Brevet FR2551581A1 — publié le 19850308

La présente invention concerne le domaine général du traitement thermique des matériaux, en surface le plus généralement ou, également, en profondeur. L'invention concerne le domaine technique général des traitements thermiques visant a produire une recristallisation, une monocristallisation, une association de particules chimiquement complémentaires, telle qu'une boruration, nitruration, formation d'alliage, un dopage par diffusion, etc Pour mener a bien les traitements thermiques des matériaux, de nombreuses techniques ont déjà été proposées La technique du recuit thermique au sein d'un four chauffant a été longtemps utilisée, bien que de nombreux inconvénients y soient attachés. Il s'agit, principalement, d'une durée de traite ment longue et d'une grande consommation d'énergie, sans négliger les temps d'adaptation longs pour atteindre la température souhaitée. Une telle technique est donc, au demeurant, coûteuse. Une seconde technique consiste a procéder a un recuit par balayage, au moyen d'un faisceau laser ou d'un faisceau d'électrons. Une telle technique ne permet pas d'obtenir un recuit homogène sur une grande surface, étant donné que l'impact du faisceau sur le matériau se matérialise par un spot de faible surface qui doit être déplacé, de manière a couvrir toute la surface utile à traiter. Par ailleurs, il a été constaté que le spot ne présentait pas luimême d'homogénéité sur son diamètre et ne permettait donc pas d'exposer un matériau donné à un traitement thermique homogène et réparti sur toute la surface à traiter. Un autre inconvénient de la technique par balayage réside aussi dans le coût d'installation, dans la complexité des moyens de balayage et dans la difficulté de procéder aux réglages d'un tel balayage. Une autre technique encore a été de procéder au recuit au sein d'un four à image ou par lampe. Cette technique ne permet pas, non plus, d'obtenir des recuits homogènes sur des grandes surfaces et n'offre pas de possibilité de contrôle précis de la température pendant la phase de traitement. Cette incertitude, alliée au vieillissement incontrôlable des lampes, ne permet pas d'obtenir des traitements reproductibles sur des matériaux de même nature. Une autre technique, encore, consiste à soumettre un matériau à un traitement de recuit par l'intermédiaire d'un ruban de graphite chauffant. Une telle technique fait apparaître les mêmes inconvénients que ceux devant être portés au compte du recuit par four à image ou par lampe. Une autre technique encore consiste à réaliser un recuit de matériau par application d'ondes hyperfréquences. Par une telle technique, il semble possible de contrôler plus précisément la tem pérature et de générer une telle température de façon beaucoup plus rapide qu'avec les techniques antérieures. Cependant, les moyens actuellement disponibles pour mettre en oeuvre une telle technique ne permettent pas d'obtenir des traitements homogènes sur des matériaux de grande surface. On connaît, également, le traitement de recuit par décharges continues a cathodes froides. Les inconvénients d'une telle technique sont, principalement - l'existence d'un gradient de densité radiale, incompatible avec un traitement homogène, - la dépendance du courant de décharge par rapport à la tension ap pliquée, - l'impossibilité d'occulter une partie de la surface du matériau a traiter, sans modifier considérablement les propriétés du plasma de décharge, puisque l'échantillon ou le matériau à traiter est placé sur l'une des électrodes de décharge ou, éventuellement, la constitue à lui seul, - l'impossibilité de fournir à l'échantillon et, directement par le plasma, un apport thermique complémentaire, puisque, compte tenu du montage ou de l'association du matériau à l'électrode de décharge, une seule face du matériau est baignée par le plasma. L'invention vise à résoudre les inconvénients des techniques antérieures rappelées ci-dessus, en proposant un procédé de traitement thermique pour plasma de grand volume homogène permettant de dissocier les paramètres d'excitation du plasma de ceux d'intéraction de ce plasma sur le matériau. Un autre objet de l'invention est de fournir des moyens qui permettent de controler complètement un traitement thermique dans sa durée, sa tension de bombardement, ainsi que le courant de particules ou d'ions généré, avec une grande précision et un temps de réponse particulièrement faible. Un autre objet de l'invention est de proposer des moyens