Brevet FR2798552A1 — publié le 20010316

La présente invention concerne le domaine dispositifs micro-ondes. Plus précisément la présente invention concerne le domaine des dispositifs comprenant plusieurs sources elémentaires micro-ondes alimentées à partir d'un générateur commun. La présente invention peut trouver notamment application dans la production de plasma à partir d'un nombre donne de sources élémentaires de plasma alimentées en micro-onde depuis un unique générateur de puissance. Ces sources élémentaires peuvent être, soit independantes dans une même enceinte objectif étant par exemple de contourner les limites physiques ou technologiques de la puissance micro-onde maximale qu'il est possible d'appliquer sur une source plasma unique), soit réparties dans une même enceinte afin permettre l'extension d'échelle nécessaire à une application visée. D'une manière générale, les domaines d'applications des sources de plasma multiples peuvent couvrir non seulement l'ensemble des domaines deja couverts par la mise en #uvre des sources de plasma uniques, mais aussi des domaines nouveaux non envisageables avec des sources unitaires (par exemple pour des raisons d'uniformité, cadences, etc.). L'invention concerne l'ensemble des-plasmas décharges micro-ondes, quel que soit le domaine de pression, la fréquence micro-onde, la nature ou la configuration de l'applicateur micro-onde, la présence ou l'absence de champ magnétique. Cependant l'invention n'est pas limitée au domaine des plasmas. Elle peut par exemple également s'appliquer pour des opérations de collage, de séchage ou de vulcanisation à partir de postes multiples et plus généralement pour toute opération où l'impédance du système peut varier en fonction du temps d'un poste à l'autre. Le domaine des micro-ondes a déjà fait l'objet de nombreuses recherches. L'alimentation de plusieurs sources élementaires à partir d'un générateur commun, en particulier, a déjà fait l'objet de plusieurs propositions. Pour diviser la puissance micro-onde délivrée par un générateur unique, on peut utiliser des cascades coupleurs 3 dB (division par 2) réalisées par exemple à partir guides d'ondes rectangulaires. Cette solution, bien que souvent très encombrante, permet de réaliser des divisions de puissance par N = 2', où k représente le nombre de niveaux successifs de cascade. On peut ainsi diviser la puissance micro-onde par 2, 4, 16# 32, etc. Une transition adaptée guide - coaxial en bout de chaque guide permet en outre de transporter la puissance micro-onde à l'aide câbles coaxiaux munis de connecteurs standards. Une autre solution couramment utilisée de prélever la puissance micro-onde soit dans une cavité, soit dans un guide, soit dans un résonateur en anneau, dans lesquels on établit des ondes stationnaires, par des antennes disposées aux ventres de champ électrique (zones de champ électrique maximum). Cette solution suppose en général que chaque source élémentaire de plasma se comporte comme une impédance adaptée, autrement dit qu'elle absorbe la totalité de la puissance micro-onde prélevée.. Avec un tel dispositif, il est alors possible de fournir une puissance micro-onde prédéterminée à chaque source élémentaire, Cependant les dispositifs jusqu'ici proposés ne donnent pas totalement satisfaction. L'une des difficultés de la division de puissance micro-onde en vue de l'alimentation de sources de plasma est que, de manière générale, une source de plasma ne se comporte pas comme une charge adaptée. En effet, l'impédance ramenée à l'entrée d'une source de plasma résultant la combinaison de l'impédance d'entrée de l'applicateur et de l'impédance du plasma ramenée à cette entrée ne correspond généralement pas à une charge adaptée, c'est-à-dire une charge purement resistive et égale à l'impédance caractéristique de la ligne d'alimentation micro-onde. Au contraire, on peut se trouver confronté suivant type de décharge, les conditions de décharge, et la puissance absorbee ' des valeurs d'impédance complexes à l'entrée de la source plasma varient de zéro à l'infini. Dans de plusieurs sources plasma alimentées par un même générateur micro-onde, il s'ajoute le problème de l'influence de l'impédance d'une source sur l'ensemble des autres sources en l'absence d'un découplage suffisant (typiquement > 20 dB) entre les lignes d'alimentation différentes sources en micro-ondes. Ainsi, immédiatement avant l'allumage, l'impédance à l'entrée de la source généralement beaucoup plus importante que celle correspondant régime permanent de la décharge. Outre cette variation