Brevet FR2724264A1 — publié le 19960308

ANTENNE CYLINDRIQUE UTILISABLE POUR GENERER UN PLASMA DANS LES CONDITIONS DE RESONANCE CYCLOTROWIQUE ELECTRONIQUE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne le domaine technique général de la génération d'un plasma dans un milieu gazeux à partir d'une excitation micro-onde, en particulier par résonance cyclotronique-électronique (RCE). Pour avoir cette résonance, le champ magnétique B et la fréquence d'excitation f du champ électrique sont reliés par la relation B= , où m et e sont 8 1 respectivement la masse et la charge de l'électron. Par exemple, pour une fréquence de 2,45 GHz, le champ magnétique est de 875.10-4T. Le transfert d'énergie est maximum lorsque le champ électrique d'excitation est perpendiculaire au champ magnétique. Etat de la technique antérieure Actuellement, l'introduction de l'énergie micro-onde dans une enceinte à plasma se fait de différentes façons. Une premiére méthode consiste, comme illustré sur la figure 1, à faire arriver de l'énergie microonde dans un guide d'onde 2, cette énergie passant ensuite par une fenêtre 4 et étant ensuite transmise dans la zone d'utilisation 6. Dans cette zone 6, le champ excitateur micro-onde, injecté de la façon décrite ci-dessus, est combiné à un champ magnétique fourni en général par des bobines 8, qui permet d'avoir les conditions de résonance RCE. Dans ce type de système, l'utilisation d'une fenêtre 4 peut être contraignante, car, suivant l'application envisagée, cette fenêtre peut se recouvrir d'un dépôt métallique qui empêche l'introduction des micro-ondes. De plus ce système, avec ses bobines 8 est relativement encombrant et, de ce fait, d'utilisation peu souple. Pratiquement, il ne peut être utilisé que sur une enceinte conçue pour le recevoir. Selon une autre méthode, illustrée sur la figure 2, l'énergie micro-onde est introduire par des antennes 12 réparties le long des parois d'une enceinte 14. Des aimants 16, qui fournissent le champ magnétique nécessaire à la RCE sont placés à l'extérieur de l'enceinte et en regard des antennes. Leur polarité est indiquée sur la figure 2. Dans ce système, les antennes 12, pour être dans la zone où le champ magnétique vaut environ 875.1O4T, devront être proches des parois de l'enceinte 14. De plus, étant donné la position des pôles des aimants, les lignes de champ magnétique sont dans un plan perpendiculaire à l'axe des antennes. Il apparaît donc un courant de dérive dans le plasma, la direction de ce courant étant perpendiculaire au plan contenant les lignes de champ magnétique, donc parallèle à l'antenne.Il s'ensuit un plasma inhomogène le long de l'antenne, plus dense à 1 l'une des extrémités. Un autre dispositif est connu du document japonais JP-5 314 918. Ce document décrit une antenne cylindrique comportant quatre aimants régulièrement répartis autour d'un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement. Mais, là encore, les lignes de champ sont perpendiculaires à l'axe de l'antenne et on constate donc la même dérive de courant de diffusion, parallèlement à l'antenne. Exposé de l'invention Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif d'excitation autonome, facilement intégrable dans une enceinte pour générer un plasma dans les conditions de résonance cyclotronique-électronique, permettant de résoudre les problèmes exposés ci-dessus. L'invention a donc pour objet une antenne micro-onde comportant au moins une portion cylindrique creuse, contenant des moyens pour générer un champ magnétique au voisinage de l'antenne, et caractérisée en ce que les lignes du champ magnétique engendré sont essentiellement dans des plans parallèles aux génératrices de la portion cylindrique. Avec une telle structure d'antenne, le courant de dérive du plasma est à chaque instant dans un plan perpendiculaire aux génératrices du cylindre. Ce courant va donc décrire une trajectoire centrée sur l'antenne, ce qui n'entraîne aucune inhomogénéité dans le plasma, au contraire de ce qui se produit dans les dispositifs selon l'art antérieur. Selon un mode particulier de réalisation de cette invention, les moyens pour générer le champ magnétique sont constitués par un empilement d'aimants cylindriques, chaque extrémité de chaque aimant étant en regard d'une extrémité de même polarité d'un aimant immédiatement voisin. De façon alternative, on peut remplacer les aimants par des bobines. Selon un autre mode particulier de réalisation de l'invention, l'antenne comporte deux portions cylindriques creuses parallèles, chacune contenant des moyens pour générer un champ magnétique au voisinage de l'antenne, les lignes de champ magnétique étant essentiellement dans des plans passant par l'axe de chaque portion cylindrique. On obtient ainsi, selon cet autre mode de réalisation, une structure d'antenne en forme d'épingle. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels - les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent des dispositifs générateurs de plasma, selon l'art antérieur, - la figure 3 représente la structure d'une antenne selon l'invention, - la figure 4 représente une antenne selon l'invention, avec son système de raccordement à une alimentation électrique micro-onde, - les figures 5a et 5b représentent deux antennes rectilignes selon l'invention, avec deux circuits différents pour la circulation d'un fluide caloporteur, - la figure 6 représente une structure d'antenne selon l'invention, en forme d'épingle. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 3 représente un exemple d'une structure d'antenne selon l'invention. L'antenne a la forme d'un cylindre creux 20 de révolution, avec un axe de symétrie AA', à l'intérieur duquel sont disposés des aimants 22-1, 22-2, 22-3, ..., de forme également cylindrique. Chaque aimant est séparé de chacun de ses voisins par une distance de l'ordre de, par exemple, quelques millimètres ; la séparation est assurée, par exemple, par une petite cale en un matériau amagnétique. Les pôles de ces aimants sont sur des faces planes perpendiculaires à l'axe du cylindre, et les aimants sont empilés de façon à ce que les pôles en regard de deux aimants immédiatement voisins (par exemple 22-1 et 22-2) soient de même signe.Cette structure donne, ainsi qu'illustré sur la figure 3, une configuration de champs magnétiques en chevrons toriques qui entourent l'antenne, les lignes de champ 24 étant dans ou essentiellement dans des plans passant par l'axe de l'antenne. Le fait de mettre les aimants dans l'antenne a pour conséquence que celle-ci se trouve immédiatement dans la zone où l'intensité du champ magnétique est favorable à la résonance cyclotronique-électronique. D'autre part, le champ électrique E étant radial, cette zone de résonance est constituée d'anneaux 25 entourant l'antenne. Par conséquent, le volume de l'espace ou a lieu la résonance est supérieur au volume obtenu avec les dispositifs selon l'art antérieur. En outre, les champs magnétique B et électrique E sont essentiellement perpendiculaires entre eux et le transfert d'énergie est donc maximum dans ce volume. De plus, les lignes de champ magnétique étant dans des plans passant par l'axe de l'antenne, le courant de dérive i du plasma est à chaque instant perpendiculaire à un tel plan, comme illustré sur la figure 3. Ce courant va donc décrire un cercle centré sur l'antenne, ce qui n'entraîne aucune inhomogénéité dans le plasma. L'antenne de la figure 3 a la forme d'un cylindre de révolution et présente un axe de symétrie AA'. Mais il est clair que 1'invention peut être appliquée à une antenne ne présentant pas une telle symétrie. Dans un cylindre de section quelconque, un empilement d'aimants respectant l'ordre des polarités indiqué ci-dessus peut être introduit, les aimants ayant une forme adaptée à la section du cylindre. Les lignes de champ magnétique sont alors contenues dans des plans parallèles aux génératrices du cylindre. Dans ce cas, comme dans le précédent, l'antenne se trouve donc encore dans la zone où l'intensité du champ magnétique est favorable à la résonance cyclotroniqueélectronique, la zone de résonance est encore constituée d'anneaux entourant l'antenne, et les champs B et E sont toujours essentiellement perpendiculaires entre eux. L'antenne comporte également un système de raccordement à une alimentation électrique micro-onde. Ce système de raccordement peut être un passage coaxial, ainsi qu'illustré sur la figure 4, qui représente l'ensemble de l'antenne. De façon plus détaillée, la référence 26 désigne une paroi d'une enceinte séparant la zone de travail 28 (où les champs électrique et magnétique sont induits) de la zone extérieure 30. L'antenne comprend un tube extérieur 32 et un tube intérieur 34, dans lequel des aimants 36 sont empilés de la façon déjà décrite ci-dessus, deux cales 38 et 40 délimitant, de chaque côté, leur zone d'extension. Une pièce isolante 42 assure l'étanchéité entre l'intérieur 28 et l'extérieur 30 de l'enceinte. Les références 42 et 44 désignent respectivement un capot isolant et un capot conducteur relié à la masse. La prise coaxiale 46 assure la connexion à une alimentation électrique micro-onde. Les références 48 et 50 désignent des tubes isolants d'entrée et de sortie d'un circuit de refroidissement, qui permettent la circulation d'un fluide caloporteur (par exemple de l'eau). Les figures 5a et 5b représentent deux variantes possible du circuit de refroidissement. Sur la figure 5a le circuit de refroidissement est constitué d'une double enveloppe périphérique 52, 54. Le fluide se propage selon un trajet