permettant d'obtenir un meilleur rendement par le transfert complet de l'énergie electrique appliquée en énergie absorbée par le matériau. Un avantage supplémentaire devant être mis au compte de l'objet de l'invention est la possibilité de réaliser un traitement thermique d'un matériau sans provoquer de pollution de sa matière constitutive. De plus, la géométrie de la surface à traiter peut être quelconque, ce qui représente un avantage très important dans le domaine industriel. Pour atteindre les buts ci-de9sus, le procédé de traitement thermique conforme h l'invention est caractérisé en ce qu'on - crée dans une enceinte étanche un plasma de grand volume homogène, a partir d'un milieu gazeux approprié au traitement, par des moyens d'excita tion propres indépendants des paramètres dtutili- sation de l'enceinte, - maintient ce plasma dans l'enceinte par confine ment magnétique et/ou confinement électrostatique, - prévoit des moyens pour entretenir dans l'enceinte le plasma à une pression sensiblement constante déterminée, - place à l'intérieur de l'enceinte le matériau a traiter que l'on polarise de façon indépendante, pendant une durée déterminée, de maniere a acce lérer dans sa direction les électrons ou ions du plasma. L'invention a, également, pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend - une enceinte étanche associée a des moyens d'ap port d'un milieu gazeux et de maintien de ce mi- lieu a une pression déterminée sensiblement cons tante, - une enveloppe de confinement électrostatique et/ou magnétique du type multipolaire interne l'enceinte et électriquement isolée de cette dernière, - au moins un dispositif d'excitation du milieu gazeux placé en relation avec le volume interne a l'enveloppe de confinement, - un support de matériau placé a l'intérieur du volume interne l'enveloppe et connecte a des moyens propres de polarisation. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, è titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. I est une coupe-élévation schématique d'un dispositif de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 2 est une vue transversale prise, sensiblement a plus grande échelle, selon la ligne II-II de la fig. 1. Les fig. 3 et 4 sont des coupes transversales partielles montrant deux variantes de réalisation de l'élément constitutif selon la fig. 2. L'objectif de l'invention est de fournir des moyens permettant de porter une surface conductrice d'un matériau quelconque a une haute température, en vue de lui faire subir un traitement thermique par bombardement, au moyen de particules chargées (ions ou électrons) fournies par un plasma homogène dense, de très grand volume. Par matériau, il faut entendre toute pièce de toute forme, à caractère d'échantillon ou de production de série commercialisable. il doit être considérés également, que l'objet de l'in vention vise le traitement thermique, en général, et inclut, par conséquent, aussi bien la cristallisation, la recristallisation ou la formation d'alliages. Le plasma utilisé peut donc être produit, indifféremment, par l'excitation d'un milieu gazeux neutre vis-à-vis de la matière constitutive du matériau ou, au contraire, chimiquement réactif, de façon à obtenir l'effet recherché, par exemple, bo ruracion, nitruration, sulfuration, etc A ces fins, l'invention préconise de générer un plasma homogène de grand volume.Le procédé de l'invention consiste à géné- rer un tel plasma dans une enceinte étanche, équipée intérieurement d'une enveloppe de confinement, par exemple magnétique, du type mul dipolaire aimants permanents. Un tel procédé permet d'obtenir des plasmas très homogènes et pouvant présenter des volumes très impor- 3 tants et, par exemple, de l'ordre de plusieurs m . L'enveloppe in- terne à l'enceinte peut être aussi réalisée pour assurer un confinement électrostatique seul ou en combinaison avec un confinement magnétique. Le procédé de l'invention consiste, par ailleurs, à p-ré- voir des moyens pour maintenir ou entretenir la densité d'un tel plasma, malgré l'importance du flux de particules chargées susceptibles d'être extraites du plasma pour venir bombarder la ou les surfaces du matériau à traiter A cette fin, les moyens selon l'invention peuvent être constitués simplement par un plasma de très grand volume, lorsqu'il s'agit de traiter un matériau de faible surface. Ces moyens peuvent aussi faire intervenir une source d'apport du milieu gazeux concerné, ainsi que des moyens de pompage aptes à entretenir une pression déterminée