de gaz de traitement Q-- (Ar) : 6 l/min
Débit de gaz de traitement complémentaire Q2
(90 % Ar, Oz, N2, H2 et CF4) introduit le long de la surface à traiter : 10 l/min
Diamètre effectif du canal stabilisant : 5 mm
Largeur de la fente de sortie du rideau de gaz activé : 2 mm
Hauteur de la fente de sortie du rideau de gaz activé : 8 mm
(Ceci permet d'éviter le court-circuit entre le plasma et la galette de
Silicium pendant le décapage).
Vitesse de balayage de la galette de Silicium : 0,3 m/sec
Distance L séparant l'axe de l'arc de la surface à traiter : 12 mm
Vitesse v du gaz activé : 180 m/sec
Durée de nettoyage d'une galette : 3 sec
(Ce qui correspond à une productivité de plus de 1000 galettes par heure)
Résultats :
Uniformité du traitement (des caractéristiques électrophysiques) : 99,9 % Les tests ont montré que :
• On peut décaper le photorésiste quel que soit le degré de recuit.
• il n'y a pas de re-déposition des produits résiduels. • On peut effectuer le décapage du photorésiste après de fortes doses d'implantation ionique.
• Le phénomène de taches ou points résiduels est éliminé.
• On peut effectuer ie décapage des résidus de post-décapage (post- etch residuals : post-metal, post-poly, etc.). • Les caractéristiques électrophysiques des structures ne sont aucunement altérées.
Exemple 5 : Traitement de décapage de semi-conducteurs
Les figures 1 et 3d montrent le schéma du dispositif pour le décapage sur des galettes de silicium de l'oxyde de silicium à travers des masques de photorésiste. Cette opération est utilisée au cours des opérations de photolithographie en électronique.
Les galettes de silicium traitées avaient un diamètre de 200 mm. La galette était fixée à un support soumis à l'action d'un générateur d'ultrasons de manière à ce que les vibrations de la surface à traiter s'effectuent dans la direction perpendiculaire à la surface de la galette de silicium.
La distance entre les masques de photorésiste était de 0,1 μ .
Les paramètres étaient :
Courant ; 120 A
Tension : 320 V
Débit de gaz de support Ar : 6|/min Débit de gaz technologique ; CF4 + 90% Ar : 10l/min
Diamètre du canal stabilisant : 5mm
Largeur de la fente de sortie (du rideau de gaz activé) : 2mm Hauteur de la fente de sortie 8mm
Vitesse de balayage de la fente de sortie 0,3m/ses
Durée de décapage 10 sec
Fréquence des ultrasons 42 kHz
Puissance des ultrasons 5 W
Distance L séparant Taxe de l'arc de la surface à traiter : 12 mm
Vitesse v du gaz activé : 110 m/sec
Résultats : Uniformité du traitement (des caractéristiques électrophysiques) ; 99,7 %
Degré d'anisotropie du décapage : 100
On a obtenu des tranchées aux parois pratiquement verticales de 1 μm de profondeur et de 0,1 μm de largeur. Ce résultat présente une grand intérêt pour des applications électroniques, par exemple le décapage pour des systèmes de plasma de vide conventionnels donne un degré de aπisotropie en dessous de 30, donc bien inférieur au degré d'anisotropie obtenu par le procédé selon l'invention.
Exempte 6 : Fabrication de poudres de SiO->
Le procédé et les dispositifs revendiqués peuvent être utilisés pour la fabrication de poudres et, en particulier de poudres submicroniques et nanométriques.
Dans ce cas, la distribution uniforme des paramètres du rideau de gaz activé permet d'obtenir une formation identique de clusters et de poudres aux différents endroits du rideau et d'obtenir, donc, une bonne sélectivité de production de la poudre avec une dispersion minimale de sa granulométrie, des dimensions des grains et de leurs propriétés.
Par exemple on a utilisé un rideau de gaz activé, de l'argon et de l'azote (Ar20%, N 80%). Un flux de gaz de traitement complémentaires Q2 contenant des vapeurs d'hexaméthyldisilasane (Ar90%, HDMS10%) a été introduit en amont de la zone de contact du rideau de gaz activé avec la surface du support par l'intermédiaire d'une fente parallèle à l'axe A de l'arc. Les autres conditions de formation du rideau étaient celles des exemples 4 et 5.
On a formé, sur un support sous forme de convoyeur en chenille des poudres polycristallines de SiO2 dont la dimension du grain était de 10Qnm ± 10%. Uniformément sur une largeur du convoyeur de 20cm.
