FR2876536A1 - Dispositif et procede de caracterisation de plasma - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma (19) comprenant :• une antenne émettrice (17) pour émettre des ondes de surface (10),• une antenne réceptrice (18),• des moyens de continuité électromagnétique (19) entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice pour acheminer les ondes jusqu'à l'antenne réceptrice,• des moyens (24) de détection des ondes,• des moyens de traitement (16) reliés auxdits moyens de détection, pour :> déterminer une fréquence seuil de transmission correspondant à une fréquence d'émission au dessus de laquelle les ondes sont émises avec une puissance substantielle,> en déduire une densité électronique dans le plasma (14).

Description

É1i

La présente invention concerne un dispositif de mesure de la densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace contenu dans le réacteur.

Et l'invention concerne également un procédé de mesure de densité 5 électronique associé à un tel dispositif.

On précise qu'on entend dans ce texte par plasma un gaz suffisamment ionisé pour que les espèces chargées qu'il contient aient un comportement collectif c'est à dire qu'elles adaptent leur mouvement en fonction du mouvement des autres espèces, de la densité électronique et 10 de la densité des autres espèces chargées qui les entourent.

La densité électronique, ne, est le nombre d'électrons par unité de volume souvent exprimé en électrons/c:m3.

Et l' espace de plasma est dans ce texte défini comme l'espace occupé par le plasma à l'intérieur du réacteur à plasma.

On rappelle que devant toute surface exposée à un plasma se forme une zone appelée gaine électrostatique (illustrée par exemple sur la figure 2 par la référence 45). L'épaisseur typique de cette zone est de quelques millimètres.

La gaine électrostatique est une zone pauvre en électrons car la 20 densité électronique y est très inférieure à celle dans le plasma. On peut donc assimiler cette zone à du vide.

Cette gaine électrostatique se forme automatiquement autour de tout objet immergé dans un plasma.

Comme on le verra, l'invention s'applique de manière 25 particulièrement avantageuse mais non limitative aux plasmas de basse densité électronique et de haute pression de gaz.

On définit ici un plasma basse densité comme un plasma dans lequel la densité électronique est inférieure à une valeur de 1010 électrons/cm3.

Et on définit de même un plasma haute pression comme un plasma dans lequel la pression est supérieure à une valeur de l'ordre de 65 pascals.

Il existe déjà de nombreux types de dispositifs de mesure de 5 densité électronique dans un réacteur à plasma.

Ces dispositifs sont souvent aptes à effectuer des mesures dites globales , c'est à dire qu'ils fournissent une valeur unique caractérisant globalement la densité électronique.

Or il est parfois souhaitable de réaliser des mesures locales , qui 10 caractérisent la densité électronique en un endroit spécifique de l'espace occupé par le plasma.

Certains dispositifs ont été conçus pour réaliser de telles mesures locales de densité.

La sonde de Langmuir est un premier exemple d'un tel dispositif.

Mais si les sondes de ce type permettent de réaliser des mesures locales de densité, elles sont associées à certaines limitations.

Premièrement, ce type de sonde n'est pas adapté pour les plasmas chimiquement réactifs: les sondes de Langmuir sont en effet sensibles aux dépôts et autres pollutions générés par de tels plasmas.

En outre, ce type de sonde nécessite d'être compensé dans le cas fréquent - d'un plasma généré par des ondes radiofréquences (plasma RF).

En outre, le fonctionnement de ce type de sonde est relativement complexe.

La sonde à flux ionique est un autre type de dispositif permettant d'effectuer des mesures locales.

Ce type de sonde dont une illustration est donnée dans le brevet FR 2 738 984 - nécessite la connaissance de certains paramètres associés au plasma (tels que la vitesse de Bohm et la densité d'ions négatifs si le plasma en contient) pour accéder, à partir de ces paramètres, à une densité électronique.

Or il serait avantageux d'accéder à des mesures directes de densité électronique, c'est à dire ne nécessitant pas la connaissance d'autres paramètres du plasma considéré.

Un troisième type de dispositif permettant d'effectuer des mesures locales de densité est la sonde plasma à absorption.

Ce type de sonde, illustré notamment par le document US 6 339 297, exploite la détection de pics d'absorption d'une onde de surface stationnaire, à partir de laquelle on déduit de manière indirecte une fréquence représentative d'une densité d'électrons.

Mais ce type de sonde est également associé à des limitations.

