EP3578014B1 - Source de plasma - Google Patents

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EP3578014B1
EP3578014B1 EP17832280.6A EP17832280A EP3578014B1 EP 3578014 B1 EP3578014 B1 EP 3578014B1 EP 17832280 A EP17832280 A EP 17832280A EP 3578014 B1 EP3578014 B1 EP 3578014B1
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plasma
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    • H05H1/4645—Radiofrequency discharges
    • H05H1/466—Radiofrequency discharges using capacitive coupling means, e.g. electrodes

Definitions

  • this gas is capable of ionizing and forming a plasma in an area where the high-frequency electromagnetic field has sufficient intensity.
  • the internal diameter of the enclosure is of the order of 10 mm.
  • the same elements have been designated by the same references in the various figures. For the sake of clarity, only the elements useful for understanding the embodiments described have been shown and are detailed.
  • the plasma source elements surrounding the plasma chamber such as in particular a gas inlet, permanent magnets, high frequency signal connections and extraction electrodes are not shown.
  • the figures 2A to 2C are sectional views of 100 cylindrical plasma chambers, all identical, in which quarter-wave antennas 102 of different diameters are arranged.
  • a quarter-wave antenna is understood here to mean an antenna whose length is approximately equal to a quarter of the wavelength of the excitation signal of this antenna.
  • the antennas of figures 2A, 2B and 2C have respective diameters of 1, 3 and 6 mm.
  • Each plasma chamber 100 includes an extraction opening or grid 104 through which plasma ions can be extracted.
  • the inventors consider a first region 106 in each plasma formation zone. This region 106 is located on the side of the opening or extraction grid 104.
  • the region 106 here called useful region, contains a plasma which will be called the useful plasma, that is to say the plasma from from which ions can be extracted to form an ion source.
  • Region 108 contains a plasma which will be referred to as unnecessary plasma. Unnecessary plasma cannot be extracted from the plasma source, and therefore has no useful role but turns out to be the cause of the degradation of the antenna 102 described in the patent application JPH09245658.
  • plasma chambers 100 with an internal diameter equal to 10 mm are considered.
  • the antenna 102 has a diameter of 1 mm. This corresponds to the dimensions of the antenna and the plasma chamber illustrated in the aforementioned Japanese patent application.
  • the antenna 102 has a diameter of 3 mm.
  • the unnecessary region 108 has a smaller volume than in the case of the figure 2A , resulting in reduced degradation.
  • the useful region 106 retains a similar volume.
  • the antenna 102 has a diameter of 6 mm.
  • the unnecessary region 108 has a further reduced volume.
  • the volume of the working region 106 is also reduced.
  • An advantageous diameter of the antenna 102 is therefore a diameter which makes it possible to keep a volume of useful region 106 as large as possible while reducing the volume of unnecessary region 108 as much as possible.
  • an advantageous diameter of the antenna is approximately 3 mm, for example between 2.5 and 3.3 mm, for an internal diameter of the plasma chamber 100 of 10 mm. This corresponds to a diameter of the antenna of a plasma source of between a quarter and a third of the internal diameter of the plasma chamber.
  • the figure 4 is a schematic sectional view of one embodiment of a plasma chamber 200.
  • the plasma chamber 200 includes a cylindrical enclosure 202.
  • a quarter-wave antenna 204 is disposed within the enclosure 202.
  • the base of the The antenna 204 is isolated from the enclosure by an insulator 206.
  • the enclosure 202 includes an opening 208 facing the end of the antenna 204.
  • the opening 208 is, in this example, a circular opening.
  • the opening 208 can also be an extraction grid.
  • the internal diameter d 1 of the enclosure is in this example 10 mm.
  • an optimum value of the diameter d of the antenna 204 is between a quarter and a third of the internal diameter d 1 of the enclosure, that is to say approximately between 2.5 and 3.3 mm .
  • the internal diameter d 1 of the plasma chamber is described here as having a value of 10 mm. This diameter can be chosen differently.
  • the diameter of the opening 208 can vary between 1 ⁇ m and the internal diameter d 1 of the enclosure.

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Description

  • La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR17/50978 .
    • 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 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 électromagnétique 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 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 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 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 entraîne 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 .
  • US 5 361 737 divulgue un exemple de source de plasma basée sur un résonateur coaxial à haute fréquence.
    • 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 l'enceinte est de 10 mm.
  • Selon un mode de réalisation, l'ouverture est une ouverture circulaire de diamètre compris entre 1 µm et le diamètre interne de l'enceinte.
  • 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.
  • 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, 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 brevet JPH09245658 ;
    • les figures 2A à 2C représentent des chambres à plasma munies d'antennes de différents diamètres ;
    • les figures 3A et 3B sont des diagrammes représentant l'énergie moyenne E rayonnée par l'antenne dans diverses zones en 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 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.
  • 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 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.
  • 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 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 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 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, et 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.
  • 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.
  • 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 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 entraîne une dégradation réduite. La région 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 3A et 3B sont des diagrammes représentant 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 3A, on remarque que l'énergie E stockée dans 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 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 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 3A, la région utile 106 contient une 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 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 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 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 circulaire. L'ouverture 208 peut aussi être une grille d'extraction. Le diamètre interne d1 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 d1 de l'enceinte, c'est-à-dire approximativement entre 2,5 et 3,3 mm. La distance l 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. De même, le diamètre d2 de l'ouverture 208 dans l'exemple de la figure 4, a un diamètre 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 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 µm et le diamètre interne d1 de l'enceinte.
  • De telles sources de plasma peuvent être associées entre elles pour former une source de plasma étendue.
  • La portée de l'invention est définie par les revendications.

Claims (7)

  1. 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 (d1) interne de l'enceinte (202),
    la distance (l) 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 (d1) interne de l'enceinte (202) est de l'ordre de 10 mm.
  3. Source de plasma selon la revendication 2, dans laquelle le diamètre (d1) interne de l'enceinte (202) est de 10 mm.
  4. Source de plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'ouverture (208) est une ouverture circulaire de diamètre compris entre 1 µm et le diamètre (d1) 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.
  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 revendications 1 à 6 disposées côte à côte.
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