EP1307607A1 - Method and device for plasma treatment of moving metal substrates - Google Patents

Method and device for plasma treatment of moving metal substrates

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Publication number
EP1307607A1
EP1307607A1 EP01962488A EP01962488A EP1307607A1 EP 1307607 A1 EP1307607 A1 EP 1307607A1 EP 01962488 A EP01962488 A EP 01962488A EP 01962488 A EP01962488 A EP 01962488A EP 1307607 A1 EP1307607 A1 EP 1307607A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
magnetic
treatment zone
electrode
produced
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01962488A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre Vanden Brande
Alain Weymeersch
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Cold Plasma Applications Cpa
Original Assignee
Cold Plasma Applications Cpa
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Filing date
Publication date
Family has litigation
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Application filed by Cold Plasma Applications Cpa filed Critical Cold Plasma Applications Cpa
Priority to EP01962488A priority Critical patent/EP1307607A1/en
Publication of EP1307607A1 publication Critical patent/EP1307607A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431Constructional details of the reactor
    • H01J37/32623Mechanical discharge control means
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34Methods of heating
    • C21D1/38Heating by cathodic discharges
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C21METALLURGY OF IRON
    • C21DMODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/52Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for wires; for strips ; for rods of unlimited length
    • C21D9/54Furnaces for treating strips or wire
    • C21D9/56Continuous furnaces for strip or wire
    • C21D9/561Continuous furnaces for strip or wire with a controlled atmosphere or vacuum
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23GCLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G5/00Cleaning or de-greasing metallic material by other methods; Apparatus for cleaning or de-greasing metallic material with organic solvents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266Magnetic control means

Definitions

  • the present invention relates to a method of treatment, in particular of cleaning and / or heating by an electric discharge, i.e. by plasma, metallic substrates such as products in the form of wires, tubes, beams, strips or and sheets.
  • an electric discharge i.e. by plasma
  • metallic substrates such as products in the form of wires, tubes, beams, strips or and sheets.
  • the substrate to be treated is moved in a determined direction in an enclosure having a treatment zone in which an electric discharge is created between a counter-electrode and the substrate, near the surface of the latter.
  • This process makes it possible to remove a contamination layer from the substrate, such as for example surface metal oxide and surface carbon, so as to promote the adhesion of a coating subsequently applied to this product by a vacuum deposition technique. .
  • This process also makes it possible to efficiently heat the substrate and can therefore be used for annealing metal products. It can be applied to mild steel, stainless steel, aluminum, copper and other metals substrates.
  • Another major drawback of the known technique is the adaptation of the size of the magnet networks to the bandwidth and the impossibility of treating wires and tubes by this technique.
  • One of the essential aims of the present invention is to propose a method which makes it possible to remedy this type of drawback.
  • a magnetic induction induction field is produced all around the substrate in the treatment zone so that the electrical discharge is confined all around the substrate by the confinement of the released electrons. in the discharge, so as to allow the formation of a high density plasma all around the substrate.
  • a magnetic induction field is produced in the aforementioned treatment zone substantially parallel to the axis of travel of the substrate in this treatment zone in such a way as to thus allow the formation of a magnetron discharge around the substrate by a flow of electrons from the discharge along paths extending around the substrate.
  • At least one magnetic mirror is produced at least partially around the substrate, so that the electrical discharge is confined mainly by this magnetic mirror around the substrate in the treatment zone .
  • a magnetic induction field is created which extends substantially transversely to the direction of movement of the substrate, and which has a minimum value near the surface of the substrate where the electric discharge is confined.
  • the intensity of this magnetic field increases by at least a factor of two from the substrate to the aforementioned magnetic mirror. The electrons moving away from the substrate, are, therefore, reflected and returned towards the substrate having the effect of confining the electrical discharge around the substrate.
  • At least two magnetic mirrors are produced which are crossed by the substrate and which define the entry and exit of the treatment zone. These magnetic mirrors make it possible to confine the electrical discharge in a direction substantially parallel to the axis of travel of the substrate in the treatment area.
  • a magnetic induction field is formed by these magnetic mirrors which is substantially parallel to the direction of travel of the substrate.
  • the intensity of this induction field decreases as it moves away from each mirror towards the center of the treatment area.
  • the invention also relates to a device for treating a metallic substrate, in particular for cleaning and / or heating a metallic substrate, comprising a vacuum chamber provided with an inlet opening and a outlet opening for the substrate.
  • a vacuum chamber which has a treatment zone in which the electrical discharge is created, can pass the substrate in a substantially continuous manner.
  • the device has magnetic means for confining the electrons produced in the electric discharge and comprises at least one counter-electrode disposed opposite the substrate forming an electrode.
  • the device according to the invention is characterized in that the magnetic confinement means are arranged in such a way with respect to the substrate so that the ions produced in the electric discharge can be maintained all around the substrate and thus bombard the surface of the last. More particularly, the magnetic confinement means are provided at least partially around the treatment zone.
  • At least one magnetic mirror is arranged around the treatment zone in which the substrate passes, in such a way as to reflect and return towards the substrate the electrons moving away from the latter and, consequently, to confine the discharge. around the substrate in this area.
  • the magnetic confinement means preferably comprise at least one solenoid around the treatment zone, with an axis substantially parallel to the direction of travel of the substrate.
  • the cross section of the solenoid, perpendicular to its axis, can be of generally any shape, for example circular for a cylindrical solenoid or rectangular for a parallelepipedic solenoid.
  • the device comprises at least two magnetic mirrors between the inlet opening and the outlet opening, delimiting the processing area in the direction of travel of the substrate.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a first embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 1.
  • Figure 3 is a schematic view in cross section parallel to the axis of travel of the product of a second embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 4 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 3.
  • Figure 5 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a third embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 6 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 5.
  • Figure 7 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a fourth embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 8 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 7.
  • Figure 9 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a fifth embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 10 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a sixth embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 12 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 11.
  • Figure 13 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a seventh embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 14 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 13.
  • FIG. 15 is a detail in cross section parallel to the axis of travel of the product of a schematic representation of the discharge indicating the behavior of the electrons between two magnetic mirrors.
  • Figure 16 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the direction of product movement, illustrating the formation of a magnetron discharge around the product.
  • the same reference numbers relate to identical or analogous elements.
  • the method according to the invention consists in creating near the surface of a substrate to be cleaned or in heating a plasma in a gas mixture comprising for example one or more of the following elements: Ar, He, H 2 , O 2 or N 2 , or hydrocarbon compounds.
  • the gas is maintained at a pressure P lower than atmospheric pressure, so as to generate radicals and ions allowing cleaning and the increase in temperature of this substrate.
  • the pressure P can for example be between 10 "2 Pa and 1000 Pa.
  • This process allows cleaning or heating of substrates with high kinetics since it is based on the creation of a high density plasma n in the gas maintained at low pressure.
  • This plasma density n generally corresponds to an electronic density between 10 cm “3 and 10 12 cm “ 3 . Since the plasma is of high density, high powers can be dissipated on the surface of the substrate, mainly in the form of an ion bombardment.
  • the electric discharge is produced under a maximum potential difference maintained between the substrate and a counter electrode less than or equal to 1000 V for average power densities per unit area of substrate between 1 Wcm " 2 and 200 Wcm " 2.
  • the discharge for the formation of a plasma, is obtained by polarizing the substrate negatively with respect to a counter electrode, either continuously or cyclically.
  • a counter electrode In the first case, it is a continuous electrical discharge and the counter-electrode is an anode.
  • the second case it is an alternative discharge during which the substrate is bombarded by ions only when it is negatively polarized with respect to the counter-electrode.
  • the form of the signal of the voltage used for an alternating discharge can be sinusoidal, simply rectified, square in the case of pulsed currents or generally any.
  • the duration of the positive part of the voltage signal is not necessarily equal to that of the negative part over a period.
  • the excitation frequency is typically between 1 kHz and 1 MHz and is preferably between 10 kHz and 100 kHz.
  • the substrate is kept grounded.
  • the time during which the counter electrode is negatively polarized with respect to the surface of the substrate is shorter than the time during which it is positively polarized.
  • magnetic mirror it is meant, within the framework of the present invention, a magnetic field of a relatively high value compared to a neighboring magnetic field so that electrons present in this neighboring field and moving towards the high value magnetic field can be reflected in the reign area the lower value fields.
  • These magnetic mirrors can for example be produced by means of two solenoids surrounding the metal substrate or also by means of permanent magnets.
  • the method according to the invention is particularly advantageous for treating long or continuous substrates.
  • the substrate is then moved in its longitudinal direction through an enclosure in which the plasma is created.
  • the magnetic mirrors are placed in such a way that they generate an induction field substantially parallel to the axis of displacement of the substrate, the field increasing in the direction of each mirror.
  • the magnetic induction field produced in the middle of a magnetic mirror is preferably at least equal to 5.10 " T or 50 Gauss.
  • the secondary electrons generated during the bombardment of the surface of the substrate 1 by the ions of the discharge and accelerated in a sheath 16 surrounding the surface of the substrate are reflected by the magnetic mirrors as long as they n have not lost most of their kinetic energy in the ionization processes.
  • sheath is understood the space charge zone, the thickness of which generally does not exceed more than a few millimeters, which is established and naturally separates any surface in contact with a plasma.
  • this surface is that of an electrode and this electrode is brought to a negative potential compared to that of a counter-electrode or anode
  • the sheath which is formed therein bears the name cathode sheath. Most of the potential difference applied between this cathode and the counter electrode or anode is then found at this cathode sheath.
  • the cathode cladding is the seat of the acceleration of positive ions towards the cathode and the seat of the acceleration of the secondary electrons emitted towards the plasma following the impact of the ions at the cathode.
  • the electric field E of the sheath 16 being always perpendicular to the magnetic induction field B since the latter is substantially oriented along the axis of movement of the substrate 1 to be treated and the sheath tension 16 being high, the pe ⁇ endicular component of the speed vector of the electron v is always much higher than its component parallel to the magnetic induction field v para since the latter corresponds substantially to the average thermal speed of the electrons in the plasma corresponding to a much lower kinetic energy.
  • the average thermal energy of the electron is typically less than 10 eV in this type of plasma. This explains why the magnetic confinement of secondary electrons remains very effective until they lose in inelastic collisions. almost all of the energy gained during their acceleration in the cathode cladding 16. These electrons thus bounce between the magnetic mirrors until the energy gained in the cladding 16 is exhausted.
  • the voltage of the sheath 16 is typically of the order of several hundred volts.
  • the electrons also describe a movement in a direction pe ⁇ endicular to the induction field and in a direction pe ⁇ endicular to the electric field, around the substrate 1 (see Fig. 16). These electrons thus finally describe a spiral path 17 around the substrate 1 to be cleaned by bouncing continuously between the magnetic mirrors until the energy gained during the acceleration in the sheath 16 is exhausted. in fact a magnetron discharge confined between two successive mirrors around the substrate 1 to be cleaned or heated. Only the electrons whose escape angle ⁇ is less than the critical angle ⁇ cr can escape from the confinement zone in a proportion once again dependent on the ratio of the induction fields B min between the mirrors and B raax at the level of the mirrors.
  • thermalised electrons electrons whose kinetic energy is reduced and has reached the average value of the energy of the energy distribution of the electrons in the electric discharge. It is therefore possible to place the counter-electrodes or the anodes at the level of the magnetic mirrors without risk of capturing secondary electrons before thermalization.
  • the fraction F th of the fully thermalized electrons that are trapped between the magnetic mirrors is worth:
  • a first method consists in confining the discharge in the direction pe ⁇ endicular to the axis of movement of the substrate between two neighboring mirrors, by the presence of an axial magnetic field, as represented in FIGS. 1, 5 and 7.
  • the latter makes it possible to reduce the ambipolar diffusion coefficient D perp (a) of the plasma in the direction pe ⁇ endicular to the axis of travel at the value of the diffusion coefficient D perp (e) of the electrons in this same direction, this value being much lower than the value the ambipolar diffusion coefficient of a non-magnetized discharge D a .
  • the presence of the magnetic induction field along the direction of movement of the substrate limits the diffusion of the plasma in the direction transverse to the direction of movement of the substrate perpendicular to the lines of magnetic induction field by forcing the electrons to rotate around of the same field line until a collision with another particle, such as an atom or a gas molecule, has not taken place.
  • This configuration also has the advantage of generating a magnetron discharge around the treated substrate and therefore also has the effect of improving the confinement of the plasma around the substrate.
  • Two magnetic mirrors generating a field in the same direction make this configuration possible.
  • the magnetic induction field is reinforced in the direction of movement of the substrate by other means such as for example by adding a third solenoid between the two magnetic mirrors or by the presence of permanent magnets between the mirrors. It is also possible to provide the treatment area only with a magnetic induction field parallel to the direction of movement of the substrate without that it is necessary to install magnetic mirrors if the treatment zone is long enough so that the plasma losses at the entry and at the exit of this zone are low compared to the production of plasma in this same zone.
  • a second method consists in confining the secondary electrons in the space delimited by two mirrors by making use of a particular configuration of these latter, known under the name of magnetic cusp point or "magnetic cusp" as represented in FIGS. 3 and 9.
  • the fields parallel to the scrolling axis produced by two neighboring mirrors are inverted at a cusp, which has the effect of producing a confinement zone for the electrons as well in the direction of displacement of the substrate only in the direction pe ⁇ endicular to this direction.
  • this configuration has the advantage of generating a magnetic mirror around the substrate in the treatment zone in addition to the magnetic mirrors crossed by the product.
  • the component parallel to the running axis of the magnetic induction field is canceled out at the cusp point.
  • a third method uses multipolar magnetic confinement on a surface of revolution surrounding the substrate to be treated between the two magnetic mirrors crossed by the latter.
  • This multipolar confinement can be achieved, for example, by juxtaposition of permanent magnets as shown in FIG. 11.
  • Another known method consists in passing in tight solenoids, surrounding the product, and spaced from each other, currents in opposite directions (Fig. 13). These solenoids can be reduced to wires surrounding the product, traversed by currents successively in opposite directions. See [JR Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2, p. 88-90] and [MA Lieberman, AJ Lichtenberg in Principles of Plasma Discharges and Material Processing, Wiley Interscience, ISBN 0471005770, NY (1994), pp 146-150].
  • a great advantage of the process according to the invention is that, unlike conventional magnetron pickling or "etching" processes, it allows realize a magnetron discharge around substrates of cross sections of different shapes.
  • the method is suitable, for example, for cleaning substrates which consist of beams in the form of T, I or U, wires or multitudes of wires, strips, sheets, etc. It also makes it possible to treat the edges of sheet metal.
  • the method according to the invention does not in fact require the presence of permanent magnets placed at the rear of the substrate, as well as complicated mechanical devices for making the adaptations to the different bandwidths. See for example: EP535568, EP780485, EP879897, D136047, EP878565, EP908535, [S. Schiller, U. Heisig, K. Steinfelder and K. Gehn, Thin Solid Films, 51 (1978) 191].
  • the method can be used to clean the exterior surface of a product by bombardment of ions from the plasma.
  • the cleaning kinetics it is preferable to work at a sufficiently low pressure, preferably at a pressure below 1 Pa, so that the ions accelerated in the cathode sheath are not subjected to no collision before impact with the surface of the substrate.
  • an electric discharge is generated in a gas advantageously maintained at a pressure of less than 1 Pa and preferably between 1 Pa and 0.01 Pa in the treatment zone.
  • the process When the process is used to heat a metallic product and one wants to avoid the erosion of the exterior surface by ion bombardment, it is preferable to work at a pressure such that the ions undergo numerous collisions with the atoms or molecules of the gas during their acceleration in the cathode cladding. In this case, the energy being brought to the surface of the substrate by a larger number of particles, the latter is much less eroded. Indeed, the particles, which arrive on the external surface of the metallic product, do not have sufficient kinetic energy to atomize the surface atoms. In general, in a heating process one works at a pressure above 1 Pa, and preferably at a pressure of the order of 10 Pa.