Son fonctionnement est en effet assez complexe il nécessite en particulier un traitement d'extrapolation à partir des observations effectuées, et constitue ainsi une méthode indirecte qui ne donne pas directement accès à une densité.

En outre, la mise en oeuvre dies sondes de ce type nécessite un traitement numérique important, et un étalonnage préalable.

Ce type de sonde a par ailleurs une sensibilité de mesure limitée.

Plus précisément, la mise en oeuvre de ce type de sonde est plus particulièrement délicate à basse densité (<1010 électrons/cm3) et haute pression (>65 pascals, > 0,5 torr), car elle nécessite un recours à une analyse complexe des spectres de signaux observés. Par ailleurs la sensibilité de mesure de cette sonde diminue lorsque la pression augmente - elle est donc fonction de la pression.

La sensibilité de ce type de sonde est ainsi typiquement de 109 électrons/cm3 en dessous de 13 pascals (0,1 torr) et elle est de l'ordre de 1010 électrons/cm3 entre 13 pascals et 133 pascals (1 torr).

Par comparaison, dans le cas de l'invention les tests effectués par les demanderesses ont montré une sensibilité de 109 électrons/cm3 jusqu'à 133 pascals (1 torr).

Ainsi, dans le cas de plasmas entre 0.1 et 1 Torr, la mise en oeuvre de ce type de sonde connu est limitée à des plasmas dont la densité est supérieure à environ 1010 électrons/cm3 ce qui ne permet pas de caractériser des plasmas de basse densité.

Il apparaît ainsi qu'il demeure un besoin pour un dispositif de mesure de densité d'un plasma, apte à effectuer des mesures locales de 5 densité et affranchi des limitations exposées ci-dessus.

Un but de l'invention est de répondre à ce besoin.

Notamment, un but de l'invention est de permettre de réaliser des mesures de densité de manière simple, rapide et directe.

Un autre but de l'invention est de permettre de réaliser de telles 10 mesures sans avoir recours à un étalonnage important ou un traitement numérique complexe.

Un autre but de l'invention est de permettre de caractériser des plasmas réactifs qui génèrent des dépôts et des pollutions.

Un autre but de l'invention est de pouvoir appliquer la mesure de densité à des plasmas de basse densité, aux plasmas de haute pression et aux plasmas qui sont à la fois de basse densité et de haute pression.

Afin d'atteindre ces buts, l'invention propose selon un premier aspect un dispositif de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace de plasma contenu dans le réacteur, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend: É Des moyens pour générer une tension électrique périodique associée à une fréquence dite d'émission, É Des moyens de commande pour faire varier de manière contrôlée ladite fréquence d'émission, É au moins une antenne émettrice reliée auxdits moyens de génération de tension d'émission pour émettre des ondes de surface à la surface de l'espace de plasma, É au moins une antenne réceptrice pour recevoir lesdites ondes de surface émises par la ou les antenne(s) émettrice(s), É des moyens de continuité électromagnétique entre la ou les antenne(s) émettrice(s) et la ou les antenne(s) réceptrice(s), pour constituer une gaine de transmission continue correspondant à l'interface entre une gaine électrostatique et le plasma entre chaque antenne émettrice et au moins une antenne réceptrice, la frontière de ladite gaine électrostatique avec le plasma permettant d'acheminer les ondes de surface émises par chaque antenne émettrice jusqu'à au moins une antenne réceptrice, É des moyens de détection des ondes de surface reçues par la ou les antenne(s) réceptrice(s), É des moyens de traitement reliés auxdits moyens de commande et 10 auxdits moyens de détection, pour: > déterminer une fréquence seuil de transmission, qui correspond à une fréquence d'émission au dessus de laquelle les ondes de surface sont transmises à l'antenne réceptrice avec une puissance substantielle, - et déduire de ladite fréquence seuil de transmission une densité électronique dans le plasma.

