Brevet FR2726729A1 — publié le 19960510

La présente invention concerne le domaine technique général de la production de plasma par micro-ondes à partir d'un milieu gazeux de toute nature. L'invention vise, plus précisément, le domaine de la production de plasma par micro-ondes, soit en champ magnétique à la résonance cyclotronique électronique, soit en l'absence de champ magnétique pour des plasmas à haute pression. L'objet de l'invention trouve des applications particulièrement avantageuses dans le domaine des traitements de surfaces (gravure, dépôt, nettoyage, désinfection, décontamination, pulvérisation, implantation ionique, traitement chimique ou thermochimique) ou de la production de faisceaux d'ions obtenus par extraction du plasma ou, d'une manière générale, en vue de toute autre application o la production de plasma dense est requise. Il est connu dans l'état de la technique de nombreux dispositifs de production de plasma. Par exemple, le brevet français FR 85-08 836 décrit une technique d'excitation de plasma à la résonance cyclotronique électronique. La résonance cyclotronique électronique est obtenue lorsque la fréquence de giration d'un électron, dans un champ magnétique statique ou quasi-statique, est égale à la fréquence du champ électrique accélérateur appliqué. La résonance est obtenue pour un champ magnétique B et une fréquence d'excitation f liée par la relation B = (2Trmf) / e o m et e sont respectivement la masse et la charge de l'électron. A titre d'exemple, pour une fréquence de 2,45 GHz, un champ magnétique de 0,0875 Tesla est nécessaire pour obtenir la résonance. Dans le cas de l'excitation d'un plasma, la résonance cyclotronique électronique n'est possible que si l'électron peut être suffisamment accéléré par ce processus, c'est-à-dire si l'électron peut tourner suffisamment longtemps en phase avec le champ électrique pour acquérir l'énergie de seuil nécessaire à l'ionisation du gaz. Pour ce faire, il faut, d'une part, que le rayon de giration soit suffisamment petit, en particulier, pour rester dans la région de l'espace réunissant les conditions de résonance, c'est-à-dire de présence simultanée du champ électrique appliqué et du champ magnétique d'intensité B et, d'autre part, que la fréquence de giration reste grande devant la fréquence des collisions élastiques des électrons sur les éléments neutres, à savoir atomes et/ou molécules. Autrement dit, les meilleurs conditions d'excitation d'un plasma à la résonance cyclotronique électronique sont obtenues à la fois pour une pression de gaz suffisamment faible et une fréquence de champ électrique f élevée, c'est-à-dire aussi pour une intensité de champ magnétique B élevée. En pratique, dans un plasma conventionnel, les conditions favorables à une excitation à la résonance cyclotronique électronique sont obtenues pour des fréquences f de l'ordre ou supérieures à 500 MHz et des pressions de gaz de l'ordre de 10-' Pascal, typiquement de 10-3 à 10 Pascals suivant la nature du gaz. Toutefois, les fréquences micro-onde supérieures à 10 GHz nécessitent des intensités de champ magnétique très élevées qu'il n'est pas possible d'obtenir avec des aimants permanents et des structures magnétiques conventionnelles. A la fréquence f = 2,45 GHz, l'intensité B vaut 0,0875 Tesla et dépasse 0,35 Tesla à la fréquence f = 10 GHz. La technique décrite dans ce brevet français cité ci-dessus nécessite, tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 1, la mise en oeuvre d'aimants permanents i créant chacun au moins une surface 2 à champ magnétique constant et d'intensité correspondant à la résonance cyclotronique électronique. La puissance électromagnétique est amenée au niveau de la zone de résonance 2 par l'intermédiaire d'antennes 3 ou d'excitateurs de plasma constitués chacun par un élément filaire métallique. Chaque excitateur 3 est disposé au droit des aimants permanents 1 qui sont montés sur la paroi d'une enceinte étanche 4. Le champ magnétique d'intensité égale à la valeur donnant la résonance et le champ électromagnétique sont tous les deux localisés et confinés essentiellement dans l'espace situé entre un excitateur 3 et la partie de la paroi de l'enceinte