  • an electric discharge is produced in a gas advantageously maintained between 10 Pa and 1000 Pa.
  • FIG. 1 represents a first embodiment of the device, according to the invention, in which a substrate 1 is displaced along a displacement axis 2 in the direction of the arrow 12 through a tank 3, constituting a vacuum chamber, connected to a pumping group 4.
  • the pumping group 4 keeps a gas at low pressure in the tank 3.
  • a tube 5 passes through the wall of the tank 3 in order to be able to inject a gas or a gaseous mixture therein, necessary for the cleaning or heating process.
  • the device is provided with six coaxial solenoids 6 (A, B, C, D, E, and F) which are inside the tank 3 and which make it possible to create a magnetic induction field.
  • B at the center of the solenoids 6, substantially parallel to the axis of displacement 2.
  • a counter-electrode 9 Inside each of the solenoids 6 is arranged a counter-electrode 9 of rectangular or cylindrical section so that it surrounds the entire surface of the substrate 1.
  • an electrostatic confinement enclosure 11 In the space between the solenoids 6 and the counter-electrodes 9 is mounted an electrostatic confinement enclosure 11 allowing electrical insulation with respect to the walls of the tank 3.
  • This electrostatic confinement enclosure 11 is electrically isolated from the substrate 1 and from the tank 3 and is therefore kept at floating potential with respect to the potential of the substrate 1 and with respect to the potential of the tank 3.
  • This enclosure 11 also allows the recovery of the metal torn from the substrate by the bombardment of ions. It is preferably of tubular appearance.
  • a discharge 10 is produced between the substrate 1 and the counter-electrodes
  • the magnetic induction field B generated by means of the solenoids 6 traversed by electric currents of the same direction, as indicated by the orientation of the arrow 7 which is pe ⁇ endicular to the plane of Figure 1, is substantially parallel to l 'axis of displacement 2. It follows that the orientation of the induction field B is substantially constant. The intensity of the latter varies along the axis of displacement 2.
  • the arrow 7 represents the current vector seen by one of its ends.
  • the induction field is maximum and has a value B max at the level of each solenoid and it presents a minimum (B min ) between two successive solenoids 6 as clearly shown in FIG. 2.
  • the electrons are generally confined between two successive solenoids 6 as long as the escape angle ⁇ remains greater than the critical escape angle ⁇ cr .
  • the solenoids are close enough to allow the presence of a minimum induction field B rain , parallel to the axis of displacement 2, not zero.
  • a magnetron discharge is established around the product to be treated between two successive solenoids.
  • the embodiment of the device, according to the invention, shown in FIG. 3 is different from the previous embodiment in that a discharge is produced between three solenoids 6 traversed by a current flowing successively in the opposite direction. In this case, the magnetic induction field 8 remains substantially parallel to the axis of displacement 2 only at the level of the solenoids 6.
  • the field of magnetic induction 8 is therefore maximum, in absolute value, at the center of the solenoids A, B and C.
  • the field parallel to the axis of displacement 2 vanishes quickly between two solenoids in the vicinity of the product as shown in FIG. 4 .
  • This configuration allows the formation of a magnetic mirror around the product 1 between two successive solenoids as clearly shown in Figure 3 by the concentration of field lines 8 around the product between two successive solenoids.
  • the plasma 10 is, therefore, also confined in a direction pe ⁇ endicular to the axis 2 because the intensity of the magnetic induction field in this direction increases due to the inversion of the field produced by 2 successive solenoids.
  • the plasma is therefore confined in an area delimited by two successive solenoids 6 which form, on the one hand, magnetic mirrors pe ⁇ endicular to the axis of movement, and on the other hand, a magnetic mirror surrounding the substrate 1, the magnetic mirror surrounding the substrate 1 of generally arbitrary section and adapted to the shape of the product, ie rectangular for a strip, cylindrical for a beam or wire, being located between two successive solenoids.
  • Figure 4 clearly shows the presence of a point for which the magnetic induction field B parallel to the axis of displacement is canceled out to reverse on axis 2.
  • the embodiment of the device, according to invention, shown in Figure 5 corresponds to the preferred case where three successive solenoids A, B and C are traversed by a current in the same direction and generate a magnetic field in the same direction.
  • a magnetron discharge around the substrate 1 is produced between two successive solenoids 6.
  • the mirrors A and C, and the third solenoid B make it possible to produce a magnetic induction field parallel to the axis of displacement 2.
  • This configuration is particularly advantageous because it makes it possible to carry out a magnetron discharge around the substrate 1 over a length generally any one under relatively uniform conditions with high plasma density.
  • solenoids A, B and C of rectangular sections makes it possible to treat metal strips, while the use of solenoids of cylindrical sections makes it possible to treat long substrates such as for example wires, beams or tubes.
  • the electrons of the discharge are confined inside the solenoid B by the magnetic mirrors constituted by the solenoids A and C as long as the exit angle ⁇ is greater than the critical angle ⁇ cr (see above).
  • the intensity of the component of the magnetic induction field parallel to the axis of displacement 2 is maximum in the middle of the solenoids A and C and minimum in the middle of the solenoid B as shown in FIG. 6.
  • the configuration of the device, according to the invention, represented in FIG. 7 is a configuration of the magnetic bottle type no longer produced by means of solenoids through which an electric current flowing in the same direction as shown in FIG. 'permanent magnets 13 magnetized in a direction parallel to the direction of movement 2 of the product.
  • Three permanent magnets 13 are mounted in the direction of movement 2.
  • the north pole of one of the magnets is arranged opposite the south pole of the neighboring magnet. This has the consequence that between two neighboring magnets, the magnetic field is oriented in the same direction. It is substantially parallel to the axis of displacement 2 and has a minimum value in the middle of the zone between two successive magnets as shown in FIG. 8.
  • the secondary electrons of the discharge 10 are reflected by the mirrors that constitute the magnetic poles of the magnets or the magnetic field is maximum and equal to B max .
  • the discharge is confined between each pair of successive magnets.
  • a magnetron discharge forms around the substrate in each zone located between two successive magnets.
  • the return of the magnetic field requires an inversion of the direction of the induction field in the free passage of the permanent magnets allowing the product to pass through. This configuration is particularly advantageous in the case of the treatment of metallic wires.
  • FIG. 9 Another embodiment of the device, according to the invention, shown in Figure 9, differs from that of Figure 7 in that the three permanent magnets 13 are mounted with the north pole of one of the magnets oriented facing the north pole of the neighboring magnet and vice versa the south pole opposite the south pole of the neighboring magnet.
  • a cusp of the parallel component of the induction field in the direction of travel 2 can be obtained, as in the device in FIG. 3.
  • the plasma 10 is confined along the axis 2 between the two magnetic surfaces of the same polarity facing each other. Radially, the plasma 10 is confined due to the formation of a magnetic mirror on a closed surface surrounding the product by the concentration of the field lines B away from the axis 2 between two successive magnets.
  • the discharge is carried out between two magnetic mirrors A and C which allow the axial confinement of the electrons.
  • the plasma is confined around the product by means of a series of permanent magnets 14 arranged around the enclosure electrostatic 11. These magnets allow the electrons and therefore the plasma of this enclosure 11 to be magnetically repelled towards product 1.
  • these permanent magnets 14 constitute a series of magnetic mirrors which force the electrons to return in the direction of the substrate 1. It goes without saying that different arrangements of the magnets are possible, such as those described in the literature [J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2].
  • This configuration is interesting if we want to avoid the presence of any magnetic field in the plasma confinement zone 10. As shown in Figure 12, the magnetic field is negligible at the level of the axis of movement 2 between the mirrors magnetic A and C. This configuration also makes it possible to produce plasmas 10 in areas of large volumes.
  • the configuration of the device shown in Figure 13 is identical to the previous one except for the means for generating the magnetic field on the surface of the enclosure 11.
  • the permanent magnets are replaced by a series of solenoids 15 traversed by currents successively in opposite directions.
  • FIG. 14 indicates that the variation of the magnetic induction field of the device of FIG. 13 is similar to that of FIG. 12.
  • FIG. 15 represents the discharge and the behavior of the electrons in the treatment zone located between two magnetic mirrors where the magnetic induction field B is equal to B mjn .
  • the magnetic mirrors are arranged in planes pe ⁇ endicular to the axis of movement 2 of the substrate 1. The latter is negatively polarized with respect to the counter-electrode 9.
  • the electric field E makes it possible to accelerate the ions towards the surface of the substrate.
  • the secondary electrons emitted are accelerated towards the plasma by the same field and it follows that the pe ⁇ endicular component v perp , relative to the direction of the B field, their speed is on average much more higher than the parallel component v para of this same speed.
  • the confinement angle ⁇ is therefore greater than the critical confinement angle ⁇ cr as long as a significant part of their energy has not been lost in inelastic collisions.
  • the counter-electrode 9 allows the return of electrons which have lost their kinetic energy, and which are therefore thermalized, towards the generator not shown in the figure.
  • the counter electrode can function as an anode in direct current, or successively as a cathode and as an anode in alternating current. To avoid, in this case, that the latter is not attacked by the ions when the polarization is negative relative to the product, several means can be implemented.
  • the anodes are placed only at the level of the magnetic mirrors, that is to say in an area where the plasma density is normally lower than between two mirrors because the electrons are repelled there.
  • a second means consists in reducing the time during which the counter-electrode is negatively polarized compared to the time during which it is positively polarized.
  • the negative polarization time of the substrate can be much longer than the positive polarization time because the electrons move much faster than the ions due to their much lower mass.
  • generators with pulsed currents or alternatively generators with simply rectified currents (not smoothed) are possible to use generators with pulsed currents or alternatively generators with simply rectified currents (not smoothed).
  • the advantage of using an alternating current discharge is the marked reduction in the probability of the appearance of "unipolar" arcs on the surface treated by electrical neutralization of the charges forming on the surface of dielectric impurities such as greases and oxides always present on the surface of the product to be treated. These charges form naturally during the bombardment of ions and are neutralized by the flow of electrons when the product is positively polarized with respect to the counter-electrode.
  • an alternating current is used with a frequency between 10 kHz and 100 kHz.
  • FIG. 16 represents a sectional view in a transverse direction pe ⁇ endicular to the direction of displacement 2.
  • the magnetic field B is therefore pe ⁇ endicular with respect to the plane of the sheet.
  • This figure illustrates how the electrons move around the substrate 1 along a trajectory 17 under the joint influence of the magnetic field and the cladding electric field 16.
  • a magnetron discharge therefore forms around the substrate as illustrated in FIG. 16. It As a result, the process naturally adapts to any variation in thickness (th) and width (w) of the substrate 1.
  • the electrons rotate around the field lines while the ions bombard the substrate 1.
  • the trajectories 17 of the electrons are due to the peculiarity of the direction of the magnetic induction field with the direction of the cladding electric field which is always oriented pe ⁇ endicular to the surface of the substrate.
  • All the magnetic confinement devices can indifferently be located inside (as illustrated in the different figures) or outside the tank 3.
  • the tank 3 must be made of a non-ferromagnetic material such than stainless steel or aluminum to allow penetration of the magnetic induction field inside the tank 3.
  • the confinement enclosure 11 must also be made of a non-ferromagnetic material.
  • a device for cleaning hot-rolled mild steel sheets has been produced according to the configuration presented in FIG. 5.
  • the three solenoids A, B and C of cross sections pe ⁇ endicular to the axis of movement 2, of rectangular shapes are of the same dimensions.
  • the length of each solenoid is 400 mm, while the average dimension of the rectangular section is 400 mm by 1000 mm.
  • Each solenoid is formed by winding copper wire.
  • the two external solenoids constituting the magnetic mirrors A and C consume an electrical power of 2,240 kW each.
  • the central solenoid is supplied by a direct current of 0.7 A at 800 V, or an electrical power consumed of 560 W.
  • the total electrical power consumed to generate the induction field B is therefore approximately 5 kW.
  • the three solenoids are placed in sealed carcasses permeable to the magnetic field surrounding the product inside the tank 3.
  • the voltage between anode and cathode is of the order of 500 V for an electrical current of 304 A, or an electrical power consumed of 152 kW in the discharge.
  • the secondary electrons accelerated in the cladding are therefore largely confined by the magnetic mirrors before inelastic collisions, the escape angle ⁇ just after acceleration being worth 84 °, which is greater than 45 °.
  • the return of current to the counter-electrodes placed at the level of mirrors A and C is therefore due to electrons whose escape angle is less than 45 ° which corresponds to 29% of the population of "thermalized” electrons.
  • the radius of gyration of the secondary electrons accelerated under 500 V is 3 mm and therefore exceeds the value of the thickness of the cathode cladding which is of the order of 0.5 mm at the surface of the substrate.
  • the ions bombard the surface of the substrate after acceleration in the sheath, and without undergoing a collision during this acceleration, almost at normal incidence.
  • the sheet was kept grounded while the counter-electrodes were supplied with pulsed current at 40 kHz. These formed the anodes of the system during most of the voltage cycle. During this anode phase of the counter-electrodes, the surface of the sheet was bombarded with argon ions, while the short cathode phase of the counter-electrodes made it possible to neutralize the positive charges on the surface of the sheet and thus ensured a discharge. without electric arc.
  • the same device made it possible to treat sheets of smaller widths and different thicknesses without any modification of the device, except for the adaptation of the electrical powers consumed. A series of parallel wires or strips could moreover be treated without any other modification of the cleaning process than an adaptation of the electric power according to the product treated.
  • the same device as that described in the previous point comprising four units of three successive solenoids, each provided with anodes in the middle of the magnetic mirrors, made it possible to heat a sheet metal 1 m wide and 0.18 mm thick to a temperature of 600 ° C. at a speed of 100 m / min, before cooling at low pressure on metal cooling rollers, themselves cooled with water.
  • the argon pressure was maintained at 10 Pa.
  • Each of the four heating units consumed a power of 180 kW, which corresponded at a total power of 720 kW.
  • the power density dissipated in the treatment area was 22.5 W / cm 2 .
  • the average temperature rise rate is estimated at 125 ° C / s.
  • a mild steel wire was cleaned using a device such as that shown in Figure 7.
  • the wire passed through eleven processing units each bounded by a pair of permanent NeFeB magnets.
  • the useful length of each treatment area was 10 cm, or 1.1 m in total useful treatment length.
  • effective cleaning before zinc plating by "ion plating" was done at an argon pressure of 0.5 Pa using a electrical power of the order of 15 kW.
  • the average power density in this case was 90 W / cm 2 and the temperature rise of the wire remained below 40 K.
  • the present invention has in all cases the main advantage of allowing the obtaining of a magnetically confined discharge around the outer surface of a metallic substrate in the process thus allowing continuous treatment of its entire outer surface. , whatever the shape or the shape variation of this substrate during the process. Only the power adaptation must be carried out.
  • the presence of an induction field parallel to the product allows, in addition to confining the discharge around the product, the realization of a high density magnetron discharge around this latest.
  • the use of magnetic mirrors is useful to limit plasma losses entering and leaving the treatment area but not essential.

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Abstract

The invention concerns a method for treatment, in particular for cleaning and/or heating, a metal substrate (1) moving substantially continuously in a vacuum chamber (3) having a treatment zone wherein an electric discharge (10), that is a plasma, and a magnetic field are produced in a gas maintained at a pressure lower than atmospheric pressure between at least the substrate (1) forming an electrode, and at least a counter electrode (9) so that the substrate (1) is bombarded with ions produced in the electric discharge (10). Said method is characterised in that a magnetic confinement induction field is generated all around the substrate (1) in the treatment zone so that the electric discharge (10) is likewise confined all around the substrate (1) in said treatment zone by the confinement of the electrons released in the electric discharge (10).

