Brevet FR2839664A1 — publié le 20031121

L'invention concerne le domaine de l'élimination des impuretés de la surface d'un matériau. Elle s'applique particulièrement à l'élimination à partir de la surface de matériaux métalliques, de céramiques ou de polymères, de couches de contamination constituées de matière rapportée (résidus, graisses, acides...) ou de couches de diffusion (oxydes natifs notamment). Le nettoyage de la surface des matériaux métalliques tels que l'acier, l'aluminium, le titane, est souvent effectué au moyen de solutions de décapage fortement acides ou basiques. Cette façon de procéder présente des inconvénients notamment du point de vue de la protection de l'environnement, puisqu'elle utilise des milieux dangereux et produit des rejets à retraiter impérativement. Une technique plus favorable à l'environnement est l'utilisation de procédés de nettoyage chimique par plasma froid continu ou pulsé. Elle est applicable aussi bien sur des pièces unitaires de formes diverses, de manière discontinue, que sur des bandes en défilement. Elle est utilisable non seulement pour les matériaux métalliques, mais aussi pour les céramiques et les polymères. Le nettoyage de ces surfaces par un plasma froid n'est cependant pas toujours aussi efficace qu'il le faudrait lors de l'élimination des oxydes natifs formés à la surface des matériaux métalliques, et aussi lors de l'élimination de certaines huiles, comme des huiles siliconées. Dans ce dernier cas, l'opération de nettoyage s'opère en étant accompagnée d'une modification des liaisons chimiques de surface dans la couche d'impuretés. Les liaisons ainsi créées sont plus fortes, de sorte qu'elles ne sont plus éliminées par les espèces chimiquement actives du plasma. La formation de ces couches peut conduire à créer une couche de contamination inerte à l'effet du plasma. Pour effectuer un nettoyage plus efficace de la surface, il faut à ce stade utiliser un effet de pulvérisation physique de ces liaisons par des ions particulièrement énergétiques. Des problèmes analogues surviennent lorsqu'on veut nettoyer la surface d'un polymère des composés organiques qui y ont migré par ressuage. La pulvérisation physique du film inerte s'obtient grâce à une polarisation en courant continu du substrat s'il est conducteur, ou par un effet d'autopolarisation en plasma radiofréquences, cette dernière solution étant utilisable aussi bien lorsque la pièce à nettoyer est conductrice que lorsqu'elle est isolante. Le moment où il est nécessaire de passer d'une étape de nettoyage chimique à une étape de pulvérisation physique ou inversement peut être détecté par une méthode d'analyse de la phase gazeuse telle que la spectrométrie d'émission optique, ou par une méthode d'analyse de la surface de la pièce à nettoyer. L'usage de la seule pulvérisation physique peut également nuire gravement à la qualité du nettoyage. En effet, la pulvérisation physique s'opère de manière inhomogène sur des couches d'impuretés d'épaisseur variable ou sur des mélanges d'oxydes. Il y a alors un risque de voir apparaître à la surface de la pièce des défauts tels qu'une rugosité accrue, un endommagement du substrat, une modification chimique de sa composition. Le but de l'invention est de rendre possible un nettoyage ultime par plasma froid d'une surface métallique, céramique ou polymère au moyen d'une seule étape opératoire, même lorsque des contaminants de cette surface difficiles à éliminer par les méthodes habituelles sont en cause, par exemple des huiles siliconées ou certains oxydes. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de nettoyage de la surface d'une pièce en un matériau métallique, céramique ou polymère, selon lequel on plonge ladite pièce dans un plasma froid, caractérisé en ce qu'on impose à ladite pièce de manière intermittente une polarisation ou une autopolarisation, de manière à réaliser lors des périodes de polarisation ou d'autopolarisation de la pièce une pulvérisation des impuretés présentes à la surface de la pièce. De préférence, on met en #uvre ce procédé au moins pendant des périodes où on constate que ledit plasma ne permet plus de réaliser ledit nettoyage de la pièce par un effet chimique seul. Ledit plasma peut être un plasma continu pulsé. Ledit plasma peut être un plasma radiofréquences généré à l'aide d'un générateur de radiofréquences également relié à la pièce à traiter, dans le but de