EP1794600B1

EP1794600B1 - Sonde de mesure de caracteristiques d'un courant d'excitation d'un plasma, et reacteur a plasma associe.

Info

Publication number: EP1794600B1
Application number: EP05789496.6A
Authority: EP
Inventors: Sébastien DINE; Jacques Jolly; Jean Bernard Pierre Larour
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Polytechnique
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Ecole Polytechnique
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: JP2008513940A; WO2006030024A1; EP1794600A1; FR2875304A1; JP5209313B2; US7615985B2; FR2875304B1; US20070252580A1

Description

La présente invention concerne un dispositif de mesure de courant et de tension électrique sur le circuit d'alimentation en puissance d'un plasma (on nommera dans ce texte un tel dispositif de mesure « sonde »).
Et les applications de l'invention couvrent l'ensemble des procédés industriels assistés par plasma mis en oeuvre à l'intérieur d'un réacteur à plasma.
De tels procédés incluent notamment (sans que cette liste soit limitative) :

la gravure par plasma (utilisée notamment en microélectronique ou dans le domaine des nanotechnologies),
le dépôt de couches minces assisté par plasma (utilisé par exemple pour la fabrication d'écrans plats à cristaux liquides...),
les applications pour lesquelles le plasma est utilisé comme source de lumière ou en tant que dispositif de traitement d'effluents gazeux pour des applications de dépollution ou bien comme réacteur de fusion thermonucleaire, etc....

Le document WO/02054091 décrit une sonde de tension HF à couplage capacitif.
L'invention s'applique à la mesure du courant et de la tension électrique dans un réacteur à plasma utilisant une ou plusieurs sources électriques de tension ou de courant variables.
Pour des procédés tels que mentionnés ci-dessus, l'invention permet de connaître en temps réel et sans perturber le déroulement du procédé des caractéristiques électriques essentielles du plasma (intensité, tension, mais également déphasage temporel entre intensité et tension, ...), et permet ainsi de modifier en temps réel les caractéristiques des sources électriques mises en oeuvre dans ces procédés, afin de modifier les caractéristiques du plasma.
Une telle modification en temps réel peut être exploitée notamment pour effectuer un asservissement temps réel à l'aide d'un diagnostique non perturbatif fondé sur les mesures électriques ; et éviter ainsi les dérives de procédé.
Une application de l'invention est en effet le contrôle de ces procédés grâce aux mesures électriques fournies par la sonde.

Présentation d'un réacteur à plasma

Préalablement à la description de formes de réalisation de l'invention qui va suivre, on va exposer ci-dessous quelques caractéristiques d'un exemple (non limitatif) de réacteur à plasma pouvant être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention.
Les réacteurs à plasma peuvent être utilisés pour revêtir un échantillon d'une couche mince de matériau, pour graver un échantillon par bombardement ionique, ou plus généralement pour modifier la structure ou la composition chimique d'une surface.
Un réacteur à plasma peut également être utilisé comme source de lumière ou en tant que dispositif de traitement d'effluents gazeux pour des applications de dépollution ou bien comme réacteur de fusion thermonucléaire.
La figure 1 représente, schématiquement et en coupe, un exemple de réacteur à plasma auquel s'applique la présente invention. Il s'agit, par exemple, d'un réacteur dit à excitation radiofréquence (RF) par couplage capacitif ou inductif.
Un tel réacteur comprend une enceinte sous vide 53. Près d'une première paroi 54 de cette enceinte est placé, sur un porte-substrat 55, un échantillon 56 à traiter.
L'échantillon 56 a généralement la forme d'un disque dont une surface 57 dirigée vers l'intérieur de l'enceinte 53 constitue la surface à traiter.
L'enceinte 53 est remplie d'un gaz à faible pression, par exemple de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de millitorrs (de quelques dizaines à quelques centaines de pascals). Le gaz est issu d'une source 57 pour être injecté dans l'enceinte du réacteur par un tuyau d'approvisionnement en gaz 58, le débit de gaz étant régulé par un débitmètre 59.
Lorsqu'un mélange de gaz est utilisé, plusieurs sources, débitmètres et tuyaux d'approvisionnement sont utilisés en parallèle. Le gaz est évacué de l'enceinte 53 par un tuyau d'évacuation 60 connecté à un système de pompage 61 constitué d'une ou plusieurs pompes à vide en série. Le débit volumétrique de pompage est ajusté à l'aide d'une valve 62.
La pression dans l'enceinte se contrôle avec la valve 62 et/ou le débitmètre 59.
Un réacteur plasma peut également fonctionner à la pression atmosphérique ou dans un vide grossier (pression de gaz entre un dixième d'atmosphère et une atmosphère). Le traitement d'effluents gazeux pour des applications de dépollution s'effectue souvent à ces pressions.
C'est le cas également pour le traitement en continu de grande surface comme le dépôt de couches minces sur les vitrages ou le nettoyage des plaques d'acier en sortie de laminoir.
Plusieurs moyens peuvent être utilisés pour générer le plasma 63. Par exemple, dans une configuration dite « gravure ionique réactive à couplage capacitif », une tension radiofréquence est appliquée au porte-substrat. On peut également, comme cela est représenté sur la figure 1, générer le plasma 63 au moyen d'une source 64 indépendante du porte-substrat 55.
Cette source 64 peut être associée à un générateur 65, par exemple pour les types de source suivants :

électrode alimentée par un générateur haute fréquence (source capacitive),
électrode alimentée par un générateur basse fréquence,
électrode alimentée par des impulsions de tensions délivrés par un générateur pulsé,
bobine alimentée par un générateur radiofréquence (source inductive),
générateur de micro-ondes.