placée en vis-à-vis d'un aimant. En présence d'un milieu gazeux présentant une pression réduite, les électrons sont accélérés dans la zone de résonance et s'enroulent le long des lignes de champ magnétique 5 qui définissent une surface de confinement du plasma. Ces lignes de champ 5, en forme de festons, relient le pôle d'un aimant aux pôles des aimants adjacents. Le long de son trajet, l'électron dissocie et ionise les molécules et les atomes avec lesquels il entre en collision. Le plasma est alors produit le long des lignes de champ et diffuse, ensuite, à partir de ces lignes de champ, pour former un plasma froid pratiquement exempt des électrons énergétiques qui restent piégés dans les festons. Un inconvénient majeur d'un tel dispositif est que la propagation de l'énergie micro-onde et la zone de résonance o l'énergie micro- onde est absorbée, se superposent. Il ne peut donc y avoir propagation des micro- ondes le long de l'applicateur filaire sans une absorption simultanée. L'intensité du champ électrique micro-onde et la densité du plasma diminuent donc toutes les deux progressivement le long de l'antenne. Il est ainsi obtenu un plasma qui, le long de l'antenne, présente une densité non uniforme, inadaptée par conséquent à la plupart des applications industrielles. Pour remédier à cet inconvénient, le brevet FR 91-00 894 propose de placer l'antenne 3 dans une zone inter-aimant 6 comprise entre la paroi de l'enceinte et les lignes de champ magnétique 5 qui relient deux pôles adjacents de polarités différentes. Cette zone 6 est particulièrement propice à la propagation des micro- ondes, car elle est pratiquement exempte de plasma, puisque la diffusion du plasma, normalement aux lignes de champ, est considérablement réduite lorsque l'intensité du champ magnétique augmente. Il est ainsi obtenu, tout le long de l'applicateur micro-onde, des ondes stationnaires d'amplitude constante avec toutes les demi- longueurs d'ondes, des minima et des maxima de puissance micro-onde. Cependant, même si la puissance micro-onde, le long des applicateurs, se trouve répartie uniformément en moyenne, le terme source de plasma est en fait rendu uniforme en raison de l'existence d'une dérive des électrons le long des applicateurs due au gradient et à la courbure du champ magnétique proche des applicateurs de champ magnétique. Un plasma uniforme peut alors être produit le long de l'applicateur. Un inconvénient majeur de cette technique est que les zones o le champ électrique micro-onde est maximum, c'est-à-dire entre l'applicateur et la paroi de l'enceinte, et les zones de résonance o l'intensité du champ magnétique est égale à la résonance cyclotronique électronique, ne coïncident pas. Pour produire l'excitation du plasma, il convient, soit d'accroître l'intensité du champ électrique micro-onde appliqué, soit d'accroître l'intensité du champ magnétique pour étendre la zone de résonance. Dans ce dernier cas, il est nécessaire d'utiliser des aimants permanents pouvant délivrer des intensités de champ magnétique très élevées dépassant très nettement les simples conditions de résonance. Les techniques décrites par les deux précédents brevets présentent, par ailleurs, les inconvénients suivants: - un faible pourcentage de volume utile de champ magnétique produit par les aimants permanents, - la nécessité de positionner très précisément les applicateurs micro-onde par rapport aux aimants, - l'obligation de réaliser les parois de la chambre avec une faible épaisseur, compte-tenu de la décroissance très rapide de l'intensité du champ magnétique fonction de l'éloignement de la surface de l'aimant, - et la nécessité d'utiliser des applicateurs de champ magnétique capables de délivrer, le long de l'applicateur micro-onde, un champ magnétique ayant un caractère aussi uniforme que possible, afin d'éviter des ruptures d'impédance extrêmement défavorables à la propagation des micro-ondes le long de l'applicateur. L'objet de l'invention vise donc à remédier aux divers inconvénients des solutions techniques antérieures en proposant un dispositif adapté pour assurer la propagation et la répartition de la puissance micro-onde avec un minimum de pertes sur toute la