Brevet FR2648001A1 — publié le 19901207

ALIMENTATION EN COUItfvNT CONTINU D'ELECTRODES A PLASMA ET PROCEDE POUR REGENERER UN PLASMA L'invention concerne une alimentation en courant continu d'électrodes à plasma coupant le courant lors de l'apparition d'un arc dans le plasma, permettant ainsi de supprimer cet arc et, régénérant le plasma quasiment instantanément par l'envoi d'impulsions. Dans certains procédés industriels tels que les procédés de métallisation, dépôt ou gravure, par exemple dans la fabrication de circuits intégrés, on utilise une enceinte dans laquelle on réalise un plasma. Pour ce faire, une des technologies consiste à soumettre un gaz placé dans l'enceinte dans des conditions déterminées (à basse ou haute pression),.à un champ électrique continu grâce à deux électrodes placées dans l'enceinte, éloignées l'une de l'autre, et alimentées en courant continu à haute tension (de l'ordre de 500 ou 1000 V sous une intensité de l'ordre de 5 à 10 A). Lorsque les conditions de pression, de densité, de tension et d'intensité sont atteintes, le gaz subit une ionisation et forme un plasma dont les caractéristiques sont adaptées à la mise en oeuvre du procédé industriel. Néanmoins, il s'avère que de tels plasmas n'ont pas une stabilité absolue. On y observe parfois l'apparition accidentelle d'un régime d'arc. Dans un tel cas, la résistance électrique du plasma entre les électrodes baisse brutalement, les deux électrodes étant alors placées dans une régime équivalent à un court-circuit. Dès lors, il est nécessaire d'une part de protéger l'alimentation électrique contre de tels phénomènes, et d'autre part de supprimer le régime d'arc aussi rapidement que possible. En effet, l'amorçage d'arcs électriques dans le plasma est bien évidemment néfaste à la qualité de la mise en oeuvre du procédé industriel concerné. Or, il est quasiment impossible de prévoir et de prévenir l'amorçage de tels arcs électriques. En conséquence, le problème qui se pose est de remédier aussi rapidement que possible à l'apparition d'un régime d'arc dans le plasma en coupant l'alimentation électrique continue et en régénérant le plasma. Les alimentations électriques à courant continu d'électrodes à r)laslI,a conrriics sont essentiellement constituées d'un circuit redresseur du secteur alternatif auquel elles sont connectées. Dès lors, lorsqu'un régime d'arc apparaît dans le plasma et que l'intensité augmente brutalement, un dispositif de protection est prévu dans l'alimentation électrique pour couper le secteur alternatif, ou le redressement et, par voie de conséquence, l'alimentation en courant des électrodes. Après la coupure de l'alimentation électrique, I'arc électrique dans le plasma s'interrompt, et on réenclenche l'alimentation pour régénérer le plasma. Dans une telle situation, le temps nécessaire à la coupure et au réenclenchement du courant continu aux bornes des électrodes a une valeur minimale qui dépend notamment de la fréquence du secteur alternatif. En effet, le temps de coupure du courant continu lorsque l'on coupe le secteur alternatif est de l'ordre d'une demi- période de ce secteur, c'est-à-dire par exemple de 10 millisecondes dans le cas d'un secteur alternatif à 50 Hz. De même, le réenclenchement de l'alimentation électrique nécessite un temps minimum de 10 ms. On peut diminuer ce temps de réenclenchement théorique en utilisant des dispositifs à transformateur à 3 phases permettant d'augmenter la fréquence apparente et donc de diminuer d'un facteur 3 le temps de réenclenchement. Par exemple, dans les alimentations utilisant une fréquence de redressement de 600 Hz, le temps de réenclenchement peut être diminué jusqu'à 1,66 ms. Par ailleurs, on connait déjà des alimentations à courant continu à découpage à haute fréquence avec lesquelles on peut diminuer considérablement ce temps de coupure jusqu'à des valeurs de l'ordre de quelques dizaines de microsecondes, par exemple 20 microsecondes pour une fréquence de découpage de 25 kHz. Egalement, on a pensé à intégrer en série dans le circuit des électrodes une inductance qui augmente le temps de la montée de l'intensité de court- circuit, cc qui permet d'éviter des surcharges trop brutales dc l'alimentation. Néanmoins, pendant ce temps, I'arc électrique est présent dans le plasma, et la qualité