Brevet FR2694474A1 — publié le 19940204

REACTEUR A PLASMA A MICRO-ONDES ET APPAREIL DE DEPOT INCORPORANT UN TEL REACTEUR La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux réacteurs à plasma à excitation par microondes, comprenant une enceinte de réaction délimitée par une paroi latérale, un genérateur de micro-ondes, au moins un guide d'onde interposé entre ledit générateur et la paroi de l'enceinte, et des moyens pour introduire un flux d'un gaz prédéterminé dans ladite enceinte. I1 est connu de créer un plasma dans une enceinte à partir d'ondes de surface engendrées à partir d'un générateur de micro-ondes (voir par exemple FR-A-2 631 199, EP-A-O 184 812, FR-A-2 583 250). Ces réacteurs à plasma connus présentent toutefois l'inconvénient majeur d'une structure complexe due en particulier à la présence d'une multiplicité d'antennes situées sur le pourtour intérieur de l'enceinte en outre, en raison même de cette structure à antennes, le volume utile dans lequel le plasma peut se développer reste faible par rapport au volume total de l'enceinte du réacteur et l'encombrement des réacteurs actuels est important. L'invention a essentiellement pour objet de proposer un réacteur à plasma perfectionné qui donne mieux satisfaction aux diverses exigences de la pratique et qui, remédiant aux inconvénients précités des dispositifs antérieurs, présente une structure plus simple, et donc moins onéreuse, qui permette le développement d'un plasma dans la quasi totalité du volume intérieur de l'enceinte (réduction maximale du volume mort) et qui soit apte à autoriser la génération d'un plasma homogène de grand volume. Les caractéristiques recherchées sont indispensables pour obtenir un plasma de grandes dimensions avec des pressions de gaz élevées (jusqu'à 50 Torr dans le réacteur) favorables pour augmenter la vitesse de dépôt d'un matériau de revêtement sur un substrat notamment en céramique. A ces fins, un réacteur à plasma à micro-ondes du type précité, étant agencé conformément à l'invention, se caractérise essentiellement - en ce que la face externe de ladite paroi est électriquement conductrice, sauf en au moins une zone formant fenêtre, - en ce que l'extrémité du guide d'onde est appliquée contre la paroi de l'enceinte, au droit de la susdite fenêtre, - et en ce que la paroi latérale de l'enceinte est constituée en un matériau diélectrique apte à assurer la propagation des micro-ondes, selon un mode de propagation identique à celui présent dans le guide d'onde. De préférence, la paroi de l'enceinte est constituée en quartz. Dans un mode de réalisation simple la face externe, électriquement conductrice, de la paroi latérale de l'enceinte est métallisée. Grâce aux dispositions qui viennent d'être exposées, l'enceinte du réacteur à plasma se présente sous une forme extrêmement simplifiée et ne possède aucune structure interne encombrant physiquement le volume intérieur délimité par la paroi latérale : de ce fait non seulement l'enceinte est de conception simple et moins onéreuse, mais encore la totalité de son volume intérieur reste disponible, sans zone morte, pour la création d'un plasma de grande surface. Pour faciliter la création d'un plasma dans tout le volume intérieur de l'enceinte, et pour faire en sorte que ce plasma soit sensiblement homogène, on peut prévoir des dispositions annexes qui peuvent consister - en ce qu'en outre au moins une zone de la face interne de la paroi latérale de l'enceinte, située entre la susdite fenêtre et la partie opposée à celle-ci de la face interne, est électriquement conductrice, notamment métallisée, disposition qui conserve la simplicité structurelle de l'enceinte, et/ou - en ce qu'on prévoit plusieurs guides d'onde débou chant contre la paroi de l'enceinte en regard d'un nombre identique de fenêtres de la face externe électriquement conductrice. De façon avantageuse, la paroi latérale de l'en- ceinte est cylindrique, notamment cylindrique de révolution. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation préférés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Dans cette description on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1A est une vue très schématique d'un réacteur à plasma à micro-ondes agencé conformément à l'invention invention - la figure 1B est une vue schématique en perspective de l'enceinte du réacteur de la figure 1A - la figure 2A est une vue de l'enceinte du réacteur de la figure 1 avec un plasma d'argon généré dans son volume intérieur - la figure 2B est une vue de l'enceinte du réacteur de la figure 1 avec un plasma d'hydrogène généré dans son volume intérieur - la figure 3 est une vue d'une variante de l'enceinte de la figure 2B, avec le plasma généré dans son volume intérieur - la figure 