Des aspects préférés, mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants: É la topologie desdits moyens de continuité électromagnétique est 20 contrôlée pour éviter que le plasma ne pénètre entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice associée et pour garantir la continuité de la gaine électrostatique entre les deux antennes, É pour chaque antenne émettrice et une antenne réceptrice associée ladite gaine de transmission est située dans la continuité des gaines 25 électrostatiques associées respectivement à ladite antenne émettrice et à ladite antenne réceptrice, É lesdits moyens de continuité électromagnétique sont obtenus par le dimensionnement et l'agencement de chaque antenne émettrice par rapport à chaque antenne réceptrice destinée à recevoir l'onde de surface émise par ladite antenne émettrice, É lesdits moyens de continuité électromagnétique correspondent à un élément de continuité diélectrique, É lesdits moyens de traitement comprennent un dispositif d'analyse spectrale ou sélectif en fréquence apte à analyser l'énergie 5 électromagnétique reçue par chaque antenne de réception en fonction de la fréquence d'émission, É lesdits moyens de continuité électromagnétique comprennent une structure de continuité électrostatique entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice destinée à recevoir l'onde de surface émise 10 par ladite antenne émettrice, É ladite structure de continuité électrostatique est réalisée en un matériau diélectrique ou isolant, É le dispositif comprend une antenne émettrice disposée en regard d'une antenne réceptrice associée et coaxialement avec ladite antenne réceptrice, de manière que l'espace séparant les extrémités des deux antennes soit sensiblement centré sur l'axe commun des deux antennes, É ladite structure de continuité électrostatique est un cylindre disposé coaxialement entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice 20 associée, É le dispositif comprend une antenne émettrice disposée non coaxialement à une antenne réceptrice associée, les extrémités de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice étant situées sensiblement en regard l'une de l'autre, É ladite structure de continuité électrostatique est une pièce qui bouche l'espace située entre les extrémités respectives de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice de manière à prévenir que le plasma occupe ledit espace, É l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice sont portées par un même 30 support, É les antennes sont isolées du plasma, i É les antennes sont dipolaires.

É le dispositif comporte: - deux antennes dipolaires insérée dans le plasma, chacune disposée à une première extrémité d'un câble coaxial respectif dont la deuxième extrémité débouche à l'extérieur de l'enceinte d'un réacteur à plasma; - un tube diélectrique dans lequel les câbles coaxiaux sont insérés; - une pièce cylindrique, constitué d'un matériau diélectrique, disposée entre et au contact de deux antennes dipolaires dans lequel ces dernières sont insérées sur toute leur longueur; ladite pièce cylindrique permettant de constituer entre les deux antennes une gaine électrostatique dont l'interface de séparation avec le plasma est continue entre les deux antennes, - un ensemble coaxial axisymétrique formé par le cylindre diélectrique et les antennes dipolaires rectilignes dont les axes sont confondus avec l'axe de symétrie de cet ensemble, É le dispositif comporte également un bouchon constitué d'un matériau diélectrique bouchant l'extrémité du tube diélectrique dans sa partie exposée au plasma, - une première antenne dipolaire rectiligne étant disposée sur l'axe du tube en dépassant du tube à son extrémité située à l'intérieur de l'enceinte, en passant au travers du bouchon, - une deuxième antenne dipolaire rectiligne étant disposée parallèlement à l'axe du tube à proximité de sa paroi interne, en dépassant du tube à son extrémité située à l'intérieur de l'enceinte, en passant au travers du bouchon, - le dispositif comportant en outre: / une pièce constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne, / une pièce constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne.

É le dispositif comprend: - deux antennes dipolaires rectilignes, chacune disposée à une première extrémité d'un conducteur respectif dont la deuxième extrémité débouche à l'extérieur de l'enceinte d'un réacteur à plasma, - des moyens externes à l'enceinte pour alimenter une première antenne avec une tension sinusoïdale de haute-fréquence délivrée par une source, dont la fréquence est ajustable, et connectée à ladite deuxième extrémité du conducteur dont la première extrémité est associée à ladite première antenne, - des moyens externes à l'enceinte pour mesurer la puissance captée par la deuxième antenne et connecté à ladite deuxième extrémité du conducteur dont la première extrémité est associée à ladite deuxième antenne, - des moyens disposés en série sur le conducteur associé à ladite première antenne pour soustraire de la composante de tension sinusoïdale la fréquence de la source générant le plasma et une éventuelle composante de tension continue sur une électrode interne dudit conducteur associé à ladite première antenne, - des moyens disposés en série sur le conducteur associé à ladite deuxième antenne pour soustraire de la composante de tension sinusoïdale la fréquence de la source générant le plasma et une éventuelle composante de tension continue q sur une électrode interne dudit conducteur associé à ladite deuxième antenne, - un dispositif d'affichage et de traitement pour élaborer la puissance mesurée par le dispositif en fonction de la fréquence de la source, et pour en déduire la fréquence seuil au dessus de laquelle la puissance captée augmente de manière significative afin de déterminer la valeur de la densité électronique du plasma situé autour des antennes.