longueur de l'applicateur de champ magnétique, de manière à obtenir une puissance micro-onde maximale autorisant une densité de plasma pratiquement constante au moins en moyenne. L'objet de l'invention vise à offrir un dispositif de production de plasma adapté pour permettre une augmentation de la puissance micro-onde, sans limitation purement physique, permettant d'accroître simultanément la densité dudit plasma. Pour atteindre ces objectifs, le dispositif de distribution d'une puissance micro-onde pour l'excitation d'un plasma à l'intérieur d'une enceinte, comporte - une source d'énergie micro-onde, - au moins un premier applicateur d'une énergie micro-onde, - et au moins un excitateur du plasma placé à distance du premier applicateur micro-onde pour délimiter entre-eux une zone d'absorption, les électrons étant accélérés par le champ micro-onde selon des trajectoires déterminées. Selon l'invention, le dispositif de distribution comporte au moins un second applicateur de l'énergie micro-onde pour former, avec un premier applicateur et un excitateur, au moins un triplet d'excitation dans lequel, d'une part, le premier applicateur et le second applicateur sont écartés l'un de l'autre d'une mesure donnée pour délimiter entre- eux une zone de propagation de l'énergie micro-onde et, d'autre part, l'excitateur est placé par rapport aux premier et au second applicateurs, de manière que les trajectoires des électrons ne traversent pas la zone de propagation permettant d'obtenir une dissociation entre les zones de propagation et d'absorption. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci- dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation et de mise en oeuvre de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un dispositif de l'art antérieur de répartition d'une énergie micro-onde. La fig. 2 montre, de façon schématique, une machine de production de plasma mettant en oeuvre un exemple de réalisation d'un dispositif de distribution d'une énergie micro-onde, conforme à l'invention. La fig. 3 illustre, à plus grande échelle, un dispositif de distribution élémentaire conforme à l'invention. Les fig. 4 à 6 illustrent diverses formes de réalisation d'applicateurs d'excitation, susceptibles d'être mis en oeuvre dans le dispositif conforme à l'invention. Les fig. 7 à 10 montrent diverses combinaisons de mise en oeuvre du dispositif d'excitation selon l'invention. Les fig. 1 1 et 12 sont des vues schématiques illustrant le principe de mise en oeuvre du dispositif d'excitation selon l'invention, dans une seconde variante de réalisation. Tel que cela ressort de la fig. 2, la machine I est adaptée pour assurer la production d'un plasma à partir de milieux gazeux de toute nature, en vue d'applications très diverses, telles que les traitements de surfaces ou la production de faisceaux d'ions. La machine comporte une enceinte étanche 7 amagnétique équipée d'un dispositif 8 d'introduction de gaz et d'un dispositif 9 de pompage de gaz permettant de maintenir la pression du gaz à ioniser à une valeur souhaitée qui peut être, par exemple, de l'ordre de 10'2 à quelques Pascals. La machine I comporte, également, un dispositif conforme à l'invention, d'excitation du plasma qui se trouve confiné dans une zone centrale 10 de l'enceinte. Le plasma permet, dans la zone d'utilisation 10, par exemple un traitement de surface pour un échantillon 11 placé sur un porte-échantillon 12 et polarisé par rapport au potentiel plasma à l'aide d'un générateur 13. Le dispositif d'excitation selon l'invention comporte au moins un excitateur e de plasma constituant, dans une première variante de réalisation, un élément d'application d'un champ magnétique utilisant soit des courants électriques parcourant des conducteurs ou des supraconducteurs, soit des aimants permanents. Dans l'exemple illustré, le dispositif d'excitation comprend une série d'excitateurs e réalisés chacun par un aimant permanent et formant ensemble une structure magnétique multipolaire. Tel que cela apparaît plus précisément aux fig. 2 et 3, les excitateurs magnétiques e, qui s'étendent sensiblement parallèlement entre-eux, présentent successivement au plasma, des polarités alternées, de