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR TRAITER DES SUBSTRATES METALLIQUES AU DEFILE PAR PLASMAPROCESS AND DEVICE FOR PROCESSING METAL SUBSTRATES ON A PLASMA RUN
La présente invention est relative à un procédé de traitement, 5 notamment de nettoyage et/ou de chauffage par une décharge électrique, c.à.d. par plasma, de substrats métalliques tels que des produits se présentant sous forme de fils, de tubes, de poutrelles, de bandes ou et de tôles. Dans ce procédé le substrat à traiter est déplacé suivant un sens déterminé dans une enceinte présentant une zone de traitement dans laquelle une décharge électrique est créée entre une contre-électrode et 10 le substrat, à proximité de la surface de ce dernier.The present invention relates to a method of treatment, in particular of cleaning and / or heating by an electric discharge, i.e. by plasma, metallic substrates such as products in the form of wires, tubes, beams, strips or and sheets. In this method, the substrate to be treated is moved in a determined direction in an enclosure having a treatment zone in which an electric discharge is created between a counter-electrode and the substrate, near the surface of the latter.
Ce procédé permet d'éliminer une couche de contamination du substrat, comme par exemple de l'oxyde métallique superficiel et du carbone superficiel, de manière à favoriser l'adhésion d'un revêtement appliqué ultérieurement sur ce produit par une technique de dépôt sous vide. 15 Ce procédé permet aussi de chauffer efficacement le substrat et peut, par conséquent, servir au recuit de produits métalliques. Il est applicable aussi bien aux substrats en acier doux, inox, aluminium, cuivre et autres métaux.This process makes it possible to remove a contamination layer from the substrate, such as for example surface metal oxide and surface carbon, so as to promote the adhesion of a coating subsequently applied to this product by a vacuum deposition technique. . This process also makes it possible to efficiently heat the substrate and can therefore be used for annealing metal products. It can be applied to mild steel, stainless steel, aluminum, copper and other metals substrates.
Les procédés connus pour le nettoyage ou le chauffage d'un produit métallique par plasma présentent plusieurs désavantages. Selon l'état de la technique il 20 n'est par exemple pas possible de traiter, en une seule opération, toutes les surfaces extérieures du produit.The known methods for cleaning or heating a metallic product by plasma have several disadvantages. According to the state of the art, it is for example not possible to treat, in a single operation, all the external surfaces of the product.
En particulier, pour traiter une bande métallique plate avec une face supérieure et une face inférieure, on traite successivement les deux faces en réalisant un plasma successivement à proximité des deux faces. Ceci a comme inconvénientIn particular, to treat a flat metal strip with an upper face and a lower face, the two faces are treated successively by producing a plasma successively near the two faces. This has the disadvantage
25 important, une recontamination possible de la face qui a été traitée dans la première étape lors du traitement de la deuxième face dans la seconde étape.25 important, a possible recontamination of the face which was treated in the first step during the treatment of the second face in the second step.
Pour pouvoir traiter la bande métallique efficacement, on réalise généralement à la surface de cette dernière une décharge magnétron en disposant à l'arrière de la surface à traiter des réseaux d'aimants.To be able to treat the metal strip effectively, we realize generally on the surface of the latter a magnetron discharge by arranging at the rear of the surface to be treated networks of magnets.
Un autre inconvénient majeur de la technique connue est l'adaptation de la taille des réseaux d'aimants à la largeur de bande et l'impossibilité de traiter des fils et tubes par cette technique.Another major drawback of the known technique is the adaptation of the size of the magnet networks to the bandwidth and the impossibility of treating wires and tubes by this technique.
Un des buts essentiels de la présente invention est de proposer un procédé qui permette de remédier à ce type d'inconvénients.One of the essential aims of the present invention is to propose a method which makes it possible to remedy this type of drawback.
A cet effet, dans le procédé, suivant l'invention, un champ d'induction magnétique de confinement est réalisé tout autour du substrat dans la zone de traitement de sorte que la décharge électrique est confinée tout autour du substrat par le confinement des électrons libérés dans la décharge, de manière à permettre la formation d'un plasma de haute densité tout autour du substrat.To this end, in the method according to the invention, a magnetic induction induction field is produced all around the substrate in the treatment zone so that the electrical discharge is confined all around the substrate by the confinement of the released electrons. in the discharge, so as to allow the formation of a high density plasma all around the substrate.
Avantageusement, on réalise dans la zone de traitement précitée un champ d'induction magnétique sensiblement parallèle à l'axe de défilement du substrat dans cette zone de traitement d'une manière telle à permettre ainsi la formation d'une décharge magnétron autour du substrat par une circulation d'électrons de la décharge selon des trajectoires s 'étendant autour du substrat.Advantageously, a magnetic induction field is produced in the aforementioned treatment zone substantially parallel to the axis of travel of the substrate in this treatment zone in such a way as to thus allow the formation of a magnetron discharge around the substrate by a flow of electrons from the discharge along paths extending around the substrate.
Suivant une forme de réalisation particulièrement avantageuse du procédé, suivant l'invention, au moins un miroir magnétique est réalisé au moins partiellement autour du substrat, de sorte que la décharge électrique est confinée principalement par ce miroir magnétique autour du substrat dans la zone de traitement.According to a particularly advantageous embodiment of the method, according to the invention, at least one magnetic mirror is produced at least partially around the substrate, so that the electrical discharge is confined mainly by this magnetic mirror around the substrate in the treatment zone .
D'une manière intéressante, un champ d'induction magnétique est créé qui s'étend sensiblement transversalement à la direction de déplacement du substrat, et qui présente une valeur minimale à proximité de la surface du substrat où la décharge électrique est confinée. En particulier, l'intensité de ce champ magnétique augmente au moins d'un facteur deux depuis le substrat jusqu'au miroir magnétique précité. Les électrons s 'éloignant du substrat, sont, par conséquent, réfléchis et renvoyés vers le substrat ayant pour effet le confinement de la décharge électrique autour du substrat.Interestingly, a magnetic induction field is created which extends substantially transversely to the direction of movement of the substrate, and which has a minimum value near the surface of the substrate where the electric discharge is confined. In particular, the intensity of this magnetic field increases by at least a factor of two from the substrate to the aforementioned magnetic mirror. The electrons moving away from the substrate, are, therefore, reflected and returned towards the substrate having the effect of confining the electrical discharge around the substrate.
Suivant une autre forme de réalisation avantageuse, on réalise au moins deux miroirs magnétiques qui sont traversés par le substrat et qui définissent l'entrée et la sortie de la zone de traitement. Ces miroirs magnétiques permettent de confiner la décharge électrique dans une direction sensiblement parallèle à l'axe de défilement du substrat dans la zone de traitement.According to another advantageous embodiment, at least two magnetic mirrors are produced which are crossed by the substrate and which define the entry and exit of the treatment zone. These magnetic mirrors make it possible to confine the electrical discharge in a direction substantially parallel to the axis of travel of the substrate in the treatment area.
Un champ d'induction magnétique est formé par ces miroirs magnétiques qui est sensiblement parallèle à la direction de défilement du substrat. L'intensité de ce champ d'induction décroît en s'éloignant de chaque miroir vers le centre de la zone de traitement.A magnetic induction field is formed by these magnetic mirrors which is substantially parallel to the direction of travel of the substrate. The intensity of this induction field decreases as it moves away from each mirror towards the center of the treatment area.
L'invention est aussi relative à un dispositif pour le traitement d'un substrat métallique, notamment pour le nettoyage et/ou le chauffage d'un substrat métallique, comprenant une chambre à vide pourvue d'une ouverture d'entrée et d'une ouverture de sortie pour le substrat. Dans cette chambre à vide, qui présente une zone de traitement dans laquelle est créée la décharge électrique, peut défiler le substrat d'une manière sensiblement continue. Le dispositif présente des moyens magnétiques de confinement d'électrons produits dans la décharge électrique et comprend au moins une contre-électrode disposée en regard du substrat formant une électrode. Le dispositif, selon l'invention, est caractérisé en ce que les moyens magnétiques de confinement sont disposés d'une manière telle par rapport au substrat pour que les ions produits dans la décharge électrique puissent se maintenir tout autour du substrat et ainsi bombarder la surface de ce dernier. Plus particulièrement, les moyens magnétiques de confinement sont pourvus au moins partiellement autour la zone de traitement.The invention also relates to a device for treating a metallic substrate, in particular for cleaning and / or heating a metallic substrate, comprising a vacuum chamber provided with an inlet opening and a outlet opening for the substrate. In this vacuum chamber, which has a treatment zone in which the electrical discharge is created, can pass the substrate in a substantially continuous manner. The device has magnetic means for confining the electrons produced in the electric discharge and comprises at least one counter-electrode disposed opposite the substrate forming an electrode. The device according to the invention is characterized in that the magnetic confinement means are arranged in such a way with respect to the substrate so that the ions produced in the electric discharge can be maintained all around the substrate and thus bombard the surface of the last. More particularly, the magnetic confinement means are provided at least partially around the treatment zone.
Avantageusement, au moins un miroir magnétique est disposé autour de la zone de traitement dans laquelle défile le substrat, d'une manière telle à réfléchir et renvoyer vers le substrat les électrons s'éloignant de ce dernier et, par conséquent, à confiner la décharge électrique autour du substrat dans cette zone. Les moyens magnétiques de confinement comprennent de préférence au moins un solenoïde autour de la zone de traitement, d'axe sensiblement parallèle à la direction de défilement du substrat. La section transversale du solenoïde, perpendiculairement à son axe, peut être de forme généralement quelconque, par exemple circulaire pour un solenoïde cylindrique ou rectangulaire pour un solenoïde parallélépipédique.Advantageously, at least one magnetic mirror is arranged around the treatment zone in which the substrate passes, in such a way as to reflect and return towards the substrate the electrons moving away from the latter and, consequently, to confine the discharge. around the substrate in this area. The magnetic confinement means preferably comprise at least one solenoid around the treatment zone, with an axis substantially parallel to the direction of travel of the substrate. The cross section of the solenoid, perpendicular to its axis, can be of generally any shape, for example circular for a cylindrical solenoid or rectangular for a parallelepipedic solenoid.
Dans une forme de réalisation intéressante de l'invention, le dispositif comprend au moins deux miroirs magnétiques entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortie, délimitant la zone de traitement dans la direction de défilement du substrat.In an interesting embodiment of the invention, the device comprises at least two magnetic mirrors between the inlet opening and the outlet opening, delimiting the processing area in the direction of travel of the substrate.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après, à titre d'exemple non limitatif, de quelques formes de réalisation particulières de l'invention avec référence aux dessins annexés.Other details and particularities of the invention will emerge from the description given below, by way of nonlimiting example, of some particular embodiments of the invention with reference to the appended drawings.
La figure 1 est une vue schématique en coupe transversale parallèle à l'axe de défilement du produit d'une première forme de réalisation du dispositif, selon l'invention.Figure 1 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a first embodiment of the device according to the invention.
La figure 2 est un graphique qui représente la valeur de la composante du champ d'induction magnétique au voisinage du substrat suivant la direction de déplacement du substrat dans le dispositif de la figure 1.FIG. 2 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 1.
La figure 3 est une vue schématique en coupe transversale parallèle à l'axe de défilement du produit d'une deuxième forme de réalisation du dispositif, selon l'invention. La figure 4 est un graphique qui représente la valeur de la composante du champ d'induction magnétique au voisinage du substrat suivant la direction de déplacement du substrat dans le dispositif de la figure 3.Figure 3 is a schematic view in cross section parallel to the axis of travel of the product of a second embodiment of the device according to the invention. FIG. 4 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 3.
La figure 5 est une vue schématique en coupe transversale parallèle à l'axe de défilement du produit d'une troisième forme de réalisation du dispositif, selon l'invention.Figure 5 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a third embodiment of the device according to the invention.
La figure 6 est un graphique qui représente la valeur de la composante du champ d'induction magnétique au voisinage du substrat suivant la direction de déplacement du substrat dans le dispositif de la figure 5.FIG. 6 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 5.
La figure 7 est une vue schématique en coupe transversale parallèle à l'axe de défilement du produit d'une quatrième forme de réalisation du dispositif, selon l'invention.Figure 7 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a fourth embodiment of the device according to the invention.
La figure 8 est un graphique qui représente la valeur de la composante du champ d'induction magnétique au voisinage du substrat suivant la direction de déplacement du substrat dans le dispositif de la figure 7. La figure 9 est une vue schématique en coupe transversale parallèle à l'axe de défilement du produit d'une cinquième forme de réalisation du dispositif, selon l'invention.FIG. 8 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 7. Figure 9 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a fifth embodiment of the device according to the invention.
La figure 10 est un graphique qui représente la valeur de la composante du champ d'induction magnétique au voisinage du substrat suivant la direction de déplacement du substrat dans le dispositif de la figure 9.FIG. 10 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 9.
La figure 11 est une vue schématique en coupe transversale parallèle à l'axe de défilement du produit d'une sixième forme de réalisation du dispositif, selon l'invention. La figure 12 est un graphique qui représente la valeur de la composante du champ d'induction magnétique au voisinage du substrat suivant la direction de déplacement du substrat dans le dispositif de la figure 11.Figure 11 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a sixth embodiment of the device according to the invention. FIG. 12 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 11.
La figure 13 est une vue schématique en coupe transversale parallèle à l'axe de défilement du produit d'une septième forme de réalisation du dispositif, selon l'invention.Figure 13 is a schematic cross-sectional view parallel to the axis of travel of the product of a seventh embodiment of the device according to the invention.
La figure 14 est un graphique qui représente la valeur de la composante du champ d'induction magnétique au voisinage du substrat suivant la direction de déplacement du substrat dans le dispositif de la figure 13.FIG. 14 is a graph which represents the value of the component of the magnetic induction field in the vicinity of the substrate along the direction of movement of the substrate in the device of FIG. 13.
La figure 15 est un détail en coupe transversale parallèle à l'axe de défilement du produit d'une représentation schématique de la décharge indiquant le comportement des électrons entre deux miroirs magnétiques.FIG. 15 is a detail in cross section parallel to the axis of travel of the product of a schematic representation of the discharge indicating the behavior of the electrons between two magnetic mirrors.
La figure 16 est une vue schématique en coupe transversale perpendiculaire à la direction de déplacement du produit, illustrant la formation d'une décharge magnétron autour du produit. Dans les différentes figures, les mêmes chiffres de référence concernent des éléments identiques ou analogues.Figure 16 is a schematic cross-sectional view perpendicular to the direction of product movement, illustrating the formation of a magnetron discharge around the product. In the different figures, the same reference numbers relate to identical or analogous elements.
Le procédé suivant l'invention consiste à créer à proximité de la surface d'un substrat à nettoyer ou à chauffer un plasma dans un mélange gazeux comprenant par exemple un ou plusieurs des éléments suivants : Ar, He, H2, O2 ou N2, ou des composés hydrocarbonés. Le gaz est maintenu à une pression P inférieure à la pression atmosphérique, de manière à générer des radicaux et des ions permettant le nettoyage et l'augmentation de température de ce substrat. La pression P peut par exemple être comprise entre 10"2Pa et 1000 Pa.The method according to the invention consists in creating near the surface of a substrate to be cleaned or in heating a plasma in a gas mixture comprising for example one or more of the following elements: Ar, He, H 2 , O 2 or N 2 , or hydrocarbon compounds. The gas is maintained at a pressure P lower than atmospheric pressure, so as to generate radicals and ions allowing cleaning and the increase in temperature of this substrate. The pressure P can for example be between 10 "2 Pa and 1000 Pa.
Ce procédé permet un nettoyage ou un chauffage de substrats avec une cinétique élevée étant donné qu'il est basé sur la création d'un plasma à haute densité n dans le gaz maintenu à basse pression. Cette densité de plasma n correspond généralement à une densité électronique comprise entre 10 cm"3 et 1012 cm"3. Le plasma étant à haute densité, des puissances élevées peuvent être dissipées à la surface du substrat, principalement sous la forme d'un bombardement d'ions.This process allows cleaning or heating of substrates with high kinetics since it is based on the creation of a high density plasma n in the gas maintained at low pressure. This plasma density n generally corresponds to an electronic density between 10 cm "3 and 10 12 cm " 3 . Since the plasma is of high density, high powers can be dissipated on the surface of the substrate, mainly in the form of an ion bombardment.