2876536 9 Des aspects préférés, mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants: Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un procédé de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit 5 plasma étant réparti dans un espace de plasma contenu dans le réacteur, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : établir entre au moins une antenne émettrice située dans ledit plasma et au moins une antenne réceptrice distincte de ladite antenne émettrice également située dans le plasma une gaine 10 électrostatique continue, générer à l'interface entre ladite gaine électrostatique et le plasma une onde de surface se propageant de ladite antenne émettrice vers ladite antenne réceptrice, par l'application à ladite antenne émettrice d'une tension électrique périodique dont on contrôle la fréquence dite fréquence d'émission, - acquérir le signal électromagnétique reçu par ladite antenne de réception et quantifier sa puissance, - faire varier la fréquence d'émission tout en poursuivant l'acquisition dudit signal électromagnétique reçu par l'antenne de réception, pour détecter une fréquence de transmission correspondant à une fréquence d'émission au dessus de laquelle la puissance dudit signal reçu par l'antenne de réception augmente de manière significative, - déduire de la valeur de ladite fréquence de transmission une densité d'électrons dans le plasma à proximité de l'antenne d'émission et de l'antenne de réception.

É l'établissement de ladite gaine électrostatique est obtenu en disposant entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice associée une structure de continuité électromagnétique, É la densité est obtenue par la relation ne (cm-3) = 2.5x1010 f (GHz) , avec: 30 - ne = densité - L. = = fréquence seuil de transmission - f 27rp - CJZ neez P epme - e = charge électronique élémentaire, - o = permittivité du vide, - me = masse de l'électron, É lesdites antennes sont des antennes dipolaires, É lesdites antennes sont disposées à l'extrémité d'un tube, constitué d'un matériau diélectrique, et inséré dans le plasma au travers d'une paroi de l'enceinte d'un réacteur à plasma, É lesdites antennes sont disposées dans un plan, séparés par un substrat plan constitué d'un matériau diélectrique, et insérées dans le plasma au travers d'une paroi de l'enceinte d'un réacteur à plasma, ou affleurant le paroi du réacteur afin d'être en contact avec le plasma en le perturbant le moins possible, É le procédé comprend la détermination, à partir de la mesure de la puissance transmise entre deux antennes, de la fréquence minimale, ftr, , pour laquelle une puissance électromagnétique significative est transportée par une onde de surface guidée par l'interface entre le plasma et la gaine électrostatique, É ladite puissance électromagnétique significative correspond à un microwatt.

É le procédé comprend: - l'alimentation d'une antenne émettrice avec une tension sinusoïdale de haute-fréquence délivrée par une source dont on peut modifier la fréquence du signal délivré, - la mesure de la puissance électromagnétique captée par une antenne réceptrice disposée à proximité de l'antenne émettrice, en fonction de la fréquence de la source.

É le procédé comprend la variation continue et de manière croissante de la fréquence de ladite tension sinusoïdale, tout en mesurant la puissance électromagnétique captée par une autre antenne afin de déterminer la fréquence au dessus de laquelle la puissance captée par l'antenne et due à la propagation d'une onde de surface, croît de manière significative.