parallèle à l'axe du cylindre (ou, plus généralement, aux génératrices du cylindre), le long des aimants 56, et revient ensuite en sens inverse, toujours parallèlement à l'axe du cylindre (ou aux génératrices du cylindre). Dans la variante de la figure 5b, les aimants 56 ont été percés suivant l'axe du cylindre (ou, plus généralement, parallèlement aux génératrices du cylindre), ce qui permet l'introduction d'un tube cylindrique 58, par lequel est introduit le fluide caloporteur. Arrivé à l'extrémité supérieure de l'empilement des aimants, le fluide revient selon un trajet toujours parallèle à l'axe du cylindre (ou aux génératrices du cylindre), mais en longeant la partie périphérique 60 des aimants. Selon une variante, les aimants peuvent être remplacés par des bobines, le matériau constituant le fil des bobines pouvant être supraconducteur. L'enroulement de chaque bobine est tel que, lorsque la bobine est activée, chacune de ses extrémité est en regard d'une extrémité de même polarité d'une bobine immédiatement voisine. Selon un autre mode de réalisation de 1'invention, 1'antenne comporte deux branches 64, 66 reliées par une de leurs extrémités, et se présente par exemple sous forme d'une épingle comme illustré sur la figure 6. Dans chacune des branches, on trouve un empilement d'aimants cylindriques 68-1, 68-2, 70-1, 70-2, ..., la polarité des aimants dans chaque branche de l'épingle étant orientée de la façon décrite ci-dessus. De préférence, les aimants (par exemple 68-1, 70-1) se faisant face dans chacune des branches de l'épingle ont des polarités orientées dans le même sens. Une extrémité d'une branche est raccordée au générateur, l'extrémité de l'autre branche est à la masse. Plus généralement, des branches de formes plus complexes peuvent être réalisées (en escalier, en "V", ...etc.), l'antenne comportant alors au moins deux portions cylindriques creusées, chacune contenant des moyens pour générer un champ magnétique au voisinage de l'antenne, les lignes du champ magnétique engendré au voisinage de chaque portion étant dans ou essentiellement dans des plans parallèles aux génératrices de ladite portion cylindrique. Suivant un exemple, une antenne a été réalisée, constituée d'un tube de cuivre, d'un diamètre de 25 mm, dans lequel on a empilé dix aimants cylindriques disposés en opposition comme il a été décrit précédemment. Ces aimants sont en samarium-cobalt, ont une longueur de 20 mm, et un diamètre de 20 mm. La longueur occupée par les aimants, dans ce cas 240 mm, constitue la zone active de l'antenne. Cette longueur peut être modifiée en changeant le nombre d'aimants, et n'est pas critique. La puissance micro-onde est amenée sur l'antenne par un passage coaxial d'impédance 50 ohms. Avec un tel dispositif, le plasma peut être généré dans une atmosphère d'argon à des pressions de quelques 10~5bar. Le domaine d'application de l'antenne suivant l'invention est la production de plasma. Elle pourra ainsi être utilisée dans tous les systèmes utilisant les plasmas (dépôt par pulvérisation cathodique, assistance ionique pendant un dépôt, PECVD, gravure ionique, source d'ions, sources de radicaux, etc...). REVENDICATIONS 1. Antenne micro-onde, comportant au moins une portion cylindrique (20) creuse contenant des moyens (22-1, 22-2, ...) pour générer un champ magnétique au voisinage de l'antenne, caractérisée en ce que les lignes (24) du champ magnétique engendré sont essentiellement dans des plans parallèles aux génératrices de la portion cylindrique. 2. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour générer le champ magnétique sont constitués par un empilement d'aimants cylindriques (22-1, 22-2,...), chaque extrémité de chaque aimant étant en regard d'une extrémité de même polarité d'un aimant immédiatement voisin. 3. Antenne selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour générer le champ magnétique sont constitués par un empilement de bobines électromagnétiques, l'enroulement de chaque bobine étant tel que, lorsque la bobine est activée, chacune de ses extrémités est en regard d'une d'extrémité de même polarité d'une bobine immédiatement voisine. 4. Antenne selon la revendication 3, caractérisée en ce que le fil des bobines est supraconducteur. 5. Antenne selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux portions cylindriques creuses (64, 66), chacune contenant des moyens pour générer un champ magnétique au voisinage de l'antenne (68-1, 68-2, 68-3, ..., 70-1, 70-2, 70-3), les lignes du champ magnétique engendré au voisinage de chaque portion étant essentiellement dans des plans parallèles aux génératrices de ladite portion cylindrique. 6. Antenne selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens (48, 50, 52, 54, 58, 60) de circulation d'un fluide caloporteur.