En particulier, la décharge électrique est produite sous une différence de potentiel maximale maintenue entre le substrat et une contre-électrode inférieure ou égale à 1000 V pour des densités de puissance moyennes par unité de surface de substrat comprises entre 1 Wcm" 2 et 200 Wcm" 2.In particular, the electric discharge is produced under a maximum potential difference maintained between the substrate and a counter electrode less than or equal to 1000 V for average power densities per unit area of substrate between 1 Wcm " 2 and 200 Wcm " 2.
La décharge, pour la formation d'un plasma, est obtenue en polarisant le substrat négativement par rapport à une contre-électrode, soit d'une manière continue, soit d'une manière cyclique. Dans le premier cas, il s'agit d'une décharge électrique continue et la contre-électrode est une anode. Dans le second cas, il s'agit d'une décharge alternative durant laquelle le substrat n'est bombardé par des ions que lorsqu'il est polarisé négativement par rapport à la contre-électrode.The discharge, for the formation of a plasma, is obtained by polarizing the substrate negatively with respect to a counter electrode, either continuously or cyclically. In the first case, it is a continuous electrical discharge and the counter-electrode is an anode. In the second case, it is an alternative discharge during which the substrate is bombarded by ions only when it is negatively polarized with respect to the counter-electrode.
La forme du signal de la tension utilisée pour une décharge alternative peut être sinusoïdale, simplement redressée, carrée dans le cas de courants puisés ou généralement quelconque. La durée de la partie positive du signal en tension n'est pas nécessairement égale à celle de la partie négative sur une période. La fréquence d'excitation est typiquement comprise entre 1 kHz et 1MHz et est de préférence comprise entre 10 kHz et 100 kHz. Avantageusement, le substrat est maintenu à la masse.The form of the signal of the voltage used for an alternating discharge can be sinusoidal, simply rectified, square in the case of pulsed currents or generally any. The duration of the positive part of the voltage signal is not necessarily equal to that of the negative part over a period. The excitation frequency is typically between 1 kHz and 1 MHz and is preferably between 10 kHz and 100 kHz. Advantageously, the substrate is kept grounded.
De préférence, le temps durant lequel la contre-électrode est polarisée négativement par rapport à la surface du substrat est plus court que le temps durant lequel elle est polarisée positivement.Preferably, the time during which the counter electrode is negatively polarized with respect to the surface of the substrate is shorter than the time during which it is positively polarized.
Le confinement des électrons de la décharge entre deux ou plusieurs miroirs magnétiques successifs traversés par le substrat métallique permet d'augmenter la densité d'un plasma réalisé autour de ce dernier. Par miroir magnétique, il y a lieu d'entendre, dans le cadre de la présente invention, un champ magnétique d'une valeur relativement élevée par rapport à un champ magnétique voisin pour que des électrons présents dans ce champ voisin et se déplaçant vers le champ magnétique d'une valeur élevée puissent être réfléchis dans la zone au règne le champs de valeur plus basse.The confinement of the discharge electrons between two or more successive magnetic mirrors crossed by the metal substrate makes it possible to increase the density of a plasma produced around the latter. By magnetic mirror, it is meant, within the framework of the present invention, a magnetic field of a relatively high value compared to a neighboring magnetic field so that electrons present in this neighboring field and moving towards the high value magnetic field can be reflected in the reign area the lower value fields.
Ces miroirs magnétiques peuvent par exemple être réalisés au moyen de deux solénoïdes entourant le substrat métallique ou encore au moyen d'aimants permanents.These magnetic mirrors can for example be produced by means of two solenoids surrounding the metal substrate or also by means of permanent magnets.
Le procédé, suivant l'invention, est particulièrement intéressant pour traiter des substrats longs ou continus. Le substrat est alors déplacé suivant sa direction longitudinale à travers une enceinte dans laquelle le plasma est créé.The method according to the invention is particularly advantageous for treating long or continuous substrates. The substrate is then moved in its longitudinal direction through an enclosure in which the plasma is created.
Dans une configuration préférentielle, les miroirs magnétiques sont placés d'une telle manière qu'ils génèrent un champ d'induction sensiblement parallèle à l'axe de déplacement du substrat, le champ croissant en direction de chaque miroir. Le champ d'induction magnétique produit au milieu d'un miroir magnétique est de préférence au moins égal à 5.10" T ou 50 Gauss.In a preferred configuration, the magnetic mirrors are placed in such a way that they generate an induction field substantially parallel to the axis of displacement of the substrate, the field increasing in the direction of each mirror. The magnetic induction field produced in the middle of a magnetic mirror is preferably at least equal to 5.10 " T or 50 Gauss.
Comme représenté schématiquement dans la figure 15, les électrons secondaires générés lors du bombardement de la surface du substrat 1 par les ions de la décharge et accélérés dans une gaine 16 entourant la surface du substrat, sont réfléchis par les miroirs magnétiques tant qu'ils n'ont pas perdus la plus grande partie de leur énergie cinétique dans les processus d'ionisation.As shown schematically in Figure 15, the secondary electrons generated during the bombardment of the surface of the substrate 1 by the ions of the discharge and accelerated in a sheath 16 surrounding the surface of the substrate, are reflected by the magnetic mirrors as long as they n have not lost most of their kinetic energy in the ionization processes.
En effet, au dessus d'une certaine valeur critique de la composante perpendiculaire vperp du vecteur vitesse d'un électron par rapport à la direction du champ d'induction, qui est sensiblement parallèle à la direction de déplacement du substrat 1, l'électron reste confiné entre deux miroirs magnétiques voisins.Indeed, above a certain critical value of the perpendicular component v perp of the velocity vector of an electron with respect to the direction of the induction field, which is substantially parallel to the direction of movement of the substrate 1, the electron remains confined between two neighboring magnetic mirrors.
Par gaine, on comprend la zone de charge d'espace, dont l'épaisseur ne dépasse généralement pas plus de quelques millimètres, qui s'établit et sépare naturellement toute surface en contact avec un plasma. Lorsque cette surface est celle d'une électrode et que cette électrode est portée à un potentiel négatif par rapport à celui d'une contre-électrode ou anode, la gaine qui y est formée porte le nom gaine cathodique. La plus grande partie de la différence de potentiel appliquée entre cette cathode et la contre-électrode ou anode se retrouve alors au niveau de cette gaine cathodique. Pour cette raison, la gaine cathodique est le siège de l'accélération des ions positifs vers la cathode et le siège de l'accélération des électrons secondaires émis vers le plasma suite à l'impact des ions à la cathode. Si Bmln représente le champ d'induction magnétique minimum entre deux miroirs successifs et Bmax correspond au champ d'induction magnétique parallèle à l'axe central, entre ces deux miroirs, généré au niveau de chaque miroir, on montre que, pour une symétrie axiale avec Bmin parallèle au sens de déplacement du substrat 1, un électron reste confiné entre ces deux miroirs lorsque le rapport de la composante peφendiculaire vperp de la vitesse de l'électron à son module vitesse totale v est supérieur à une valeur critique égale à sinθcr = (Bmin/Bmax) 1/2 avec θ l'angle entre la direction du champ d'induction et la vitesse totale v. Voir par exemple : [J. . Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2, pp 75-90]. Se référer à la Fig. 15. On exprime qu'un électron s'échappe au travers des miroirs lorsque l'angle d'échappement θ est inférieur à l'angle critique d'échappement θcr, ce qui se traduit mathématiquement sous la forme :By sheath is understood the space charge zone, the thickness of which generally does not exceed more than a few millimeters, which is established and naturally separates any surface in contact with a plasma. When this surface is that of an electrode and this electrode is brought to a negative potential compared to that of a counter-electrode or anode, the sheath which is formed therein bears the name cathode sheath. Most of the potential difference applied between this cathode and the counter electrode or anode is then found at this cathode sheath. For this reason, the cathode cladding is the seat of the acceleration of positive ions towards the cathode and the seat of the acceleration of the secondary electrons emitted towards the plasma following the impact of the ions at the cathode. If B mln represents the minimum magnetic induction field between two successive mirrors and B max corresponds to the magnetic induction field parallel to the central axis, between these two mirrors, generated at each mirror, we show that, for a axial symmetry with B min parallel to the direction of movement of the substrate 1, an electron remains confined between these two mirrors when the ratio of the peφendicular component v perp of the speed of the electron to its module total speed v is greater than a critical value equal to sinθ cr = (B min / B max ) 1/2 with θ the angle between the direction of the induction field and the total speed v. See for example: [J. . Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2, pp 75-90]. Refer to Fig. 15. We express that an electron escapes through the mirrors when the escape angle θ is less than the critical escape angle θ cr , which is expressed mathematically in the form:
Le champ électrique E de la gaine 16 étant toujours peφendiculaire au champ d'induction magnétique B puisque ce dernier est sensiblement orienté suivant l'axe de déplacement du substrat 1 à traiter et la tension de gaine 16 étant élevée, la composante peφendiculaire du vecteur vitesse de l'électron v est toujours beaucoup plus élevée que sa composante parallèle au champ d'induction magnétique vpara puisque cette dernière correspond sensiblement à la vitesse thermique moyenne des électrons dans le plasma correspondant à une énergie cinétique beaucoup plus faible. L'énergie thermique moyenne de l'électron est typiquement inférieure à 10 eV dans ce type de plasma. Ceci explique pourquoi le confinement magnétique des électrons secondaires reste très efficace jusqu'à ce qu'ils perdent dans des collisions inélastiques la presque totalité de l'énergie gagnée lors de leur accélération dans la gaine cathodique 16. Ces électrons rebondissent ainsi entre les miroirs magnétiques jusqu'à épuisement de l'énergie gagnée dans la gaine 16.The electric field E of the sheath 16 being always perpendicular to the magnetic induction field B since the latter is substantially oriented along the axis of movement of the substrate 1 to be treated and the sheath tension 16 being high, the peφendicular component of the speed vector of the electron v is always much higher than its component parallel to the magnetic induction field v para since the latter corresponds substantially to the average thermal speed of the electrons in the plasma corresponding to a much lower kinetic energy. The average thermal energy of the electron is typically less than 10 eV in this type of plasma. This explains why the magnetic confinement of secondary electrons remains very effective until they lose in inelastic collisions. almost all of the energy gained during their acceleration in the cathode cladding 16. These electrons thus bounce between the magnetic mirrors until the energy gained in the cladding 16 is exhausted.
La tension de la gaine 16 est typiquement de l'ordre de plusieurs centaines de Volt.The voltage of the sheath 16 is typically of the order of several hundred volts.
Outre ce mouvement longitudinal, les électrons décrivent aussi un mouvement dans une direction peφendiculaire au champ d'induction et dans une direction peφendiculaire au champ électrique, autour du substrat 1 (voir la Fig. 16). Ces électrons décrivent ainsi, finalement, une trajectoire en spirale 17 autour du substrat 1 à nettoyer en rebondissant de manière continue entre les miroirs magnétiques jusqu'à l'épuisement de l'énergie gagnée lors de l'accélération dans la gaine 16. On réalise en fait une décharge magnétron confinée entre deux miroirs successifs autour du substrat 1 à nettoyer ou à chauffer. Seuls les électrons dont l'angle d'échappement θ est inférieur à l'angle critique θcr peuvent s'échapper de la zone de confinement dans une proportion dépendant encore une fois du rapport des champs d'induction Bmin entre les miroirs et Braax au niveau des miroirs. En effet, seul des électrons "thermalisés" au cours de nombreuses collisions peuvent s'échapper au travers des miroirs magnétiques. Par électrons "thermalisés" on comprend des électrons dont l'énergie cinétique est diminuée et a atteint la valeur moyenne de l'énergie de la distribution énergétique des électrons dans la décharge électrique. Il est donc possible de placer les contre-électrodes ou les anodes au niveau des miroirs magnétiques sans risque de capter des électrons secondaires avant thermalisation. On peut montrer que la fraction Fth des électrons totalement thermalisés qui sont piégés entre les miroirs magnétiques vaut :Besides this longitudinal movement, the electrons also describe a movement in a direction peφendicular to the induction field and in a direction peφendicular to the electric field, around the substrate 1 (see Fig. 16). These electrons thus finally describe a spiral path 17 around the substrate 1 to be cleaned by bouncing continuously between the magnetic mirrors until the energy gained during the acceleration in the sheath 16 is exhausted. in fact a magnetron discharge confined between two successive mirrors around the substrate 1 to be cleaned or heated. Only the electrons whose escape angle θ is less than the critical angle θ cr can escape from the confinement zone in a proportion once again dependent on the ratio of the induction fields B min between the mirrors and B raax at the level of the mirrors. Indeed, only electrons "thermalized" during numerous collisions can escape through magnetic mirrors. By "thermalised" electrons is understood electrons whose kinetic energy is reduced and has reached the average value of the energy of the energy distribution of the electrons in the electric discharge. It is therefore possible to place the counter-electrodes or the anodes at the level of the magnetic mirrors without risk of capturing secondary electrons before thermalization. We can show that the fraction F th of the fully thermalized electrons that are trapped between the magnetic mirrors is worth:
(J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2). Différentes configurations particulières sont possibles pour le confinement des électrons, et par conséquent pour le confinement du plasma, vers la surface extérieure du substrat :(JR Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2). Different specific configurations are possible for the confinement of the electrons, and consequently for the confinement of the plasma, towards the external surface of the substrate:
Une première méthode consiste à confiner la décharge dans la direction peφendiculaire à l'axe de déplacement du substrat entre deux miroirs voisins, par la présence d'un champ magnétique axial, comme représenté aux figures 1, 5 et 7. Ce dernier permet de réduire le coefficient de diffusion ambipolaire Dperp(a) du plasma dans la direction peφendiculaire à l'axe de défilement à la valeur du coefficient de diffusion Dperp(e) des électrons dans cette même direction, cette valeur étant beaucoup plus faible que la valeur du coefficient de diffusion ambipolaire d'une décharge non magnétisée Da. Voir [M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg in Principles of Plasma Discharges and Material Processing, Wiley Interscience, ISBN 0471005770, NY(1994), pp 129-145].A first method consists in confining the discharge in the direction peφendicular to the axis of movement of the substrate between two neighboring mirrors, by the presence of an axial magnetic field, as represented in FIGS. 1, 5 and 7. The latter makes it possible to reduce the ambipolar diffusion coefficient D perp (a) of the plasma in the direction peφendicular to the axis of travel at the value of the diffusion coefficient D perp (e) of the electrons in this same direction, this value being much lower than the value the ambipolar diffusion coefficient of a non-magnetized discharge D a . See [MA Lieberman, AJ Lichtenberg in Principles of Plasma Discharges and Material Processing, Wiley Interscience, ISBN 0471005770, NY (1994), pp 129-145].
La présence du champ d'induction magnétique suivant la direction du déplacement du substrat, limite en effet la diffusion du plasma dans la direction transversale à la direction de déplacement du substrat peφendiculaire aux lignes de champ d'induction magnétique en forçant les électrons à tourner autour de la même ligne de champ tant qu'une collision avec une autre particule, comme par exemple un atome ou une molécule du gaz, n'a pas eu lieu. Cette configuration a aussi l'avantage de générer une décharge magnétron autour du substrat traité et donc a encore pour effet d'améliorer le confinement du plasma autour du substrat. Deux miroirs magnétiques générant un champ dans le même sens permettent de réaliser cette configuration.The presence of the magnetic induction field along the direction of movement of the substrate, in fact limits the diffusion of the plasma in the direction transverse to the direction of movement of the substrate perpendicular to the lines of magnetic induction field by forcing the electrons to rotate around of the same field line until a collision with another particle, such as an atom or a gas molecule, has not taken place. This configuration also has the advantage of generating a magnetron discharge around the treated substrate and therefore also has the effect of improving the confinement of the plasma around the substrate. Two magnetic mirrors generating a field in the same direction make this configuration possible.