Les deux derniers types de sources, inductives et micro-ondes, peuvent éventuellement être associés à une application d'un champ magnétique statique. Dans le cas de l'emploi d'une source indépendante du porte-substrat, ce dernier peut être polarisé par une source radiofréquence 66 pour établir une auto-polarisation et augmenter ainsi l'énergie d'impact des ions sur la surface à traiter.
Lorsque la source de plasma est une source radiofréquence, cette dernière peut éventuellement être polarisée à une fréquence plus élevée que celle appliquée au porte-substrat 55 dans le but de contrôler préférentiellement la densité électronique.
Quant la source de plasma est une source radiofréquence (HF, VHF ou micronde) un circuit d'accord en impédance 67 (ou circuit d'adaptation) est disposé entre le générateur 65 et la source plasma 64. Ce circuit est connecté au générateur 65 par une ligne de transmission 68, généralement coaxiale d'impédance caractéristique égale à 50 ohms. Un circuit d'accord en impédance est utilisé pour empêcher la réflexion d'énergie électromagnétique vers la source. Ceci permet d'une part de protéger la source et d'autre part d'optimiser le transfert de puissance vers le plasma. Ce circuit modifie l'impédance électrique de la source plasma afin de la rendre égale à l'impédance caractéristique de la ligne 68. La ligne de transmission 68 est dite adaptée. Le circuit d'accord 67 est connecté à la source plasma 64 par une ligne de transmission 69 coaxiale ou radiale. Cette ligne est désadaptée car l'impédance de la source plasma n'est pas égale à l'impédance caractéristique de la ligne 69.
Lorsque le porte-substrat est alimenté par une source radiofréquence, un circuit d'accord 70 est intercalé entre le porte-substrat et la source. Cette dernière est connectée au circuit d'accord par une ligne de transmission adaptée 71 coaxiale d'impédance caractéristique généralement égale à 50 ohms. La sortie du circuit d'impédance 70 est connectée au porte-substrat par une ligne de transmission 72 désadaptée radiale ou coaxiale.
Les procédés plasmas utilisant une source radiofréquence utilisent le plus souvent une fréquence dans le domaine des hautes fréquences (bande HF : 3 MHz - 30 MHz). Dans cette gamme, c'est la fréquence 13,56 MHz qui est actuellement la plus utilisée.
Les plasmas concernés par la présente invention incluent les plasmas chimiquement réactifs (et dans lesquels la réactivité chimique en plus du bombardement ionique peut être utilisée).
La seule réactivité du gaz ou du mélange de gaz injectés dans l'enceinte est parfois le seul phénomène exploité. Mais en général cette réactivité est améliorée ou même générée par les collisions des électrons sur les atomes ou molécules neutres produisant ainsi des radicaux, espèces chimiques instables absentes dans le gaz sans la présence des électrons. Ces radicaux ainsi que les ions réactifs sont responsables du dépôt ou de la gravure. Dans le cas du dépôt, on parle alors de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Cette réactivité initiée par les électrons évite le recours à un chauffage important du gaz ou du porte-substrat, ce qui endommagerait l'échantillon à traiter.
Le taux de production des radicaux produits par les collisions électroniques est fonction de la concentration électronique. De même, le flux de particules chargées (électrons et ions) qui arrivent et qui quittent la surface à traiter est proportionnel à la concentration électronique. La réactivité chimique et le bombardement ionique agissent généralement en synergie dans ces plasmas.
Or la concentration électronique et le flux d'ions sont proportionnels au courant électrique dans le plasma. Le flux d'ions et l'énergie des ions bombardant la surface à traiter sont proportionnels à la tension appliqué sur le porte-substrat 55 ou sur l'électrode 64 dans le cas d'une source à couplage capacitive.
Dans un processus de dépôt ou de gravure par plasma, il est important de connaître les caractéristiques du plasma pour pouvoir contrôler la mise en oeuvre du processus et sa reproductibilité, en particulier pour contrôler la vitesse de dépôt ou de gravure en fonction de l'épaisseur du dépôt ou de la profondeur de la gravure souhaitée.
Après un dépôt ou une gravure toutes les surfaces exposées au plasma (électrodes, parois) sont recouvertes d'un dépôt qu'il faut enlever afin de traiter un nouvel échantillon. Cette étape de nettoyage est souvent réalisée à l'aide d'un plasma dont on utilise la réactivité chimique et le bombardement ionique.
La mesure du courant circulant dans le plasma ou de la tension appliquée sur les électrodes 55 ou 64 est donc un moyen de contrôler des caractéristiques du plasma sans le perturber. Cette mesure est réalisée pendant le procédé ou pendant le nettoyage et est située préférentiellement sur les lignes de transmission désadaptées 69 et 72 afin d'être effectuée le plus près possible du plasma. La sonde de mesure peut également être située sur les lignes de transmission adaptées 68 et 71 afin de mesurer la qualité de l'adaptation en impédance. Et cela, pour éventuellement modifier les caractéristiques des circuits d'accord en impédance 67 et 70 et améliorer le niveau d'adaptation sur les lignes 68 et 71.
