Brevet FR2604050A1 — publié le 19880318

i Au cours des vols de la navette spatiale de la NASA, on a noté la dégradation des surfaces de plusieurs éléments de la navette pendant les révolutions du vaisseau sur des orbites terrestres basses. On a théoriquement déterminé que cette dégradation était due aux chocs de particules ato- miques, essentiellement des atomes d'oxygène, présents à ces altitudes avec des vitesses orbitales de 8,0 km/s. On a constaté que l'importance de la détérioration était d'une nature telle qu'elle exigeait des essais des matériaux dans des conditions simulées. La simulation des conditions créées par des atomes à grandes vitesses présents sur la trajectoire de la navette en orbite basse n'est pas à la portée de la technologie actuelle étant donné la difficulté de l'obtention de vites- ses aussi élevées dans un faisceau de particules ou d'un gaz décomposé, avec des flux élevés de particules. L'invention a pour but la réalisation d'un appareil et d'un procédé de création d'un faiJ ceau presque monoéner- gétique, de flux élevé, formé de p.iticules atomiques de gaz à grande vitesse. L'invention concerne un appareil comprenant une chambre sous vide, un dispositif à tuyère placé dans la chambre sous vide et destiné à éjecter un courant confiné d'un gaz par une ouverture étroite, un dispositif destiné à provoquer une désintégration du courant gazeux en un plas- ma, dans l'ouverture étroite, et un dispositif destiné à permettre l'expansion volumique du plasma afin qu'un fais- ceau atomique presque monoénergétique et à grande vitesse soit formé. Ainsi, un faisceau presque monoénergétique, à flux élevé, formé de particules atomiques, est réalisé par cir- culation forcée d'un gaz contenant le matériau dont le faisceau doit être formé, dans le col d'une tuyère, sous forme d'une colonne confinée et étroite d'un courant qui se détend, dans une chambre sous vide, évacuée à une très faible pression. La colonne est irradiée afin que le gaz en expansion se désintègre et se dissocie avec formation d'un plasma. Le plasma en expansion peut donner des vitesses très grandes aux éléments du plasma. Le refroidissement dû à la détente permet au plasma de neutraliser les charges avec formation de particules atomiques neutres dans le faisceau, mais les densités restent suffisamment faibles pour que la reconstitution de molécules de gaz soit évitée. Dans un exemple de réalisation, le gaz ou le mélange de gaz est chassé dans le col de la tuyère sous. forme d'impulsions, avec une valve moléculaire. Très peu après l'éjection initiale du gaz par la tuyère, dans son col conique, une impulsion d'un rayonnement laser de grande puissance est focalisée dans le gaz éjecté. Une quantité suffisante d'énergie est appliquée, compte tenu de la den- sité moléculaire du gaz dans la tuyère, pour que le gaz soit désintégré et dissocié en un plasma très chaud. L'énergie du plasma provoque à son tour une expansion du plasma qui est guidée vers l'extérieur par les parois de la tuyère, vers la sortie de la tuyère av:c formation d'un gaz de sortie qui a une vitesse très éle-ee et sensiblement uniforme, dans la plage allant de 1 à 10 km/s. Une cible d'un matériau dont la surface doit être modifiée intercepte le courant formé par les atomes. Suivant la nature des atomes et du matériau de la cible, divers effets peuvent être obtenus, à la suite du bombardement atomique, compre- nant notamment une érosion de la surface, un revêtement de la surface, une réaction des atomes du faisceau de bombar- dement avec le matériau de la cible, et un nettoyage ou une décontamination de la surface. Parmi les gaz dont l'utilisation est particulière- ment bien adaptée à la création d'un faisceau de particules de grande vitesse, selon l'invention, on peut citer les gaz diatomiques stables, l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le fluor et le chlore. D'autres gaz stables, tels que le monoxyde de carbone, l'acide chlorhydrique et de nombreux hydrocarbures, peuvent aussi être utilisés comme précur- seurs du faisceau de particules atomiques. De nombreuses autres espèces atomiques telles que des métaux ou des éléments réfractaires, peuvent aussi être créés par cette technique, par désintégration par un laser, dans des mélanges gazeux; des espèces telles que les composés carbonylés des métaux, les composés organométal- ligues, SiH, des halogénures métalliques, etc peuvent être utilisées pour la formation de revêtements métalliques ou réfractaires extrêmement minces sur des substrats utiles pour la fabrication des semi-conducteurs et dans d'autres applications. