Brevet FR2769758A1 — publié le 19990416

B17042 Description Dispositif de génération de haute tension pour l'ionisation de gaz La présente invention concerne un dispositif permettant de générer une haute tension pour l'ionisation de gaz lors de la fabrication, du montage et de l'assurance qualité de composants et groupes de composants à microstructure, particulièrement lors de la fabrication de plaquettes et de composants et groupes de composants de micro-électronique. Lors de la fabrication et la manipulation de produits de la technique des microstructures, des charges électrostatiques peuvent entraîner des dommages. D'une part, les structures sont détruites ou endommagées par des surcharges électriques lors d'une décharge non contrôlée. Si les composants sont manipulés dans des conditions de salle blanche, à savoir s'il existe un risque de poussière, des charges statiques, en raison des forces de Coulomb, peuvent entraîner un dépôt de particules plus important, non désiré. Particulièrement lors de la production d'éléments semi-conducteurs, lors de la fabrication de disques durs et de la fabrication d'afficheurs à panneaux, mais aussi en cas de recouvrement par rayonnement optique, ainsi que dans les ateliers de vernissage, des charges électrostatiques ne sont pas souhaitées. Pour prévenir leur apparition, tous les objets de ces domaines de production sont dans la mesure du possible fabriqués à partir de matériaux conducteurs et mis à la terre de façon appropriée. Mais souvent, I'utilisation de ces derniers n'est pas réalisable partout. Ainsi, une résistance chimique élevée est en partie exigée, qui ne peut être réalisée que par des matières polyfluorées, lesquelles présentent une grande résistance superficielle électrique, ou des isolants doivent être utilisés, et les produits sont souvent eux-mêmes très isolants. Il s'ensuit donc un risque inévitable de charge. Dans ces domaines, des charges statiques ne peuvent être neutralisées que par l'air via l'ajout de porteurs de charge. Des ionisateurs à l'air génèrent des porteurs de charge aérotransportés sous la forme d'ions. De tels ionisateurs génèrent, par application d'une haute tension sur des pointes, des arêtes ou des fils métalliques, une décharge gazeuse. Dans ces zones de décharge gazeuse (décharge de Townsend) se trouve l'air ionisé. En fonction de la polarité de la haute tension, les ions polaires correspondants sont repoussés en dehors de la zone de décharge gazeuse par les forces de champ et se déplacent à travers l'air sous la forme d'ions libres (principalement de l'azote positif et de l'oxygène négatif), déplacés par des champs électriques ou le courant d'air. Ces processus sont depuis longtemps connus et décrits dans la littérature, et il existe un grand nombre de brevets se rapportant à la réalisation de tels ionisateurs (brevet européen 0 448 929 A1, DE 35 43 618 A1, DE 36 03 947 A1, DE 35 22 881 C1, brevet américain 4,477,263; PCT WO 96/02966; brevet américain 4,872,083; PCT WO 92/03863; brevet américain 5,153,811; brevets américains4,542,434; 4,117,332; 4,956,582; 4,809,127; 3,711,743; PCT WO 87/04873 entre autres). La technique moderne en salle blanche s'écarte des grandes salles blanches de type hangar, dans lesquelles la zone de production et la zone du personnel sont accessoirement séparées l'une de l'autre, pour aller vers des machines encapsulées selon la technique des salles blanches et des petites zones de production (technologie des plaquettes 300 mm, mini-environnements). Les ionisateurs, qui correspondent à l'état de la technique, nécessitent, pour générer la haute tension, des transformateurs ou des montages dits en cascade. Ces systèmes sont relativement gros en terme d'espace. L'installation de ces systèmes dans de petites salles blanches (mini-environnements) n'est pas possible, ou n'est que difficilement possible en raison de l'étroitesse. Si l'alimentation en courant est intégrée, un espace important est perdu, si l'alimentation en courant est installée en-dehors du mini- environnement, des câbles haute tension doivent être posés, en considérant les risques connexes ou les mesures de sécurité nécessaires. Il existe par conséquent un besoin en petits systèmes d'ionisation, ou systèmes miniaturisés présentant une source de haute tension intégrée. De plus, on connaît entre autres de par US 4,620,262 un convertisseur d'énergie pyroélectrique qui permet, sans passer par des mouvements mécaniques, de transformer efficacement l'énergie thermique en énergie électrique. Un inconvénient réside en outre dans le fait que les ionisateurs habituels, en raison de leur forme de construction, provoquent des champs électriques alternatifs ou continus relativement larges (quelque cm), lesquels, par influence électrique, entraînent dans les objets à neutraliser des potentiels ou transferts de charge non souhaités. Il existe par conséquent un besoin d'ionisateurs présentant des champs de dispersion aussi petits que possible. L'objet de la présente invention consiste a supprimer les inconvénients connus de la technique actuelle et à créer un dispositif de génération de haute tension pour l'ionisation de gaz lors de la fabrication, du montage et de l'assurance qualité de composants et groupes de composants à microstructure, particulièrement lors de la fabrication de plaquettes et de composants ou groupes de composants de micro-électronique, qui puisse être logé directement dans ou contre des systèmes d'ionisation petits ou miniaturisés avec source de haute tension intégrée, et qui ne génère que de faibles champs de dispersion. L'invention est caractérisée par les points suivants - la haute tension est générée par le chauffage ou le refroidissement d'un matériau pyroélectrique; - les électrodes sont directement reliées au générateur de haute tension; - le chauffage et le refroidissement du matériau pyroélectrique sont réalisés par un élément Peltier; - le chauffage est réalisé par une résistance électrique chauffante et le refroidissement est réalisé par convection dans des gaz ou conduction de chaleur au niveau de solides; - un chauffage et un refroidissement cycliques se produisent par inversion de polarité cyclique du courant