l'autopolariser. De préférence, on règle les conditions d'autopolarisation de la pièce par l'intermédiaire de la puissance délivrée au plasma. Ledit plasma peut être un plasma en post-décharge, et on impose alors à la pièce une polarisation continue négative puisée. L'invention a également pour objet un dispositif de nettoyage de la surface d'une pièce en un matériau métallique, céramique ou polymère, du type comportant une enceinte renfermant ladite pièce, des moyens pour contrôler la pression et la composition de l'atmosphère dans ladite enceinte, et des moyens pour générer un plasma froid à l'intérieur de ladite enceinte, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour imposer à ladite pièce de manière intermittente une polarisation ou une autopolarisation dans des conditions autorisant l'obtention d'une pulvérisation des impuretés présentes à la surface de la pièce lors des phases de polarisation ou d'autopolarisation. Lesdits moyens pour générer un plasma froid et les moyens pour imposer à ladite pièce de manière intermittente une autopolarisation peuvent comprendre un générateur de radiofréquences relié à ladite pièce. Ledit générateur de radiofréquences est de préférence relié à ladite pièce par l'intermédiaire d'un système d'adaptation d'impédance commandable par l'utilisateur. Lesdits moyens pour générer un plasma froid à l'intérieur de ladite enceinte peuvent être prévus pour établir un plasma en post-décharge autour de ladite pièce, et en ce que lesdits moyens pour imposer de manière intermittente une polarisation de ladite pièce comportent un générateur pulsé de courant continu imposant successivement un potentiel négatif et un potentiel nul à ladite pièce. Le dispositif peut comporter des moyens de chauffage de ladite pièce. Le dispositif peut comporter des moyens d'analyse de la surface de la pièce, ou de la phase gazeuse sortant de l'enceinte. Comme on l'aura compris, l'invention consiste donc à immerger la pièce à nettoyer dans un plasma froid, tout en lui imposant de manière intermittente une polarisation ou une autopolarisation, et ce au cours de la même étape de traitement, dans le même appareil. La polarisation ou l'autopolarisation peut être effectuée de manière périodique à une fréquence prédéterminée. Mais de préférence, on l'effectue seulement pendant les phases du traitement où on constate que l'effet chimique du plasma n'est plus opérant pour le nettoyage de la surface de la pièce. Sinon, il y a un risque de voir apparaître à la surface de la pièce des défauts dus au bombardement ionique, tels qu'une rugosité accrue, une pulvérisation du substrat, une modification de la composition chimique du substrat. A cet effet, on peut utiliser des moyens d'analyse soit de la phase gazeuse sortant de l'enceinte, comme la spectrométrie d'émission optique, la spectrométrie de masse ou toute autre technique de caractérisation adaptée, soit de la surface de la pièce à nettoyer, comme l'éllipsométrie infra-rouge ou la réflectométrie infra-rouge. La polarisation ou l'auto-polarisation est appliquée lorsqu'on diagnostique que les impuretés ne sont plus éliminées par le plasma. La pulvérisation n'est opérante qu'à partir du moment où la couche de contaminant est suffisamment conductrice, donc pour des épaisseurs de couche relativement faibles si le contaminant n'est pas très conducteur. Il doit donc être bien compris que le procédé selon l'invention est un procédé de nettoyage ultime qui, à lui seul, ne permettra pas d'enlever de manière économique des couches de contaminants épaisses. Pour un premier nettoyage grossier, les méthodes de nettoyage chimique par plasma et/ou par des solutions de décapage doivent de préférence être d'abord appliquées. L'utilisation contrôlée de la pulvérisation peut également permettre d'éliminer des composés minéraux présents à la surface des pièces à traiter. L'élimination des huiles par des solutions basiques conduit à laisser subsister sur la surface du matériau des composés d'alcalins (par exemple) qu'on n'arrive pas à éliminer ensuite par un nettoyage chimique par plasma froid. En revanche, la pulvérisation dans un plasma froid telle qu'on vient de la décrire donne accès à cette élimination. Le procédé selon l'invention peut aussi être utilisé pour éliminer des oxydes natifs présents à la surface de la pièce à traiter, une fois éliminées les impuretés de surface au moyen de l'invention. Le plasma peut