d'impédance pour une source donnée au moment de l'allumage, la distribution de puissance est également affectée par l'allumage non simultané des différentes sources de plasma. Par conséquent, la mise route d'un ensemble de sources plasma oblige à faire face à des désequilibres importants des puissances transmises aux sources de plasma et à l'introduction de puissances réfléchies importantes dans le circuit. Ces déséquilibres, qui provoquent des niveaux de puissance réfléchie très élevés, peuvent empêcher la mise en route du plasma dans les sources nécessitant une densité de plasma minimum, donc une puissance transmise minimum comme par exemple dans les plasmas à ondes de surface. Une autre difficulté entraînant un déséquilibre d'impédance est liée aux plasmas dont la densité de plasma se trouve, au contraire, limitée à une valeur supérieure, par exemple la densite critique, comme dans les plasmas utilisant la résonance cyclotronique électronique repartie. Dans ce cas, toute puissance incidente supérieure à la valeur assurant la densité critique est réfléchie à l'entrée la source et se retrouve dans le circuit de distribution des micro-ondes. En outre, on peut aussi rencontrer déséquilibres d'impédance en cours de fonctionnement, par exemple en cas de defaillance de l'une des sources, ou à la suite d'une variation, intentionnelle ou non, des conditions opératoires (composition du gaz, debit, pression, densité du plasma, polarisation radiofréquence, etc.) lors procédés à plusieurs séquences. Finalement, dans le cas de plusieurs sources de plasma fonctionnant dans la même enceinte, les interférences entre applicateurs conduisent aussi à des niveaux de puissance réfléchie pouvant perturber répartition de puissance recherchée. Ainsi, les solutions de division de puissance micro-onde classiques, soit sont trop encombrantes (cascades coupleurs 3 dB), soit ne permettent qu'une division suivant des nombres imposés n 2', soit nécessitent une impédance adaptée, ce qui n' pas le cas d'une source de plasma. La présente invention a pour but - perfectionner les systèmes micro-ondes comprenant plusieurs sources élémentaires alimentées à partir d'un générateur commun, afin d'éliminer les inconvénients de la technique antérieure. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un système comprenant: - générateur de micro-ondes, - guide rectangulaire couplé au générateur, adapté pour fonctionner en mode fondamental (Hio) ou transversal électrique (TE,o), et associé à des moyens assurant un régime d'ondes stationnaires, - une pluralité de prises de puissance disposées dans le guide au niveau des zones d'amplitude maximale de l'une des composantes du champ électromagnétique pour assurer une division de la puissance du générateur, les prises de puissance étant ajustées de telle sorte la somme leurs admittances réduites ramenées à l'entrée du diviseur formé le guide rectangulaire, soit unitaire et - une pluralité de sources, couplées respectivement à une prise du guide, l'intermédiaire - d'un moyen isolateur assurant une transmission de puissance la prise vers la source, sans réflexion vers la prise et - d'un dispositif d'adaptation d'impédance de chaque source, situe en aval moyen isolateur, entre ce dernier et la source associée. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée va suivre en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs sur lesquels : - la figure 1 représente l'évolution de la conductance réduite d'une antenne ramenée à l'entrée du guide, en fonction la longueur cette antenne dans le guide, - les figures 2 et 3 représentent des vues en coupe transversale d'un guide et illustrent deux variantes d'implantation de prises antennes, sur celui-ci, - la figure 4 représente une vue schématique globale d'un dispositif conforme à la présente invention, et - la figure 5 représente une vue en perspective d'un guide correspondant à un mode de réalisation préférentiel de la présente invention. Comme on l'a indiqué précédemment, la présente invention fait appel à la combinaison de trois éléments dont le premier 100 assure la division de puissance requise (préférentiellement, mais pas nécessairement l'équipartition selon les besoins), le deuxième 200 assure une transmission de puissance indépendante et sans réflexion à chaque source 400, quelle que soit l'impédance d'entrée présentée chacune de ces sources 400, et le troisième 300, dispositif d'adaptation d'impédance sur chaque source 400, assure à la puissance ainsi disponible d'être plus ou moins totalement absorbée (par exemple