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: É la figure 1 est une représentation schématique d'un réacteur à plasma pouvant être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention, É la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de mesure selon l'invention, selon un premier rnode de réalisation, É la figure 3 est une vue plus détaillée exposant à propos de ce premier mode de réalisation la configuration des éléments introduits dans le réacteur à plasma, É la figure 4 est une vue détaillée des moyens de continuité électromagnétique mis en oeuvre dans le premier mode de réalisation de l'invention, sur laquelle un axe AA' et un plan de coupe BB' sont définis, É la figure 5 est une vue en coupe de ces moyens de continuité électromagnétique, selon le plan BB' défini sur la figure 4, É la figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif de mesure selon l'invention, selon un second mode de réalisation, É la figure 7 détaille à propos de ce second mode de réalisation la configuration de l'antenne émettrice, de l'antenne réceptrice, et des moyens de continuité électromagnétique associés, un axe AA' et un plan de coupe BB' étant définis sur cette figure, É la figure 8 est une vue en coupe des moyens de continuité électromagnétique et des antennes mis en oeuvre dans ce second mode de réalisation, selon le plan BB' défini sur la figure 7, É la figure 9 est un schéma d'ensemble détaillant plus particulièrement les moyens de génération de tension, de commande, de détection et de traitement mis en oeuvre dans l'invention, É la figure 10 est un graphe illustrant des relations de dispersion d'ondes de surface, É la figure 11 est un graphe théorique illustrant la puissance qui doit théoriquement être transmise entre une antenne réceptrice et une antenne émettrice, en fonction de la fréquence de la tension alimentant ces antennes, É la figure 12 est une représentation des électrodes permettant de générer un plasma dans un réacteur de plasma utilisé dans le cadre de l'invention, É La figure 13 comprend les figures 13a et 13b qui représentent respectivement une vue générale d'une réalisation pratique faite par les demanderesses de la sonde à transmission selon l'invention cette réalisation correspondant à un premier mode de réalisation. Et la figure 13b est une vue de détail de cette sonde, extraite de la vue de la figure 13a, É la figure 14 comprend deux graphes: - un graphe a) dont la courbe illustre l'allure de la puissance transmise observée entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice du dispositif, en fonction de la fréquence de la tension d'alimentation du dispositif. Cette courbe fait en particulier apparaître deux seuils de fréquence, - un graphe b) qui décline le même type de courbe en mettant en évidence l'influence de la puissance, PRF, du générateur radiofréquence injecté pour entretenir le plasma (et donc de la densité électronique) sur la position des deux seuils de fréquence qui viennent d'être mentionnés, É la figure 15 comprend deux graphes: - un graphe a) qui donne les valeurs des deux fréquences de seuil mises en évidence sur les figures 14 a et 14b, pour différentes puissances, - un graphe b) qui établit que le rapport des deux fréquences de seuil est toujours proche d'un facteur constant, É la figure 16 comprend deux graphes: - un graphe a) qui illustre l'influence de la pression sur la puissance transmise, - un graphe b) qui illustre l'influence de la densité électronique sur la puissance transmise, É la figure 17 illustre des résultats de puissance transmise obtenus dans un plasma d'hydrogène à une pression relativement élevée de 65 pascals.

Présentation d'un réacteur à plasma Préalablement à la description de formes de réalisation de l'invention qui va suivre, on va exposer cidessous quelques caractéristiques d'un réacteur à plasma pouvant être mis en oeuvre dans le cadre de l'invention.

L'invention s'applique en effet à la mesure de la densité électronique 25 dans un gaz ionisé ou plasma notarnment un plasma dans une enceinte constituant un réacteur à plasma.

On précise que la densité électronique est le nombre d'électrons par unité de volume, densité volumique exprimée le plus souvent en électrons par centimètre cube.

Les réacteurs à plasma peuvent être utilisés pour revêtir un échantillon d'une couche mince de matériau, pour graver un échantillon (par bombardement ionique, par un flux d'atomes et radicaux réactifs, ou par les deux ensemble), 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 1. Près d'une première paroi 2 de cette enceinte est placé, sur un porte-substrat 3, un échantillon à traiter 4.

L'échantillon 4 a sur cette figure la forme d'un disque dont une surface dirigée vers l'intérieur de l'enceinte 1 constitue la surface à traiter. Cette forme n'est pas limitative.

L'enceinte 1 est remplie d'un gaz à faible pression, par exemple de l'ordre de quelques pascals à quelques centaines de pascals. Le gaz est issu d'une source 12 pour être injecté dans l'enceinte du réacteur par un tuyau d'approvisionnement en gaz 10, le débit de gaz étant régulé par un contrôleur de débit massique 11.

Lorsqu'un mélange de gaz est utilisé, plusieurs sources, contrôleurs de débit et tuyaux d'approvisionnement sont utilisés en parallèle. Le gaz est évacué de l'enceinte 1 par un tuyau d'évacuation 13 connecté à un système de pompage 14 constitué d'une ou plusieurs pompes à vide en série. Le débit volumétrique de pompage est ajusté à l'aide d'une valve 15.

La pression dans l'enceinte se contrôle avec la valve 15 ou le contrôleur de débit 11.

Plusieurs moyens peuvent être utilisés pour générer le plasma 16.