sensiblement constante. Le procédé de l'invention prévoit, plus particulièrement, de générer le plasma par des moyens d'excitation propres qui sont indépendants des paramètres d'utilisation de ltenceipte en vue de la réalisation d'un traitement thermique. A cette fin, les moyens d'excitation peuvent etre constitués par au moins un filament thermoémissif ou, encore, par un générateur d'ondes hyperfréquences. Le matériau à traiter est disposé a l'interieur de l'enveloppe de confinement et soumis à une polarisation, de manière à créer, å partir 4u plasma, un flux de particules chargées, accélérées, venant bombarder la surface ou les surfaces présentées a un tel flux par le matériau à traiter. Il y a lieu de noter que ce procédé peut faire intervenir une dissociation préalable des molécules du milieu gazeux lors de la création du plasma et que, la montée en température imposée au matériau à traiter sert, dans le cas d'un traitement chimique, a favoriser la diffusion des particules chargées, dissociées. dans la matière constitutive du matériau. Si le matériau est conducteur, il est possible de le polariser par application d'une tension continue positive par rapport au potentiel du plasma. La surface du matériau est alors bombardée par des électrons extraits du plasma et/ou des ions négatifs, si ces derniers existent. Si le matériau est polarisé par application d'une tension continue négative par rapport au potentiel du plasma, la ou les surfaces exposées seront bombardées par des ions positifs. Si la matière constitutive du matériau a traiter est de nature isolante, le traitement peut intervenir en prévoyant de traiter préalablement la ou les surfaces devant être exposées par application d'un film, d'une couche ou d'un revêtement conducteur Selon une disposition préférée de l'invention, le procédé fait intervenir une polarisation positive continue du matériau par rapport au potentiel du plasma, afin de pouvoir bénéficier d'un courant électronique plus important et de supprimer les inconvénients pouvant découler du bombardement par des ions capables d'induire des défauts dans la matière constitutive du matériau ou, même, de produire une érosion ionique. A titre d'exemple, pour le traitement d'une plaquette de silicium, de diamètre 10 cm, å laquelle il convient de faire subir un traitement thermique, en vue d'une recristallisation, les paramètres suivants peuvent être retenus - production d'un plasma d'argon de densité de I a quelques Il -3 101l cm - température électronique 20 0000 K, - tension d'accélération comprise entre quelques dizaines de volts et plusieurs centaines de volts. Pour une telle plaquette devant être présentée simulta neT.ent sur ses deux faces au plasma, une tension d'accélération de 75 volts permet d'appliquer une puissance de 2,25 kW pour un courant électronique de 30 ampères. Un tel traitement est appliqué pendant une durée de quel- ques secondes. Des paramètres du même ordre, sauf la durée, peuvent etre retenus lorsqu'il s'agit de procéder a un traitement thermique d'un matériau, en vue de lui faire s'#ir une boruration, une nitruration, une sulfuration, etc .., la variable introduite étant alors, natu- rellement, le milieu gazeux devant être choisi en fonction de la ne- ture ds particules chargées devant être diffusées dans le matériau. Far exemple, dans le cas d'une nitrurationS le procédé fait interve- nir un plasma d'azote ou d'amoniaque, alors que, pour une boruration, le plasma généré est un plasma de borane ou d'halogénure de bore. Selon le traitement et la profondeur de diffusion recherchée) la du rée peut entre alors comprise entre quelques fractions de seconde et quelques heures. Le procédé de l'invention permet de procéder à un traiter ment thermique, de façon homogène, sur l'ensemble de la surface ou des surfaces d'un mÛtériau-ou d'une pièce a traiter, étant donné qu'une telle pièce peut être placée au sein d'un plasma de très grand volume homogène et que la polarisation qui lui est appliquée permet de générer et d'accélérer vers elle, de façon multidirectionnelle, un flux de particules chargées, capables d'attelndre toutes les parties d'une surface exposée, même si ces parties peuvent être considérées comme s'assimilant à des empreintes ou formes négatives. La polarisation indépendante de la pièce a traiter permet d'apporter des ré- glages variables du flux pour accélérer ou ralentir le procédé de traitement, sans que cela ait une influence sur la production du plasma. Dans certains cas, il peut