dans le plasma) en fonction des besoins. Plus précisément encore dans le cadre de l'invention, diviseur de puissance 100 s'obtient à partir d'un guide d'ondes rectangulaire 110 à partir duquel on effectue un prélèvement puissance, en général sur un grand côté 112 du guide, en points 114 distants d'une demi-longueur d'onde dans le guide, soit Cette longueur d'onde Ig répond à la relation : 1 /XgI = 1 /kj _ 1/(2a )2# où a est la largeur du grand côté 11 2 du guide rectangulaire 110 et longueur d'onde dans le vide, des micro-ondes. Pour assurer la division de puissance requise, on peut exemple créer une onde stationnaire d'amplitude constante au moyen plan réflecteur 130 (court-circuit fixe ou mobile) situé à l'extrémite guide 110 opposée à l'arrivée de puissance micro-onde provenant genérateur 10. La réalisation de cette condition d'ondes stationnaires amplitude constante implique que le guide d'ondes 110 ne permette propagation que d'un seul mode. Ainsi, dans le cadre de la présente invention, le guide 1 adapté pour fonctionner en mode fondamental Hl() ou transversal électrique TE10. Dans le cas d'un prélèvement de puissance au moyen d'une antenne électrique, il convient de placer de préférence antennes 1 au maximum de l'intensité de champ électrique. Dans le cas d'un prélèvement au moyen d'une antenne 116 magnétique (une boucle), il faut au contraire placer ces antennes 116 au minimum d'intensité de champ électrique (maximum de champ magnétique). Pour faire en sorte que l'impédance totale présentée à l'entrée dispositif de division de puissance soit égale à l'impédance caractéristique du guide 110 (impédance réduite unitaire), il faut la somme des admittances (cas du couplage électrique) réduites l'ensemble des antennes 116 ramenees à l'entrée du diviseur 1 soit unitaire. Pour arriver à ce résultat, il convient soit d'ajuster profondeur de pénétration de l'antenne electrique 116 dans le guide 10, soit de déplacer la position antennes 116 transversalement par rapport à l'axe du guide 11 soit encore de combiner ces deux possibilités. On peut procéder façon équivalente pour le couplage magnétique. A titre d'exemple, dans le cas d'une division égale de la puissance micro-onde par N à l'aide d'un couplage électrique, la conductance (partie réelle de l'impédance) reduite (ramenée à l'impédance caractéristique) d'une antenne 116 ramenee à l'entrée du guide a pour expression : - g = l/N (2) Pour une forme et un diamètre donnés, la longueur de l'antenne 116 doit donc être ajustée de façon à obtenir l'impédance correspondant à la division de puissance N souhaitée. Un exemple d'évolution de conductance fonction de la longueur l'antenne 116 est représenté sur la Fig. 1 (pour une antenne de diametre 3 mm avec une tête à l'extrémité de diamètre 5 mm et d'epaisseur de 2 mm) pour des antennes disposées sur l'axe - d'un des grands côtés 11 2 du guide 110. Dans le but de réduire la longueur du dispositif 100 qui, dans la configuration décrite ci-dessus, est égale à Nkg/2, une variante l'invention consiste à disposer 2 antennes 116 de part et d'autre de l'axe du grand côté 11 2 du guide 110 tous les V2 comme dans la première configuration présentée. Si go est la conductance d'une antenne 116 sur l'axe, sa valeur g à la distance d de l'axe du grand coté 11 2 du guide 110 vaut : g = go COS2 (nd/a) (3) Dans le but de réduire encore davantage longueur du dispositif 100, une autre variante complémentaire de l'invention consiste à disposer des paires d'antennes 116, comme dans configuration précédente, en regard les unes des autres sur chacune des deux faces grands côtés 11 2 du guide 110 comme cela est schématisé sur la 3. Cette possibilité est toutefois limitée en termes conductance réalisable par le fait que les antennes 116 en regard ne doivent ni se toucher, ni être trop proches l'une de l'autre ; l'interaction entre antennes 116 en regard conduit à une augmentation de conductance de chaque antenne 116. Outre la configuration en guide rectangulaire 10 avec plan réflecteur 130 présentée ci-dessus, il est possible d'inserer la seule partie du guide rectangulaire 110 avec ses antennes 16 dans un résonateur en anneau. Dans ce cas, il convient de veiller à faire fonctionner le résonateur en mode d'ondes stationnaires (et non en mode d'ondes progressives) et s'assurer à l'aide de déphaseurs que la position des maxima de champ électrique des micro-ondes dans l'anneau correspond à la position des antennes 116 de couplage électrique. autre variante de l'invention consiste à prélever la puissance sur guide par des