Brevet FR2760986A1 — publié le 19980925

PROCEDE POUR LE CONTROLE D'UN PROCESSUS D'ABLATION LASER, APPLICATIONS D'UN TEL PROCEDE ET EQUIPEMENT POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE. La présente invention concerne le domaine de l'ablation laser. L'ablation laser est une technique connue dans l'art antérieur, basée sur l'interaction lumière-matière. Différents brevets décrivent les techniques d'ablation laser et ses applications. Le brevet français FR2731637 par exemple concerne un procédé et un appareil pour éliminer, par photoablation au moyen d'un faisceau émis par un laser à excimère, de la matière d'une masse polymère contenant des particules peu ou non ablatives. Un autre brevet français, le brevet FR2711557 concerne l'application de la photoablation pour le nettoyage d'éléments solides, tels que des moules et plus particulièrement des moules de verrerie. Un autre brevet français publié sous le numéro FR2708877 divulgue l'application de l'ablation laser à la décontamination auto-contrôlée de surfaces d'un matériau sur lequel sont fixées ou déposées toutes particules comportant des composants de contaminants déterminés. Le dispositif pour la mise en oeuvre de cette application comprend au moins un faisceau laser pulsé, choisi dans une gamme de longueur d'onde de l'ultraviolet comprise entre 190 et 360 manomètres et une bouche d'aspiration entourant le faisceau laser. Les particules arrachées par effet d'ablation à cette surface en forment un panache audessus de celle-ci, dans lequel on capte l'émission optique et on mesure l'intensité de fréquences d'émission optiques desdits composants de contaminants déterminés. Un autre brevet publié sous le numéro FR2698483 concerne le dépôt de multicouches par ablation laser. Pour déposer une pluralité de couches minces sur un substrat par ablation laser, les couches minces sont successivement formées sur le substrat par irradiation d'une pluralité de cibles par un faisceau laser, cibles dont les compositions respectives sont choisies pour former les couches minces et qui sont successivement exposées au faisceau du laser. Cette application est en particulier destinée à l'élaboration de dispositifs supraconducteurs. Une autre application encore est décrite dans le brevet FR2690015. Ce brevet concerne un dispositif pour le dénudage de câbles ou analogues comportant des moyens de déplacement relatif du câble par rapport au faisceau issu du laser. Avantageusement, le laser émet un faisceau dont la longueur d'onde est située dans l'ultraviolet, autorisant la découpe de la gaine isolante du câble par photo-ablation. La découpe par photo-ablation a également fait l'objet d'un brevet publié sous le numéro FR2679477. L'objet de ce brevet est un procédé de découpe profonde par faisceau laser d'un matériau recouvrant un substrat, ledit matériau absorbant le rayonnement laser et se présentant sous forme d'une feuille, pellicule, gaine ou analogue et le substrat étant en un matériau susceptible ou non de réfléchir ce rayonnement. Le procédé consiste: - à transformer le faisceau de sortie de la source laser en un pinceau mince, en sorte de créer un champ de focalisation à l'intérieur duquel les variations de la densité d'énergie du rayonnement laser sont inférieures à une valeur prédéterminée, - et, par un déplacement relatif entre ledit champ de focalisation et ledit matériau à découper, à faire défiler ce dernier sur toute son épaisseur dans ledit champ de focalisation en maintenant ce champ sensiblement perpendiculaire à la surface externe, ou à une génératrice de la surface externe, dudit matériau. En ce qui concerne les applications dans le domaine nucléaire, on peut également citer le brevet européen EP755560 et le brevet PCT WO9622751 concernant un procédé d'ablation de matière d'un substrat comprenant un laser, un système optique et un moyen disposé sur la trajectoire du faisceau laser et permettant de former un spot laser comportant des parties claires et des parties sombres. En réglant le susdit moyen avant l'émission de chacune des impulsions du laser, il est possible de diriger sur la totalité de la surface couverte par le spot le même nombre d'impulsions laser. Ces dispositifs et ces applications nécessitent un contrôle de l'avancement du processus de photo-ablation. En effet, l'ablation de matière doit, dans la plupart des applications, être maîtrisée de façon à éviter de dépasser la profondeur de l'ablation, ou la dégradation de surfaces ou de matériaux à préserver. On a proposé dans l'état de la technique des moyens de contrôle optique ou électromagnétique. L'utilisation de capteurs inductifs ainsi que les sondes ioniques ou les spectromètre de masse ne sont toutefois pas adaptés car ils nécessitent de travailler sous vide, ce qui se traduit par des installations complexes et délicates à mettre en oeuvre. L'objet de la présente invention est de proposer un procédé simple et efficace pour le contrôle d'un processus d'ablation laser, permettant de travailler en conditions normales sans chambre à dépression. Le procédé selon l'invention permet également de travailler dans une atmosphère de gaz réactifs. A cet effet, l'invention consiste, dans son acception la plus générale, un procédé de contrôle d'un processus d'ablation par interaction entre un laser impulsionnel et une cible, caractérisé en ce que l'on