4 est une vue d'une variante du réacteur de la figure 2B, avec le plasma généré dans son volume intérieur ; et - la figure 5 est une vue schématique d'un appareil de dépôt d'un matériau de revêtement sur un substrat, notamment en céramique, appareil qui incorpore un réacteur à plasma agencé conformément à l'invention. En ce référant tout d'abord aux figures 1A et 1B, un réacteur à plasma à micro-ondes du type visé par l'invention comprend essentiellement une enceinte à réaction 1 délimitée par une paroi latérale 2, un générateur 3 de micro-ondes, un guide d'onde 4 interposé entre le générateur 3 et la paroi 2 de l'enceinte 1, et des moyens 5, 6 pour introduire un flux d'un gaz prédéterminé (par exemple argon ou hydrogène) dans l'enceinte 1. Conformément à l'invention, la paroi latérale 2 de l'enceinte 1 est constituée en un matériau diélectrique, de préférence en quartz, apte à assurer la propagation des micro-ondes selon un mode de propagation identique à celui présent dans le guide d'onde. En outre, la face externe 7 de la paroi latérale 2 de l'enceinte est électriquement conductrice, par exemple recouverte d'un film ou d'une couche métallique (par exemple en cuivre), sauf en au moins une zone 8 formant fenêtre contre laquelle est disposée approximativement transversalement à la surface, l'extrémité aplatie 9 d'un guide d'onde ou "tapeur". La forme de la fenêtre est identique à et de même dimension que la forme de la section transversale interne de l'extrémité du tapeur. Le contact entre la face externe 7 et le tapeur 9 est mécanique et électrique. Dans un exemple typique, l'enceinte 1, de forme cylindrique de révolution, est constituée par un cylindre en quartz de 150mm de diamètre, de lOmm d'épaisseur et de 400mm de haut, disposé verticalement et fermé à ses extrémités supérieure et inférieure. Les dimensions de la fenêtre pratiquée dans la feuille de cuivre externe sont de 5mm de large et 80mm de haut, la fenêtre étant située à mi-hauteur du cylindre. La partie débouchante du guide d'onde est de section rectangulaire, de mêmes dimensions intérieures que la fenêtre, et est disposée avec ses grands côtés s'étendant parallèlement à l'axe de l'enceinte 1 (ici verticalement). Dès que le plasma est amorcé, les micro-ondes introduites par le tapeur 9 se propagent dans la paroi 1 en quartz, en étant guidées d'une part par le revêtement métallique 7 et d'autre part par le plasma 10 généré dans l'enceinte et qui fait office de conducteur avec perte. La figure 2A représente la forme d'un plasma d'argon par exemple dans une enceinte ayant les dimensions citées plus haut. Le plasma amorcé étant bon conducteur au niveau de la face interne, il permet une bonne propagation des micro-ondes dans la paroi latérale et la diffusion en n'importe quel point de la face interne d'une puissance suffisante pour lui permettre de s'étendre sur tout le périmètre de l'enceinte. A la figure 2B, on a représenté la forme schématique du nuage de plasma 10 qui, dans cette structure simple et eu égard au gaz (hydrogène par exemple) présent dans le réacteur et/ou au diamètre relativement important de l'enceinte en quartz, n'occupe qu'une partie du volume intérieur de l'enceinte (forme en haricot le long de la paroi de part et d'autre de la fenêtre 8, s'étendant sur sensiblement toute la hauteur de l'enceinte cylindrique). La puissance des micro-ondes est devenue insuffisante en certains points de la face interne pour permettre la propagation du plasma sur tout le périmètre. Pour accroître l'étendue du plasma à l'intérieur de l'enceinte et faire en sorte qu'il occupe tout ou sensiblement tout le volume disponible en étant sensiblement homogène dans ce volume, on peut avoir recours aux dispositions qui suivent. Une première disposition consiste, comme représenté à la figure 3, à métalliser la face interne de la paroi latérale 2 de façon discontinue circonférentiellement. Une zone métallisée 11g est disposée par exemple en regard de la fenêtre 8 de manière que l'énergie micro-onde incidente soit déviée, de part et d'autre circonférentiellement, dans la paroi latérale 2 : cet agencement permet d'allonger le nuage de plasma circonférentiellement le long de la paroi 2. La mise en place d'autres zones métallisées llb permet une propagation de l'énergie micro-onde sur le pourtour de l'enceinte, et finalement d'obtenir un nuage de plasma 10 qui occupe la quasi totalité du volume intérieur de l'enceinte 1, en y étant distribué de façon sensiblement homogène. Les moyens mis en oeuvre dans ce contexte restent simples, peu coûteux, ne sont pas encombrants aussi bien extérieurement (pas d'appareillage externe supplémentaire) qu'intérieurement (tout le volume intérieur de l'enceinte 1 reste disponible pour le