façon à constituer une surface magnétique 5 se présentant sous la forme de festons de ligne de champ magnétique. Les excitateurs magnétiques e sont positionnés de manière que les lignes de champ magnétiques, en forme de festons, relient le pôle d'un aimant à son pôle opposé ou au pôle opposé d'un aimant consécutif. Le plasma est ainsi confiné dans la zone 10 à l'intérieur des festons de ligne de champ magnétique 5. Dans un exemple préféré de réalisation, la structure magnétique multipolaire est réalisée de manière à obtenir un champ magnétique d'intensité suffisante pour assurer la résonance cyclotronique électronique. Tel que cela apparaît plus précisément à la fig. 3, chaque excitateur e est apte à créer une surface 2 à champ magnétique constant et d'intensité correspondant à la résonance cyclotronique électronique. Cette surface 2 enveloppe chaque paroi aimantée, comme représenté en pointillés sur la fig. 3. Par exemple, pour une fréquence d'excitation de 2,45 GHz, le champ magnétique doit être de 0,0875 Tesla et pour une fréquence d'excitation de 5,8 GHz, l'intensité du champ magnétique doit être de 0, 207 Tesla. Le dispositif d'excitation conforme à l'invention comporte aussi au moins un, et dans l'exemple illustré, une série de premiers applicateurs Pl d'une énergie dans le domaine des micro-ondes, positionnés dans une région localisée donnée. Les premiers applicateurs pi sont reliés, par tous moyens convenables, à un générateur 20 d'une énergie micro-onde par l'intermédiaire d'un adaptateur d'impédance 21. Chaque premier applicateur p1 est placé à une distance prédéterminée de l'excitateur e pour délimiter entre-eux une zone d'absorption A, dans laquelle se produit l'accélération des électrons. A cet effet, l'excitation du plasma requiert, dans cette zone d'absorption A, une accélération suffisante des électrons pour exciter le plasma et donc des intensités adéquates pour le champ électrique micro-onde et le champ magnétique. Les électrons ainsi accélérés produisent le plasma le long de leurs trajectoires qui suivent les lignes de champ 5. Dans l'exemple illustré à la fig. 3, l'excitation du plasma s'effectue à la résonance cyclotronique électronique. Chaque premier applicateur Pl est, de préférence, réalisé par un élément filaire alimenté à l'une de ses extrémités, soit par un passage coaxial sous-vide, soit par une transition guide d'ondes, structure coaxiale, soit encore par une transition cavité-structure coaxiale. Dans le cas de réalisation du premier applicateur pl par un élément filaire, chaque zone d'absorption A est située le long de l'applicateur pl, entre ce dernier et l'aimant 2 placé en correspondance. Conformément à l'invention, le dispositif d'excitation comporte également au moins un, et dans l'exemple illustré, une série de seconds applicateurs P2 de l'énergie micro-onde, placés chacun à une distance prédéterminée d'un premier applicateur p.. Chaque second applicateur Pz délimite ainsi, avec le premier applicateur p. placé à proximité, une zone P de propagation de la puissance micro- onde, dans la mesure o un couplage s'effectue entre les premier pl et second P2 applicateurs voisins. Le dispositif d'excitation selon l'invention comporte au moins un, et d'une manière générale, une série de triplets d'éléments d'excitation, composés chacun par un excitateur e, un premier applicateur p1 et un second applicateur P2. Dans chaque triplet, le second applicateur P2 et le premier applicateur pl sont placés par rapport à l'excitateur e, de manière que les trajectoires des électrons énergétiques ne traversent pas la zone de propagation P de la puissance micro-onde. En effet, d'une manière classique, les électrons énergétiques s'enroulent autour des lignes des champs magnétiques 5. Les applicateurs pl, P2 de chaque triplet doivent donc être placés de façon que les trajectoires 5 des électrons énergétiques ne traversent pas la zone de propagation P. De cette façon, il peut être obtenu une dissociation entre chaque zone de propagation P et la zone d'absorption A associée, permettant une bonne propagation de l'énergie micro-onde tout le long de l'excitateur. Pour privilégier la propagation des micro- ondes en dehors de