Pour générer une telle décharge magnétron, le champ d'induction magnétique parallèle à l'axe de défilement du substrat est avantageusement au moins égal à l0"3 T (l T = l tesla) et est de préférence compris entre 10"3 T et 0,25 T dans la zone de traitement.To generate such a magnetron discharge, the magnetic induction field parallel to the axis of travel of the substrate is advantageously at least equal to l0 "3 T (l T = l tesla) and is preferably between 10 " 3 T and 0.25 T in the treatment area.
Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, on renforce le champ d'induction magnétique suivant la direction de déplacement du substrat par d'autres moyens tel que par exemple par adjonction d'un troisième solenoïde entre les deux miroirs magnétique ou par la présence d'aimants permanents entre les miroirs. II est aussi possible de pourvoir la zone de traitement seulement d'un champ d'induction magnétique parallèle à la direction de déplacement du substrat sans qu'il soit nécessaire d'installer des miroirs magnétiques si la zone de traitement est suffisamment longue pour que les pertes en plasma à l'entrée et à la sortie de cette zone soient faibles par rapport à la production du plasma dans cette même zone.In a preferred embodiment of the invention, the magnetic induction field is reinforced in the direction of movement of the substrate by other means such as for example by adding a third solenoid between the two magnetic mirrors or by the presence of permanent magnets between the mirrors. It is also possible to provide the treatment area only with a magnetic induction field parallel to the direction of movement of the substrate without that it is necessary to install magnetic mirrors if the treatment zone is long enough so that the plasma losses at the entry and at the exit of this zone are low compared to the production of plasma in this same zone.
Une seconde méthode consiste à confiner les électrons secondaires dans l'espace délimité par deux miroirs en faisant usage d'une configuration particulière de ces derniers, connue sous le nom de point de rebroussement magnétique ou "magnetic cusp" comme représenté dans les figures 3 et 9. Dans ce cas, les champs parallèles à l'axe de défilement, produits par deux miroirs voisins s'inversent en un point de rebroussement, ce qui a pour effet de produire une zone de confinement pour les électrons aussi bien dans la direction de déplacement du substrat que dans la direction peφendiculaire à cette direction.A second method consists in confining the secondary electrons in the space delimited by two mirrors by making use of a particular configuration of these latter, known under the name of magnetic cusp point or "magnetic cusp" as represented in FIGS. 3 and 9. In this case, the fields parallel to the scrolling axis produced by two neighboring mirrors are inverted at a cusp, which has the effect of producing a confinement zone for the electrons as well in the direction of displacement of the substrate only in the direction peφendicular to this direction.
En effet, cette configuration a l'avantage de générer un miroir magnétique autour du substrat dans la zone de traitement en plus des miroirs magnétiques traversés par le produit. La composante parallèle à l'axe de défilement du champ d'induction magnétique s'annule au point de rebroussement Voir [J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2, p 83].Indeed, this configuration has the advantage of generating a magnetic mirror around the substrate in the treatment zone in addition to the magnetic mirrors crossed by the product. The component parallel to the running axis of the magnetic induction field is canceled out at the cusp point See [J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2, p 83].
Une troisième méthode fait usage d'un confinement magnétique multipolaire sur une surface de révolution entourant le substrat à traiter entre les deux miroirs magnétiques traversés par ce dernier. Ce confinement multipolaire peut être réalisé, par exemple, par juxtaposition d'aimants permanents comme représenté dans la figure 11.A third method uses multipolar magnetic confinement on a surface of revolution surrounding the substrate to be treated between the two magnetic mirrors crossed by the latter. This multipolar confinement can be achieved, for example, by juxtaposition of permanent magnets as shown in FIG. 11.
Une autre méthode connue consiste à faire passer dans des solénoïdes serrés, entourant le produit, et espacées les uns des autres, des courants en sens inverses (Fig. 13). Ces solénoïdes peuvent être réduits à des fils entourant le produit, parcourus par des courants successivement en sens inverses. Voir [J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2, p. 88-90] et [M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg in Principles of Plasma Discharges and Material Processing, Wiley Interscience, ISBN 0471005770, NY(1994), pp 146-150]. Un grand avantage du procédé, selon l'invention, est qu'il permet, contrairement aux procédés de décapage ou "d'etching" magnétron classiques, de réaliser une décharge magnétron autour de substrats de sections transversales de formes différentes. Le procédé convient, par exemple, pour le nettoyage de substrats qui sont constitués de poutrelles en formes de T, I ou U, de fils ou de multitudes de fils, de bandes, de tôles, etc. Il permet aussi de traiter les bords de tôle. Le procédé, suivant l'invention, ne nécessite en effet pas la présence d'aimants permanents placés à l'arrière du substrat, ainsi que des dispositifs mécaniques compliqués pour réaliser les adaptations aux différentes largeurs de bandes. Voir par exemple : EP535568, EP780485, EP879897, D136047, EP878565, EP908535, [S. Schiller, U. Heisig, K. Steinfelder and K. Gehn, Thin Solid Films, 51(1978)191]. Le procédé peut être utilisé pour nettoyer la surface extérieure d'un produit par bombardement d'ions provenant du plasma. Dans ce cas, pour que la cinétique de nettoyage soit élevée, il est préférable de travailler à une pression suffisamment basse, de préférence à une pression en-dessous de 1 Pa, de manière à ce que les ions accélérés dans la gaine cathodique ne subissent pas de collision avant impact avec la surface du substrat.Another known method consists in passing in tight solenoids, surrounding the product, and spaced from each other, currents in opposite directions (Fig. 13). These solenoids can be reduced to wires surrounding the product, traversed by currents successively in opposite directions. See [JR Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2, p. 88-90] and [MA Lieberman, AJ Lichtenberg in Principles of Plasma Discharges and Material Processing, Wiley Interscience, ISBN 0471005770, NY (1994), pp 146-150]. A great advantage of the process according to the invention is that, unlike conventional magnetron pickling or "etching" processes, it allows realize a magnetron discharge around substrates of cross sections of different shapes. The method is suitable, for example, for cleaning substrates which consist of beams in the form of T, I or U, wires or multitudes of wires, strips, sheets, etc. It also makes it possible to treat the edges of sheet metal. The method according to the invention does not in fact require the presence of permanent magnets placed at the rear of the substrate, as well as complicated mechanical devices for making the adaptations to the different bandwidths. See for example: EP535568, EP780485, EP879897, D136047, EP878565, EP908535, [S. Schiller, U. Heisig, K. Steinfelder and K. Gehn, Thin Solid Films, 51 (1978) 191]. The method can be used to clean the exterior surface of a product by bombardment of ions from the plasma. In this case, for the cleaning kinetics to be high, it is preferable to work at a sufficiently low pressure, preferably at a pressure below 1 Pa, so that the ions accelerated in the cathode sheath are not subjected to no collision before impact with the surface of the substrate.
Pour nettoyer le substrat une décharge électrique est générée dans un gaz maintenu avantageusement à une pression inférieure à 1 Pa et de préférence comprise entre 1 Pa et 0,01 Pa dans la zone de traitement.To clean the substrate, an electric discharge is generated in a gas advantageously maintained at a pressure of less than 1 Pa and preferably between 1 Pa and 0.01 Pa in the treatment zone.
Lorsque le procédé est utilisé en vue de réchauffer un produit métallique et que l'on veut éviter l'érosion de la surface extérieure par le bombardement d'ions, il est préférable de travailler à une pression telle que les ions subissent de nombreuses collisions avec les atomes ou molécules du gaz durant leur accélération dans la gaine cathodique. Dans ce cas, l'énergie étant apportée à la surface du substrat par un plus grand nombre de particules, ce dernier est beaucoup moins érodé. En effet, les particules, qui arrivent sur la surface extérieure du produit métallique, n'ont pas une énergie cinétique suffisante pour pulvériser les atomes superficiels. En général, dans un procédé de chauffage on travaille à une pression au-dessus de 1 Pa, et de préférence à une pression de l'ordre de 10 Pa.When the process is used to heat a metallic product and one wants to avoid the erosion of the exterior surface by ion bombardment, it is preferable to work at a pressure such that the ions undergo numerous collisions with the atoms or molecules of the gas during their acceleration in the cathode cladding. In this case, the energy being brought to the surface of the substrate by a larger number of particles, the latter is much less eroded. Indeed, the particles, which arrive on the external surface of the metallic product, do not have sufficient kinetic energy to atomize the surface atoms. In general, in a heating process one works at a pressure above 1 Pa, and preferably at a pressure of the order of 10 Pa.
Pour chauffer le substrat, une décharge électrique est produite dans un gaz maintenu avantageusement entre 10 Pa et 1000 Pa.To heat the substrate, an electric discharge is produced in a gas advantageously maintained between 10 Pa and 1000 Pa.
La Figure 1 représente une première forme de réalisation du dispositif, selon l'invention, dans lequel un substrat 1 est déplacé suivant un axe de déplacement 2 dans le sens de la flèche 12 à travers une cuve 3, constituant une chambre à vide, connectée à un groupe de pompage 4. Le groupe de pompage 4 permet de maintenir un gaz à basse pression dans la cuve 3. Un tube 5 traverse la paroi de la cuve 3 afin de pouvoir injecter un gaz ou un mélange gazeux dans cette dernière, nécessaire au procédé de nettoyage ou de chauffage.FIG. 1 represents a first embodiment of the device, according to the invention, in which a substrate 1 is displaced along a displacement axis 2 in the direction of the arrow 12 through a tank 3, constituting a vacuum chamber, connected to a pumping group 4. The pumping group 4 keeps a gas at low pressure in the tank 3. A tube 5 passes through the wall of the tank 3 in order to be able to inject a gas or a gaseous mixture therein, necessary for the cleaning or heating process.
Dans ce cas particulier, le dispositif est pourvu de six solénoïdes 6 (A,B,C, D, E, et F) coaxiaux qui se trouvent à l'intérieur de la cuve 3 et qui permettent de créer un champ d'induction magnétique B au centre des solénoïdes 6, sensiblement parallèle à l'axe de déplacement 2.In this particular case, the device is provided with six coaxial solenoids 6 (A, B, C, D, E, and F) which are inside the tank 3 and which make it possible to create a magnetic induction field. B at the center of the solenoids 6, substantially parallel to the axis of displacement 2.
Le profil général des lignes de champ d'induction magnétique créé par les solénoïdes 6 est indiqué par la ligne 8.The general profile of the magnetic induction field lines created by the solenoids 6 is indicated by line 8.
A l'intérieur de chacun des solénoïdes 6 est agencé une contre-électrode 9 de section rectangulaire ou cylindrique de sorte qu'elle entoure toute la surface du substrat 1.Inside each of the solenoids 6 is arranged a counter-electrode 9 of rectangular or cylindrical section so that it surrounds the entire surface of the substrate 1.
Dans l'espace entre les solénoïdes 6 et les contres-électrodes 9 est monté une enceinte de confinement électrostatique 11 permettant l'isolation électrique par rapport aux parois de la cuve 3. Cette enceinte de confinement électrostatique 11 est isolée électriquement du substrat 1 et de la cuve 3 et est donc maintenue à potentiel flottant par rapport au potentiel du substrat 1 et par rapport au potentiel de la cuve 3. Ainsi on évite la formation d'une décharge sur les parois de la cuve 3 et les solénoïdes 6 sont protégés vis-à-vis de la matière éliminée du substrat 1 lors du nettoyage. Cette enceinte 11 permet d'ailleurs la récupération du métal arraché au substrat par le bombardement d'ions. Elle est de préférence d'allure tubulaire. Une décharge 10 est réalisée entre le substrat 1 et les contres-électrodesIn the space between the solenoids 6 and the counter-electrodes 9 is mounted an electrostatic confinement enclosure 11 allowing electrical insulation with respect to the walls of the tank 3. This electrostatic confinement enclosure 11 is electrically isolated from the substrate 1 and from the tank 3 and is therefore kept at floating potential with respect to the potential of the substrate 1 and with respect to the potential of the tank 3. Thus a formation of a discharge on the walls of the tank 3 is avoided and the solenoids 6 are protected against with respect to the material removed from the substrate 1 during cleaning. This enclosure 11 also allows the recovery of the metal torn from the substrate by the bombardment of ions. It is preferably of tubular appearance. A discharge 10 is produced between the substrate 1 and the counter-electrodes
9. Le champ d'induction magnétique B, généré au moyen des solénoïdes 6 parcourus par des courants électriques de même sens, comme indiqué par l'orientation de la flèche 7 qui est peφendiculaire au plan de la figure 1, est sensiblement parallèle à l'axe de déplacement 2. Il en résulte que l'orientation du champ d'induction B est sensiblement constante. L'intensité de ce dernier varie suivant l'axe de déplacement 2. La flèche 7 représente le vecteur courant vu par une de ses extrémités. Le champ d'induction est maximum et a une valeur Bmax au niveau de chaque solenoïde et il présente un minimum (Bmin) entre deux solénoïdes 6 successifs comme le montre clairement la figure 2.9. The magnetic induction field B, generated by means of the solenoids 6 traversed by electric currents of the same direction, as indicated by the orientation of the arrow 7 which is peφendicular to the plane of Figure 1, is substantially parallel to l 'axis of displacement 2. It follows that the orientation of the induction field B is substantially constant. The intensity of the latter varies along the axis of displacement 2. The arrow 7 represents the current vector seen by one of its ends. The induction field is maximum and has a value B max at the level of each solenoid and it presents a minimum (B min ) between two successive solenoids 6 as clearly shown in FIG. 2.
Par conséquent, les électrons sont généralement confinés entre deux solénoïdes 6 successifs tant que l'angle d'échappement θ reste supérieur à l'angle d'échappement critique θcr. Les solénoïdes sont suffisamment proches pour permettre la présence d'un champ d'induction minimum Brain, parallèle à l'axe de déplacement 2, non nul. Il en résulte qu'une décharge magnétron s'établit autour du produit à traiter entre deux solénoïdes successifs. La forme de réalisation du dispositif, selon l'invention, représentée à la figure 3 est différente de la forme de réalisation précédente en ce qu'une décharge est réalisée entre trois solénoïdes 6 parcourus par un courant circulant successivement en sens inverse. Dans ce cas, le champ d'induction magnétique 8 ne reste sensiblement parallèle à l'axe de déplacement 2 qu'au niveau des solénoïdes 6. Entre deux solénoïdes successifs, il est transversal à l'axe de déplacement 2. Le champ d'induction magnétique 8 est donc maximum, en valeur absolue, au centre des solénoïdes A, B et C. Par contre le champ parallèle à l'axe de déplacement 2 s'annule rapidement entre deux solénoïdes au voisinage du produit comme montré à la figure 4.Consequently, the electrons are generally confined between two successive solenoids 6 as long as the escape angle θ remains greater than the critical escape angle θ cr . The solenoids are close enough to allow the presence of a minimum induction field B rain , parallel to the axis of displacement 2, not zero. As a result, a magnetron discharge is established around the product to be treated between two successive solenoids. The embodiment of the device, according to the invention, shown in FIG. 3 is different from the previous embodiment in that a discharge is produced between three solenoids 6 traversed by a current flowing successively in the opposite direction. In this case, the magnetic induction field 8 remains substantially parallel to the axis of displacement 2 only at the level of the solenoids 6. Between two successive solenoids, it is transverse to the axis of displacement 2. The field of magnetic induction 8 is therefore maximum, in absolute value, at the center of the solenoids A, B and C. On the other hand, the field parallel to the axis of displacement 2 vanishes quickly between two solenoids in the vicinity of the product as shown in FIG. 4 .
Cette configuration permet la formation d'un miroir magnétique autour du produit 1 entre deux solénoïdes successifs comme le montre clairement la figure 3 par la concentration des lignes de champ 8 autour du produit entre deux solénoïdes successifs.This configuration allows the formation of a magnetic mirror around the product 1 between two successive solenoids as clearly shown in Figure 3 by the concentration of field lines 8 around the product between two successive solenoids.