mesure la différence de potentiel entre une zone au voisinage du panache d'ablation et une référence de potentiel. Selon une méthode préférée de mesure de la différence de potentiel, on dispose une antenne au voisinage du panache d'ablation, et en ce que l'on détecte la différence de potentiel entre ladite antenne et la masse reliée électriquement au substrat de la cible. Selon une première variante, on détecte la présence d'éléments conducteurs par le signe négatif de la différence de potentiel mesurée. Selon une deuxième variante, on détecte la présence d'éléments diélectrique par le signe positif de la différence de potentiel mesurée. Selon une troisième variante non exclusive des deux premières variantes, on détecte le passage d'une zone présentant une première caractéristique électrique à une zone présentant une caractéristique électrique différente par la variation de la différence de potentiel détectée. L'invention concerne également l'application du procédé de contrôle selon l'invention pour l'asservissement du déplacement du faisceau d'ablation par le signal fonction de la différence de potentiel détectée, ainsi que l'application pour l'asservissement de la puissance du faisceau d'ablation par le signal fonction de la différence de potentiel détectée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, relative à des exemples non limitatifs de réalisation et de mise en oeuvre, se référent aux dessins annexés où - la figure 1 représente le schéma de principe de l'équipement ; - la figure 2 représente le schéma de principe du circuit de détection - la figure 3 représente la courbe tension/nombre d'impulsion. L'objet général de l'invention est celui de la caractérisation de la composition de la surface d'un matériau (1) conducteur recouvert d'une couche superficielle (2) de tous autres types de matériaux, ou inversement de la composition de la surface d'un matériau diélectrique recouvert d'une couche d'un matériau conducteur, par mesure du potentiel induit entre le matériau (1) et une sonde (3) placée à proximité de la zone d'interaction entre un faisceau laser (4) et la surface du matériau (1). L'interprétation du signal de tension permet en temps réel d'identifier la présence en surface de tel ou tel autre type de matériau, et donc, notamment, de connaître si la couche superficielle (2) a été supprimée ou non. Cette caractérisation est utilisée lors de l'interaction entre un laser, généralement un laser ultraviolet impulsionnel, et la surface d'une cible, pour un traitement par photo-ablation. Lors du traitement de surface par laser impulsionnel, un changement de la composition superficielle du matériau se produit. Ce traitement est destiné, comme exposé dans ce qui précède, soit à supprimer une couche ou plusieurs couches de natures différentes sur un substrat, à des fins de nettoyage, de gravure, de décontamination ou de dénudage, soit à modifier la composition de la surface par incorporation d'un ou plusieurs nouveaux éléments, à des fins de nitruration par exemple. Lors de l'irradiation d'une surface par un laser impulsionnel à des densités d'énergie supérieures à 0,5 j/cm2, un plasma appelé "panache d'ablation" (5) est formé près de la surface du matériau. Ce panache est composé de particules chargées (électrons, ions) et de particules neutres (atomes, molécules, nanoparticules) se déplaçant sensiblement perpendiculairement à la surface. I1 y a alors création de charges d'espace entre le plasma et la surface et donc apparition d'un potentiel induit entre la sonde et la surface. La valeur des charges dépend notamment des matériaux ablatés et de la densité d'énergie du laser. La sonde est réalisée par l'extrémité dénudée (6) d'un fil de cuivre recouvert sur le restant de sa longueur par un isolant (7). La figure 2 représente le schéma de principe d'un exemple de réalisation du circuit de détection. La mesure de la différence de potentiel est effectuée aux bornes d'une résistance (10) par un détecteur de tension (11) connu, par exemple un oscilloscope, un amplificateur opérationnel, ou tout autre moyen équivalent. Le matériau à traiter est disposé sur une masse métallique importante (9) formant la masse. Le procédé selon l'invention a été expérimenté avec un laser pulsé ultraviolet émettant dans une longueur d'onde de 193 nm et 308 nm des impulsions d'une durée de 20 ns, avec une énergie de 100 à 200 mJ et formant un faisceau d'un diamètre de l'ordre de 2 à 3 millimètres. L'installation fonctionne à l'air ambiant, à la pression atmosphérique ambiante. Le procédé a été testé sur des échantillons métalliques en fer, cuivre et aluminium, recouvert d'une couche de diélectrique, notamment du TEFLON (nom commercial), des oxydes ou des revêtements divers tels que des peintures, d'une épaisseur variant de 0,1 à 2 millimètres. La sonde (3) est formée par un câble d'une impédance de 50 ohms, présentant une extrémité dénudée de 1 cm et d'une section de 0,4 mm. La résistance de charge (10) présente une valeur de 50 ohms. La sonde forme une antenne. Elle n'est pas en contact avec le matériau à traiter, mais est placé à une distance de quelques millimètres à quelques centimètres, en fonction de la dimension du panache d'ablation. Cette sonde forme une antenne mesure le potentiel du champ électrique au voisinage du panache d'ablation, et non pas la charge électrique en