La mesure du courant et celle de la tension peuvent être associées à un dispositif chargé de mesurer le déphasage temporel entre le courant et la tension afin d'en déduire la puissance dissipée dans le plasma et l'impédance du plasma. Ces deux derniers paramètres ainsi que les amplitudes de la tension et du courant sont utiles pour contrôler le bon déroulement de ces procédés et les étapes de nettoyage par plasma des réacteurs. Ils permettent éventuellement de commander un asservissement afin d'éviter des dérives de procédé. La qualité du contrôle est fortement dépendante des performances de la sonde utilisée pour mesurer le courant et la tension.
On précise que l'invention s'applique plus particulièrement aux plasmas excités par une source de courant ou de tension électrique variable, telle qu'un générateur de tension sinusoïdale ou de tension impulsionnelle.
Et l'invention trouvera plus précisément encore des applications particulièrement avantageuses dans de tels plasmas excités avec une tension radiofréquence sinusoïdale de fréquence entre 1MHz et 1GHz.
L'impédance électrique d'un plasma dépend du courant circulant dans le plasma : elle est dite non-linéaire. L'une des conséquences de cette non-linéarité est qu'un plasma excité par une source de tension alternative de fréquence f génère des harmoniques de cette tension d'excitation aux fréquences multiples de f. Par exemple pour un plasma généré par une tension sinusoïdale à 13,56 MHz, des composantes sinusoïdales à 27,12 MHz, 40,68 MHz, 54,24 MHz ... apparaissent dans les signaux de tension et de courant mesurés).
Au cours d'un procédé industriel tel que ceux mentionnés ci-dessus la mesure de l'évolution temporelle de l'amplitude de ces harmoniques, en plus de l'amplitude de la fréquence fondamentale au cours d'un procédé industriel est d'une grande utilité.
Une telle mesure peut notamment être utilisée pour détecter la fin de la gravure par plasma d'une couche diélectrique sur un microprocesseur en cours de fabrication. On précise que les amplitudes de ces harmoniques à 2f, 3f, 4f... sont beaucoup plus faibles que l'amplitude de la composante fondamentale f, et qu'il est donc nécessaire de pouvoir les isoler de cette composante fondamentale par filtrage.
En outre, les procédés plasmas utilisant une fréquence RF supérieure à 13,56 MHz, et en particulier dans le domaine des très hautes fréquences (notamment bande VHF : 30 MHz - 300 MHz) sont de plus en plus courants.
A de telles fréquences, les sondes de tension et de courant doivent fonctionner dans une gamme de fréquence très large car l'écart de fréquence entre chaque harmonique de la composante fondamentale de fréquence est plus élevé que dans le cas où la fréquence fondamentale utilisée est plus basse (13,56 MHz par exemple).
La plupart des sondes existantes conçues pour fonctionner à 13,56 MHz ne sont ainsi plus utilisables en VHF. Et il serait avantageux de disposer d'une sonde apte à fonctionner dans une large gamme de fréquence.
Par ailleurs, la taille des réacteurs de gravure et de dépôt assisté par plasma utilisés dans l'industrie a également tendance à augmenter afin de traiter en une seule fois un plus grand nombre de dispositifs.
Ces réacteurs de taille importante nécessitent l'utilisation de plus fortes puissances électriques RF. Les courants et les tensions RF à mesurer augmentent donc aussi.
Or, les risques d'échauffement, de court-circuit et de claquage électrique augmentent pour des courants et des tensions plus importants. Et il serait avantageux de réduire ces risques, notamment pour pouvoir mesurer des courants et des tensions importants.
Comme cela a été exposé ci-dessus, il est souvent désiré de mesurer le courant et la tension sur le circuit d'alimentation en puissance électrique du plasma.
Il est également souvent désiré de déterminer le déphasage temporel entre le courant et la tension afin d'en déduire la puissance dissipée dans le plasma et l'impédance de celui-ci.
La qualité de la mesure du déphasage est fortement dépendante des performances du capteur utilisé pour mesurer le courant et la tension. Cette mesure doit être précise car les variations de déphasage sont souvent très faibles.
Or on constate avec les sondes de tension et de courant connues que le déphasage mesuré entre le courant et la tension est entaché d'une erreur (cette erreur étant généralement d'autant plus grande que les capteurs de courant et de tension de la sonde sont distants l'un de l'autre). Il serait naturellement désirable de s'affranchir de ce type d'erreur.
La solution qui consisterait à amener au même niveau les capteurs de courant et de tension d'une sonde de l'état de l'art (telle que celle qui est représentée sur la figure 2) pour tenter de s'affranchir de ce type d'erreur augmenterait par ailleurs le risque de perturbation mutuelle et entraînerait une dégradation de la réponse en fréquence. La gamme de fréquence d'utilisation de la sonde en serait réduite. Il est donc nécessaire avec ce type de sonde connu de trouver un compromis entre le risque de perturbation mutuelle, la dégradation du déphasage mesuré et la gamme de fréquence d'utilisation.
Comme cela a été évoqué ci-dessus, il existe déjà des sondes visant à mesurer le courant et la tension délivrés à un plasma.
La figure 2 expose ainsi en section longitudinale une sonde 10 montée sur une ligne de transmission coaxiale électriquement conductrice 20 qui comporte un conducteur interne 21 et un conducteur externe 22 qui entoure le conducteur interne
La ligne coaxiale 20 est connectée :

