Brevet FR2332839A1 — publié le 19770624

La présente invention concerne le traitement de surfaces non uniformes d'objets par un faisceau de radiations, et notamment le polissage des surfaces irrégulières à 1 t aide d'un faisceau laser. On connaît de nombreux procédés destinés à la réduction de la rugosité superficielle des matières solides, ou de polissage. Les plus courants sont les procédés d'abrasion, tels que le polissage et le doucissage du verre, et la rectification et le polissage à la meule ou à la pâte diamantée des céramiques. On connaît aussi divers procédés de polissage électrochimique de matières conductrices de l'électricité. Dans le cas du traitement des verres, on connatt aussi la formation d'une surface lisse "polie au feu". Cependant, ce procédé ne convient pas pour les matières solides ayant une température nette de fusion, car il donne alors une surface très déformée. On sait que les céramiques frittées, notamment à base d'alumine, sont particulièrement intéressantes pour la réalisation de substrats destinés à porter des circuits électroniques, notamment formés de couches minces. Cependant, la rugosité des substrats frittés réalisés couramment est rarement inférieure à 0,2 micron et elle est le plus généralement de l'ordre de 0,5 micron. De telles rugosités ne permettent pas la réalisation de certains types de dépit utiles pour la réalisation des circuits électroniques à couches minces, si bien qu'on ne peut pas utiliser avantageusement les excellentes propriétés de conductibilité thermique de l'alumine dans les circuits qui nécessitent de tels dépôts. On a tenté de remédier à ces inconvénients par revêtement des substrats en céramique,notamment en alumine, par une couche d'émail ayant une faible rugosité.Cependant, une telle couche d'émail a une faible conductibilité thermique et supprime en grande partie les avantages des substrats en alumine. Ainsi, la réalisation de substrats céramiques non émaillés et ayant une rugosité de l'ordre de celle des substrats émaillés ou au moins inférieure à 0,05 micron, est très souhaitable sans mise en oeuvre d'un polissage mécanique. On ne connais pas actuellement de procédé de traitement électromagnétique de la surface d'objets en matière solide, par exemple en céramique, permettant une réduction importante de la rugosité. Selon le procédé de l'invention, une mince couche superficielle de la matière qui doit être polie est fondue pendant un temps suffisant pour que les forces de tension superficielle fassent disparaltre les aspérités. Plus précisément, ce procédé comprend la fusion d'une couche superficielle par énergie d'ondes électromagnétiques qui sont fortement absorbées par la matière, et créent un gradient très élevé de température près de la surface à polir. La couche relativement mince qui a absorbé l'énergie des ondes électromagnétiques dissipe celle-ci suivant deux mécanismes, le rayonnement par la surface et la conduction vers l'intérieur de la matière solide. Dans les conditions de mise en oeuvre du procédé, ces deux phénomènes de dissipation d'énergie (rayonnement, conduction) sont suffisamment lents pour que la surface de la couche fondue ait le temps de s'aplanir sous l'action des forces de tension superficielle (et éventuellement de gravité). Ainsi, l'invention concerne un procédé de traitement d'une zone au moins d'une surface non uniforme de matière solide, par un faisceau de radiations absorbé au moins en partie par ladite matière solide ; ce procédé comprend la formation d'un faisceau de radiations qui présente, dans une partie de section particulière, un flux d'énergie suffisamment élevé pour que la matière solide de la zone passe à l'état fluide lorsque cette zone est placée dans ladite partie de section, et la disposition relative de la zone et de la section de manière que la zone recoupe le faisceau de radiations au niveau de la partie de section ou à son voisinage pendant un temps suffisamment long pour que la matière de la zone passe à l'état fluide, et suffisamment court pour que cette matière ne passe pas à l'état gazeux. Il est avantageux que la zone soit déplacée par rapport à la section. La section du faisceau de radiations est avantageusement une ligne disposée dans le plan focal d'une optique, et cette ligne a avantageusement une densité uniforme d'énergie par unité de longueur en direction perpendiculaire à la direction de déplacement relatif de la zone et de la section. Le faisceau de radiations peut être formé de radiations d'un type quelconque, pourvu qu'elles soient suffisamment absorbées par la