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: la figure 1 est une élévation schématique d'un appa- reil destiné à la mise en oeuvre de l'invention; la figure 2 est un schéma illustrant les différentes étapes du procédé selon l'invention; et la figure 3 est un spectre du rayonnement d'un faisceau d'azote produit selon l'invention. L'invention concerne la création de faisceaux atomi- ques à grande vitesse, formés par des types divers de particules, et l'application de ces faisceaux à la modifi- cation de la surface du matériau d'une cible choisie. La figure 1 représente un appareil destiné à la mise en oeuvre de l'invention, comprenant une chambre 12 sous vide évacuée par un système 14 de pomrage à une faible pression, par exemple de l'ordre de 10 Pa au moins, afin que la présence d'impuretés soit évitée au cours de la création du faisceau. Des fenêtres d'observation et d'accès peuvent être placées sur la chambre sous vide à volonté, de manière classique dans les traitements sous vide. Un ensemble 16 à tuyère pénètre dans la chambre 12 par un orifice 18 bouché de manière étanche. Un gaz ou un mélange de gaz est transmis à l'ensemble 16 par une alimen- tation 20, à une pression convenable, par exemple de plusieurs bars. Il est utile que le gaz soit transmis à l'intérieur de la chambre 12 par un système pulsé de dis- tribution afin que les effets de surface puissent être maîtrisés et permettent la formation d'une couche monoato- mique et que le travail à la pompe à vide 14 soit réduit. Un fonctionnement en continu est aussi possible. Dans un mode de réalisation, l'opération de commutation permettant l'application pulsée du gaz est réalisée à l'aide d'une valve moléculaire 22 qui peut être une valve à faisceau moléculaire pulsé du type "BV-100" fabriqué par Newport Research. Cette valve est capable de transmettre des bouf- fées de gaz dont la durée est aussi faible que 100 is. Des bouffées de faible durée sont utiles car le nombre d'atomes est limité et permet un réglage fin des effets de modifica- tion de surface de la cible et une réduction de la charge de pompage nécessaire pour l'entretien du vide voulu. La valve moléculaire 22 transfère chaque bouffée de gaz par l'intermédiaire d'un joint torique 24 de 3,175 mm et d'une ouverture de 1, 0 mm formée dans une plaque 26 d'appui vers le cône ou le col 28 d'une tuyèe, ayant par exemple un angle d'élargissement de 20 et un- longueur de 10 cm. Ceci permet l'éjection d'une étroite colonne de gaz, ayant par exemple un diamètre de 1,0 mm, dans la chambre 12, à chaque bouffée. Un système 30 à laser constitue une source d'énergie rayonnante destinée à provoquer une désintégration et une dissociation du gaz sortant par l'ouverture de la plaque 26. Ce système 30 à laser est par exemple un laser à anhy- dride carbonique travaillant à une longueur d'onde de ,6 im, bien que d'autres longueurs d'onde soient pos- sibles. Le système à laser peut former des impulsions de courte durée, par exemple de 2,5 ls, ayant chacune une énergie d'environ 5 à 10 J. La durée et l'énergie de l'im- pulsion sont fonction de la nécessité de l'expansion très rapide qui doit être obtenue avec un nombre limité d'atomes de gaz dans chaque bouffée de gaz, afin que le faisceau d'atomes soit obligé de sortir à très grande vitesse. Pour une vitesse terminale déterminée, l'énergie nécessaire à l'impulsion est proportionnelle à la quantité de gaz traité. Le système 30 à laser crée un faisceau pulsé 32 de sortie qui pénètre dans la chambre 12 par l'intermédiaire d'une fenêtre 34 de chlorure de sodium et qui est focalisé par une lentille 36 afin qu'elle donne une faible dimension de concentration, par exemple un diamètre de 0,1 mm, au sommet du col 28 auquel l'ouverture formée dans la plaque 26 éjecte le gaz dans la tuyère. L'impulsion d'énergie de courte durée provoque une désintégration du gaz avec forma- tion d'un plasma. L'intensité nécessaire à cette désinté- gration est fonction à la fois de la nature et de la pres- sion du gaz traité. Les températures extrêmement élevées du plasma résultant, combinées avec le vide régnant, provo- quent une expansion 38 du plasma qui est confiné par les parois du col et qui donne un courant presque monoénergé- -tique de gaz ayant une vitesse qui atteint la plage allant de 1 à 10 km/s à la sortie de la tuyère. La figure 3 représente un spectre d'u- faisceau d'atomes d'azote réalisé selon l'invention. L'expansion 38 du plasma provoque un refroidissement et la création d'un courant d'atomes presque monoénergétique ou de vitesse uniforme. Des cibles 40 sont disposées sur le trajet d'expan- sion 30 afin qu'elles subissent une modification superfi- cielle, comprenant un revêtement par un matériau et la production d'une couche mince, au choix de l'opérateur. La cible 40 peut être. désaxée par rapport au faisceau laser 32. La zone affectée activement sur la cible 40 peut at- teindre 100 cm ou plus. L'application de l'invention n'est pas limitée à un matériau cible particulier. De même, le type d'espèce atomique qui peut être créé dans le faisceau 38 en expansion n'est aucunement limité. Des gaz diato- miques homonucléaires classiques et stables tels que l'oxy- gène, l'hydrogène, l'azote, le fluor et le chlore ainsi que les gaz stables formés de plusieurs