par ses deux conducteurs, à un circuit d'accord en impédance (non représenté sur la figure) connecté par ailleurs à une source de tension RF alternative (ou générateur RF) qui excite le plasma (connection par la partie de la ligne qui est en haut de la figure),
par son conducteur interne, à une électrode radiofréquence (RF) 31 en forme de disque plein - seule la section de ce disque apparaissant sur la figure (connexion par la partie de la ligne qui est en bas de la figure),
par son conducteur externe à un couvercle 32 conducteur qui est également en forme de disque et s'étend en regard et à distance de l'électrode 31 pour définir entre l'électrode et le couvercle un espace 30. Le couvercle 32 est également électriquement conducteur.

La ligne coaxiale 20 décrite ci-dessus correspond par exemple à la ligne 69 ou la ligne 72 de la figure 1. L'électrode radiofréquence 31 correspond par exemple au porte-substrat 55 ou à la source plasma 64 de cette même figure 1. Le couvercle 32 correspond par exemple à l'enceinte 53 ou à la paroi 54 de l'enceinte à vide de cette figure.
Entre le générateur RF et le circuit d'accord, la ligne est dite adaptée. Entre le circuit d'accord et le plasma, la ligne est dite désadaptée.
L'espace compris entre le conducteur interne et le conducteur externe est électriquement isolant - on peut y avoir fait le vide ou encore l'avoir rempli avec un matériau diélectrique.
La ligne est parcourue par des courants se déplaçant en sens contraire le long de l'âme 21 et de l'enveloppe 22. Ces courants sont générés par la source de tension alternative qui excite le plasma par l'intermédiaire de l'électrode RF 31 qui est en contact avec le plasma.
Ces courants s'annulent et changent de sens - tout en restant en sens contraire l'un par rapport à l'autre - deux fois par cycle de tension alternative.
On précise qu'en vertu de l'effet de peau les courants de hautes fréquences (les « hautes fréquences » étant comprises dans le cadre du présent texte comme des fréquences supérieures à 1 MHz) se propagent à la surface des éléments conducteurs qu'il traverse (âme 21, enveloppe 22, électrode 31, couvercle 32 ...) et en regard, c'est-à-dire à l'extérieur de l'âme 21 et à l'extérieur de l'enveloppe 22.
La sonde 10 comprend des moyens 11 pour mesurer la tension entre le courant qui traverse la ligne 10 et une masse reliée au conducteur externe 22, et des moyens 12 pour mesurer l'intensité de ce courant.
Les moyens 11 de mesure de tension comprennent :

un disque conducteur 110 disposé à proximité du conducteur interne 21 et relié à un câble conducteur 111 qui traverse le conducteur externe 22, et
un deuxième câble conducteur 112, relié au conducteur externe 22.

La mesure de la tension V2 entre les deux câbles 111 et 112 correspond ainsi normalement à la tension que l'on souhaite mesurer.
Toutefois, une tension mesurée entre ces deux câbles comporte certaines limitations :

d'une part, la réponse d'une telle sonde de tension est restreinte en fréquence,
d'autre part le fonctionnement de la ligne de transmission 20 est perturbé par la proximité du disque 110 avec le conducteur interne 21,
et enfin la ligne 20 est partiellement court-circuitée par le conducteur 110, ce qui peut provoquer un claquage, restreignant ainsi la gamme de tension mesurable.

Les moyens 12 de mesure de courant comprennent une boucle conductrice 121 (ou plusieurs boucles en série) disposée(s) à proximité du conducteur interne 21, et dont une extrémité est connectée à la masse (connection au conducteur externe 22).
Le conducteur interne est parcouru par le courant sinusoïdal I_plasma que l'on désire mesurer.
Ce courant induit un champ magnétique B sinusoïdal et azimutal, qui induit une tension (ou force électromotrice) entre les extrémités de la boucle 121. Ceci constitue une technique indirecte de mesure de courant puisqu'elle utilise le champ magnétique induit par le courant à mesurer.
La différence de potentiel V1 mesurée entre la masse et l'extrémité 1210 de la boucle qui n'est pas à la masse est en principe proportionnelle à la dérivée première du courant I_plasma sur la ligne
En pratique cependant, la boucle 121 est également couplée capacitivement au conducteur central ce qui a pour conséquence d'ajouter à la tension mesurée aux bornes de la boucle une tension qui est proportionnelle à la tension V_plasma entre les deux conducteurs de la ligne 20.
Ceci constitue une composante additionnelle de tension qui rend la mesure du courant moins précise, et perturbe également la mesure du déphasage temporel entre le courant et la tension.
La boucle 121 perturbe la ligne 20 car elle forme un court-circuit partiel entre les deux conducteurs 21 et 22, pouvant provoquer un claquage. En pratique l'utilisation d'une telle boucle se trouve ainsi limitée à des puissances inférieures à 10 kW.
En outre, à cause de la taille importante de la boucle il est aussi difficile de disposer un capteur de la tension V2 à proximité sans que les capteurs de courant et de tension se perturbent mutuellement. Il est alors nécessaire d'éloigner ces deux capteurs l'un de l'autre - ce qui introduit une erreur dans la mesure du déphasage entre le courant et la tension.
On ajoutera qu'il est nécessaire de calibrer très finement une telle sonde connue, en prenant en compte les caractéristiques (géométrie, taille, ..) de la boucle 121.
On précise que toutes les sondes existant actuellement dans le domaine d'application visé utilisent des variantes de la sonde décrite ci-dessus.
Par ailleurs, ces sondes mettent toutes en oeuvre une mesure du courant indirecte car elles utilisent le champ magnétique induit par les courants circulant dans la ligne 20.
Les différentes variantes de sonde connues peuvent permettre de pallier une ou plusieurs des limitations qui ont été exposées, sans jamais les pallier toutes. On peut notamment citer pour illustration les sondes décrites dans les documents US 5834931 , US 5808415 , US 6501285 .
Il apparaît ainsi que les sondes existantes et visant à mesurer en temps réel le courant et la tension délivrées par un générateur RF à un plasma comportent des limitations.
Un but de l'invention est de permettre de s'affranchir de ces limitations.
Un autre but de l'invention est de permettre la mesure simultanée et précise du courant et de la tension en des points très proches.
Un autre but encore de l'invention est de permettre de réaliser de telles mesures dans une large gamme de puissance.
Un autre but encore de l'invention est de permettre de réaliser de telles mesures dans une large gamme de fréquences.
Afin d'atteindre ces buts, l'invention propose selon un premier aspect une sonde de mesure de caractéristiques électriques d'un courant d'excitation d'un plasma, ladite sonde étant montée sur une ligne conductrice qui comprend un conducteur interne et un conducteur externe, comportant un capteur de courant et un capteur de tension, caractérisée en ce que :