matière et qu'elles puissent former un faisceau suffisamment concentré pour que la mise en oeuvre-du procédé soit possible. Par exemple, il s'agit dtun faisceau de radiations cohérentes d'un laser, ou d'un faisceau d'électrons d'une machine de bombardement électronique. Le procédé de traitement selon 11 invention est avantageusement utilisé pour le polissage de matières solides, notamment de matières solides très dures. Les matières solides qui peuvent être ainsi traitées sont soit des matières à température nette de fusion, par exemple de 'alumine frittée, soit une matière qui n'a pas une température nette de fusion, par exemple un verre. De plus, il est avantageux pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention que la température de fusion et la température d'ébullition de la matière traitée soient très éloignées l'une de l'autre. L'invention concerne aussi un appareil de traitement d'une zone au moins d'une surface non uniforme de matière solide, comprenant une source de radiations absorbées au moins en partie par la matière solide de la surface traitée, un dispositif destiné à former, avec les radiations de la source, un faisceau qui présente, dans une partie de section, un flux d'énergie suffisamment élevé pour que la matière solide de la zone passe à ltétat fluide lorsque cette zone est placée dans la partie de section, et un dispositif de déplacement relatif de la zone et de la partie de section, à une vitesse telle que, lorsque la zone recoupe le faisceau au niveau de la partie de section ou à son voisinage, la matière de la zone passe à l'état fluide mais pas à l'état gazeux Il est avantageux que le dispositif destiné à former le faisceau de l'appareil focalise les radiations suivant une ligne, et comprenne par exemple une optique formant une ligne de focalisation dont la densité d'énergie est sensiblement uniforme en direction perpendiculaire à la direction de déplacement de cette ligne par rapport à la zone traitée. L'optique utilisée comprend avantageusement un miroir cylindrique destiné à focaliser le faisceau suivant une ligne. Elle comprend aussi avantageusement un second miroir cylindrique destiné à répartir les radiations de manière que la densité d'énergie par unité de longueur de la ligne de focalisation soit sensiblement uniforme en direction perpendiculaire à la direction de déplacement relatif de la ligne de focalisation et de la zone traitée. La source de radiations est avantageusement un laser, par exemple à gaz carbonique, ou une machine de bombardement électronique. L'invention concerne aussi des objets en matière solide dont une partie au moins de la surface a subi un traitement par mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ces objets sont par exemple en céramique, par exemple en alumine frittée, ou en verre. Il est avantageux, dans le cas du traitement de certaines matières, que l'appareil utilisé souffle sur l'objet et plus précisément sur la zone en cours de traitement, un courant de gaz. Par exemple, dans le cas du traitement de l'alumine frittée, il est avantageux qu'un courant d'oxygène soit projeté sur la zone qui reçoit le faisceau de radiations. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel - la figure I est une élévation schématique, en partie sous forme synoptique, d'un appareil destiné à la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; et - la figure 2 est une coupe d'un objet en alumine frittée, traité par mise en oeuvre de l'appareil de la figure 1. Lors du traitement de la surface d'un objet, par exemple lors de son polissage, la seule zone dans laquelle le traitement présente de l'intérêt est une zone dont ltépais- seur correspond sensiblement à la hauteur des plus fortes irré gularités de la surface. En général, cette épaisseur est bien inférieure à celle de l'objet. Le traitement de l'ensemble de l'objet dans des conditions permettant la suppression des irrégularités superficielles nécessite donc une quantité d'énergie bien trop importante. Selon l'invention, seule une fine couche superficielle dont l'épaisseur est de l'ordre de la hauteur des plus fortes irrégularités de la surface, est traitée ou fondue. Le gradient de température entre la surface et le coeur de l'objet est très élevé selon l'invention, si bien que l'énergie appliquée en surface est très rapidement dissipée dans la masse. En conséquence, il est nécessaire que le traitement (application d'énergie des radiations) de la surface et son réarrangement provoquant la disparition des irrégularités indésirables soient plus rapides que la dissipation