être de différentes natures. Il peut être notamment un plasma à courant continu, pulsé ou non à basses ou moyennes fréquences. On impose alors à la pièce une polarisation continue négative pulsée. Il peut être aussi un plasma radiofréquences généré à l'aide d'un générateur de radiofréquences également relié à la pièce à traiter, dans le but de l'autopolariser. Il peut aussi être un plasma en post-décharge, et on impose alors à la pièce une polarisation négative pulsée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes : - la figure 1 qui montre schématiquement un premier exemple d'installation permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et les courbes puissance pulsée et potentiel d'autopolarisation de la pièce à traiter en fonction du temps qui lui sont associées ; - la figure 2 qui montre schématiquement un deuxième exemple d'installation permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et la courbe potentiel appliqué au matériau à traiter en fonction du temps qui lui est associée. Dans le premier exemple de mise en oeuvre de l'invention représenté sur la figure 1, le dispositif associé comporte une enceinte 1 équipée de moyens (non représentés) permettant d'y maintenir une pression autorisant l'établissement d'un plasma radiofréquences, soit une pression de l'ordre de 1 mbar (102Pa). Cette pression n'a pas besoin d'être très basse, mais dans le cas le plus général, elle est néanmoins inférieure à la pression atmosphérique. L'évacuation des gaz présents dans l'enceinte 1 s'effectue par une conduite 2. La pièce à traiter 3 peut être métallique, céramique ou polymère. Un dispositif adapté 4 introduit dans l'enceinte 1 le gaz destiné à constituer l'atmosphère de traitement de la pièce 3. La nature de ce gaz dépend de la nature de la pièce 3 et de celle des impuretés à éliminer. Un mélange Ar-02 (donné en exemple sur la figure 1) est adapté au nettoyage de composés organiques ressuant d'un polymère. Comme autres types de milieux gazeux utilisables, on peut citer Ar-H2, Ar-H20, Ar-CF4, Ar-N20. La pièce à traiter 3 est reliée à un générateur de radiofréquences 5 délivrant une puissance pulsée PRF. Celle-ci a pour effet de créer une alternance de périodes 6 pendant lesquelles un plasma RF s'établit autour de la pièce 4 et de périodes de post-décharge 7 pendant lesquelles la puissance PRF est nulle. Cette alternance permet d'éviter un échauffement exagéré de la pièce 4, ce qui est particulièrement intéressant si elle est en polymère. La pièce 4 et le générateur RF 5 sont connectés par l'intermédiaire d'un système d'adaptation d'impédance, symbolisé sur la figure 1 par une capacité variable 8. Ce système d'adaptation d'impédance 8 permet de contrôler le potentiel d'autopolarisation Vp de la pièce 4. Une telle autopolarisation intervient durant les périodes 6 où est établi le plasma RF, et ce uniquement lorsque la puissance PRF est suffisante à cet effet. C'est pendant ces périodes qu'a lieu l'étape de pulvérisation qui permet d'achever l'élimination des contaminants superficiels. Le réglage par l'opérateur de la puissance RF permet d'adapter le potentiel d'autopolarisation Vp de la pièce 4 et le moment des étapes de pulvérisation en fonction des besoins. On peut éventuellement prévoir un dispositif 9 de chauffage de la pièce 4 pour les cas où une température relativement élevée de la pièce 4 est favorable à l'élimination des contaminants superficiels, ne dégrade pas la pièce 4, et risque de n'être pas atteinte par le seul effet du plasma. Dans la variante de l'invention représentée sur la figure 2, on met en #uvre le procédé selon l'invention d'une part en utilisant un plasma en postdécharge, d'autre part en imposant à la pièce à traiter une polarisation continue négative pulsée, de manière à attirer les ions pendant des intervalles de temps périodiques pour obtenir une étape de pulvérisation. Les intervalles de temps où la polarisation est nulle servent à contrôler la température de la pièce pour éviter son échauffement excessif. L'enceinte 10 mise à la terre comporte des moyens (non représentés) permettant d'y maintenir une pression désirée, et une conduite d'évacuation des gaz 11. La pièce à traiter 12 est placée à l'intérieur de la chambre principale 13 de l'enceinte, et est reliée à un générateur pulsé de courant continu 14 qui lui impose successivement, à des moments choisis et pendant des durées choisies par l'opérateur, un