le capteur de courant comporte :
- une gorge formée dans la masse d'un des conducteurs afin de former un détour pour le courant parcourant ledit conducteur,
- et un point de mesure de tension électrique entre une masse reliée audit conducteur et un point de ladite gorge,
ledit capteur de courant étant ainsi apte à mesurer une tension proportionnelle à la dérivée temporelle première de l'intensité dudit courant d'excitation
le capteur de tension est un capteur dérivateur, apte à mesurer une tension proportionnelle à la dérivée temporelle première de la tension dudit courant d'excitation.

Des aspects préférés mais non limitatifs de la sonde de l'invention sont les suivants:

le courant d'excitation est un courant alternatif RF,
la gorge définit un détour d'une longueur de l'ordre du centimètre,
ledit capteur de courant et ledit capteur de tension sont implantés tous deux sur le conducteur externe.
ledit capteur de tension est un capteur comprenant une ligne de transmission conique, terminée par une surface légèrement bombée couplée capacitivement au conducteur autre que celui sur lequel ledit capteur de tension est monté,
la capacité de couplage entre ladite surface bombée et ledit conducteur autre que celui sur lequel ledit capteur de tension est monté est de l'ordre de 0,3 pF,
ledit capteur de courant et ledit capteur de tension sont implantés au même niveau sur le trajet du courant à la surface dudit conducteur,
ladite ligne conductrice est une ligne cylindrique coaxiale,
ladite ligne conductrice est une ligne cylindrique radiale, et
la sonde comporte des moyens de mesure du déphasage temporel entre le courant et la tension dudit-courant d'excitation.

Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un réacteur à plasma comportant un générateur RF et une sonde telle que mentionnée ci-dessus.
Des aspects préférés mais non limitatifs du réacteur selon l'invention sont les suivants :

la sonde est implantée entre un circuit d'accord en impédance reliée audit générateur RF et une électrode RF d'excitation du plasma, et
la sonde est implantée entre ledit générateur RF et une boîte d'accord, sur une ligne dite adaptée.

D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, outre les figures 1 et 2 qui ont déjà été commentées en référence à l'état de la technique :

la figure 3 est un schéma de principe d'une sonde de mesure de courant et de tension selon l'invention,
la figure 4 est une représentation d'un schéma électrique équivalent à cette sonde selon l'invention;
les figures 5a à 5d sont des vues d'une réalisation pratique d'une sonde selon l'invention,
la figure 6 illustre le caractère proportionnel à la fréquence f du courant et de la tension mesurés par une sonde selon l'invention,
la figure 7 illustre un mode de réalisation de l'invention dans lequel une sonde selon l'invention est implantée dans une ligne radiale.

En référence à la figure 3, on a représenté schématiquement une sonde selon l'invention.
Ici encore, la sonde est montée entre une électrode RF et un circuit d'accord en impédance relié à un générateur RF (non représenté).
Comme cela a été exposé ci-dessus, un circuit d'accord en impédance peut en effet être utilisé dans les procédés plasma notamment afin d'optimiser le transfert vers le plasma de la puissance délivrée par le générateur RF.
On précise que les éléments déjà commentés à propos de la sonde connue de la figure 2 seront référencés de la même manière en référence à cette figure 3 (sans être introduits à nouveau).
On retrouve ainsi sur cette figure :

une ligne de conductrice transmission coaxiale 20 qui comporte un conducteur interne 21 et un conducteur externe 22,
une électrode RF 31 en forme de disque, et un couvercle associé 32.