éléments, diatomiques ou contenant un plus grand nombre d'atomes, peuvent être utilisés comme précurseurs du plasma. En outre, un faisceau d'autres espèces, telles que des métaux ou des matériaux réfractaires, peut être formé par application d'un mélange de gaz précurseurs provenant de l'alimentation 20, par exemple une combinaison d'un gaz d'élément des terres rares avec un composé carbonylé d'un métal, un composé organomé- tallique, SiH ou un halogénure métallique notamment. Le plasma appliqué peut réagir avec la cible 40 avec forma- tion, dans le cas d'un composé carbonylé, de SiC ou TiC, lors de l'utilisation de silicium ou de titane dans le gaz d'alimentation. La température élevée du plasma permet une utilisation des cibles à froid ou à température ambiante. Le procédé selon l'invention est illustré par la figure 2 sur laquelle un gaz d'un élément voulu ou un mélange de gaz d'un seul élément ou de plusieurs est formé dans une étape 50. Ce gaz est transmis par une tuyère telle que représentée par le système 16 à tuyère, dans une étape 52, et est éjecté dans la région du col d'un cône d'expan- sion. Le gaz ainsi éjecté est désintégré dans une étipe 54, par exemple par utiisation d'énergie rayonnante, ave créa- tion d'un plasma chaud et sous pression. Ce plasma peut se détendre dans la direction voulue, déterminée par les pa- rois de la tuyère, dans une étape 56, et il est dirigé vers une cible convenable dans l'étape 58. L'exemple qui suit illustre le cas particulier de l'application de l'invention à la création d'un faisceau atomique à grande vitesse. De l'oxygène à une pression d'environ 6,3.10 Pa est transmis d'une alimentation 20 en gaz à la tuyère dans laquelle la valve moléculaire crée des bouffées répétées de gaz ayant une durée réglée pouvant atteindre 1,0 ms. Par exemple, après les 200 premières microsecondes d'éjection de gaz dans le col, une impulsion de rayonnement du laser à ,6 im durant 2,5 As, est focalisée dans une partie con- tractée de 0,1 mm au sommet du col de la tuyère. La chambre sous vide est maintenue à une pression comprise entre 4.10- 3 -2 et 1,33.10 Pa pendant l'opération. On détermine que les vitesses de l'oxygène- atomique sont comprises entre 9 et km/s à l'aide d'instruments appliqués sur la chambre 12. Des cibles de polyéthylène et d'aluminium ont été placées de manière qu'elles interceptent le faisceau ato- mique et qu'elles soient exposées à des centaines de cycles de ce traitement par l'oxygène atomique. Les résultats ont montré clairement une érosion du matériau. Une analyse au microscope électronique à balayage d'une cible de polyéthy- lène exposée au faisceau d'oxygène a montré un enrichisse- ment de la surface en oxygène, alors que les régions de la cible-se trouvant au-delà du faisceau n'ont présenté aucun enrichissement. L'analyse spectrale d'une cible irradiée d'aluminium a indiqué un spectre caractéristique en partie du faisceau d'irradiation. La présente invention concerne donc une source d'atomes de divers types, ayant une vitesse élevée et capable d'assurer une môdification superficielle de divers matériaux cibles. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux appareils et procédas qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil générateur d'un faisceau presque mono- énergétique de particules atomiques à grande vitesse prove- nant d'un gaz, avec un flux élevé, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre sous vide (12), un dispositif à tuyère Placé dans la chambre sous vide (12) et destiné à éjecter un courant confiné de gaz dans une ouverture étroite, un dispositif (30) destiné à provoquer une désinté- gration du courant de gaz sous forme d'un plasma, dans l'ouverture étroite, et un dispositif (28) destiné à permettre une expansion volumique du plasma afin qu'il forme un faisceau atomique presque monoénergétique à vitesse élevée. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre sous vide contient un dispositif (14) destiné à assurer le maintien d'une pression inférieure off -2 égale à 1,33.10 Pa environ. - 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère (16) comporte un dispositif (24) destiné à former l'ouverture étroite dont le diamètre est d'environ 1,0 mm. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tuyère (16) comporte un dispositif (22) destiné à provoquer une éjection pulsée du courant confiné. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif destiné à provoquer une éjection pulsée comporte une valve (22) à faisceau moléculaire pulse. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (22) destiné à provoquer une éjection pulsée assure la transmission d'impulsions d'éjection dont la durée mesurée est comprise entre une centaine et quel- ques centaines de microsecondes. 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (30) destiné à provoquer la désinté- gration comporte un dispositif générateur d'énergie rayon- nante. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif (30) générateur d'énergie rayonnante comporte un dispositif destiné à former un rayonnement pulse. 9. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif générateur d'énergie rayonnante com- porte un laser (30). 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que le laser (30) est un laser à CO 2. 11. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif (30) générateur d'énergie rayon- nante comporte un dispositif destiné à appliquer l'énergie rayonnante à une partie d'une région d'expansion volumique du plasma. 12. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à permettre l'expansion volumique comprend un cône (28) d'une tuyère. 13. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif destiné à positionner une cible (40) sur le trajet du courant afin qu'une modification superficielle du matériau de la cible soit assurée. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'une cible (40) est placée dans le dispositif de positionnement. 15. Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif destiné à provoquer la désintégra- tion met en oeuvre un faisceau laser (30), et la cible (40) est disposée en dehors de l'axe du faisceau laser. 16. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz est choisi dans le groupe qui comprend les gaz diatomiques mononucléaires, les gaz diatomiques et à plus grand nombre d'atomes, ainsi que les mélanges de gaz précurseurs de métaux et de matériaux réfractaires. 17. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que le gaz est en outre choisi dans le groupe qui comprend un mélange d'un gaz d'élément des terres rares avec un composé méttalique carbonylé, un composé organomé- tallique, des composés du silicium, un hydroxyde et un halogénure métallique. 18. Procédé de formation d'un faisceau presque mono- énergétique de particules atomiques de vitesse élevée, provenant d'un gaz et ayant un flux élevé, dans une chambre sous vide (12), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend: l'éjection d'un courant confiné de gaz dans une ouverture étroite par l'intermédiaire d'une tuyère (16), dans la chambre sous vide, la désintégration du courant de gaz en un,plasma dans l'ouverture étroite, et l'expansion volumique du plasma afin qu'il forme un faisceau atomique presque monoénergétique à grande vitesse. 19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte en outre le maintien dans la chambre sous vide (12) d'une pression inférieure ou égale à environ -2 1,33.10 Pa. 20. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étape d'éjection comprend la disposition de l'ouverture étroite afin que son diamètre soit d'environ 1,0 mm. 21. Procédé selon 1-a revendication 18, caractérisé en ce que l'étape d'éjection comporte l'éjection pulsée d'un courant confiné. 22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que l'étape d'éjection pulsée comprend l'utilisation d'une valve moléculaire. 23. Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce que l'étape d'éjection pulsée assure la formation d'impulsions d'éjection dont la durée mesurée est comprise entre une centaine et quelques centaines de microsecondes. 24. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étape de désintégration comprend la création il d'énergie rayonnante. 25. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'étape de création d'énergie rayonnante comporte l'étape de création d'un rayonnement pulsé. 26. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'étape de création d'énergie rayonnante compreRd la création d'un rayonnement laser. 27. Procédé selon la revendication 24, caractérisé en ce que l'étape de création d'énergie rayonnante comprend l'application de l'énergie rayonnante à une partie d'une région d'expansion volumique du plasma. 28. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étape d'expansion comprend le guidage de l'ex- pansion par un cône (28) d'une tuyère. 29. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le positionnement d'une cible (40) sur le trajet du courant formé afin que le matériau de la cible subisse une modification superficielle. 30. Procédé selon la revendication 18, caractérisé -en ce que l'étape d'expansion comprend la neutralisation de la charge du plasma. 31. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étape d'éjection comprend l'éjection d'un gaz choisi dans le groupe qui comprend l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le fluor, le chlore, le monoxyde de carbone, et les mélanges d'un gaz d'élément des terres rares avec un composé carbonylé d'un métal, un composé organométallique, SiH et un halogénure métallique. 32. Procédé selon la revendication 29, caractérisé en ce que l'étape de modification de la surface comporte le revêtement de la surface de la cible. 33. Procédé selon la revendication 29, caractérisé en ce que l'étape de modification de la surface comprend la formation d'un film mince sur la cible (40).