plasma). Une seconde disposition possible consiste, comme représenté à la figure 4, à accroître le nombre des tapeurs et à prévoir un nombre correspondant de fenêtres dans le revêtement métallique externe. A la figure 4, deux tapeurs 91 et 92, associés respectivement à deux fenêtres 81 et 82, sont disposés en regard l'un de l'autre de part et d'autre de l'enceinte. La réunion des deux nuages de plasma générés respectivement par les deux sources de micro-ondes conduit à un nuage de plasma 10 qui occupe la plus grande partie du volume intérieur de l'enceinte. Des configurations avec un nombre accru de tapeurs (deux tapeurs supplémentaires 93 et en en tirets sur la figure 4) sont envisageables. I1 est bien entendu possible de combiner une métallisation intérieure de la paroi de l'enceinte avec un nombre accru de tapeurs. On comprendra qu'il est possible d'obtenir, grâce aux moyens mis en oeuvre conformément à l'invention, un plasma homogène et de grand volume, quelle que soit la dimension transversale de l'enceinte et sans encombrer l'intérieur de celle-ci. A titre d'exemple, la figure 5 montre de façon très schématique un appareil de dépôt d'un matériau de revêtement sur un substrat, notamment en céramique, qui fait application d'un réacteur à plasma conforme à l'invention. Sur la figure 5, on a conservé les mêmes références numériques pour désigner les organes déjà visibles aux figures 1 à 4. L'enceinte 1, fermée de façon étanche à ses extrémités par un fond 12 et un couvercle 13, contient un échantillon 14 (par exemple en céramique), supporté par un bras 15 (par exemple télescopique). Des moyens d'accord 16 et un coupleur directif associé à une charge absorbant la puissance réfléchie 17 sont classiquement associés au guide d'onde 4. La formation du vide au sein de l'enceinte 1 est assurée par des moyens de pompage mécanique primaire 18, via des moyens de piégeage d'azote 19, et par des moyens de pompage à diffusion d'huile 20. Le produit de dépôt (pour fixer les idées, du méthyltrichlorosilane liquide) est contenu dans un réservoir 21 débouchant dans l'enceinte. Enfin des moyens de mesure 22 de la pression des gaz dans l'enceinte permettent de contrôler le déroulement convenable du processus. De façon typique, le générateur 3 fournit une onde de fréquence 2,45 GHz, avec une puissance de 600 W, permettant d'obtenir des densités ioniques importantes ( > 1011 cl~3) et des températures électroniques très basses (&num; 2eV), ce qui est favorable pour les traitements de surface d'un substrat (nitruration, mouillabilité, ...), la gravure et surtout le dépôt. REVENDICATIONS 1. Réacteur à plasma à excitation par micro-ondes, comprenant une enceinte (1) de réaction délimitée par une paroi latérale (2), un générateur de micro-ondes (3), au moins un guide d'onde (4) interposé entre ledit générateur et la paroi de l'enceinte, et des moyens (5, 6) pour introduire un flux d'un gaz prédéterminé dans ladite enceinte, caractérisé : - en ce que la face externe (7) de ladite paroi (2) est électriquement conductrice, sauf en au moins une zone (8) formant fenêtre, - en ce que l'extrémité (9) du guide d'onde (4) est appliquée contre la paroi (2) de l'enceinte, au droit de la susdite fenêtre (8), - et en ce que la paroi latérale (2) de l'enceinte est constituée en un matériau diélectrique apte à assurer la propagation des micro-ondes, selon un mode de propagation identique à celui présent dans le guide d'onde. 2. Réacteur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (2) de l'enceinte est constituée en quartz. 3. Réacteur à plasma selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la face externe (7), électriquement conductrice, de la paroi latérale de l'enceinte est métallisée. 4. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'en outre au moins une zone (lia, 11L) de la face interne de la paroi latérale de l'enceinte, située entre la susdite fenêtre et la partie opposée à celle-ci de la face interne, est électriquement conductrice, notamment métallisée. 5. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs guides d'onde (9lr 92r . . . ) débouchant contre la paroi de l'enceinte en regard d'un nombre identique de fenêtres de la face externe électriquement conductrice. 6. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la paroi latérale de l'enceinte est cylindrique, notamment cylindrique de révolution. 7. Réacteur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le guide d'onde, de section rectangulaire, a ses grands côtés parallèles à l'axe de l'enceinte. 8. Appareil de dépôt d'un revêtement sur un substrat notamment céramique, caractérisé en ce qu'il comprend un réacteur à plasma à excitation par micro-ondes agencé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.