On précise toutefois que le sonde selon l'invention peut être montée différemment - on reviendra sur cet aspect.
On retrouve également un capteur de courant (ici 41) et un capteur de tension (ici 42). Ces capteurs sont spécifiques à l'invention.
On remarque que ces deux capteurs sont disposés extrêmement proches l'un de l'autre.
La sonde selon l'invention est en effet destinée à mesurer en des points extrêmement rapprochés, simultanément, le courant et la tension instantanés, notamment dans les plasmas utilisant de la puissance électrique dans le domaine de la radiofréquence (RF).
Cette mesure est effectuée en un point sur les lignes de transmission chargées de transporter la puissance électrique, délivrée par un générateur RF, jusqu'à l'enceinte dans laquelle le plasma est confiné. L'invention sera en particulier mise en oeuvre avantageusement sur des lignes de transmission dites désadaptées.
Les deux capteurs 41, 42 sont donc insérés en série dans une section du conducteur externe 22, en étant séparés seulement d'une distance de l'ordre de 5 millimètres.
Un tel espacement est considéré au sens de la présente invention comme négligeable, et on considèrera donc que les deux capteurs sont implantés au même niveau sur le trajet du courant à la surface du conducteur 22. Ceci peut également être exprimé en disant que les deux capteurs 41 et 42 sont implantés dans un plan (Z constant), avec la dimension Z définie par l'axe A qui est parallèle aux conducteurs 21 et 22.
La ligne 20 peut être une ligne coaxiale cylindrique, ou tout type de ligne coaxiale dans laquelle un conducteur interne est entouré d'un conducteur externe.
Le conducteur externe 22 est relié à la masse électrique du système.
Une tension RF V_plasma est appliquée en sortie du circuit d'accord, entre le conducteur interne et externe, à l'entrée de cette section de ligne (c'est à dire dans sa partie haute sur la représentation de la figure 3).
Le courant alternatif RF qui en résulte traverse complètement ou en partie le plasma (représenté sous l'électrode 31) et revient par le conducteur externe.
Comme cela a été mentionné plus haut dans ce texte, dans le domaine des hautes fréquences HF et supérieures le courant circule à la surface des conducteurs sur une profondeur de quelques micromètres. Le courant circule donc à la surface du conducteur central et sur la face interne du conducteur externe.
On va maintenant détailler la structure des capteurs 41 et 42.
Concernant tout d'abord le capteur 41, une gorge 410 est creusée dans la face interne du conducteur externe 22 afin de faire parcourir au courant RF de peau un trajet supplémentaire (de l'ordre d'un centimètre de long). Le trajet du courant sur les parois de cette gorge est illustré par des flèches.
La gorge est symétrique par rapport à l'axe central A de la ligne 20. Elle suit donc une géométrie de révolution par rapport à cet axe.
Des moyens de mesure d'une tension V1 sont associés à cette gorge.
Ces moyens mesurent la différence de potentiel V1 entre deux points situés sur le détour formé par la gorge.
La figure 4 donne le schéma électrique équivalent de la sonde.
Le détour de la gorge 410 se comporte comme une inductance L_m de faible valeur (de l'ordre du nanohenry, ce qui n'est pas significatif - à titre de comparaison la simple inductance propre des conducteurs 21 et 22 est typiquement de quelques dizaines de nanohenry par mètre) placée en série sur le parcours du courant.
La présence de ce détour ne modifie donc pas de manière sensible les propriétés de cette ligne.
Dans le schéma de la figure 4, la mesure de la tension V1 revient à mesurer la tension aux bornes d'une portion (L_m) de l'inductance totale L_tot.
Et la tension aux bornes de l'inductance L_m est égale à la dérivée temporelle première du courant I_plasma qui la traverse. Comme ce courant est sinusoïdal, l'amplitude de la tension mesurée est donc proportionnelle à I_plasma.
Pour effectuer la mesure de V1, une embase coaxiale haute fréquence 411 de type SMA (50 ohms) est enfoncée de l'extérieur dans un orifice de la paroi du conducteur 22 qui débouche dans la gorge (cf. figures 5d).
Cette embase 411 dispose d'un connecteur à vis permettant de brancher un câble coaxial conventionnel (50 ohms) pour transporter le signal mesuré jusqu'à un dispositif de visualisation (oscilloscope...) ou d'acquisition (carte de conversion analogique-numérique).
Le capteur de courant 41 est un capteur dit « dérivateur ». Le signal mesuré (V1(t)) en sortie de ce capteur est déphasé de +π/2 par rapport au signal (I_plasma(t)) que l'on cherche à mesurer.
Et le capteur de tension 42 est également dérivateur, ce qui permet d'utiliser la sonde pour mesurer des déphasages entre le courant et la tension : avec un capteur de tension 42 mesurant une tension déphasée de +π/2 par rapport à la tension V_plasma, on obtient un déphasage entre les signaux mesurés V1 et V2 qui est identique au déphasage entre le courant (I_plasma) et la tension (V_plasma) sur la ligne coaxiale.
L'invention utilise ainsi de préférence un capteur de tension 42 comprenant une ligne de transmission 420 dite conique, terminée par une surface 421 légèrement bombée en couplage « capacitif » avec le conducteur interne 21. La capacité de couplage entre la surface 421 et le conducteur interne est de l'ordre de 0,3 pF.
En pratique les dimensions critiques des élements formant la sonde (diamètre des conducteurs, espacement entre conducteur interne et externe, espacement entre les deux capteurs de la sonde, ...) seront adaptés en fonction des paramètres de fonctionnement de cette sonde (gamme de valeur des tensions que l'on veut mesurer, précision que l'on veut obtenir sur le déphasage courant/tension, fréquence à laquelle on travaille, ...). On prendra en tout état de cause soin de ménager entre les conducteurs interne et externe un espacement suffisant pour empêcher un claquage.
Dans un mode de réalisation, les dimensions de la ligne conique sont choisies de manière à ce que son impédance caractéristique soit égale à 50 ohms - ce qui permet de relier cette ligne conique à une ligne de transmission coaxiale construite à partir d'une embase SMA identique à celle utilisée pour le capteur de courant 41.
Et ici encore, on peut relier avec un câble coaxial la sortie du capteur de tension à un dispositif de visualisation et d'acquisition.
La ligne conique du capteur 42 permet :

de garantir un fonctionnement dérivateur de la sonde dans une large gamme de fréquence,
tout en gardant le capteur de tension éloigné de la haute tension RF.

La ligne conique est en partie encastrée dans le conducteur 22 qui est à la masse (cf. figure 5c).
On remarquera que si les lignes coniques sont connues en tant que telles, elles étaient jusqu'à maintenant employées pour la mesure de courants très spécifiques (courants transitoires de plusieurs méga-ampères pendant des impulsions d'une centaine de nanosecondes de durée) qui sont bien différents de ceux mis en oeuvre dans la présente invention.
En outre, le fait de placer le capteur de courant sur le conducteur de retour par la masse va à l'encontre de la démarche normale de l'homme du métier. Le conducteur externe à la masse est en effet considéré comme un simple blindage bloquant le rayonnement électromagnétique émis par le conducteur interne, et non pas comme un conducteur transportant le courant électrique de retour pouvant être exploité.
Ainsi, dans le cadre de la présente invention :

contrairement à ce qui est habituellement utilisé en métrologie RF, le courant est mesuré directement. On mesure pour cela la tension V1 qui apparaît aux bornes d'un détour dans laquelle on force le courant RF à passer après avoir traversé complètement ou en partie le plasma, et
la mesure de tension est effectuée par une sonde de tension à couplage capacitif prolongée par une ligne conique. La sonde de tension à couplage capacitif, d'usage courant en métrologie RF, est ici utilisée avec une ligne conique qui permet de garantir un fonctionnement dérivateur de la sonde dans une large gamme de fréquence tout en gardant le capteur de tension éloigné de la haute tension RF.