du procédé industriel (dépôt ou gravure) en est affectée. De plus, là encore, le temps nécessaire au rétablissement du plasma est de l'ordre de ou supérieur à 1 ms dans les meilleurs cas. En conséquence, la présente invention vise à remédier aux inconvénients précités de l'art antérieur, et a pour objet de proposer un procédé pour régénérer un plasma dans lequel un arc électrique se développe, et ce dans un temps extrêmement court, notamment inférieur à I milliseconde, par exemple de l'ordre de 10 microsecondes ou moins, et de façon extrêmement économique. L'invention a aussi pour objet d'éviter la nécessité d'employer des alimentations à courant continu extrêmement complexes telles que les alimentations à découpage à haute fréquence ou autre. Ainsi, I'invention vise à proposer un tel procédé avec lequel on peut régénérer !e plasma extrêmement rapidement, même en utilisant une alimentation à courant continu d'un type classique et peu coûteux. L'invention a aussi pour objet de proposer une alimentation en courant continu d'électrodes à plasma mettant en oeuvre un tel procédé et qui donc est parfaitement protégée contre les phénomènes de court-circuits dûs aux arcs électriques, qui permet néanmoins une régénération quasiment instantanée du plasma avec suppression de l'arc électrique, tout en étant d'un type classique et d'un très faible prix de revient. Pour ce faire, I'invention concerne une alimentation en courant continu d'éJec- trodes à plasma comportant un dispositif fournissant normalement un courant continu aux électrodes, un circuit du coupure temporaire lorsque l'intensité I du courant délivré dépasse une valeur maximale déterminée, notamment du fait de l'amorçage d'un arc électrique dans le plasma, et un circuit de mesure et de contrôle de l'intensité I commandant ce circuit de coupure temporaire, caractérisée en ce qu'elle comporte un générateur d'impulsions à l'au te fréquence comtllandé par Icdit circuit de mesure et dc contrôlc de l'intensité pour alimenter les électrodes avec lesdites impulsions dès que l'intensité I dépasse ladite valeur maximale déterminée. Le générateur d'impulsions émet des signaux carrés à une fréquence supérieure à I kHz, notamment à une fréquence de l'ordre de 100 kHz. II est couplé au circuit d'alimentation des électrodes à plasma par un transformateur d'isolement. L'invention concerne également un procédé pour régénérer un plasma dans lequel un arc électrique se développe, le plasma étant normalement maintenu sous un champ électrique uniforme continu grâce à une alimentation en courant continu selon l'invention reliée aux électrodes d'un dispositif à plasma, notamment un dispositif de dépôt ou de gravure sous plasma, dans lequel on coupe l'alimentation en courant continu dès que l'on détecte une surintensité du courant, caractérisée en ce que l'on alimente les électrodes avec un signal d'impulsions à haute fréquence dès que la surintensité est détectée, ce qui a pour effet de régénérer le plasma avant le rétablissement de l'alimentation en courant continu. Selon l'invention, le signal d'impulsions à haute fréquence est un signal carré dont la fréquence est supérieure à I kHz, notamment de l'ordre de 100 kHz. Ainsi, la fréquence de répétition des impulsions pouvant être adaptée en fonction des besoins, le plasma peut être régénéré grâce aux premières irtipul- sions fournies dans un temps très court qui ne dépend que de la fréquence de ces impulsions. Simultanément, I'alimentation est coupée de façon classique puis relancée. Les impulsions en forme de créneaux ne véhiculant que peu d'énergie permettent le réamorçage rapide du plasma, dès l'arrêt, sans empe- cher la coupure de l'arc électrique. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles - la figure I représente un diagramme schématique d'une alimentation continue selon l'invention. - la figure 2 représente un mode de réalisation possible d'un générateur d'impulsions utilisable dans une alimentation selon l'invention. L'alimentation en courant continu selon l'invention comporte un dispositif I fournissant normalement en sortie 2 un courant continu à haute tension (par exeïiiple de l'ordre de 500 oii 1000 V) ct d'iiitetisite' gr'néraIeiiiet coInprise entre 5 et 15 A, notamment de l'ordre de 10 A, destiné à une anode 3 et une cathode 4 d'une enceinte à plasma 5. Le dispositif I est constitué d'un circuit redresseur permettant de fournir le courant continu à partir du secteur alternatif 6 à 50 ou 60 Hz. Le circuit 7 de sortie alimenté en courant continu par le dispositif redresseur I comporte un shunt 8 de mesure de l'intensité qui le parcourt et est relié en 15 aux électrodes 3, 4 à alimenter. Ce shunt 8 est relié à un circuit 9 de contrôle de l'intensité permettant une régulation de cette intensité par rapport à une valeur de con:igne prédéterminée réglable, et définissant la valeur maximale autorisée pour cette intensité. Ce circuit 9 de contrôle commande un circuit 10 de coupure temporaire de l'alimentation lorsque l'intensité I du courant délivré dépasse ladite valeur maximale déterminée. Ce circuit 10 de coupure temporaire commande donc le dispositif 1 redresseur pour interrompre son fonctionnement. Le circuit 9 de contrôle de l'intensité commande le circuit 10 de coupure de l'alimentation via un circuit de détection de court-circuit 11 comparant la valeur mesurée de l'intensité à la valeur maximale déterminée. Selon l'invention, I'alimentation comporte un générateur 12 d'impulsions à haute fréquence commandé par ledit circuit 9 de contrôle de l'intensité pour alimenter les électrodes avec lesdites impulsions lorsque l'intensité I dépasse ladite valeur maximale déterminée. Ce générateur 12 est commandé par le circuit 9 également par l'intermédiaire du circuit Il de détection de court-circuit. Le générateur 12 d'impulsions émet, selon l'invention, des signaux carrés à une fréquence déterminée en fonction du temps de coupure et de régénération que l'on souhaite pour le plasma. En particulier, le générateur d'impulsions émet des impulsions à une fréquence supérieure à I kHz, notamment à une fréquence de l'ordre de 100 kHz. Par exemple, avec une fréquence de l'ordre de 10 kHz, les créneaux sont espacés de 100 microsecondes. Les impulsions ultérieures permettent de régénérer immédiatement le plasma et de le maintenir dans un état dans lequel il n'affecte pas le procédé industriel mis en oeuvre dans l'enceinte 5, et peut être immédiatement relancé lorsque l'on réenclenche l'alimentation normale continue par le dispositif redresseur I. Selon l'invcIltion, Ic géi0e'rateur 12 d'iiiipulsiolis est couplé au u circuit 7 d'ali- mentation des électrodes à plasma par l'intermédiaire d'un transformateur d'isolement 13, dont un enroulement 13a est monté en série dans le circuit 7, notamment entre la borne positive du circuit redresseur 1 et le shunt 8, et dont l'autre enroulement l'3b est relié au générateur 12 d'impulsions. Par ailleurs, une diode de protection 14 est connectée entre les bornes de la sortie 2 du dispositif redresseur I, de façon à éviter toute alimentation du circuit redresseur I en courant inverse par sa sortie 2, du fait du générateur 12 d'impulsions. L'invention concerne aussi un procédé pour régénérer un plasma dans lequel un arc électrique se développe, le plasma étant normalement maintenu sous un champ électrique uniforme continu grâce à une alimentation en courant continu selon l'invention reliée aux électrodes 3, 4 d'un dispositif à plasma, notamment un dispositif de dépôt ou de gravure sous plasma, dans lequel on coupe l'alimentation en courant continu dès que l'on détecte une surintensité du courant, caractérisée en ce qu'on alimente les électrodes 3, 4 - avec un signal d'impulsions à haute fréquence lorsque la surintensité est détectée, ce qui a pour effet de régénérer le plasma avant le rétablissement de l'alimentation en courant continu par le dispositif redresseur I. Le signal d'impulsions est un signal à haute fréquence, notamment supérieure à I kHz, par exemple de l'ordre de 100 kHz. Selon l'invention, on utilise un signal d'impulsions constitué de signaux carrés, notamment de créneaux variant à haute fréquence entre la valeur nulle 0 V et une valeur positive déterminée en fonction de la tension nominale continue de sortie du dispositif redresseur I pour permettre la régénération du plasma et son maintien dans un état satisfaisant. Les créneaux ont une durée très courte. Dès lors, ils ne gênent pas I'extinction de l'arc électrique et peuvent être émis dès que la surintensité est détectée. Néanmoins, il est possible de prévoir une