Par exemple, dans une configuration dite gravure ionique réactive à couplage capacitif , une tension radiofréquence est appliquée au portesubstrat. On peut également, comme cela est représenté sur la figure 1, générer le plasma 16 au moyen d'une source 6 indépendante du portesubstrat 3.

Cette source 6 peut être par exemple: É une électrode polarisée avec une tension continue (source à tension continue), É une électrode alimentée par un générateur radiofréquence (source capacitive), É une bobine alimentée par un générateur radiofréquence (source inductive) É un générateur de micro-ondes.

Cette source peut éventuellement être associée à des moyens permettant l'application d'un champ magnétique statique. Dans le cas de l'emploi d'une source 6 indépendante du porte-substrat, ce dernier peut être polarisé par une source radiofréquence 5 pour établir une autopolarisation et augmenter ainsi l'énergie d'impact des ions sur la surface à traiter.

Lorsque la source 6 est une source radiofréquence, cette dernière peut éventuellement être polarisée à une fréquence plus élevée que celle appliquée au porte-substrat 5 dans le but de contrôler préférentiellement la densité électronique.

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 atonies ou molécules neutres produisant ainsi des radicaux, espèces chimiques instables absentes dans le gaz sans la présence des électrons, ainsi que des ions réactifs. 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 donc fonction de la densité électronique.

De même, le flux de particules chargées (électrons et ions) qui arrivent à la surface à traiter est proportionnel à la densité électronique. La réactivité chimique et le bombardement ionique agissent généralement en synergie dans ces plasmas.

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. La densité électronique est une de ces caractéristiques dont la mesure et le contrôle est déterminant dans la mise en oeuvre de ces processus de dépôt ou de gravure.

L'invention s'applique à une mesure de cette densité dans un réacteur à plasma.

Premier mode de réalisation,de la sonde En référence maintenant à la figure 2, on a représenté un dispositif de mesure de densité électronique(dont nous nommerons la partie immergée dans le plasma sonde à plasma ) selon un premier mode de réalisation de l'invention.

Comme on le verra, le fonctionnement de la sonde selon l'invention repose sur la détermination de la fréquence de transmission d'une onde électromagnétique de surface se propageant dans une gaine électrostatique (typiquement cylindrique) établie entre le plasma et la sonde.

La sonde est insérée au travers de la paroi 7 d'une enceinte à vide 1 d'un réacteur plasma afin d'être mis en contact avec le plasma 16.

La mesure de densité se fait en mettant en oeuvre une transmission d'ondes électromagnétiques entre une antenne émettrice 17 et une antenne réceptrice 18 espacées d'une distance donnée (qui peut être d'environ 1 cm). Comme on le verra plus en détail, il est important que l'espace entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice ne soit pas trop important.

La sonde comporte ici uniquement une antenne émettrice et une antenne réceptrice.

On précise toutefois qu'il est également possible de prévoir plus d'une antenne émettrice et plus d'une antenne réceptrice, lesdites antennes étant alors disposées en différents endroits du réacteur avec toujours un espacement contrôlé et des moyens de continuité électromagnétique entre chaque antenne émettrice et la ou les antenne(s) réceptrice(s) qui lui est (sont) associée(s).

L'antenne émettrice 17 est reliée par un câble coaxial 21 à un circuit source 22 qui délivre une tension périodique (typiquement une tension sinusoïdale) dont on peut modifier la fréquence.

Celle-ci est modifiée de manière à balayer continuellement une gamme de fréquence donnée. Dans un exemple préféré de mise en oeuvre, cette gamme de fréquence comprend les fréquences situées entre 50 MHz et 6 GHz.

L'antenne réceptrice 18 est reliée par un autre câble coaxial 23 à un dispositif 24 chargé de mesurer la puissance du rayonnement électromagnétique capté par cette antenne réceptrice.

Cela permet de déterminer la puissance électromagnétique transmise entre les deux antennes en fonction de la fréquence de la source 22.

Un cylindre 19 en matériau diélectrique d'environ 1 millimètre de diamètre et 1 centimètre de longueur est intercalé entre les deux antennes.

Le matériau du cylindre (19) est un diélectrique chimiquement inerte comme par exemple de l'alumine, du verre, de la silice fondu ou du polytetra-fluoro-éthylène (PTFE).

Les deux antennes et le cylindre 19 sont situés dans le plasma 16.

On a illustré sur cette figure la gaine électrostatique (ici référencée 45) qui correspond à la zone se formant spontanément devant toute surface exposée à un plasma, et dont l'épaisseur typique est de quelques millimètres.