la zone d'excitation A, il faut que, dans chaque triplet, le premier applicateur pl et le second applicateur P2 soient suffisamment proches l'un de l'autre, afin que la propagation de la puissance maximale ait lieu préférentiellement entre-eux. D'une manière générale, la distance entre les applicateurs Pl, P2 de chaque triplet doit être du même ordre et, si possible, égale ou inférieure à la distance entre chaque applicateur Pl, P2 et l'excitateur e. Dans l'exemple illustré, il est à noter que la source micro-onde 20 est reliée aux premiers applicateurs p.. Bien entendu, il peut être envisagé de raccorder directement la source micro-onde 20 aux seconds applicateurs P2, voire aux applicateurs d'excitation e, la propagation de la puissance maximale restant toujours assurée par les applicateurs pi, P2. Il est à considérer, également, que l'un ou l'autre des applicateurs p1, p2 peuvent être constitués par une partie de la paroi de l'enceinte 7. Par ailleurs, dans le cas o les applicateurs d'excitation e sont réalisés par l'intermédiaire d'aimants permanents, des structures variées d'aimants permanents peuvent être utilisées. Ainsi, il peut être envisagé d'utiliser, par exemple, un applicateur magnétique du type filaire à aimantation diamétrale continue (fig. 4), un applicateur filaire avec une structure magnétique alternée utilisant des aimants à aimantation axiale (fig. 5), ou une structure magnétique externe avec une aimantation alternée de type radial (fig. 6). Dans cette dernière forme de réalisation, les applicateurs Pl, P2 peuvent être disposés à l'intérieur ou à l'extérieur de la structure magnétique qui peut former ainsi une enceinte interne cylindrique ou une enceinte extérieure en couronne. D'une manière générale, l'excitateur e et les applicateurs Pl, p2 peuvent présenter des formes et des sections quelconques et peuvent, si nécessaire, être refroidis intérieurement à l'aide de canalisations de circulation d'un fluide de refroidissement aménagé à l'intérieur des excitateurs et/ou des applicateurs. Il est à noter que les applicateurs et/ou les excitateurs peuvent aussi assurer la distribution de gaz, de photons, d'électrons additionnels, de rayonnements, etc. De même, il peut être avantageux d'entourer les applicateurs pl, p2 par l'intermédiaire d'une enveloppe diélectrique, en vue d'obtenir une isolation électrique ou thermique du dispositif vis-àvis de l'extérieur ou pour éviter des risques de contamination métallique, voire pour mieux assurer la propagation, sans perte de la puissance micro-onde, le long des applicateurs en présence de plasma. Le dispositif d'excitation selon l'invention peut être utilisé dans des applications nécessitant un unique triplet d'excitation. Il peut, bien entendu, être utilisé une série de triplets en association, de façon à produire de grandes surfaces de plasma de dimensions et de configurations très variées (planes, cylindriques, tête- bêche,...) ou pour former, avec le champ magnétique fourni par les applicateurs d'excitation e, une structure magnétique multipolaire de confinement, comme celle illustrée à la fig. 2. A titre d'exemples non limitatifs, les fig. 7 à 10 montrent différentes combinaisons dans lesquelles les applicateurs de propagation pl, P2 ou les excitateurs e peuvent être communs à des dispositifs adjacents ou consécutifs. Dans tous les cas, la zone de propagation P et la zone d'absorption A doivent être séparées spatialement comme cela a été expliqué ci-dessus. Les fig. Il et 12 illustrent une deuxième variante de réalisation du dispositif d'excitation selon l'invention, destiné à être mis en oeuvre pour des hautes pressions ou pour une forte puissance micro-onde. A haute pression ou à forte puissance micro-onde, pour éviter le claquage ou l'allumage du plasma dans la zone privilégiée de propagation P o le champ électrique est plus élevé, il est proposé de remplir cette zone de propagation P avec un matériau diélectrique 25 à faible perte. Le claquage a alors lieu dans la zone dite d'excitation A. A haute pression o la résonance cyclotronique électronique n'est plus possible en raison des collisions élastiques sur les neutres trop fréquentes, le champ magnétique perd