Le circuit électrique équivalent au capteur de tension à ligne conique est montré sur la figure 4. Sans l'utilisation d'une ligne conique, il existerait un condensateur en parallèle entre le capteur et la masse. C'est le cas pour les capteurs de tension conventionnels. La présence de ce composant supplémentaire altère la réponse en fréquence du capteur. Notamment, il réduit la gamme de fréquence pour laquelle sa réponse est dérivatrice.
L'intérêt d'une ligne conique est qu'elle assure une transition continue entre le capteur bombé et la ligne coaxiale cylindrique chargée de transportée la tension à mesurer jusqu'à un dispositif de visualisation et d'acquisition. Cela a pour but de d'intégrer ce condensateur parasite dans ceux normalement présents entre les deux conducteurs d'une ligne coaxiale afin qu'il n'altère plus la réponse de la sonde.
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 5a à 5c, la sonde comprend deux éléments tubulaires principaux 4100, 4200 qui sont destinés à être alignés et assemblés, chacun de ces deux éléments étant associé à un capteur respectif de la sonde (capteur 41 pour l'élément 4100, capteur 42 pour l'élément 4200).
Et dans ce mode de réalisation, l'élément 4200 sert à fermer la gorge de la sonde de courant (cf. figure 5b), avec les deux capteurs 41, 42 situés au plus près du plan de contact entre les deux éléments 4100, 4200. Les deux sondes sont ainsi disposées au plus près l'une de l'autre (cf. figure 5a).
Le prototype de capteur représenté sur les figures 5a à 5c est de forme globalement cylindrique.
Sa longueur est de cinq centimètres pour un diamètre de 4,5 centimètres. Il est constitué essentiellement de laiton. Il s'agit ici d'une sonde de type « repositionnable » car elle possède à ses extrémités des connecteurs coaxiaux à vis. Ces derniers sont par exemple de type N ou HN pour assurer un bon blindage et transporter de fortes puissances. Ces connecteurs sont modifiables afin de s'adapter aux types de connecteurs (taille et genre) utilisés sur la ligne de transmission sur laquelle on souhaite effectuer les mesures électriques. La figure 5a montre une sonde montée avec des connecteurs coaxiaux mâles de type HN. La figure 5b montre une sonde démontée avec des connecteurs coaxiaux N de type femelle.
L'invention peut également être disposée sur une ligne de transmission de manière permanente (sans connecteurs à vis) comme cela est illustré par le schéma de la figure 3.
La ligne de transmission sur laquelle est insérée le capteur n'est pas nécessairement cylindrique et coaxiale. Il peut s'agir d'une ligne coaxiale à section carrée ou rectangulaire. Plus généralement la ligne doit posséder deux conducteurs dont l'un enferme l'autre et propageant principalement un mode électromagnétique de type « TEM » (transverse électrique et magnétique).
La ligne dans laquelle est implantée le capteur peut également être une ligne radiale comme celle constituée par l'électrode RF 31 et le couvercle 32 sous forme d'un anneau concentrique. Dans un tel cas la gorge de détour du courant peut être pratiquée dans la paroi du couvercle qui est en regard de l'électrode RF. Un exemple d'implantation de l'invention dans une ligne radiale est montré sur la figure 7.
Comme le capteur ne perturbe pas la ligne il peut être disposé sur une ligne de transmission adaptée sans risque de la désadapter, comme par exemple sur les lignes 68 et 71 de la figure 1 situées entre le générateur de puissance RF et le circuit d'accord en impédance.
Préalablement à toute utilisation métrologique, le capteur a été calibré (ou caractérisé). La figure 6 montre un exemple des résultats de cette calibration. Cette figure expose en effet à partir des mesures faites pour V1 et V2 :

V1/I_plasma (courbe 51), et
V2/V_plasma (courbe 52).