Le plasma 10 est, par conséquent, également confiné suivant une direction peφendiculaire à l'axe 2 car l'intensité du champ d'induction magnétique dans cette direction augmente du fait de l'inversion du champ produit par 2 solénoïdes successifs. Le plasma est donc confiné dans une zone délimitée par deux solénoïdes 6 successifs qui forment, d'une part, des miroirs magnétiques peφendiculairement à l'axe de déplacement, et d'autre part, un miroir magnétique entourant le substrat 1, le miroir magnétique entourant le substrat 1 de section généralement quelconque et adaptée à la forme du produit, i.e. rectangulaire pour une bande, cylindrique pour une poutrelle ou un fil, étant situé entre deux solénoïdes successifs.The plasma 10 is, therefore, also confined in a direction peφendicular to the axis 2 because the intensity of the magnetic induction field in this direction increases due to the inversion of the field produced by 2 successive solenoids. The plasma is therefore confined in an area delimited by two successive solenoids 6 which form, on the one hand, magnetic mirrors peφendicular to the axis of movement, and on the other hand, a magnetic mirror surrounding the substrate 1, the magnetic mirror surrounding the substrate 1 of generally arbitrary section and adapted to the shape of the product, ie rectangular for a strip, cylindrical for a beam or wire, being located between two successive solenoids.
La figure 4 montre clairement la présence d'un point pour lequel le champ d'induction magnétique B parallèle à l'axe de déplacement s'annule pour s'inverser sur l'axe 2. La forme de réalisation du dispositif, suivant l'invention, représentée à la figure 5 correspond au cas préférentiel où trois solénoïdes successifs A, B et C sont parcourus par un courant dans le même sens et génèrent un champ magnétique dans le même sens.Figure 4 clearly shows the presence of a point for which the magnetic induction field B parallel to the axis of displacement is canceled out to reverse on axis 2. The embodiment of the device, according to invention, shown in Figure 5 corresponds to the preferred case where three successive solenoids A, B and C are traversed by a current in the same direction and generate a magnetic field in the same direction.
Une décharge magnétron autour du substrat 1 est produite entre deux solénoïdes 6 successifs. Les miroirs A et C, et le troisième solenoïde B permettent de produire un champ d'induction magnétique parallèle à l'axe de déplacement 2. Cette configuration est particulièrement intéressante car elle permet de réaliser une décharge magnétron autour du substrat 1 sur une longueur généralement quelconque dans des conditions relativement uniformes avec une densité de plasma élevée. L'utilisation de solénoïdes A, B et C de sections rectangulaires permet de traiter des bandes métalliques, tandis que l'utilisation de solénoïdes de sections cylindriques permet de traiter des substrats longs comme par exemple des fils, des poutrelles ou des tubes.A magnetron discharge around the substrate 1 is produced between two successive solenoids 6. The mirrors A and C, and the third solenoid B make it possible to produce a magnetic induction field parallel to the axis of displacement 2. This configuration is particularly advantageous because it makes it possible to carry out a magnetron discharge around the substrate 1 over a length generally any one under relatively uniform conditions with high plasma density. The use of solenoids A, B and C of rectangular sections makes it possible to treat metal strips, while the use of solenoids of cylindrical sections makes it possible to treat long substrates such as for example wires, beams or tubes.
Les électrons de la décharge sont confinés à l'intérieur du solenoïde B par les miroirs magnétiques constitués par les solénoïdes A et C tant que l'angle de sortie θ est supérieur à l'angle critique θcr (cf. supra). L'intensité de la composante du champ d'induction magnétique parallèle à l'axe de déplacement 2 est maximum au milieu des solénoïdes A et C et minimum au milieu du solenoïde B comme montré à la figure 6.The electrons of the discharge are confined inside the solenoid B by the magnetic mirrors constituted by the solenoids A and C as long as the exit angle θ is greater than the critical angle θ cr (see above). The intensity of the component of the magnetic induction field parallel to the axis of displacement 2 is maximum in the middle of the solenoids A and C and minimum in the middle of the solenoid B as shown in FIG. 6.
Des montages successifs de ce type peuvent être agencés les uns derrière les autres en faisant suivre chaque miroir (solenoïde A ou C) d'un solenoïde de type B permettant la décharge magnétron suivant une séquence du type: ABABABA.Successive assemblies of this type can be arranged one behind the other by making each mirror (solenoid A or C) follow a solenoid of type B allowing the magnetron discharge according to a sequence of the type: ABABABA.
La configuration du dispositif, suivant l'invention, représentée à la figure 7 est une configuration de type bouteille magnétique réalisée non plus au moyen de solénoïdes parcourus par un courant électrique circulant dans le même sens comme montré à la figure 1, mais au moyen d'aimants permanents 13 magnétisés dans une direction parallèle au sens du déplacement 2 du produit. Trois aimants permanents 13 sont montés suivant la direction de déplacement 2. Le pôle nord d'un des aimants est disposé face au pôle sud de l'aimant voisin. Ceci a comme conséquence qu'entre deux aimants voisins, le champ magnétique est orienté dans le même sens. Il est sensiblement parallèle à l'axe de déplacement 2 et présente une valeur minimale au milieu de la zone entre deux aimants successifs comme le montre la figure 8. Les électrons secondaires de la décharge 10 sont réfléchis par les miroirs que constituent les pôles magnétiques des aimants ou le champ magnétique est maximum et égal à Bmax. La décharge est confinée entre chaque paire d'aimants successifs. Une décharge magnétron se forme autour du substrat dans chaque zone située entre deux aimants successifs. Bien entendu, le retour du champ magnétique impose une inversion du sens du champ d'induction dans le passage libre des aimants permanents permettant la traversée du produit. Cette configuration est particulièrement intéressante dans le cas du traitement de fils métalliques.The configuration of the device, according to the invention, represented in FIG. 7 is a configuration of the magnetic bottle type no longer produced by means of solenoids through which an electric current flowing in the same direction as shown in FIG. 'permanent magnets 13 magnetized in a direction parallel to the direction of movement 2 of the product. Three permanent magnets 13 are mounted in the direction of movement 2. The north pole of one of the magnets is arranged opposite the south pole of the neighboring magnet. This has the consequence that between two neighboring magnets, the magnetic field is oriented in the same direction. It is substantially parallel to the axis of displacement 2 and has a minimum value in the middle of the zone between two successive magnets as shown in FIG. 8. The secondary electrons of the discharge 10 are reflected by the mirrors that constitute the magnetic poles of the magnets or the magnetic field is maximum and equal to B max . The discharge is confined between each pair of successive magnets. A magnetron discharge forms around the substrate in each zone located between two successive magnets. Of course, the return of the magnetic field requires an inversion of the direction of the induction field in the free passage of the permanent magnets allowing the product to pass through. This configuration is particularly advantageous in the case of the treatment of metallic wires.
Une autre forme de réalisation du dispositif, suivant l'invention, représentée à la figure 9, diffère de celle de la figure 7 en ce que les trois aimants permanents 13 sont montés avec le pôle nord d'un des aimants orienté face au pôle nord de l'aimant voisin et inversement le pôle sud face au pôle sud de l'aimant voisin. De cette manière, un point de rebroussement de la composante parallèle du champ d'induction suivant la direction de défilement 2 peut être obtenu, comme dans le dispositif de la figure 3. On constate bien la présence d'un point d'inversion du signe de la composante parallèle à l'axe 2 du champ d'induction entre deux aimants successifs comme montré à la figure 10.Another embodiment of the device, according to the invention, shown in Figure 9, differs from that of Figure 7 in that the three permanent magnets 13 are mounted with the north pole of one of the magnets oriented facing the north pole of the neighboring magnet and vice versa the south pole opposite the south pole of the neighboring magnet. In this way, a cusp of the parallel component of the induction field in the direction of travel 2 can be obtained, as in the device in FIG. 3. We can clearly see the presence of a point of inversion of the sign of the component parallel to axis 2 of the induction field between two successive magnets as shown in Figure 10.
Le plasma 10 est confiné suivant l'axe 2 entre les deux surfaces magnétiques de même polarité se faisant face. Radialement le plasma 10 est confiné à cause de la formation d'un miroir magnétique sur une surface fermée entourant le produit par la concentration des lignes de champ B en s'éloignant de l'axe 2 entre deux aimants successifs.The plasma 10 is confined along the axis 2 between the two magnetic surfaces of the same polarity facing each other. Radially, the plasma 10 is confined due to the formation of a magnetic mirror on a closed surface surrounding the product by the concentration of the field lines B away from the axis 2 between two successive magnets.
Dans la forme de réalisation du dispositif, suivant l'invention, de la figure 11, la décharge est réalisée entre deux miroirs magnétique A et C qui permettent le confinement axial des électrons. Le confinement du plasma autour du produit est réalisé au moyen d'une série d'aimants permanents 14 disposés autour de l'enceinte électrostatique 11. Ces aimants permettent de repousser magnétiquement les électrons et donc le plasma de cette enceinte 11 vers le produit 1.In the embodiment of the device, according to the invention, of FIG. 11, the discharge is carried out between two magnetic mirrors A and C which allow the axial confinement of the electrons. The plasma is confined around the product by means of a series of permanent magnets 14 arranged around the enclosure electrostatic 11. These magnets allow the electrons and therefore the plasma of this enclosure 11 to be magnetically repelled towards product 1.
En effet, ces aimants permanents 14 constituent une série de miroirs magnétiques qui obligent les électrons à retourner en direction du substrat 1. Il va de soi que différentes dispositions des aimants sont possibles, telles que celles décrites dans la littérature [J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2]. Cette configuration est intéressante si l'on veut éviter la présence de tout champ magnétique dans la zone de confinement du plasma 10. Comme l'indique la figure 12, le champ magnétique est négligeable au niveau de l'axe de déplacement 2 entre les miroirs magnétiques A et C. Cette configuration permet aussi de réaliser des plasmas 10 dans des zones de grands volumes.Indeed, these permanent magnets 14 constitute a series of magnetic mirrors which force the electrons to return in the direction of the substrate 1. It goes without saying that different arrangements of the magnets are possible, such as those described in the literature [J. R. Roth, Industrial Plasma Engineering, Vol. 1, IOP Publishing (1995), ISBN 0 7503 0318 2]. This configuration is interesting if we want to avoid the presence of any magnetic field in the plasma confinement zone 10. As shown in Figure 12, the magnetic field is negligible at the level of the axis of movement 2 between the mirrors magnetic A and C. This configuration also makes it possible to produce plasmas 10 in areas of large volumes.
La configuration du dispositif montré à la figure 13 est identique à la précédente mis à part les moyens permettant de générer le champ magnétique à la surface de l'enceinte 11. En effet, dans ce cas, les aimants permanents sont remplacés par une série de solénoïdes 15 parcourus par des courants successivement en sens opposés.The configuration of the device shown in Figure 13 is identical to the previous one except for the means for generating the magnetic field on the surface of the enclosure 11. In fact, in this case, the permanent magnets are replaced by a series of solenoids 15 traversed by currents successively in opposite directions.
La figure 14 indique que la variation du champ d'induction magnétique du dispositif de la figure 13 est analogue à celle de la figure 12.FIG. 14 indicates that the variation of the magnetic induction field of the device of FIG. 13 is similar to that of FIG. 12.
La figure 15 représente la décharge et le comportement des électrons dans la zone de traitement située entre deux miroirs magnétiques où le champ d'induction magnétique B est égal à Bmjn. Les miroirs magnétiques sont disposés dans des plans peφendiculaires à l'axe de déplacement 2 du substrat 1. Ce dernier est polarisé négativement par rapport à la contre-électrode 9.FIG. 15 represents the discharge and the behavior of the electrons in the treatment zone located between two magnetic mirrors where the magnetic induction field B is equal to B mjn . The magnetic mirrors are arranged in planes peφendicular to the axis of movement 2 of the substrate 1. The latter is negatively polarized with respect to the counter-electrode 9.
On distingue la formation d'une gaine cathodique 16 à la surface du substrat 1. Dans cette gaine 16, le champ électrique E permet d'accélérer les ions vers la surface du substrat. Lors de l'impact de ces derniers, les électrons secondaires émis sont accélérés vers le plasma par le même champ et il en résulte que la composante peφendiculaire vperp, par rapport à la direction du champ B, de leur vitesse est en moyenne beaucoup plus élevée que la composante parallèle vpara de cette même vitesse. L'angle de confinement θ est donc supérieur à l'angle de confinement critique θcr tant qu'une partie significative de leur énergie n'a pas été perdue dans des collisions inélastiques. Il en résulte que ces électrons sont réfléchis dans la décharge suivant des trajectoires 17, tant que cette condition est satisfaite. La contre-électrode 9, permet le retour des électrons qui ont perdu leur énergie cinétique, et qui sont donc thermalisés, vers le générateur non représenté sur la figure.We distinguish the formation of a cathode sheath 16 on the surface of the substrate 1. In this sheath 16, the electric field E makes it possible to accelerate the ions towards the surface of the substrate. During the impact of the latter, the secondary electrons emitted are accelerated towards the plasma by the same field and it follows that the peφendicular component v perp , relative to the direction of the B field, their speed is on average much more higher than the parallel component v para of this same speed. The confinement angle θ is therefore greater than the critical confinement angle θ cr as long as a significant part of their energy has not been lost in inelastic collisions. As a result, these electrons are reflected in the discharge along trajectories 17, as long as this condition is satisfied. The counter-electrode 9 allows the return of electrons which have lost their kinetic energy, and which are therefore thermalized, towards the generator not shown in the figure.
La contre-électrode peut fonctionner comme anode en courant continu, ou successivement comme cathode et comme anode en courant alternatif. Pour éviter, dans ce cas, que cette dernière ne soit attaquée par les ions lorsque la polarisation est négative par rapport au produit, plusieurs moyens peuvent être mis en oeuvre. Dans un premier moyen, les anodes sont placées seulement au niveau des miroirs magnétiques, c'est-à-dire dans une zone où la densité de plasma est normalement moins élevée qu'entre deux miroirs car les électrons y sont repoussés.The counter electrode can function as an anode in direct current, or successively as a cathode and as an anode in alternating current. To avoid, in this case, that the latter is not attacked by the ions when the polarization is negative relative to the product, several means can be implemented. In a first means, the anodes are placed only at the level of the magnetic mirrors, that is to say in an area where the plasma density is normally lower than between two mirrors because the electrons are repelled there.
Un deuxième moyen consiste en la réduction du temps durant lequel la contre-électrode est polarisée négativement par rapport au temps durant lequel elle est polarisée positivement. En effet, le temps de polarisation négatif du substrat peut être beaucoup plus long que le temps de polarisation positif car les électrons se déplacent beaucoup plus vite que les ions du fait de leur masse beaucoup plus faible. Ainsi, on peut faire usage de générateurs à courants puisés ou encore de générateurs à courants simplement redressés (non lissés). L'avantage de l'utilisation d'une décharge en courant alternatif est la forte diminution de la probabilité d'apparition d'arcs "unipolaires" sur la surface traitée par neutralisation électrique des charges se formant à la surface des impuretés diélectriques telles que des graisses et des oxydes toujours présents à la surface du produit à traiter. Ces charges se forment naturellement lors du bombardement d'ions et sont neutralisées par le flux d'électrons lorsque le produit est polarisé positivement par rapport à la contre-électrode.A second means consists in reducing the time during which the counter-electrode is negatively polarized compared to the time during which it is positively polarized. Indeed, the negative polarization time of the substrate can be much longer than the positive polarization time because the electrons move much faster than the ions due to their much lower mass. Thus, it is possible to use generators with pulsed currents or alternatively generators with simply rectified currents (not smoothed). The advantage of using an alternating current discharge is the marked reduction in the probability of the appearance of "unipolar" arcs on the surface treated by electrical neutralization of the charges forming on the surface of dielectric impurities such as greases and oxides always present on the surface of the product to be treated. These charges form naturally during the bombardment of ions and are neutralized by the flow of electrons when the product is positively polarized with respect to the counter-electrode.
