Brevet FR3062770A1 — publié le 20180810

B15773 1 SOURCE DE PLASMA Domaine La présente invention concerne une source de plasma gazeux et plus particulièrement une source dans laquelle le plasma est obtenu par interaction entre un rayonnement électromagnétique 5 haute fréquence et un gaz à basse pression. Exposé de l'art antérieur Il est connu qu'en appliquant un rayonnement électromagnétique à un gaz à basse pression, ce gaz est susceptible de s'ioniser et de former un plasma dans une zone où le champ élec- 10 tromagnétique haute fréquence présente une intensité suffisante. La figure 1 ci-joint reprend la figure 1 de la demande de brevet japonais de numéro de publication JPH09245658 décrivant une source de plasma. Seuls certains éléments de cette figure seront décrits ci-après. On pourra se référer à la demande de brevet japonais 15 pour des explications plus complètes. La source de plasma représentée dans cette figure comprend une chambre à plasma 1, dans laquelle est disposée une antenne quart d'onde 6. L'antenne 6 est isolée de l'enceinte de la chambre à plasma 1 à sa base par un isolant 2. L'extrémité libre de l'antenne 6 est située en regard d'une électrode 20 perforée 8. Une entrée 4 permet l'introduction de gaz dans l'enceinte à basse pression de la chambre 1. L'antenne est excitée par un champ électromagnétique haute fréquence et un plasma 5 se forme dans la 3062770 B15773 2 chambre 1 aux emplacements où le champ électromagnétique est maximum, comme cela est indiqué par un nuage de points. Des aimants permanents 3 sont disposés autour de l'enceinte de la chambre à plasma 1, de manière à confiner le plasma. Des charges du plasma sont susceptibles d'être extraites par une ouverture ou grille d'extraction 14. Dans le paragraphe [0020] de la demande de brevet japonais JPH09245658, l'antenne 6 est décrite comme ayant une durée de vie de deux à trois heures, et ceci est attribué au fait que l'antenne 6 est soumise à une pulvérisation, de même que les parois de la chambre 1. Il est précisé qu'il est donc nécessaire de changer régulièrement l'antenne 6 et de nettoyer la chambre à plasma 1. En conséquence, il est nécessaire de sortir régulièrement la source de plasma de l'enceinte à vide dans laquelle elle est utilisée, ce qui entraine des opérations relativement longues de maintenance et de restauration du vide. Il serait souhaitable d'avoir une source de plasma ayant une durée de vie supérieure à celle décrite dans la demande de brevet JPH09245658. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit une source de plasma comprenant une antenne quart d'onde située dans une enceinte cylindrique munie d'une ouverture en face de l'extrémité de l'antenne, dans laquelle : le diamètre de l'antenne est compris entre le tiers et le quart du diamètre interne de l'enceinte, la distance entre l'extrémité de l'antenne et l'ouverture est comprise entre 2/3 et 5/3 du diamètre de l'antenne. Selon un mode de réalisation, le diamètre interne de l'enceinte est de l'ordre de 10 mm. Selon un mode de réalisation, le diamètre interne de 30 l'enceinte est de 10 mm, le diamètre de l'antenne est compris entre 2,5 et 3,3 mm, et la distance entre l'extrémité de l'antenne et l'ouverture est comprise entre 1,5 et 5,5 mm. Selon un mode de réalisation, dans laquelle l'ouverture est une ouverture circulaire de diamètre compris entre 1 gm et le 35 diamètre interne de l'enceinte. 3062770 B15773 3 Selon un mode de réalisation, l'ouverture est une grille d'extraction. Selon un mode de réalisation, la fréquence d'excitation de l'antenne est 2,45 GHz. 5 Un mode de réalisation prévoit une source de plasma de grande étendue comprenant un assemblage de sources de plasma, telles que celles décrites précédemment, disposées côte à côte. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 10 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe d'une source de plasma, et reprend la figure 1 de la demande de 15 brevet JPH09245658 ; les figures 2A à 2C représentent des chambres à plasma munies d'antennes de différents diamètres ; les figures aA et 3B sont des diagrammes représentant l'énergie moyenne E rayonnée par l'antenne dans diverses zones en 20 fonction du diamètre d de l'antenne ; et la figure 4 est une vue de face schématique d'un mode de réalisation d'une source de plasma. Description détaillée De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes 25 références dans les différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les éléments de source à plasma entourant la chambre à plasma, tels que notamment une entrée de gaz, des aimants permanents, des connexions de signaux hautes fréquences et des électrodes d'extraction ne sont pas représentés. Sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement" et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. 3062770 B15773 4 Les figures 2A à 2C sont des vues en coupe de chambres à plasma 100 cylindriques, toutes identiques, dans lesquelles sont disposées des antennes quart d'onde 102 de diamètres différents. On entend ici par antenne quart d'onde une antenne dont la longueur 5 est approximativement égale au quart de la longueur d'onde du signal d'excitation de cette antenne. Les antennes des figures 2A, 2B et 2C ont des diamètres respectifs de 1, 3 et 6 mm. Chaque chambre à plasma 100 comprend une ouverture ou grille d'extraction 104 à travers laquelle des ions du plasma peuvent être extraits. 10 Dans chaque chambre 100, une surface 105 délimite une zone de formation de plasma. Cette zone de formation de plasma correspond à la zone entourant l'antenne dans laquelle le champ électromagnétique a une valeur suffisamment élevée pour permettre la formation du plasma. Cette valeur peut par exemple être de 15 l'ordre de 104 V/m. Les inventeurs considèrent une première région 106 dans chaque zone de formation de plasma. Cette région 106 est située du côté de l'ouverture ou grille d'extraction 104. La région 106, appelée ici région utile, contient un plasma que l'on appellera 20 le plasma utile, c'est-à-dire le plasma à partir duquel on peut extraire des ions pour former une source d'ion. Les inventeurs considèrent, de plus, une seconde région 108 dans chaque zone de formation de plasma. Cette région 108 est située autour de l'antenne 102 sur au moins une partie de sa 25 longueur. La région 108, appelée ici région inutile, contient un plasma que l'on appellera le plasma inutile. Le plasma inutile ne peut être extrait de la source de plasma, n'a donc pas de rôle utile mais s'avère être la cause de la dégradation de l'antenne 102 décrite dans la demande de brevet JPH09245658. 30 Les inventeurs ont donc cherché à maximiser le volume de plasma utile tout en réduisant le volume de plasma inutile. Pour cela les inventeurs ont étudié l'incidence du diamètre de l'antenne 102 d'une chambre à plasma 100 sur ces régions de plasma utile et inutile. 3062770 B15773 5 Dans les figures 2A à 2C, ainsi que dans les figures suivantes, on considère à titre d'exemple des chambres à plasma 100 d'un diamètre interne égal à 10 mm. En figure 2A, l'antenne 102 a un diamètre de 1 mm. Ceci 5 correspond aux dimensions de l'antenne et de la chambre à plasma illustrées dans la demande de brevet japonais susmentionnée. En figure 2B, l'antenne 102 a un diamètre de 3 mm. La région inutile 108 a un volume moins important que dans le cas de la figure 2A, ce qui entraine une dégradation réduite. La région 10 utile 106 conserve par contre un volume similaire. En figure 2C, l'antenne 102 a un diamètre de 6 mm. La région inutile 108 a un volume encore réduit. Cependant, le volume de la région utile 106 est également réduit. Les figures aA et 3B sont des diagrammes représentant 15 respectivement l'énergie E stockée dans la région utile 106 et dans la région inutile 108, en fonction du diamètre d de l'antenne 102, pour une même puissance rayonnée d'une intensité de 5 W à une fréquence de 2,45 GHz. En figure aA, on remarque que l'énergie E stockée dans 20 la région utile 106, pour des diamètres d de l'antenne 102 compris entre 1 et 3 mm, est approximativement constante, et voisine de 6.10-11 J. On remarque aussi que, pour des diamètres d compris entre 3 et 6 mm, l'énergie E stockée dans la région utile 106 décroit nettement jusqu'à atteindre une valeur sensiblement 25 moitié, voisine de 3.10-11 J pour un diamètre d de l'antenne 102 de 6 mm. En figure 3B, on remarque que l'énergie E stockée dans la région inutile 108 décroit