On constate que ces deux courbes tracées en fonction de la fréquence RF sont proches de droites, ce qui indique que les capteurs sont bien dérivateurs (réponse linéaire avec la fréquence).
Dans l'exemple illustré ici, ce comportement de variation linéaire avec la fréquence est particulièrement bien observable pour des fréquences allant jusqu'à 500 MHz.
Les procédés industriels visés par l'invention utilisant une fréquence fondamentale (fréquence de fonctionnement du générateur RF) inférieure à 100 MHz, la sonde dont la calibration est illustrée sur la figure 6 est donc utilisable pour mesurer l'amplitude d'au moins quatre des premières harmoniques du courant et de la tension dans ces procédés industriels.
La tension mesurée (V2) est ainsi proportionnelle à la tension à mesurer (V_plasma, que l'on peut noter V₀) avec un facteur multiplicatif (fV₀) proportionnel à la fréquence du signal que l'on cherche à mesurer (et il en est de même pour le courant). $V_{2} (t) \propto \frac{d}{dt} (\underset{signal à mesurer}{\underset{︸}{V_{0} \sin (2 π f t)}}) \propto f V_{0} \sin (2 π f t + \frac{π}{2})$
On remarquera que la sonde selon l'invention est particulièrement simple à construire. Le prototype illustré sur les figures 5a à 5d, et dont les courbes de calibration sont exposées sur la figure 6, n'a nécessité que l'usinage de quatre pièces métalliques, l'utilisation de douze vis pour l'assemblage et l'achat de quatre connecteurs coaxiaux.
L'usinage des pièces a été réalisé sans difficultés à l'aide de machines outil courantes d'atelier de mécanique (une tolérance d'usinage de l'ordre du dixième de millimètre suffit). Enfin le laiton utilisé pour fabriquer les pièces est un matériau peu onéreux.
Un autre avantage de la sonde réside dans sa géométrie simple. Cette géométrie présente l'avantage d'être facilement modélisable à l'aide d'un calcul analytique. Il n'est ainsi pas nécessaire de fabriquer un grand nombre de prototypes ou d'avoir recours à une modélisation informatique complexe pour concevoir et dimensionner une sonde selon la présente invention.
La sonde selon l'invention présente en outre une grande compacité (utilisation de capteurs eux-mêmes compacts encastrés dans un conducteur relié à la masse électrique). Et il est possible de disposer ces capteurs à proximité l'un de l'autre, sans qu'ils se perturbent.
La sonde selon l'invention est par ailleurs apte à fonctionner sur de grandes plages de fréquence (typiquement entre 1 MHz et 1 GHz), et n'est ainsi pas soumise à la limitation de gamme de fréquence des sondes connues.
Un autre aspect avantageux de l'invention réside dans le fait que d'une part la mesure de courant est directe puisqu'elle n'utilise pas le champ magnétique induit par le courant à mesurer, et que d'autre part la gorge assure son propre blindage vis-à-vis de champs magnétiques variables externes. Même en présence de tels champs, la tension en sortie du capteur de courant n'est pas parasitée.
La réponse linéaire en fréquence favorise les hautes fréquences sur les basses fréquences dans le signal à mesurer. Ceci présente deux avantages :

d'une part cela rend la sonde insensible à la présence de composantes à basse fréquence (< 100 kHz) dues à des instabilités dans le plasma,
et d'autre part cela favorise la mesure des harmoniques dont l'amplitude est toujours plus faible que celle de la fondamentale : c'est une « compensation en fréquence».

Il est à noter que l'inversion de branchement de la sonde ne change pas la mesure de tension mais change le signe de la mesure de I (déphasage de -π).
L'invention utilise des capteurs peu intrusifs encastrés, ou en partie encastrés, dans un conducteur relié à la masse électrique. Cette particularité réduit fortement le risque de claquage électrique (court-circuit) provoqué par la présence des capteurs.
La sonde objet de la présente invention peut donc mesurer des tensions et des courants bien plus élevés que les dispositifs conventionnels.
On ajoutera enfin que les mesures « directes » de courant et de tension étant proportionnelles à la fréquence (modulo I_plasma et V_plasma) rend plus aisé encore la mise en oeuvre de la sonde selon l'invention à de hautes fréquences pour des mesures fiables - cet avantage étant renforcé par le fait que les procédés de plasmas évoluent actuellement vers des fréquences de plus en plus élevées.

Claims

Sonde de mesure de caractéristiques électriques d'un courant d'excitation d'un plasma, ladite sonde étant montée sur une ligne conductrice (20) qui comprend un conducteur interne (21) et un conducteur externe (22), comportant un capteur de courant (41) et un capteur de tension (42), caractérisée en ce que :
• le capteur de courant comporte :

une gorge (410) formée dans la masse d'un des conducteurs (22) afin de former un détour pour le courant parcourant ledit conducteur,

et un point de mesure de tension électrique entre une masse reliée audit conducteur et un point de ladite gorge,
ledit capteur de courant étant ainsi apte à mesurer une tension (V1) proportionnelle à la dérivée temporelle première de l'intensité (I_plasma) dudit courant d'excitation,

• le capteur de tension (42) est un capteur dérivateur, apte à mesurer une tension (V2) proportionnelle à la dérivée temporelle première de la tension (V_plasma) dudit courant d'excitation.
Sonde selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le courant d'excitation est un courant alternatif RF.
Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la gorge définit un détour d'une longueur de l'ordre du centimètre.
Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit capteur de courant (41) et ledit capteur de tension (42) sont implantés tous deux sur le conducteur externe.
Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit capteur de tension (42) est un capteur comprenant une ligne de transmission (420) conique, terminée par une surface (421) légèrement bombée couplée capacitivement au conducteur (21) autre que celui sur lequel ledit capteur de tension est monté.
Sonde selon la revendication précédente caractérisée en ce que la capacité de couplage entre ladite surface bombée (421) et ledit conducteur (21) autre que celui sur lequel ledit capteur de tension est monté est de l'ordre de 0,3 pF.
Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit capteur de courant (41) et ledit capteur de tension (42) sont implantés au même niveau sur le trajet du courant à la surface dudit conducteur.
Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite ligne conductrice (20) est une ligne cylindrique coaxiale.
Sonde selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite ligne conductrice est une ligne cylindrique radiale.
Sonde selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la sonde comporte des moyens de mesure du déphasage temporel entre le courant et la tension dudit courant d'excitation.
Réacteur à plasma comportant un générateur RF caractérisé en ce qu'il comporte une sonde selon l'une des revendications précédentes.
Réacteur selon la revendication précédente caractérisé en ce que la sonde est implantée entre un circuit d'accord en impédance reliée audit générateur RF et une électrode (31) RF d'excitation du plasma.
Réacteur selon la revendication 11 caractérisé en ce que la sonde est implantée entre ledit générateur RF et une boîte d'accord, sur une ligne dite adaptée.