On utilise typiquement un courant alternatif avec une fréquence comprise entre 10kHz et 100kHz.Typically an alternating current is used with a frequency between 10 kHz and 100 kHz.
En courant continu la position de l'anode est généralement indifférente. De préférence, le substrat est maintenu au potentiel de la masse de l'installation. La figure 16 représente une vue en coupe suivant une direction transversale peφendiculaire à la direction de déplacement 2. Le champ magnétique B est donc peφendiculaire par rapport au plan de la feuille. Cette figure illustre comment les électrons se déplacent autour du substrat 1 suivant une trajectoire 17 sous l'influence conjointe du champ magnétique et du champ électrique de gaine 16. Une décharge magnétron se forme donc autour du substrat comme l'illustre la figure 16. Il en résulte que le procédé s'adapte naturellement pour toute variation d'épaisseur (th) et de largeur (w) du substrat 1.In direct current the position of the anode is generally indifferent. Preferably, the substrate is maintained at the potential of the mass of the installation. FIG. 16 represents a sectional view in a transverse direction peφendicular to the direction of displacement 2. The magnetic field B is therefore peφendicular with respect to the plane of the sheet. This figure illustrates how the electrons move around the substrate 1 along a trajectory 17 under the joint influence of the magnetic field and the cladding electric field 16. A magnetron discharge therefore forms around the substrate as illustrated in FIG. 16. It As a result, the process naturally adapts to any variation in thickness (th) and width (w) of the substrate 1.
Les électrons tournent autour des lignes de champ tandis que les ions bombardent le substrat 1. Les trajectoires 17 des électrons sont dues à la peφendicularité de la direction du champ d'induction magnétique avec la direction du champ électrique de gaine qui est toujours orienté peφendiculairement à la surface du substrat.The electrons rotate around the field lines while the ions bombard the substrate 1. The trajectories 17 of the electrons are due to the peculiarity of the direction of the magnetic induction field with the direction of the cladding electric field which is always oriented peφendicular to the surface of the substrate.
Tous les dispositifs de confinement magnétique peuvent indifféremment être situés à l'intérieur (comme illustré dans les différentes figures) ou à l'extérieur de la cuve 3. Dans ce dernier cas, la cuve 3 doit être réalisée en un matériau non- ferromagnétique tel qu'un acier inoxydable ou de l'aluminium pour permettre la pénétration du champ d'induction magnétique à l'intérieur de la cuve 3.All the magnetic confinement devices can indifferently be located inside (as illustrated in the different figures) or outside the tank 3. In the latter case, the tank 3 must be made of a non-ferromagnetic material such than stainless steel or aluminum to allow penetration of the magnetic induction field inside the tank 3.
Pour la même raison, l'enceinte de confinement 11 doit également être réalisée en un matériau non-ferromagnétique.For the same reason, the confinement enclosure 11 must also be made of a non-ferromagnetic material.
Exemples d'applications pratiquesExamples of practical applications
1. Nettoyage de tôles d'acier doux laminées à chaud1. Cleaning of hot-rolled mild steel sheets
Un dispositif de nettoyage de tôles d'acier doux laminées à chaud à été réalisé suivant la configuration présentée à la figure 5.A device for cleaning hot-rolled mild steel sheets has been produced according to the configuration presented in FIG. 5.
Dans ce dispositif, les trois solénoïdes A, B et C de sections transversales peφendiculaires à l'axe de déplacement 2, de formes rectangulaires sont de mêmes dimensions. La longueur de chaque solenoïde est de 400 mm, tandis que la dimension moyenne de la section rectangulaire est de 400 mm par 1000 mm. Chaque solenoïde est constitué par bobinage de fil de cuivre.In this device, the three solenoids A, B and C of cross sections peφendicular to the axis of movement 2, of rectangular shapes are of the same dimensions. The length of each solenoid is 400 mm, while the average dimension of the rectangular section is 400 mm by 1000 mm. Each solenoid is formed by winding copper wire.
Les deux solénoïdes extérieurs constituant les miroirs magnétiques A et C consomment une puissance électrique de 2,240 kW chacun. Le solenoïde central est alimenté par un courant continu de 0,7 A sous 800 V, soit une puissance électrique consommée de 560 W. La puissance électrique totale consommée pour générer le champ d'induction B est donc environ de 5 kW. Les trois solénoïdes sont disposés dans des carcasses étanches perméables au champ magnétique entourant le produit à l'intérieur de la cuve 3.The two external solenoids constituting the magnetic mirrors A and C consume an electrical power of 2,240 kW each. The central solenoid is supplied by a direct current of 0.7 A at 800 V, or an electrical power consumed of 560 W. The total electrical power consumed to generate the induction field B is therefore approximately 5 kW. The three solenoids are placed in sealed carcasses permeable to the magnetic field surrounding the product inside the tank 3.
Cette configuration permet d'obtenir un champ maximum Bmax de 5.10" This configuration provides a maximum field B max of 5.10 "
9 99 9
T et un champ d'induction minimum Bmin valant 2,5 10" T dans la zone centrale où une décharge magnétron est réalisée autour du substrat dans de l'argon maintenu à une pression de 0,5 Pa (5 mbar).T and a minimum induction field B min equal to 2.5 10 " T in the central zone where a magnetron discharge is produced around the substrate in argon maintained at a pressure of 0.5 Pa (5 mbar).
Dans ces conditions, la tension entre anode et cathode est de l'ordre de 500 V pour un courant électrique de 304 A, soit une puissance électrique consommée de 152 kW dans la décharge.Under these conditions, the voltage between anode and cathode is of the order of 500 V for an electrical current of 304 A, or an electrical power consumed of 152 kW in the discharge.
Il en résulte une puissance moyenne dissipée à la surface du substrat, constituant la cathode du système, par bombardement d'ions d'argon de l'ordre de 19This results in an average power dissipated on the surface of the substrate, constituting the cathode of the system, by bombardment of argon ions of the order of 19
9 1 "39 1 "3
W/cm , ce qui correspond à une densité électronique dans le plasma de 1,14x10 cm" .W / cm, which corresponds to an electronic density in the plasma of 1.14x10 cm " .
L'angle critique d'échappement des électrons θcr vaut 45° dans ces conditions car sinθcr = (250/500)172.The critical angle of escape of the electrons θ cr is worth 45 ° under these conditions because sinθ cr = (250/500) 172 .
Les électrons secondaires accélérés dans la gaine sont donc largement confinés par les miroirs magnétiques avant collisions inélastiques, l'angle d'échappement θ juste après accélération valant en effet 84°, ce qui est supérieur à 45°.The secondary electrons accelerated in the cladding are therefore largely confined by the magnetic mirrors before inelastic collisions, the escape angle θ just after acceleration being worth 84 °, which is greater than 45 °.
On peut aussi montrer que dans ces conditions 71% des électrons "thermalisés" sont confinés entre les deux miroirs magnétiques A et C.We can also show that under these conditions 71% of the "thermalized" electrons are confined between the two magnetic mirrors A and C.
Le retour de courant vers les contres-électrodes placées au niveau des miroirs A et C est donc dû aux électrons dont l'angle d'échappement est inférieur à 45° ce qui correspond à 29% de la population des électrons "thermalisés". Le rayon de giration des électrons secondaires accélérés sous 500 V vaut 3 mm et dépasse donc la valeur de l'épaisseur de la gaine cathodique qui est de l'ordre de 0,5 mm à la surface du substrat. Les ions bombardent la surface du substrat après accélération dans la gaine, et sans subir de collision au cours de cette accélération, quasiment à incidence normale.The return of current to the counter-electrodes placed at the level of mirrors A and C is therefore due to electrons whose escape angle is less than 45 ° which corresponds to 29% of the population of "thermalized" electrons. The radius of gyration of the secondary electrons accelerated under 500 V is 3 mm and therefore exceeds the value of the thickness of the cathode cladding which is of the order of 0.5 mm at the surface of the substrate. The ions bombard the surface of the substrate after acceleration in the sheath, and without undergoing a collision during this acceleration, almost at normal incidence.
Quatre dispositifs du type précédent permettaient un nettoyage de la tôle suffisant à une vitesse de 100 m/min pour assurer une excellente adhérence à un dépôt d'épaisseur de 7 μm de zinc réalisé par "ion plating" sur les deux faces d'une tôle d'un millimètre d'épaisseur, dont la température n'excédait pas une centaine de degrés centigrades après traitement.Four devices of the previous type allowed sufficient cleaning of the sheet at a speed of 100 m / min to ensure excellent adhesion to a deposit of thickness of 7 μm of zinc produced by "ion plating" on the two faces of a sheet. a millimeter thick, the temperature of which did not exceed one hundred degrees centigrade after treatment.
La tôle était maintenue à la masse alors que les contres-électrodes étaient alimentées en courant puisé à 40 kHz. Ces dernières constituaient les anodes du système durant la plus grande partie du cycle en tension. Durant cette phase anodique des contres-électrodes, la surface de la tôle était bombardée par les ions d'argon, tandis que la courte phase cathodique des contres-électrodes permettait de neutraliser les charges positives à la surface de la tôle et assurait ainsi une décharge sans arc électrique. Le même dispositif permettait de traiter des tôles de largeurs inférieures et d'épaisseurs différentes sans aucune modification du dispositif, si ce n'est l'adaptation des puissances électriques consommées. Une série de fils ou bandes parallèles pouvaient d'ailleurs être traités sans autre modification du procédé de nettoyage qu'une adaptation de la puissance électrique en fonction du produit traité.The sheet was kept grounded while the counter-electrodes were supplied with pulsed current at 40 kHz. These formed the anodes of the system during most of the voltage cycle. During this anode phase of the counter-electrodes, the surface of the sheet was bombarded with argon ions, while the short cathode phase of the counter-electrodes made it possible to neutralize the positive charges on the surface of the sheet and thus ensured a discharge. without electric arc. The same device made it possible to treat sheets of smaller widths and different thicknesses without any modification of the device, except for the adaptation of the electrical powers consumed. A series of parallel wires or strips could moreover be treated without any other modification of the cleaning process than an adaptation of the electric power according to the product treated.
2. Chauffage d'une tôle d'acier laminée à froid dans un processus de recuit sous vide par plasma froid.2. Heating of a cold rolled steel sheet in a vacuum annealing process with cold plasma.
Le même dispositif que celui décrit au point précédent comprenant quatre unités de trois solénoïdes successifs, munis chacun d'anodes au milieu des miroirs magnétiques, a permis de réchauffer une tôle de 1 m de largeur et de 0,18 mm d'épaisseur à une température de 600°C à une vitesse de 100 m/min, avant refroidissement à basse pression sur des rouleaux de refroidissement métalliques eux- mêmes refroidis à l'eau. Pour éviter une érosion excessive de la tôle par le bombardement d'ions, la pression d'argon était maintenue à 10 Pa. Chacune des quatre unités de chauffage consommait une puissance de 180 kW, ce qui correspondait à une puissance totale de 720 kW. La densité de puissance dissipée dans la zone de traitement était de 22,5 W/cm2. Les quatre unités de chauffage étant réparties sur 8 m, on estime la vitesse moyenne de montée en température à 125°C/s. En modifiant le nombre d'unités de chauffage et la puissance consommée par les unités de chauffage on pouvait modifier à la fois la valeur de la température à atteindre et la vitesse de montée en température. Le même dispositif permettait de traiter des tôles de largeurs inférieures et d'épaisseurs différentes sans aucune modification au dispositif si ce n'est l'adaptation des puissances électriques consommées.The same device as that described in the previous point comprising four units of three successive solenoids, each provided with anodes in the middle of the magnetic mirrors, made it possible to heat a sheet metal 1 m wide and 0.18 mm thick to a temperature of 600 ° C. at a speed of 100 m / min, before cooling at low pressure on metal cooling rollers, themselves cooled with water. To avoid excessive erosion of the sheet by ion bombardment, the argon pressure was maintained at 10 Pa. Each of the four heating units consumed a power of 180 kW, which corresponded at a total power of 720 kW. The power density dissipated in the treatment area was 22.5 W / cm 2 . The four heating units being distributed over 8 m, the average temperature rise rate is estimated at 125 ° C / s. By modifying the number of heating units and the power consumed by the heating units, it was possible to modify both the value of the temperature to be reached and the rate of temperature rise. The same device made it possible to process sheets of smaller widths and different thicknesses without any modification to the device except the adaptation of the electrical powers consumed.
3. Nettoyage d'un fil d'acier doux avant zingage3. Cleaning of a mild steel wire before galvanizing
Un fil d'acier doux a été nettoyé au moyen d'un dispositif tel que celui présenté à la figure 7. Le fil traversait onze unités de traitement délimitées chacune par une paire d'aimants permanents NeFeB. La longueur utile de chaque zone de traitement était de 10 cm, soit 1,1 m de longueur de traitement utile au total. Pour un fil d'acier d'un diamètre de 5 mm, défilant avec une vitesse de 300 m/min, un nettoyage efficace avant zingage par "ion plating" était fait à une pression d'argon de 0,5 Pa en consommant une puissance électrique de l'ordre de 15 kW. La densité de puissance moyenne était dans ce cas de 90 W/cm2 et l'élévation de température du fil restait inférieure à 40 K.A mild steel wire was cleaned using a device such as that shown in Figure 7. The wire passed through eleven processing units each bounded by a pair of permanent NeFeB magnets. The useful length of each treatment area was 10 cm, or 1.1 m in total useful treatment length. For a steel wire with a diameter of 5 mm, traveling with a speed of 300 m / min, effective cleaning before zinc plating by "ion plating" was done at an argon pressure of 0.5 Pa using a electrical power of the order of 15 kW. The average power density in this case was 90 W / cm 2 and the temperature rise of the wire remained below 40 K.
Comme illustré dans la description, la présente invention a dans tous les cas comme avantage principal de permettre l'obtention d'une décharge confinée magnétiquement autour de la surface extérieure d'un substrat métallique au défilé permettant ainsi un traitement continu de toute sa surface extérieure, quelque-soit la forme ou la variation de forme de ce substrat en cours de procédé. Seule l'adaptation en puissance doit être réalisée.As illustrated in the description, the present invention has in all cases the main advantage of allowing the obtaining of a magnetically confined discharge around the outer surface of a metallic substrate in the process thus allowing continuous treatment of its entire outer surface. , whatever the shape or the shape variation of this substrate during the process. Only the power adaptation must be carried out.
Dans une configuration particulièrement intéressante du procédé suivant l'invention, la présence d'un champ d'induction parallèle au produit permet, en plus du confinement de la décharge autour du produit, la réalisation d'une décharge magnétron de haute densité autour de ce dernier. Dans ce cas il est clair que l'utilisation de miroirs magnétiques est utile pour limiter les pertes plasma en entrée et sortie de la zone du traitement mais pas indispensable.In a particularly advantageous configuration of the method according to the invention, the presence of an induction field parallel to the product allows, in addition to confining the discharge around the product, the realization of a high density magnetron discharge around this latest. In this case it is clear that the use of magnetic mirrors is useful to limit plasma losses entering and leaving the treatment area but not essential.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux différentes formes de réalisation du procédé et du dispositif décrites ci-dessus et représentées aux figures annexées, mais que bien des variantes peuvent être envisagées en ce qui concerne notamment la construction et la forme de la cuve 3, la position et la forme des solénoïdes ou des aimants permanents, et le nombre des miroirs magnétiques sans sortir du cadre de cette invention. It is understood that the invention is not limited to the various embodiments of the method and the device described above and shown in the appended figures, but that many variants can be envisaged with regard in particular to the construction and the shape of the tank 3, the position and shape of the solenoids or permanent magnets, and the number of magnetic mirrors without departing from the scope of this invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement, notamment de nettoyage et/ou de chauffage, d'un substrat métallique (1) défilant d'une manière sensiblement continue dans une chambre à vide (3) présentant une zone de traitement dans laquelle une décharge électrique (10), c.à.d. un plasma, et un champ magnétique sont produits dans un gaz maintenu à une pression inférieure à la pression atmosphérique entre au moins le substrat (1), formant une électrode, et au moins une contre-électrode (9) afin que le substrat (1) puisse être bombardé par des ions produits dans la décharge électrique (10), caractérisé en ce qu'un champ d'induction magnétique de confinement est réalisé tout autour du substrat (1) dans la zone de traitement de sorte que la décharge électrique (10) est également confinée tout autour du substrat (1) dans cette zone de traitement par le confinement d'électrons libérés dans la décharge électrique (10). 1. A method of treatment, in particular of cleaning and / or heating, of a metal substrate (1) traveling in a substantially continuous manner in a vacuum chamber (3) having a treatment zone in which an electric discharge (10 ), i.e. a plasma and a magnetic field are produced in a gas maintained at a pressure below atmospheric pressure between at least the substrate (1), forming an electrode, and at least a counter-electrode (9) so that the substrate (1 ) can be bombarded by ions produced in the electrical discharge (10), characterized in that a magnetic confinement induction field is formed all around the substrate (1) in the treatment zone so that the electrical discharge ( 10) is also confined all around the substrate (1) in this treatment zone by the confinement of electrons released in the electric discharge (10).