de l'énergie appliquée dans la masse de l'objet. A cet effet,il convient d'une part que la couche superScielle ait une faible viscosité, c'est-à-dire une température élevée (réarrangement superficiel rapide), et d'autre part, que l'énergie nécessaire soit appliquée très rapidement, en un temps bien inférieur à la durée de la dissipation dans la masse de l'objet de la plus grande partie de l'énergie appliquée. Un tel traitement présente donc les avantages d'une part d'une faible consommation d'énergie, c'est-à-dire de la seule quantité nécessaire au traitement de la surface, et d'autre part de l'utilisation de l'objet lui-même comme support de la couche superficielle traitée, si bien que les dimensions externes de l'objet ne changent pas, et la surface n'est pas déformée mais seulement polie. Ainsi, selon l'invention, l'énergie nécessaire à la fusion d'une mince couche superficielle, dans le cas des objets ayant une température nette de fusion, ou au ramollissement à une faible viscosité de la couche superficielle d'un verre, est appliquée en un temps très court, c'est-à-dire en un temps bien inférieur au temps nécessaire à la dissipation de l'éner- gie dans la masse de l'objet. A cet effet, les radiations utilisées doivent être extrêmement intenses et concentrées. L'appareil représenté sur les dessins permet une telle concen tration de l'énergie. Bien que le procédé de l'invention puisse ventre mis en oeuvre avec un appareil focalisant par exemple un faisceau de radiations suivant un point qui est déplacé à grande vitesse à la surface de l'objet à traiter, avec plusieurs passages décalés de manière que la totalité de la surface soit traitée, il est cependant avantageux, pour la régularité du traitement de la surface, que l'énergie soit focalisée suivant une ligne, avec une densité sensiblement uniforme en direction perpendiculaire à la direction de déplacement. Au cours d'essais préliminaires, on a réellement utilisé le déplacement d'un point de focalisation, mais, dans le cas de certaines matières, la superposition des traces adjacentes introduit une certaine irrégularité périodique qui peut être gênante. L'appareil représente sur la figure 1 est un appareil de polissage électromagnétique selon l'invention et il comprend une téte laser 10, portée par un support vertical 12. La téte est reliée à une alimentation automatique 14 et à un bottier de commande 16. Le faisceau parallèle de la tette 10 parvient sur une optique 18 qui focalise le faisceau de radiations sur l'échantillon 20 porté par un transporteur 22. La tçete 10 du générateur de faisceau laser est, dans l'exemple considéré, un laser à C02, du type 260, vendu par CILAS, et elle projette un faisceau laser dont la longueur d'onde est de 10,6 microns, avec une énergie globale de 250 W en monomode et pouvant atteindre 320 W avec un mélange de modes. Le faisceau laser est modulé de 10 % environ à 300 Hz, et la répartition de l'énergie dans le faisceau est gaussienne dans le cas du fonctionnement en monomode Le diamètre du faisceau est de 8 à 10 mm. L'alimentation automatique 14 est destinée à transmettre un mélange gazeux (C02 + He + à la tête 10. Elle assure aussi l'alimentation électrique et le refroidissement et comporte divers dispositifs de sécurité. La commande i permet la commande de toutes les opérations de l'appareil à partir d'un seul point. L'optique 18 comprend une simple lentille cylindrique en germanium d'ouverture f/10. Cette lentille focalise le faisceau de radiations suivant une ligne de 40 microns environ de largeur et de longueur égale à la largeur du faisceau laser. L'avantage d'une telle optique associée à ce laser est que, lorsque le faisceau laser est convenablement réglé en mode mixte, la densité d'énergie le long de la ligne de focalisation est pratiquement uniforme sur une longueur d'environ 8 mm. Ainsi, une lentille cylindrique unique permet la formation d'une ligne de focalisation de 8 mm ayant une densité uniforme d'énergie. Cette ligne de focalisation se trouve juste au-dessous, c'est-à-dire à quelques millimètres seulement, de la partie inférieure de l'optique 18, si bien que l'échantillon 20 qui reçoit les radiations se déplace très près de l'optique 18. Une tuyauterie 24 reliée à l'alimentation 14 transmet à l'optique 18 un courant d'oxygène qui est soufflé sous la lentille dont il assure le refroidissement et la protection contre d'éventuelles projections à partir de l'échan- tillon 20. Alors que le gaz soufflé est habituellement de l'azote ou de l'argon ou mame de l'air, il est avantageux que ce