potentiel négatif et un potentiel nul. Un gaz plasmagène tel qu'un mélange argon-oxygène est injecté dans une ou des zones 15,15' extérieures à la chambre principale de l'enceinte 10 et communiquant avec elle. C'est dans ces zones 15,15' qu'a lieu la génération du plasma par des dispositifs classiques non représentés, dans des conditions telles qu'il parvient au niveau de la pièce 12 dans un état de post-décharge. Un contrôle de la température de la pièce 12 peut éventuellement être procuré par un ou plusieurs dispositifs de chauffage 16, 16'. Comme on l'a dit, des moyens d'analyse de la phase gazeuse ou de la surface de la pièce à traiter, permettant de déterminer les moments où le procédé selon l'invention doit être appliqué, peuvent être intégrés aux installations selon l'invention, telles que celles qui viennent d'être données en exemple. On a décrit jusqu'ici l'application de l'invention du cas où on traite des pièces isolées, de manière discontinue. Mais l'invention serait aussi applicable au cas où on désirerait traiter en continu des produits sous forme de bandes. L'homme du métier saura adapter les installations décrites précédemment pour le traitement de tels produits. REVENDICATIONS 1. Procédé de nettoyage de la surface d'une pièce en un matériau métallique, céramique ou polymère, selon lequel on plonge ladite pièce dans un plasma froid, caractérisé en ce qu'on impose à ladite pièce de manière intermittente une polarisation ou une autopolarisation, de manière à réaliser lors des périodes de polarisation ou d'autopolarisation de la pièce une pulvérisation des impuretés présentes à la surface de la pièce. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on le met en oeuvre au moins pendant des périodes où on constate que ledit plasma ne permet plus de réaliser ledit nettoyage de la pièce par un effet chimique seul. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit plasma est un plasma continu pulsé. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit plasma est un plasma radiofréquences généré à l'aide d'un générateur de radiofréquences également relié à la pièce à traiter, dans le but de l'autopolariser. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on règle les conditions d'autopolarisation de la pièce par l'intermédiaire de la puissance délivrée au plasma. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit plasma est un plasma en post-décharge, et en ce qu'on impose à la pièce une polarisation continue négative pulsée. 7. Dispositif de nettoyage de la surface d'une pièce (4,12) en un matériau métallique, céramique ou polymère, du type comportant une enceinte (1,10) renfermant ladite pièce (4,12), des moyens pour contrôler la pression et la composition de l'atmosphère dans ladite enceinte (1,10), et des moyens pour générer un plasma froid à l'intérieur de ladite enceinte (1,10), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour imposer à ladite pièce (4,12) de manière intermittente une polarisation ou une autopolarisation dans des conditions autorisant l'obtention d'une pulvérisation des impuretés présentes à la surface de la pièce (4,12) lors des phases de polarisation ou d'autopolarisation. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens pour générer un plasma froid et les moyens pour imposer à ladite pièce (4) de manière intermittente une autopolarisation comprennent un générateur de radiofréquences (5) relié à ladite pièce (4). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit générateur de radiofréquences (5) est relié à ladite pièce (4) par l'intermédiaire d'un système d'adaptation d'impédance (8) commandable par l'utilisateur. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens pour générer un plasma froid à l'intérieur de ladite enceinte (10) sont prévus pour établir un plasma en post-décharge autour de ladite pièce (12), et en ce que lesdits moyens pour imposer de manière intermittente une polarisation de ladite pièce (12) comportent un générateur pulsé de courant continu (14) imposant successivement un potentiel (V) négatif et un potentiel (V) nul à ladite pièce (12). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de chauffage (9 ; 16,16') de ladite pièce (4,12). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'analyse de la surface de la pièce (4, 12). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'analyse de la phase gazeuse sortant de l'enceinte (1,10).