un point du nuage d'ablation, comme cela se produit pour une sonde ionique. Le câble de liaison dont l'extrémité est dénudée est entouré par une tresse reliée à la masse, cette tresse étant reliée au support de l'échantillon, qui est par exemple formé par une plaque de 10x10 cm, d'une épaisseur de 2 cm. La résistance de charge (10) est déterminée en fonction de la capacité propre C de la sonde et de la capacité propre Ck du câble de façon à ce que le temps de relaxation Tn = R(C+Ck) soit très supérieur au temps Tp, temps propre de la variation du signal. En fonction des caractéristiques des capacités C et Ck et de la résistance R, le signal U(t) délivré par la sonde sera proportionnel de préférence au potentiel électrique p(t), ou à la dérivée d(p La figure 3 représente la courbe d'évolution de la tension détectée en fonction du nombre d'impulsions laser. I1 s'agit d'un matériau métallique recouvert d'oxyde de fer. On peut constater que le nettoyage progressif de la plaque se traduit par une augmentation de la tension négative détectée, jusqu'à ce que la tension atteigne une valeur de saturation correspondant à la suppression de la couche d'oxyde, qui se produit aux alentour de 35 impulsions. Le procédé selon l'invention permet de discriminer des cibles diélectriques entre elles et des cibles conductrices entre elles, ainsi que des cibles diélectriques par rapport à des cibles conductrices. Dans le cas de l'ablation d'un matériau diélectrique, la différence de potentiel entre l'antenne placée à proximité du panache d'ablation et la masse est positive. Dans le cas de l'ablation d'un matériau conducteur, la différence de potentiel entre l'antenne placée à proximité du panache d'ablation et la masse est négative. Le changement de signe permet de détecter le passage d'une surface diélectrique à une surface conductrice, ou inversement. Eventuellement, le circuit de détection sera synchronisé avec le signal de commande du laser à impulsion, afin de faciliter l'exploitation des signaux détectés. Ce signal, ou un signal fonction de la différence de potentiel, peut être utilisé pour asservir le déplacement du faisceau laser, ou pour asservir la puissance du laser. Le signal d'asservissement peut être l'intégrale du signal délivré par la sonde. Les applications de ce procédé sont multiples: - perçage total ou partielle d'un matériau multicouche. Ce procédé permet d'arrêter le perçage par photo-ablation dès qu'une couche de conductivité différente est atteinte - décapage de surface : le faisceau laser peut être déplacé dès que le matériau à ablater à disparu et que la surface du matériau à préserver est atteinte - nitruration, oxydation et plus généralement toutes les modifications de la composition de la surface d'un matériau par traitement laser impulsionnel. L'invention n'est pas limité à ce qui précède, mais s'étend à toutes les variantes de réalisation accessibles de l'homme du métier. REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrôle d'un processus d'ablation par interaction entre un laser impulsionnel et une cible caractérisé en ce que l'on mesure la différence de potentiel entre une zone au voisinage du panache d'ablation (5) et une référence de potentiel. 2 - Procédé de contrôle d'un processus d'ablation selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on dispose une antenne (3) au voisinage du panache d'ablation (5), et en ce que l'on détecte la différence de potentiel entre ladite antenne (3) et la masse reliée électriquement au substrat de la cible. 3 - Procédé de contrôle d'un processus d'ablation selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on détecte la présence d'éléments conducteurs par le signe négatif de la différence de potentiel mesurée. 4 - Procédé de contrôle d'un processus d'ablation selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on détecte la présence d'éléments diélectrique par le signe positif de la différence de potentiel mesurée. 5 - Procédé de contrôle d'un processus d'ablation selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'on détecte le passage d'une zone présentant une première caractéristique électrique, liée à la nature du matériau, à une zone présentant une caractéristique électrique, liée à la nature du matériau, différente par la variation de la différence de potentiel détectée. 6 - Application du procédé de contrôle selon l'une au moins des revendications précédentes pour l'asservissement du déplacement du faisceau d'ablation par le signal fonction de la différence de potentiel détectée. 7 - Application du procédé de contrôle selon l'une au moins des revendications précédentes pour l'asservissement de la puissance du faisceau d'ablation par le signal fonction de la différence de potentiel détectée. 8 - Application du procédé de contrôle selon l'une au moins des revendications précédentes pour le perçage contrôlée de matériaux multicouches. 9 - Application du procédé de contrôle selon l'une au moins des revendications précédentes pour le décapage contrôlée de matériaux. 10 - Equipement d'ablation laser pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une au moins des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte une antenne (3) propre à être disposée à proximité du panache d'ablation (5), et des moyens pour détecter la différence de potentiel entre ladite antenne (3) et la masse.