être reche#rché de ne traiter qu'une seule face. Dans un tel cas, il peut alors être nécessaire de placer la face du matériau non traitée en relation avec un moyen d'échange thermique, par un caloduc, en vue de prélever ou d'apporter les calories nécessaires au bon déroulement du procédé. Le procédé de l'invention permet aussi de procéder un traitement thermique, de façon homogène en considération de lten- semble de la surface du matériau exposé. Ceci peut être le cas lorsqu'il convient, par exemple, de procéder un traitement de recristallisation locale ou de monocristallisation par fusion de zone. Dans un tel cas et selon l'invention, le bombardement local de la partie de surface traiter est assuré en masquant certaines des parties non intéressées de la surface du matériau. Ceci peut etre obtenu en revetant les parties de la surface, non concernées par le traitement, d'une couche de matière non conductrice ou, encore, en disposant, par dessus la surface a traiter, un masque ou un cache non conducteur qui peut, le cas échéant, etre rendu mobile relativement par rapport a la surface a traiter. Les fig. 1 et 2 montrent, de façon schématique, å titre d'exemple, une forme de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Un tel dispositif comprend, selon la fig. 1, une enceinte I étanche qui est reliée a la masse 2. L'enceinte étanche est, de préférence, réalisée en une matière amagnétique et comporte, intérieurement, une enveloppe de confinement magnétique 3. Cette enveloppe 3 est, de préférence, du type multipolaire et se trouve reliée a une source de tension 4 permettant de la mettre a la masse ou de la polariser, de façon continue ou alternative, positivement ou négativement. L'enceinte étanche I est associée a un circuit dtintro- duction contrôlée d'un fluide gazeux par l'intermédiaire d'une tubulure de raccordement 6. L'enceinte I est associée, par ailleurs, d un circuit de pompage 7 raccordé a une tubulure 8. L'enceinte 1 est associée, en outre, a un dispositif d'excitation 9 qui est constitué par une source de tension 10 électriquement connectée a un organe d'excitation Il constitué, dans l'exemple illustré, par un filament thermoémissif s'étendant à l'intérieur du volume délimité par l'enveloppe de confinement 3. Il doit être considéré que tout autre dispositif d'excitation pourrait être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention, à partir du moment où les moyens d'alimentation nécessaires à son fonctionnement peuvent être considérés comme indépendants des paramètres d'utilisation. A titre d'exemple, donc, il peut être prévu de constituer le dispositif d'excitation par un générateur d'ondes hyperfréquences. L'enceinte I comprend, par ailleurs, un support 12 destiné a maintenir, dans le volume interne de l'enveloppe de confinement 3, un matériau tel que 13 illustré, uniquement à titre d'exemple, sous la forme d'une plaquette. Le support 12 comprend, tel que cela apparait plus précisément à la fig. 2, une partie d'adaptation 14 dont la caractéristique constructive dépend de la forme du matériau 13 a traiter. Dans le cas présent, la partie 14 est réalisée sous la forme d'un berceau dans lequel une plaquette 13 peut être posée. Il est certain que cette partie 14 pourrait être réalisée de toute autre façon différente, compte tenu de la forme, de la masse ou du volume du matériau ou de la pièce devant etre traité.Le support 12 comprend, également, a la suite de la partie 14, un pied ou un bras 15 de fixation a l'enceinte 1. Ce pied ou bras offre une surface isolante qui peut être obtenue en réalisant la partie 14 et le pied 15 en deux matières différentes. Il est possible, aussi, de réaliser le support 12 en une seule pièce et de prévoir un revêtement de surface isolant sur le pied 15. Le fait de réaliser le pied 15 de façon totalement ou superficiellement isolante, est prévu pour éviter de le soumettre au bombardement électronique, afin de localiser le gradient thermique dans la partie de préhension ou de fixation 14 et non dans le matériau 13 à traiter. Dans tous les cas, la partie d'adaptation 14 est reliée, soit directement, soit par le pied 15, à une source de polarisation 16 permettant d'appliquer, au matériau 13, une tension de polarisation désirée, de manière a le porter à un potentiel différent de celui du plasma pour créer, comme dit ci-dessus, un flux de particules le bombardant. L'enceinte I est, également, munie d'une sonde 17 permettant de déterminer, notamment, le potentiel du plasma et d'une