son efficacité et les applicateurs d'excitation e peuvent alors se réduire à des simples applicateurs flaires similaires aux applicateurs de propagation. Parmi les avantages apportés par l'invention, il faut citer ceux permettant de remédier aux problèmes posés par les techniques antérieures et, en particulier, à tous les problèmes liés à la propagation des micro-ondes le long du dispositif d'excitation du plasma. Dans l'invention, l'utilisation de trois applicateurs filaires permet de dissocier spatialement la propagation des micro-ondes et l'excitation du plasma, évitant ainsi les ruptures d'impédances liées à des inhomégénéités locales importantes du champ magnétique et donc du plasma. En outre, l'invention permet une souplesse d'utilisation élargie, en particulier, pour le choix des configurations de réacteur, des structures magnétiques et pour le domaine de pression accessible (typiquement de 103 Pascal à 103 Pascals ou plus). Un autre avantage décisif est l'efficacité du dispositif puisqu'il est possible d'augmenter, sans limitations purement physiques, la puissance micro-onde se propageant le long des applicateurs de propagation et donc d'accroître simultanément la densité du plasma. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. il REVENDICATIONS: 1 - Dispositif de distribution d'une puissance micro-onde pour l'excitation d'un plasma à l'intérieur d'une enceinte, le dispositif comportant - une source (20) d'énergie micro-onde, - au moins un premier applicateur (P) d'une énergie micro-onde (21), - et au moins un excitateur (e) du plasma placé à distance du premier applicateur (P.) micro-onde pour délimiter entre-eux une zone d'absorption (A), les électrons étant accélérés par le champ micro-onde selon des trajectoires déterminées (5), caractérisé en ce que le dispositif de distribution comporte au moins un second applicateur (p2) de l'énergie micro-onde pour former, avec un premier applicateur (p.) et un excitateur (e), au moins un triplet d'excitation dans lequel, d'une part, le premier applicateur (p,) et le second applicateur (P2) sont écartés l'un de l'autre d'une mesure donnée pour délimiter entre-eux une zone de propagation (P) de l'énergie micro-onde et, d'autre part, l'excitateur (e) est placé par rapport aux premier (p.) et second (p2) applicateurs, de manière que les trajectoires (5) des électrons ne traversent pas la zone de propagation (P) permettant d'obtenir une dissociation entre les zones de propagation (P) et d'absorption (A). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier (p) et second (p2) applicateurs d'un même triplet sont placés de manière que la distance les séparant soit égale ou inférieure à la distance entre chacun des applicateurs (pl, p2) et l'excitateur (e) associé. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'excitateur (e) de plasma crée un champ magnétique à la fréquence de résonance cyclotronique électronique. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de propagation (P) de l'énergie micro-onde, délimitée entre le premier (p,) et le second (P2) applicateurs, est remplie d'un matériau diélectrique pour éviter le claquage du plasma dans cette zone, pour des hautes pressions ou à forte puissance micro-onde. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les applicateurs (pl, p2) et l'excitateur (e) sont constitués chacun par un élément filaire. 6 - Dispositif selon les revendications 1 et 5, caractérisé en ce que la source d'énergie micro-onde (20) est reliée à l'un quelconque d'un élément filaire constitutif d'un triplet d'excitation. 7 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'un des éléments d'un triplet est constitué par une paroi d'une enceinte étanche. 8 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'excitateur (e) du plasma comporte une structure aimantée à aimantation radiale, axiale ou diamétrale, continue ou alternée. 9 - Machine de production d'un plasma du type comprenant une enceinte étanche (7) raccordée à un dispositif de pompage (9) et à un dispositif (8) d'apport d'un milieu gazeux pour maintenir une pression déterminée dans l'enceinte, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif conforme à la revendication 1.