gaz soit de l'oxygène lorsque l'échantillon 20 est en oxyde, notamment en alumine.En effet, lors du soufflage d'un gaz inerte dans l'optique 18, on constate que ltéchan- tillon 20 qui subit le traitement de surface selon l'in vention prend facilement une coloration brune, et on détermine que cette coloration brune est due à la formation, lorsque la surface de l'échantillon est à l'état fondu, d'un sous-oxyde d'aluminium AlO de couleur brune. Le transporteur 22 est évidemment adapté aux échantillons qui doivent être traités. Cependant, ce transporteur n'est pas très élaboré car on constate qu'on obtient un traitement satisfaisant de la surface de l'échantillon 20 lorsque cette surface est maintenue à une distance de l'optique 18 qui peut varier de plus de 1 mm. Ainsi, la disposition de la surface de l'échantillon 20 par rapport à l'optique 18 n'est pas très astreignante et le transporteur 22 peut être de type très simple, pourvu qu'il assure un déplacement régulier de l'échantillon au niveau de la ligne de focalisation des radiations, notamment un transporteur à bande. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, mettant en oeuvre l'appareil qu'on vient de décrire, les échantillons 20 sont des échantillons d'alumine frittée et on les déplace, dans le plan de focalisation de l'optique 18, à une vitesse de 12 cm/s. Dans un autre mode de réalisation, on utilise un laser de puissance bien plus importante, de l'ordre de 1 000 W. L'optique utilisée est la même et on obtient une ligne de focalisation du même type que la précédente, mais ayant au moins trois fois plus d'énergie si bien que les vitesses de défilement doivent être triplées et peuvent même atteindre 40 cm/s. Cependant, cet appareil est surtout intéressant lorsqu'on associe à la lentille précitée une seconde lentille cylindrique, ayant un axe perpendiculaire à celui de la première lentille décrite. Cette seconde lentille est divergente et sa surface est calculée de manière que l'énergie focalisée par la première lentille soit répartie de façon sensiblement uniforme sur une ligne dont la longueur est de 26 mm environ.Dans ce mode de réalisation mettant en oeuvre deux lentilles, la seconde lentille cylindrique est calculée pour le fonctionnement du laser en monomode, c'est-àdire avec une répartition gaussienne d'énergie, car cette répartition peut autre facilement obtenue de façon reproductible. Cependant, elle n'est pas la plus avantageuse puisqu'elle ne donne pas l'énergie maximale. Cependant, on obtient ainsi une ligne de focalisation le long de laquelle l'énergie est répartie de façon sensiblement uniforme sur une longueur de 26 mm. De cette manière, on peut traiter en un seul passage des échantillons d'alumine frittée de 25,4 mm de largeur, défilant au niveau de la ligne de focalisation avec une vitesse comprise entre 10 et 12 cm/s. La figure 2 représente une photomicrographie d'une coupe d'un échantillon d'alumine frittée, réalisée au niveau de la surface d'un échantillon traité selon l'invention. Cette phot-omicrographie correspond à un grossissement de 500. Les microcristaux 30 d'alumine apparaissent en blanc et les limites 32 des grains en noir. La zone traitée 34 est comprise entre la surface 36 de l'échantillon et le trait interrompu 38. Elle parait sous forme grise et on ne détermine pas la présence de limites de grains. Ainsi, l'invention permet le traitement, avec une faible consommation d'énergie, d'objets en matière solide, notamment de substrats pour l'électronique, de manière que leur rugosité soit fortement réduite. Le coût du polissage selon ce procédé est très inférieur à celui du polissage par les procédés mécaniques connus. La plus grande partie du coût du polissage selon l'invention est l'amortissement de l'appareil utilise Par contre, les consommations d'éner- gie et de gaz et les frais de réfection des miroirs du laser sont très faibles, car l'appareil permet le traitement d'une surface de l'ordre de 8 à 10 cm2/s. il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. Par exemple, le traitement réalisé n'est pas obligatoirement un polissage. Par exemple, dans le cas d'échantillons en alumine frittée, le traitement décrit avec soufflage d'oxygène fait apparaître les fissures profondes et les fentes que peuvent comporter les échantillons, en donnant une couleur brune à ces défauts, alors que le reste de la surface est blanc. Par ailleurs, lors du traitement d'un verre à température ambiante notamment, la surface après traitement est en extension, et cette propriété peut être gênante. Dans cecas, le traitement lorsque le verre a une température élevée, par exemple de l'ordre de 600 à 7000C, permet, par refroidissement convenable, l'obtention d'un verre normal non trempé ou trempé. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'une zone au moins d'une surface non uniforme de matière solide, par un faisceau de radiations absorbées au moins en partie par ladite matière solide, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend la formation d'un faisceau de radiations qui présente, dans une partie de section particulière, un flux d'nrie suffisamment élevé pour que la matière solide de la zone passe à l'état fluide lorsque cette zone est placée dans ladite partie de section, et la disposition relative de la zone et de la section de manière que la zone recoupe le faisceau de radiations au niveau de la partie de section ou à son voisinage pendant un temps suffisamment long pour que la matière de la zone passe à l'état fluide, et suffisamment court pour que cette matière ne passe pas à l'état gazeux. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la disposition relative de la zone et de la section comprend le déplacement relatif de la zone et de la section, par exemple le déplacement de la zone par rapport à la section. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la formation d'un faisceau de radiations comprend la formation d'une ligne de focalisation. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 7), caractérisé en ce que la formation du faisceau comprend la formation d'un faisceau ayant une densité uniforme d'énergie par unité de longueur en direction perpendiculaire à la direction de déplacement relatif de la zone et de la section. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la formation du faisceau de radiations comprend la formation d'un faisceau de radiations cohérentes d'un laser. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est destiné au polissage de matières solides. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matière solide a une température nette de fusion. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matière solide nta pas une température nette de fusion, et est par exemple un verre. 9. Appareil de traitement d'une zone au moins d'une surface non uniforme de matière solide, caractérisé en ce qu'il comprend une source de radiations absorbées au moins en partie par la matière solide de la surface traitée, un dispositif destiné à former, avec les radiations de la source, un faisceau qui présente, dans une partie de section, un flux d'énergie suffisamment élevé pour que la matière solide de la zone passe à l t état fluide lorsque cette zone est placée dans la partie de section, et un dispositif de déplacement relatif de la zone et de la partie de section, à une vitesse telle que, lorsque la zone recoupe le faisceau au niveau de la partie de section ou à son voisinage, la matière de la zone passe à ltétat fluide mais pas à l'état gazeux. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif destiné à former le faisceau focalise les radiations suivant une ligne, ayant par exemple une densité d'énergie sensiblement uniforme en direction perpendiculaire à la direction de déplacement relatif de la zone et de la section. 11. Appareil selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le dispositif destiné à former un faisceau comprend un miroir ou une lentille cylindrique. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif destiné à former un faisceau comprend de plus un second miroir cylindrique destiné a ré- partir les radiations de manière que le faisceau ait une densité d'énergie par unité de longueur sensiblement uniforme en direction perpendiculaire à la direction de déplacement relatif de la zone et de la section. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que la source de radiations est un laser, par exemple à gaz carbonique. 14. Objet en matière solide, caractérisé en ce qutune partie au moins de sa surface a subi un traitement par mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 15. Objet selon la revendication 14, caractérisé en ce que la surface qui a été traitée est en céramique, par exemple en alumine frittée. 16. Objet selon la revendication 14, caractérisé en ce que la surface qui a été traitée est en verre. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le traitement est mis en oeuvre lorsque la partie voisine de la zone traitée a, juste avant traitement, une température différente de la température prévue d'utilisation, et par exemple une température supérieure à la température ambiante.