via l'élément Peltier, lesquels permettent une modification quasiment cyclique de la polarité de l'électrode émettrice, et donc de la polarité des ions; - I'électrode émettrice est une pointe ou une arête; - les électrodes sont le plus largement possibles encastrées dans un diélectrique; - des électrodes émettrices cycliquement à pôles opposés sont utilisées en tant que contre-électrode; - des éléments Peltier antipolaires sont reliés électriquement en parallèle ou en série; - on fait varier la modification de température pour réguler la quantité d'ions émis; - on fait varier la tension de polarisation de la contre-électrode pour réguler la quantité d'ions émis. L'invention sera par la suite décrite plus en détail par le biais d'un exemple de réalisation et illustrée par des schémas. Les schémas montrent: Fig. 1 structure schématique d'un dispositif d'ionisation; Fig. 2 dispositif d'ionisation selon la fig. 1, dans un diélectrique. En fig. 1 est représenté un dispositif d'ionisation sous une forme simplifiée. Le dispositif d'ionisation permet la génération de potentiels élevés (jusqu'à 10 000 V) par la combinaison d'un élément de chauffage et de refroidissement sur la base de l'effet Peltier, dans lequel un semi- conducteur la est dopé positivement et un semi-conducteur lc est dopé négativement, avec un conducteur lb, avec un matériau pyroélectrique 2 avec constante de pyroélectricité élevée, par exemple du niobate de lithium (LiNbO3), du tantalate de lithium (LiTaO3) ou des hydrocarbures polyfluorés. L'élément Peltier refroidit ou chauffe le matériau pyroélectrique, lequel, sur ses faces externes, est polarisé par un transfert de charge interne. Si on met à la terre une des deux faces polarisées, on obtient de hautes tensions électriques sur l'autre face avec hauteur et polarité dépendant de la température. Si cette tension est dirigée sur un système d'électrodes composé de pointes 3, d'arêtes ou de fils métalliques en tant que face haute tension et d'une contre-électrode de masse 4 disposée de façon compacte, des ions naissent au niveau de l'électrode haute tension et, en raison des faibles dimensions géométriques existant entre l'électrode haute tension et la contre-électrode de masse, des champs électriques parasitaires non désirés de faible étendue. En faisant varier la polarité à la tension d'alimentation de l'élément Peltier5, le cristal pyroélectrique est respectivement refroidi ou chauffé et fabrique ainsi alternativement des ions positifs et négatifs. Etant donné que le cristal est électriquement isolant et que les deux faces polarisées peuvent ainsi être considérées comme un condensateur, autant d'ions négatifs ou d'ions positifs sont toujours générés par autorégulation de première approximation en négligeant les résistances internes. Cette autorégulation répond aux exigences d'une génération d'ions équilibrée pour éviter des charges d'espace monopolaires. La tension d'alimentation pour des éléments Peltier techniquement utiles est de l'ordre de quelques volts (0,2V à V). Le câblage associé est ainsi très compatible avec les exigences de la technique des salles blanches modernes. Les cristaux pyroélectriques, de préférence du tantalate de lithium, d'une taille de 5 mm fois 5 mm fois 0,5 mm, permettent de générer des porteurs de charge suffisants pour obtenir des durées de neutralisation techniquement utiles des charges électrostatiques ( Un ionisateur complet avec alimentation haute tension et système d'électrodes peut ainsi être fabriqué dans un volume inférieur à un centimètre cube. Ces faibles dimensions et les faibles champs parasitaires font que l'invention est prédestinée à une intégration dans des mini-environnements. En fig. 2 est représenté le dispositif d'ionisation complet conformément à la fig. 1, encastré dans un diélectrique 6. On obtient une unité facile à nettoyer, qui peut également être utilisée dans des milieux agressifs, ce qui représente un avantage pour certains domaines de la technique des procédés relatifs aux semi-conducteurs. -7- REVENDICATIONS 1. Dispositif pour générer des ions dans des gaz, composé d'une électrode émettrice d'ions, d'une contre-électrode et d'un générateur de haute tension, la haute tension étant générée par le chauffage ou le refroidissement d'un matériau pyroélectrique (2). 2. Dispositif pour générer des ions dans des gaz, selon la revendication 1. caractérisé en ce que les électrodes sont directement reliées au générateur de haute tension. 3. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le chauffage et le refroidissement du matériau pyroélectrique (2) sont réalisés par un élément Peltier (5). 4. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon l'une des revendications I et 2, caractérisé en ce que le chautffage est réalisé par une résistance électrique chauffante et que le refroidissement est réalisé par convection dans des gaz ou conduction de chaleur au niveau de solides. 5. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que, par inversion de polarité cyclique du courant via l'élément Peltier (5) se produisent un chauffage et un retfroidissement cycliques, par le biais desquels se produit une modification quasiment cyclique de la polarité de l'électrode émettrice, et donc également de la polarité des ions. 6. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'électrode émettrice est une pointe (3) ou une arête. 7. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. caractérisé en ce que les électrodes sont le plus largement possible encastrées dans un diélectrique (6). 8. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sont utilisées, en tant que contre-électrode (4), des électrodes émettrices cycliquement à pôles opposés. 9. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des éléments Peltier antipolaires sont reliés électriquement en parallèle ou en série. 10. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on fait varier la modification de température pour réguler la quantité d'ions émis. - 8- 11. Dispositif pour générer des ions dans des gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'on fait varier la tension de polarisation de la contre-électrode (4) pour réguler la quantité d'ions émis.