On a ainsi représenté sur la figure 2 une gaine électrostatique 45 autour des éléments de la sonde et en particulier autour du cylindre 19 et des antennes 17 et 18.

Cette zone de gaine électrostatique est séparée du plasma 16 par une interface 20.

Le cylindre 19 est disposé entre les deux antennes pour garantir une continuité électromagnétique entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice.

On précise qu'on entend plus précisément par continuité électromagnétique continuité des propriétés électromagnétiques des structures diélectriques (en l'occurrence gaine électrostatique et diélectrique) entre les deux antennes .

Cette continuité électromagnétique est obtenue du fait que le cylindre empêche le plasma 16 d'occuper l'espace entre les deux antennes et que ce cylindre assure la continuité de la gaine électrostatique 45 et de l'interface plasma/gaine électrostatique 20 entre les deux antennes.

Cette continuité de la gaine électrostatique et de son interface entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice va permettre à une onde de surface de se propager le long de l'interface 20, de l'antenne émettrice 17 vers l'antenne réceptrice 18.

Le cylindre 19 correspond ainsi à un exemple de moyens de continuité électromagnétique entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice.

On précise que cette continuité électromagnétique peut également être établie sans disposer d'élément additionnel entre les deux antennes, mais en prévoyant que la distance séparant ces deux antennes soit suffisamment petite pour que le plasma ne puisse pénétrer entre les antennes et que les gaines électrostatiques générées par les deux antennes se rejoignent. Dans un tel cas les moyens de continuité électromagnétique correspondent simplement au dimensionnement et à l'agencement particuliers permettant d'obtenir sans élément additionnel la continuité souhaitée.

Revenant au mode de réalisation décrit en référence à la figure 2, l'ensemble formé par le cylindre 19, la gaine électrostatique 45 et le plasma 16 constitue un guide d'onde (ou une ligne de transmission) pour les ondes de surface.

Les propriétés de ce guide dépendent des propriétés du plasma et en particulier de sa densité électronique.

Les deux antennes 17, 18 sont comme on va le voir utilisées pour caractériser en transmission les propriétés de ce guide, et en déduire la densité électronique locale entre les deux antennes.

La sonde mise en oeuvre dans le cadre de l'invention est ainsi une sonde plasma à transmission (ceci étant le cas pour tous les modes de réalisation de la sonde). Elle se distingue ainsi notamment des sondes plasma à absorption qui ont été évoquées en introduction de ce texte.

L'onde à transmettre est générée par le courant alternatif issu de la source 22, puis injectée à une première extrémité du guide d'onde mentionné ci-dessus par l'antenne émettrice 17, pour être captée en sortie du guide d'onde par l'antenne réceptrice 18.

2876536 20 Et le guide d'onde n'autorise la propagation d'ondes de surface qu'à des fréquences supérieures à une fréquence particulière appelée fréquence seuil de transmission (qui pourra également être désignée par le simple terme de fréquence de transmission dans la suite de ce texte), notée Ç . Cette fréquence de transmission peut être détectée car elle correspond à un point singulier dans le spectre en fréquence de la puissance transmise. La fréquence de transmission correspond en effet à la fréquence au dessus de laquelle la puissance électromagnétique captée par l'antenne réceptrice 18 augmente significativement.

Et la valeur de cette fréquence de transmission est liée à la densité électronique entre les deux antennes. On peut en effet montrer que la densité ne se déduit de la fréquence de transmission par la relation: ne (cm-3 = 2, 5.10' f @ (GHz).

La figure 3 représente avec davantage de détail la sonde plasma de la figure 2. Cette sonde a été insérée dans un réacteur plasma en passant par exemple par une ouverture dans une paroi 7 du réacteur, afin d'être en contact avec le plasma (sur la figure 3 l'intérieur du réacteur est à gauche contrairement à la représentation de la figure 2).

La sonde comprend deux câbles semi-rigides 21 et 23 insérés dans 20 un même tube électriquement isolant et rigide 25. Ces câbles sont des câbles coaxiaux.

Les deux câbles 21 et 23 peuvent être identiques.

Le matériau du tube 25 peut être de l'alumine ou de la silice fondue, et le diamètre extérieur de ce tube peut être d'environ 1 centimètre.