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise dans la zone de traitement précitée un champ d'induction magnétique sensiblement parallèle à l'axe de défilement (2) du substrat (1) dans cette zone de traitement d'une manière telle à permettre ainsi la formation d'une décharge magnétron autour du substrat (1) par une circulation d'électrons de la décharge selon des trajectoires (17) s'étendant autour du substrat (1).2. Method according to claim 1, characterized in that one carries out in the aforementioned treatment zone a magnetic induction field substantially parallel to the axis of travel (2) of the substrate (1) in this treatment zone d in such a way as to thus allow the formation of a magnetron discharge around the substrate (1) by a circulation of electrons from the discharge along paths (17) extending around the substrate (1).
3. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on réalise un champ d'induction magnétique dont la composante parallèle à l'axe de défilement (2) est au moins égale à 10"3 T (10 Gauss) et de préférence comprise entre 10"3 T (10 Gauss) et 0,25 T (2500 Gauss) dans la zone de traitement précitée.3. Method according to either of Claims 1 and 2, characterized in that a magnetic induction field is produced, the component of which is parallel to the traveling axis (2) is at least equal to 10 "3 T (10 Gauss) and preferably between 10 " 3 T (10 Gauss) and 0.25 T (2500 Gauss) in the aforementioned treatment zone.
4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réalise, dans la zone de traitement, au moins un miroir magnétique tout autour du substrat.4. Method according to claim 1, characterized in that one realizes, in the treatment zone, at least one magnetic mirror all around the substrate.
5. Procédé suivant la revendications 4, caractérisé en ce qu'un champ d'induction magnétique sensiblement transversal à l'axe de défilement (2) du substrat (1) est généré dont l'intensité augmente au moins d'un facteur deux depuis le substrat (1) jusqu'au miroir magnétique. 5. Method according to claim 4, characterized in that a magnetic induction field substantially transverse to the axis of travel (2) of the substrate (1) is generated whose intensity increases by at least a factor of two since the substrate (1) to the magnetic mirror.
6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on réalise au moins deux miroirs magnétiques qui sont traversés par le substrat (1) et qui définissent l'entrée et la sortie de la zone de traitement, afin de confiner la décharge électrique dans une direction sensiblement parallèle à l'axe de défilement du substrat (1) dans la zone de traitement.6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that at least two magnetic mirrors are produced which are traversed by the substrate (1) and which define the entry and exit of the treatment zone , in order to confine the electrical discharge in a direction substantially parallel to the axis of travel of the substrate (1) in the treatment zone.
7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'un champ d'induction magnétique est formé par lesdits miroirs magnétiques qui est sensiblement parallèle à l'axe de défilement du substrat (1) dont l'intensité décroît en s'éloignant de chaque miroir vers le centre de la zone de traitement. 7. Method according to claim 6, characterized in that a magnetic induction field is formed by said magnetic mirrors which is substantially parallel to the axis of travel of the substrate (1) whose intensity decreases away from each mirror toward the center of the treatment area.
8. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'on produit un champ d'induction magnétique au milieu des miroirs magnétiques supérieur à toute valeur du champ d'induction magnétique dans une direction sensiblement parallèle à l'axe de défilement dans la zone de traitement, et, de préférence, au moins égal à deux fois la valeur du champ d'induction magnétique minimal dans la zone de traitement au voisinage du substrat (1).8. Method according to any one of claims 6 and 7, characterized in that a magnetic induction field is produced in the middle of the magnetic mirrors greater than any value of the magnetic induction field in a direction substantially parallel to the the scroll axis in the treatment zone, and preferably at least equal to twice the value of the minimum magnetic induction field in the treatment zone in the vicinity of the substrate (1).
9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le champ d'induction maximum produit par un miroir magnétique est au moins égal à 5.10"3 T (50 Gauss).9. Method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the maximum induction field produced by a magnetic mirror is at least equal to 5.10 "3 T (50 Gauss).
10. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on applique une tension continue entre le substrat (1) formant une électrode et la contre-électrode (9) de manière à ce que le substrat (1) soit polarisé négativement par rapport à cette contre-électrode (9).10. Method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a direct voltage is applied between the substrate (1) forming an electrode and the counter-electrode (9) so that the substrate ( 1) is negatively polarized with respect to this counter-electrode (9).
11. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'on applique une tension alternative entre le substrat (1) formant une électrode et la contre-électrode (9).11. Method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that an alternating voltage is applied between the substrate (1) forming an electrode and the counter-electrode (9).
12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que l'on applique une tension alternative à une fréquence comprise entre 1 kHz et 1 MHz et de préférence entre 10 kHz et 100 kHz entre le substrat (1) et la contre-électrode (9).12. Method according to claim 11, characterized in that an alternating voltage is applied at a frequency between 1 kHz and 1 MHz and preferably between 10 kHz and 100 kHz between the substrate (1) and the counter electrode ( 9).
13. Procédé suivant l'une ou l'autre des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que l'on polarise la contre-électrode (9) négativement par rapport au substrat (1) pendant un temps plus court que le temps durant laquelle elle est polarisée positivement.13. Method according to either of claims 11 and 12, characterized in that the counter-electrode (9) is polarized negatively with respect to the substrate (1) for a shorter time than the time during which it is positively polarized.
14. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que, pour chauffer le substrat (1), une décharge électrique est produite dans un gaz maintenu à une pression supérieure ou égale à 1 Pa (0,01 mbar) et de préférence comprise entre 10 Pa (0,1 mbar) et 1000 Pa (10 mbar).14. Method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that, to heat the substrate (1), an electrical discharge is produced in a gas maintained at a pressure greater than or equal to 1 Pa (0.01 mbar ) and preferably between 10 Pa (0.1 mbar) and 1000 Pa (10 mbar).
15. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que, pour nettoyer le substrat (1) par un bombardement d'ions positifs, une décharge électrique est générée dans un gaz maintenu à une pression inférieure à 1 Pa (0,01 mbar) et de préférence comprise entre 1 Pa (0,01 mbar) et 0,01 Pa (10" 4 mbar) dans la zone de traitement précitée.15. Method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that, to clean the substrate (1) by a bombardment of positive ions, an electric discharge is generated in a gas maintained at a pressure below 1 Pa (0.01 mbar) and preferably between 1 Pa (0.01 mbar) and 0.01 Pa (10 " 4 mbar) in the aforementioned treatment zone.
16. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'on réalise la décharge électrique dans un gaz rare, tel que de l'argon ou de l'hélium et/ou un gaz moléculaire tel que de l'hydrogène, de l'azote, de l'oxygène et/ou des composés hydrocarbonés.16. Method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that one carries out the electrical discharge in a rare gas, such as argon or helium and / or a molecular gas such as of hydrogen, nitrogen, oxygen and / or hydrocarbon compounds.
17. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'on produit une décharge électrique entre la contre-électrode (9) et le substrat (1) sous une différence de potentiel maximale maintenue entre la contre- électrode (9) et le substrat (1) inférieure ou égale à 1000 V pour des densités de puissance moyennes par unité de surface extérieure de substrat (1) comprises entre 1 Wcm"2 et 200 Wcm"2.17. Method according to any one of claims 1 to 16, characterized in that an electric discharge is produced between the counter electrode (9) and the substrate (1) under a maximum potential difference maintained between the counter electrode (9) and the substrate (1) less than or equal to 1000 V for average power densities per unit of external surface area of substrate (1) between 1 Wcm "2 and 200 Wcm " 2 .
18. Dispositif pour le traitement d'un substrat métallique, notamment pour la mise en œuvre du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 17, comprenant une chambre à vide (3) dans laquelle peut défiler un substrat (1) métallique d'une manière sensiblement continue, une zone de traitement, dans laquelle est créée une décharge électrique, des moyens magnétiques de confinement d'électrons produits dans la décharge électrique, et au moins une contre-électrode (9) disposée en regard du substrat (1) formant une électrode permettant de créer cette décharge électrique, caractérisé en ce que les moyens magnétiques de confinement sont disposés d'une manière telle par rapport au substrat (1) pour que les ions produits dans la décharge électrique puissent se maintenir tout autour du substrat (1) et ainsi bombarder la surface de ce dernier.18. Device for processing a metal substrate, in particular for implementing the method according to any one of claims 1 to 17, comprising a vacuum chamber (3) in which a metal substrate (1) can pass in a substantially continuous manner, a treatment zone, in which an electrical discharge is created, magnetic means for confining the electrons produced in the electrical discharge, and at least one counter-electrode (9) arranged opposite the substrate (1 ) forming an electrode for creating this electrical discharge, characterized in that the magnetic confinement means are arranged in such a manner with respect to the substrate (1) so that the ions produced in the discharge can be maintained all around the substrate (1) and thus bombard the surface of the latter.
19. Dispositif suivant la revendication 18, caractérisé en ce qu'au moins un miroir magnétique est disposé autour de la zone de traitement dans laquelle défile le substrat (1), d'une manière telle à réfléchir et renvoyer vers le substrat (1) les électrons s'éloignant de ce dernier et, par conséquent, à confiner la décharge électrique autour du substrat (1) dans cette zone.19. Device according to claim 18, characterized in that at least one magnetic mirror is arranged around the treatment zone in which the substrate (1) runs, in such a way as to reflect and return towards the substrate (1) the electrons moving away from the latter and, consequently, to confine the electric discharge around the substrate (1) in this zone.
20. Dispositif suivant la revendication 19, caractérisé en ce que ledit miroir magnétique est réalisé par une juxtaposition d'au moins deux solénoïdes (6) successifs pouvant être traversés par le substrat (1) et disposés suivant l'axe de défilement du substrat (1), parcourus par des courants électriques successivement de sens opposé.20. Device according to claim 19, characterized in that said magnetic mirror is produced by a juxtaposition of at least two successive solenoids (6) which can be crossed by the substrate (1) and arranged along the axis of travel of the substrate ( 1), traversed by electric currents successively in opposite directions.
21. Dispositif suivant la revendication 19, caractérisé en ce que ledit miroir magnétique est réalisé par au moins deux aimants successifs magnétisés dans un sens opposé suivant la direction de défilement du substrat (1) et présentant une ouverture pouvant être traversée par le substrat (1).21. Device according to claim 19, characterized in that said magnetic mirror is produced by at least two successive magnets magnetized in an opposite direction in the direction of travel of the substrate (1) and having an opening which can be traversed by the substrate (1 ).
22. Dispositif suivant la revendication 19, caractérisé en ce que ledit miroir magnétique est réalisé par une série d'aimants disposés autour de la zone de traitement l'un à côté de l'autre d'une manière telle à pouvoir réfléchir les électrons vers le substrat, et magnétisés dans une direction transversale à la direction de défilement du substrat (1).22. Device according to claim 19, characterized in that said magnetic mirror is produced by a series of magnets arranged around the treatment zone one next to the other in such a way as to be able to reflect the electrons towards the substrate, and magnetized in a direction transverse to the direction of travel of the substrate (1).
23. Dispositif suivant l'une ou l'autre des revendications 21 et 22, caractérisé en ce que les aimants sont constitués d'un assemblage d'aimants magnétisés suivant la même direction et suivant le même sens. 23. Device according to either of claims 21 and 22, characterized in that the magnets consist of an assembly of magnets magnetized in the same direction and in the same direction.
24. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 18 à 23, caractérisé en ce qu'il comprend, autour de la zone de traitement, au moins un solenoïde (6) d'axe sensiblement parallèle à l'axe de défilement du substrat (1).24. Device according to any one of claims 18 to 23, characterized in that it comprises, around the treatment zone, at least one solenoid (6) with an axis substantially parallel to the axis of travel of the substrate ( 1).
25. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 18 à 24, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux miroirs magnétiques délimitant la zone de traitement dans la direction de défilement du substrat (1). 25. Device according to any one of claims 18 to 24, characterized in that it comprises at least two magnetic mirrors delimiting the treatment zone in the direction of travel of the substrate (1).
26. Dispositif suivant la revendication 25, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux aimants successifs magnétisés dans le même sens suivant la direction du défilement du substrat (1) et présentant une ouverture pouvant être traversée par ce substrat (1). 26. Device according to claim 25, characterized in that it comprises at least two successive magnets magnetized in the same direction in the direction of travel of the substrate (1) and having an opening which can be traversed by this substrate (1).
27. Dispositif suivant la revendication 25, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux aimants successifs magnétisés dans un sens opposé suivant la direction de défilement du substrat (1) et présentant une ouverture pouvant être traversée par le substrat (1).27. Device according to claim 25, characterized in that it comprises at least two successive magnets magnetized in an opposite direction in the direction of travel of the substrate (1) and having an opening which can be traversed by the substrate (1).
28. Dispositif suivant la revendication 25, caractérisé en ce qu'il comprend, au moins deux solénoïdes (6) pouvant créer un champ d'induction magnétique suivant la direction de défilement du substrat (1), et étant disposés autour de l'axe de défilement de ce substrat (1) de sorte à pouvoir être traversés par le dernier.28. Device according to claim 25, characterized in that it comprises, at least two solenoids (6) capable of creating a magnetic induction field in the direction of travel of the substrate (1), and being arranged around the axis scrolling of this substrate (1) so that it can be crossed by the last.
29. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 18 à 28, caractérisé en ce que ladite contre-électrode (9) est disposée sensiblement au voisinage des miroirs magnétiques pouvant être traversés par le substrat (1).29. Device according to any one of claims 18 to 28, characterized in that said counter-electrode (9) is disposed substantially in the vicinity of the magnetic mirrors which can be traversed by the substrate (1).
30. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 18 à 29, caractérisé en ce que la chambre à vide (3) comprend une enceinte de confinement (11) délimitée par des parois en matériau non- ferromagnétique qui est isolée électriquement du substrat (1) et de la contre-électrode (9). 30. Device according to any one of claims 18 to 29, characterized in that the vacuum chamber (3) comprises a confinement enclosure (11) delimited by walls of non-ferromagnetic material which is electrically isolated from the substrate (1 ) and the counter electrode (9).
31. Dispositif suivant la revendication 30, caractérisé en ce que les moyens magnétiques de confinement sont disposés à l'extérieur de l'enceinte de confinement (11) entre la paroi extérieure de cette dernière et la paroi intérieure de la chambre à vide (3).31. Device according to claim 30, characterized in that the magnetic confinement means are arranged outside the confinement enclosure (11) between the outer wall of the latter and the inner wall of the vacuum chamber (3 ).
32. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 18 à 30, caractérisé en ce que les moyens magnétiques de confinement sont situés à l'extérieur de la chambre à vide, dont les parois sont alors constituées en matériaux non- ferromagnétiques . 32. Device according to any one of claims 18 to 30, characterized in that the magnetic confinement means are located outside the vacuum chamber, the walls of which are then made of non-ferromagnetic materials.
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