Dans tous les exemples précités, le gaz activé incident qui sert d'agent réactif est hors d'équilibre thermodynamique puisque la condition v > Uτ est réalisée. En effet, les valeurs LΛ de tous les exemples sont inférieures ou environ égales à 10"4 sec, qui est un temps caractéristique de relaxation des états des particules du rideau de gaz activé, ce qui démontre le caractère métastable des particules actives dans ces exemples. Il doit le rester à l'intérieur de la couche limite qui sépare le gaz incident de la surface à traiter. A cette fin, la longueur de diffusion D des molécules, radicaux et atomes activés, contenus dans le flux de gaz activé lors de leur passage à travers la couche limite entre le flux incident et la surface traitée doit être supérieure à l'épaisseur δ de la couche limite, comme le montre l'estimation suivante.
Vu que les gaz activés ne sont pas essentiellement à l'état ionisé, les nombres de Lewis, Prandtl et Sch idt sont de l'ordre de l'unité et les épaisseurs de la couche limite par rapport aux phénomènes de conduction thermique, de diffusion, et de viscosité sont sensiblement égales. On peut donc estimer l'épaisseur de la couche limite en partant des valeurs de la densité thermique, q, qui, d'après les mesures faites pour les cas des exemples cités, dépasse 107W/mz.
Le coefficient de conduction thermique λ des gaz activés à pression atmosphérique, et pour une température du flux incident de ~ 104 K, est de l'ordre de 1 W/m.degré.
L'épaisseur de la couche limite, suivant la loi de Fourrier est donc :δ ~ λ/q ≤ 10 m La longueur de diffusion D est estimée comme : D « 1/nQ < 1Q"am où n est la densité des particules actives du flux incident soit 023m^ et Q est la section efficace des interactions inélastiques (c.à.d. des interactions désactivantes). Celle-ci est inférieure à O'^m2 pour la plupart des molécules et radicaux et même des atomes excités (voir LS Polak, Physique et chimie des plasma à basse température. Naouka, Moscou 1971, ρ.344).
On a donc bien, dans tous ces cas D > δ, ce qui est la condition d'absence d'équilibre thermodynamique, voulant dire que les particules activées, formées dans le rideau de gaz activé, pratiquement conservent leur énergie d'activation lors de leur diffusion à travers la couche limite qui sépare le flux incident de la surface à traiter. Dans ce cas, toute cette énergie d'activation est consumée lors du contact des particules activées avec la surface à traiter, ce qui rend cette réaction extrêmement efficace.
Tous ces résultats prouvent que la présente invention permet d'obtenir des résultats uniques, bien supérieurs à ceux donnés par les méthodes classiques, notamment à l'aide des plasmas de vide ou des plasmas atmosphériques en équilibre thermodynamique. Ceci est dû à la symbiose des effets plasmochimiques, hydrodynamiques, électromagnétiques avec les hautes intensités d'interaction que donne le rideau de gaz activé métastable à pression atmosphérique tel que mis en oeuvre dans la présente invention.

Claims

REVENDICATIONS
. Un procédé de traitement de surface ou de formation de poudres sur une surface comprenant la formation d'un arc électrique de plasma stabilisé, la génération d'un jet de gaz activé sous forme de rideau à partir dudit arc électrique essentiellement perpendiculairement à l'axe A dudit arc électrique et la projection du rideau de gaz activé sur la surface à traiter, caractérisé en ce que l'on ajuste la distance L séparant l'axe A de l'arc électrique de la surface à traiter ainsi que la vitesse v des flux de gaz activé de manière à ce que les particules du rideau de gaz activé sont électriquement neutres et à l'état métastable au moment du contact avec la surface à traiter.
2. Procédé de traitement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajuste la distance L séparant l'axe électrique de la surface à traiter et la vitesse v du flux de gaz activé afin de satisfaire la relation L/v > x où τ est le temps de relaxation des états étastables activés des particules du rideau.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on ajuste les paramètres du flux de gaz activé et la vitesse de balayage de la surface a traiter relatif à l'arc électrique stabilisé afin que la longueur de diffusion D des molécules, radicaux et atomes activés contenus dans le rideau de gaz activé est supérieur à l'épaisseur δ de la couche limite séparant le gaz activé incident de la surface à traiter.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rideau de gaz activé est généré à pression atmosphérique.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue un mouvement de balayage relatif entre le rideau de gaz activé et la surface à traiter dans une direction essentiellement perpendiculaire à l'axe centrale A de l'arc électrique de plasma.
6, Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un flux de gaz de traitement Qi est introduit en amont de l'arc électrique de plasma.
7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on injecte un flux de gaz de traitement complémentaire Q2 dans le rideau de gaz activé en aval de l'arc électrique de plasma.
8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on souffle le flux de gaz de traitement complémentaire Q2 sur la surface à traiter de manière que, dans la zone de contact du rideau de gaz activé avec la surface à traiter, la couche limite de celle-ci soit alimentée par ledit gaz de traitement complémentaire.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on soumet la surface à traiter à un mouvement ondulatoire, en particulier à une vibration acoustique ou ultrasonique afin d'accélérer le traitement et/ou de lui donner un caractère aπisotrope.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on injecte des flux de gaz réactifs dans une zone de traitement dans le rideau de gaz activé pour former, au contact avec le rideau de gaz activé, des poudres dont la composition, la granulo étrie et les dimensions , sont contrôlées par les paramètres des flux de gaz alimentant le rideau de gaz activé ainsi que de gaz de traitement complémentaire Q2.
11. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant des électrodes (24a, 24b) pour l'amorcement d'un arc électrique de plasma stabilisé (14), un canal stabilisant (12) dans un corps (10) pour confiner l'arc électrique de plasma stabilisé, des conduits (38, 39) dans le corps pour l'introduction uniformément distribuée le long dudit arc d'un gaz de traitement Qi en amont dudit arc dans une direction essentiellement perpendiculaire à l'axe A dudit arc de manière à former un rideau de gaz activé (8), des moyens d'introduction d'un gaz de traitement complémentaire Q2 en aval dudit arc électrique et un support (28) pour le maintien de l'objet ou du matériau à traiter et pour le positionnement de la surface à traiter dudit objet ou matériau par rapport au corps (10),
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les conduits pour l'introduction du gaz de traitement Q-i comprennent des fentes latérales (38) pour l'introduction de gaz de traitement Q-i dans le canal stabilisant (12) à un angle plus grand que zéro par rapport à la direction du flux de gaz du rideau de gaz activé.
13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la distance entre le support est le corps est réglable de manière à pouvoir définir et contrôler les paramètres de la couche limite sur la surface à traiter.
14. Dispositif selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce que les moyens pour l'introduction du gaz de traitement complémentaire Q2 comprennent une fente dans le corps (10) positionnée en aval du canal stabilisant.
15. Dispositif selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce que le canal stabilisant à un profil essentiellement cylindrique.
16. Dispositif selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce que le canal stabilisant à un profil essentiellement carré ou rectangulaire.
17. Dispositif selon la revendication 11 ou 12 caractérisé en ce que le canal stabilisant à un profil essentiellement triangulaire.
18. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps du dispositif de génération du rideau de gaz activé comprend une passage de sortie (20) pour le rideau de gaz activé sous forme d'une fente de largeur inférieure au diamètre de l'arc électrique de plasma (14).
19. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que le passage de sortie du rideau de gaz activé comprend une partie de labyrinthe, de telle manière que les rayons ultra-violets issus de l'arc ne puissent pas atteindre la surface à traiter.
20. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support de l'objet à traiter est fixée à un mécanisme permettant un mouvement relatif de la surface à traiter par rapport au rideau de gaz activé dans une direction perpendiculaire au rideau de gaz activé pour pouvoir balayer la surface à traiter par le rideau de gaz activé.
21. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour inverser les fonctions des conduits du flux du gaz de traitement complémentaires et du flux de gaz résiduels suivant la direction du mouvement relatif de la surface à traiter et du rideau de gaz activé.
22. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une source de vibrations acoustiques ou ultrasoniques.
23. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le canal stabilisant 12 confinant l'arc électrique de plasma est fabriqué en matériau diélectrique poreux et réfractaïre.
24. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le canal stabilisant est fabriqué en métal sectionné le long de l'axe de l'arc électrique de plasma en diaphragmes isolés électriquement les uns des autres.
25. Dispositif selon l'une des revendications précédentes pour la formation de poudre, caractérisé en ce que le support de la surface à traiter est réalisé sous forme d'un convoyeur afin de pouvoir emporter de la poudre générée au contact du rideau de gaz activé avec la surface du convoyeur agissant comme surface à traiter.
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