temporisation retardant l'émission des impulsions par le générateur 12 si cela s'avère avantageux et favorise l'extinction de l'arc électrique. On peut par exemple retarder l'émission des créneaux de 10 microsecondes ou plus par rapport au moment oU la surin tensité est détectée. Les impulsions permettent un réamorçage extrêmement rapide du plasma, avant le rétablissement du courant continu nécessaire au procédé industriel mis en oeuvre. Les différentes fonctions mentionnées ci-dessus des circuits électroniques décrits et représentés sont largement connues de l'état de la technique et l'homme du métier pourra les réaliser de toute façon appropriée, notamment à l'aide de circuits intégrés. Ainsi, le circuit redresseur I peut être constitué d'une alimentation en courant continu, variable ou non, à thyristors. Le circuit de coupure 10 peut alors être constitué d'un circuit imposant un courant nul sur les gâchettes des thyristors. Le générateur 12 d'impulsions peut être constitué de tout circuit générateur de créneaux de puissance tel qu'un régulateur à découpage série, ou un circuit PUSSPULL ou autre. La figure 2 représente un mode de réalisation possible d'un tel générateur 12 de créneaux de puissance comprenant un circuit intégré 16 commandé en 17 par le circuit Il de détection de court-circuit et émettant en 18 des créneaux de fréquence appropriée fournis à l'enroulement 13b du transformateur 13, via un circuit de puissance à transistors 19, 20. L'invention est applicable pour alimenter en courant continu toute machine ou procédé industriel dans lequel on met en oeuvre une enceinte à plasma basse (très inférieure à la pression atmosphérique) ou haute (légèrement inférieure à la pression atitiosplérique) pression à ciiaitip électrique continu uniforme. Elle est notamment avantageusement applicable pour des machines de dépôt ou de gravure sous plasma pour la fabrication de circuits intégrés. REVENDICATIONS 1. Alimentation en courant continu d'électrodes (3, 4) à plasma, comportant un dispositif (I) fournissant normalement un courant continu aux électrodes (3, 4), un circuit (10) de coupure temporaire lorsque l'intensité I du courant délivré-dépasse une valeur maximale déterminée, notamment du fait de l'amorçage d'un arc électrique dans le plasma, et un circuit (8, 9) de mesure et de contrôle de l'intensité I commandant ce circuit (10) de coupure temporaire, caractérisée en ce qu'elle comporte un générateur (12) d'impulsions à haute fréquence commandé par ledit circuit (8, 9) de mesure et de contrôle de l'intensité pour alimenter les électrodes avec lesdites impulsions lorsque l'intensité I dépasse ladite valeur maximale déterminée. 2. Alimentation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le générateur (12) d'impulsions émet des signaux carrés. 3. Alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisée en ce que le générateur (12) d'impulsions émet des impulsions à une- fréquence supérieure à I kHz, notamment à une fréquence de l'ordre de 100 kHz. 4. Alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le générateur (12) d'impulsions est couplé au circuit (7) d'alimentation des électrodes à plasma par un transformateur d'isolement (13). 5. Alimentation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'elle comporte une diode de protection (14) connectée entre les bornes de sortie (2) du dispositif (1). 6. Procédé pour régénérer un plasma dans lequel un arc électrique se développe, le plasma étant normalement maintenu sous un champ électrique uniforme continu grâce à une alimentation en courant continu reliée aux électrodes (3, 4) d'un dispositif à plasma, notamment un dispositif de dépôt ou de gravure sous plasma, dans lequel on coupe l'alimentation en courant continu dès que l'on détecte une surintensité du courant, caractérisé en ce qu'on alimente les électrodes (3, 4) avec un signal d'impulsions à haute fréquence lorsque la surintensité est détectée, ce qui a pour effet de régénérer le plasma avant le rétablissement de l'alimentation en courant continu. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que le signal d'impulsions à haute fréquence est un signal carré. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que le signal d'impulsions a une fréquence supérieure à I kHz, notamment de l'ordre de 100 kHz.