ouverture 18 permettant la mesure de la température de la surface de l'échantillon par pyrométrie optique. Dans ce but, l'ouverture 18, munie d'un hublot 19, est pratiquée de manière que le support 12 puisse, dans la majorité des cas, assurer le maintien d'un matériau 13 offrant une partie au moins de sa surface dans l'axe de visée du hublot 19 et de l'ouverture 18. La fig. 3 montre que le support 12, illustré ici sous une autre forme de réalisation, peut être associé, sur l'une de ses faces, à un cache ou un masque 20 comportant une fenêtre d'exposition 21 limitant la surface du matériau exposé au bombardement de particules chargées. Un tel masque ou cache peut être fixe, lorsqu'il convient de ne réaliser qu'un traitement local ou, encore, mobile dans l'un ou l'autre sens de la flèche f, lorsqu'il est nécessaire de procéder à un traitement thermique de surface par fusion de zone, dans le cas de recristallisation ou de recherche de monocristallisation. La fig. 4 montre, également, que le support 12 peut être réalisé pour ne laisser exposer, au flux de particules chargées, qu'une partie de la surface d'un matériau plan 13 encastré dans une cavité complémentaire offerte par le support 12. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. En particulier, l'enveloppe 3 peut être d'un type propre à assurer;un confinement électrostatique seul ou en combinaison avec un confinement magnétique. REVENDICATIONS I - Procédé de traitement thermique de matériaux divers, caractérisé en ce qu'on - crée dans une enceinte étanche un plasma de grand volume homogène, a partir d'un milieu gazeux approprié au traitement, par des moyens d'exci tation propres indépendants des paramètres d'uti lisation de l'enceinte, - maintient ce plasma dans l'enceinte par confine ment, - prévoit des moyens pour entretenir dans l1encein- te le plasma a une pression sensiblement consç tante déterminée.# place à l'intérieur de l'enceinte le matériau à traiter que l'on polarise de façon ndEpendante pendant une durée déterminée, de manière a accès lérer dans sa direction les particules ionisée9 du plasma. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé an ce que le milieu gazeux est neutre vis- -vis du matériau. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu gazeux est chimiquement réactif vis-a-vis de la ma tière de surface du matériau. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on crée un plasma de densité voisine de 1 a quelques îol # cl 3. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on accélère les ions ou particules on appliquant au matériau une tension comprise entre plusieurs dizaines et plusieurs centaines de volts, par rapport au potentiel du plasma. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau est soumis a une régulation de température a partir d'une de ses faces par un moyen d'échange de chaleur. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface traiter du matériau est en partie au moins masquée. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on associe le matériau a traiter à un masque mobile relativement. 9 - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce-qu'il comprend - une enceinte étanche (1) associée a des moyens d'apport (5) d'un milieu gazeux et de maintien (7) de ce milieu a une pression déterminée sen siblement constante, - une enveloppe de confinement électrostatique et/ou magnétique (3) du type multipolaire interne è 11 enceinte et électriquement isolée de cette dernière, - au moins un dispositif (9) d'excitation du mi lieu gazeux placé en relation avec le volume interne a l'enveloppe de confinement, - un support (12) de matériau placé a l'intérieur du volume interne à l'enveloppe et connecté a des moyens propres de polarisation (16). 10 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enceinte (3) est du type magnétique cage multipolaire, interne l'enceinte et électriquement isolée de cette dernière. 11 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation (9) comprend un filament thermoémissif (11). 12 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le support (12) de matériau est associé à un cache ou masque(20) délimitant une fenêtre (21) d'exposition déplaçable relativement au matériau. 13 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'enceinte comporte un hublot (19) de mesure pyrométrique optique du matériau en cours de traitement. 14 - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé an ce qu'il comporte un échangeur de chaleur en relation avec le matériau.