fentes, notamment dans le cadre d'une application à transmission de puissance vers les sources de plasma 400 guides d'ondes. deuxième élément 200 de l'invention est destiné à assurer une transmission de puissance indépendante et sans réflexion à chaque source Ceci est réalisé par l'insertion entre la sortie de l'antenne 11 guide diviseur 110 et l'applicateur, d'un isolateur unidirectionnel Celui-ci est généralement constitué d'un circulateur a trois branches réalisé à base de ferrites et terminé sur sa troisième branche par une charge adaptée 212 destinée à absorber toute puissance réfléchie en provenance de la source de plasma 400. Un bon fonctionnement de ce dispositif requiert une isolation entre branches généralement supérieure à 20 dB. Le troisième élément 300 de l'invention est destiné à permettre l'adaptation d'impédance sur chaque source 400, afin d'assurer à la puissance ainsi disponible d'être plus ou moins totalement absorbée dans le plasma en fonction des besoins. Ceci peut être réalisé en faisant appel à des dispositifs classiques d'adaptation d'impédance comme le trombone coulissant, ou un système -à trois pistons. Une caractéristique essentielle requise de ces différents dispositifs possibles est de pouvoir agir à la fois sur la partie imaginaire et la partie réelle de l'impédance. Ceci permet d'ajuster l'impédance de la source 400 en fonction des conditions plasma recherchées (densité, longueur, etc.). dispositif typique complet de division de puissance suivant l'invention est schématisé sur la Fig. 4. Après le générateur de micro-ondes (et éventuellement son circulateur de protection), il comporte successivement le diviseur de puissance 100 avec son court-circuit mobile 130 et les lignes de transmission à chaque source de plasma 400. Chaque ligne de transmission comporte un circulateur 21 0 et sa charge adaptée 212 (qui absorbe la puissance réfléchie) ainsi que le dispositif d'adaptation d'impédance 300 juste en amont de la source de plasma 400. L'intérêt principal du dispositif conforme à l'invention est de permettre l'alimentation d'un grand nombre de sources de plasma 400 à partir d'un générateur unique 10. Par ailleurs, la réalisation ce dispositif s'effectue à partir d'éléments simples dont plusieurs sont disponibles de façon courante dans le commerce. Un dispositif de l'invention peut être utilisé avec tout type d'applicateur de micro-ondes. Un avantage essentiel de l'invention présentée la possibilité de distribuer la puissance micro-onde sur un nombre N quelconque d'antennes 116, N pouvant même être un nombre impair. Egalement, l'invention autorise la suppression d'une ou plusieurs lignes de plasma sans altérer le fonctionnement des autres. L'invention, qui permet d'éviter toute interférence entre les alimentations des diverses sources de plasma 400, rend possible de réaliser rapidement l'adaptation d'impédance sur chacune des sources de plasma 400. Enfin, l'invention permet la réalisation de dispositifs particulièrement compacts. Un exemple d'application particulier, mais non limitatif, illustrant l'invention, comprend un dispositif de division de puissance par 24, (schématisé sur la Fig. 5), utilisant le standard de guide d'ondes rectangulaire WR 340 ou le grand côté 11 2 du guide 110 présente largeura=86mm (largeur du petit côté du guideb=43mm). A la fréquence de 2,45 GHz, la longueur d'onde dans le vide vaut Xo 122,45 mm et la longueur d'onde dans le guide (Eq. 1) vaut : Xg 174,4 mm (4) En conséquence, les antennes 116 ou groupes d'antennes sont positionnées le long du guide d'ondes 110 sous les Xg/2, soit tous les 2 mm. La conductance réduite g de l'antenne 116 2)pourune division egale par N = 24 requiert: g = 0, 0417 (5) La conductance correspondante go d'une antenne 116 de même longueurs placée sur l'axe d'un grand côté guide (d = 0), donnée par l'Equation (3), vaut pour un écartement l'axe du grand côté du guide d = 26 mm : go= 0, 123 (6) L'impédance réduite go d'une antenne 1 longueurs, déterminée expérimentalement, est donnée sur la 1 longueur d'antenne correspondant à la valeur d'impédance donnée par l'Equation vaut approximativement (Fig. 1) : - e 12, 75 mm. (7) En conséquence, le diviseur de puissance par 24 ainsi réalisé, que schématisé sur la Fig. 5, est relativement compact puisque sa longueur totale correspond à 5 demi-longueurs d'ondes (plus l'encombrement des prises d'antennes et de leur connecteur coaxial). Bien entendu, chacune des 24 lignes transmission issues du diviseur 100 comporte successivement un isolateur 200 avec sa charge adaptée 212 l'adaptation d'impédance 300 juste en amont de la source de plasma En dehors plasmas, le dispositif conforme à l'invention peut être appliqué dans tous les procédés où des variations d'impédance peuvent se produire sur ou l'autre des N applicateurs alimentés de façon indépendante par diviseur de puissance micro-onde. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. Ainsi en variante peut prévoir une disposition des antennes non symétrique par rapport ' l'axe du grand côté du guide. REVENDICATIONS 1. Système micro-ondes comprenant: un génerateur de micro-ondes (10), un guide rectangulaire (110) couplé au générateur (10), adapté pour fonctionner en mode fondamental (Hio) ou transversal électrique (TE,o), et associé à des moyens assurant un régime d'ondes stationnaires - une pluralité de prises de puissance (116) disposées dans le guide 10) au niveau des zones d'amplitude maximale de l'une des composantes du champ électromagnétique pour assurer une division de la puissance du générateur (10), les prises de puissance (1 étant ajustées de telle sorte que la somme de leurs admittances reduites ramenees à l'entrée du diviseur formé par le guide rectangulaire (110), soit unitaire et - une pluralité de sources (400), couplées respectivement à une prise du guide (110), par l'intermédiaire - d'un moyen isolateur (200) assurant une transmission de puissance de la prise 16) vers la source (400), sans réflexion vers la prise (116) et - d'un dispositif (300) d'adaptation d'impédance de chaque source (400) , situe en aval du moyen isolateur (200), entre ce dernier et la source associée (400). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'une au moins des sources (400) est une source de plasma. 3. Système selon l'une des revendications 1 2, caractérisé par le fait que le guide (110) comporte un plan réflecteur (130) formant court-circuit fixe ou mobile pour assurer une condition d'onde stationnaire. 4. Système selon l'une des revendications 1 2, caractérisé par le fait que le guide rectangulaire (110) avec ses prises (116) est placé dans un résonateur en anneau. 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les prises de puissance sont formées d'antennes électriques situées au maximum de l'intensité de champ électrique. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par fait que les prises de puissance (116) sont formées d'antennes magnétiques situées au minimum d'intensité de champ électrique. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par fait que les prises de puissances (116) sont formées de fentes. 8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par fait que les prises de puissance (Il 16) sont situées sur un grand côté du guide (110). Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé fait que les prises de puissance (Il 16) sont distantes d'une demi-longueur d'onde (Xg/2) dans le guide (110). Système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé le fait qu'il comprend au moins une paire d'antennes (1 disposées respectivement de part et d'autre de l'axe du grand côté (Il du guide (110). 1 . Système selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé le fait qu'il comprend au moins une paire d'antennes (116) disposées respectivement de part et d'autre de l'axe du grand côté (1 12) du guide (110), de façon symétrique. 12. Système selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé le fait qu'il comprend au moins une paire d'antennes (1 disposées respectivement de part et d'autre de l'axe d'un grand côte (1 12) du guide (110), respectivement sur chacun des grands côtés (Il 2) du guide. 13. Système selon l'une des revendications 1 à 12, caractérise par le fait qu'il comprend au moins une paire d'antennes (Il 16) disposées de façon symétrique respectivement de part et d'autre l'axe d'un grand côté (112) du guide (110), respectivement surchacun grands côtés (Il 12) du guide. Système selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé le fait que le moyen isolateur (200) est constitué d'un circulateur 0) à trois branches, associé sur l'une des branches à une charge adaptee (212). Système selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé le fait que le dispositif d'adaptation d'impédance (300) est choisi dans le groupe comprenant un trombone coulissant ou un système à trois pistons. Système selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé le fait que pour une division égale de la puissance micro- onde par N, est prévu N antennes (Il 16) de conductance réduite identique, égale, ramenée à l'entrée du guide, à g = 1/N.