d'un facteur sensiblement égal à 3, de 2.10-9 J à 6,4.10- 10 J, quand le diamètre de l'antenne 102 30 augmente de 1 à 6 mm. Comme le montre la figure 3B, une augmentation du diamètre de l'antenne provoque une diminution du volume de la région inutile 108, c'est-à-dire une diminution de la quantité de plasma inutile susceptible de détériorer l'antenne 102. De plus, comme le montre la figure aA, la région utile 106 contient une 3062770 B15773 6 quantité sensiblement constante de plasma utile pour des diamètres de l'antenne 102 approximativement compris entre 1 et 3 mm. Un diamètre avantageux de l'antenne 102 est donc un diamètre qui permet de conserver un volume de région utile 106 5 aussi grand que possible tout en réduisant le plus possible le volume de la région inutile 108. Les inventeurs ont donc déterminé qu'un diamètre de l'antenne avantageux est d'environ 3 mm, par exemple compris entre 2,5 et 3,3 mm, pour un diamètre interne de la chambre à plasma 10 100 de 10 mm. Cela correspond à un diamètre de l'antenne d'une source de plasma compris entre un quart et un tiers du diamètre interne de la chambre à plasma. La figure 4 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation d'une chambre à plasma 200. La chambre à plasma 15 200 comprend une enceinte cylindrique 202. Une antenne quart d'onde 204 est disposée dans l'enceinte 202. La base de l'antenne 204 est isolée de l'enceinte par un isolant 206. L'enceinte 202 comprend une ouverture 208 en face de l'extrémité de l'antenne 204. L'ouverture 208 est, dans cet exemple, une ouverture 20 circulaire. L'ouverture 208 peut aussi être une grille d'extraction. Le diamètre interne di de l'enceinte est dans cet exemple de 10 mm. Comme déterminé précédemment, une valeur optimale du diamètre d de l'antenne 204 est comprise entre un quart et un tiers du diamètre interne di de l'enceinte, c'est-à- 25 dire approximativement entre 2,5 et 3,3 mm. La distance 1 entre l'extrémité de l'antenne 204 et l'ouverture 208 a une valeur par exemple comprise entre 2/3 et 5/3 du diamètre de l'antenne 204, c'est-à-dire comprise ici entre 1,5 et 5,5 mm. De même, le diamètre d2 de l'ouverture 208 dans l'exemple de la figure 4, a un diamètre 30 approximativement égal au diamètre d de l'antenne 208, par exemple compris entre 4/5 et 6/5 du diamètre d de l'antenne 204. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le diamètre interne d1 de la chambre à 3062770 B15773 7 plasma est décrit ici comme ayant une valeur de 10 mm. Ce diamètre peut être choisi différemment. De plus, le diamètre de l'ouverture 208 peut varier entre 1 gm et le diamètre interne di de l'enceinte. 5 De telles sources de plasma peuvent être associées entre elles pour former une source de plasma étendue. REVENDICATIONS1. Source de plasma comprenant une antenne (204) quart d'onde située dans une enceinte cylindrique (202) munie d'une ouverture (208) en face de l'extrémité de l'antenne (204), dans laquelle : le diamètre (d) de l'antenne (204) est compris entre le tiers et le quart du diamètre (di) interne de l'enceinte (202), la distance (1) entre l'extrémité de l'antenne (204) et l'ouverture (208) est comprise entre 2/3 et 5/3 du diamètre (d) de l'antenne (204). 2. Source de plasma selon la revendication 1, dans laquelle le diamètre (di) interne de l'enceinte (202) est de l'ordre de 10 mm. 3. Source de plasma selon la revendication 2, dans laquelle le diamètre (di) interne de l'enceinte (202) est de 10 mm, le diamètre (d) de l'antenne (204) est compris entre 2,5 et 3,3 mm, et la distance (1) entre l'extrémité de l'antenne (204) et l'ouverture (208) est comprise entre 1,5 et 5,5 mm. 4. Source de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'ouverture (208) est une 20 ouverture circulaire de diamètre compris entre 1 gm et le diamètre (di) interne de l'enceinte (202). 5. Source de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'ouverture (208) est une grille d'extraction. 25 6. Source de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la fréquence d'excitation de l'antenne est 2,45 GHz. 7. Source de plasma de grande étendue comprenant un assemblage de sources de plasma selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 6 disposées côte à côte.