Chacun des deux câbles comporte une partie saillante hors du tube 25 dans le réacteur.

Ces deux parties saillantes sont recourbées de manière à ce que les deux câbles présentent chacun en regard l'un de l'autre une extrémité, les deux extrémités étant coaxiales.

Ces deux extrémités, dénudées, constituent deux antennes dipolaires respectives 17 et 18. L'autre extrémité de chaque câble est située hors du réacteur à plasma.

On précise qu'on désigne chaque antenne 17, 18 par le terme d'antenne dipolaire car dans le cas de chacune de ces antennes c'est le dipôle constitué par l'antenne elle-même et la gaine de blindage (conducteur) du câble coaxial de l'antenne qui permet de créer le champ électrique qui excitera l'onde de surface.

Les deux antennes 17 et 18 sont insérées dans le cylindre diélectrique 19, dont le rayon est égal au diamètre extérieur des câbles 21 et 23 (c'est à dire à leur diamètre avec la protection 26 qui peut les entourer avant leur extrémité dénudée, si une telle protection existe).

La configuration recourbée des deux câbles forme une boucle fermée, les bases des parties saillantes des deux câbles étant proches l'une de l'autre, alors que leurs extrémités dénudées sont en regard l'une de l'autre, également proches, et jointes par le cylindre 19.

On notera qu'il n'est pas nécessaire (bien que cela soit souvent plus commode) de faire sortir les deux câbles coaxiaux par la même orifice dans le réacteur.

La configuration recourbée des deux câbles permet au plasma d'occuper tout l'espace autour du cylindre 19. Elle permet également de garantir qu'aucune surface conductrice ne se trouve à proximité du cylindre 19 ce qui permet de ne pas perturber la propagation des ondes de surface le long du guide d'onde.

Les extrémités des câbles coaxiaux 21 et 23 qui débouchent à l'extérieur de l'enceinte sont connectées à un circuit de mesure qui sera décrit dans la suite de ce texte.

Dans une configuration préférée du dispositif, les antennes 17 et 18 sont identiques et elles peuvent être utilisées indifféremment comme 30 antenne émettrice ou antenne réceptrice.

Dans la partie où les câbles 21 et 23 sont dans l'espace de plasma ces deux câbles peuvent être recouverts par une couche diélectrique 26.

Cette couche constitue une protection dans le cas où on désire éviter une pollution de l'espace de plasma par le métal des câbles coaxiaux 21 et 23.

Le matériau constituant ce gainage de protection doit pouvoir supporter les températures du gaz dans l'enceinte sans fondre et sans polluer le plasma. Il doit également ne pas réagir chimiquement avec les gaz injectés dans l'enceinte. Cette protection peut être réalisée en alumine, en verre, en silice fondue ou à l'aide d'un tube de PTFE flexible.

Dans la partie où les câbles coaxiaux sont logés dans le tube diélectrique 25, ces câbles ne sont pas exposés au plasma.

Un bouchon 27 étanche au plasma et électriquement conducteur bouche l'extrémité du tube 25 qui débouche dans le réacteur. Ce bouchon est percé de deux trous pour faire passer les câbles 21 et 23. Ce bouchon permet d'empêcher le plasma de pénétrer dans le tube 25.

Un presse-étoupe formé des éléments référencés 7, 29 et 30 est utilisé pour assurer l'étanchéité entre la paroi de l'enceinte du réacteur et le tube 25.

La pièce 29 est un capot de presse-étoupe vissé sur une saillie de la paroi 7 de manière à écraser un joint souple 30 contre le tube rigide 25.

En dévissant légèrement le capot 29 on peut déplacer la sonde dans le réacteur tout en préservant l'étanchéité du passage sous vide de la sonde.

Le presse-étoupe permet de déplacer la sonde sans casser le vide dans l'enceinte à vide du réacteur.

Un second bouchon 28 placé à l'extérieur du réacteur bouche la deuxième extrémité du tube 25. Ce second bouchon permet d'assurer l'étanchéité du passage sous vide des câbles coaxiaux dans le tube, l'intérieur du tube étant maintenu sous vide.

La figure 4 est une vue détaillée d'une coupe longitudinale du guide d'onde et des antennes de la sonde plasma à transmission, selon le premier mode de réalisation de l'invention.

Le guide d'onde présente une symétrie de révolution selon l'axe AA' et est également symétrique par rapport au plan contenant l'axe BB' et orthogonal à l'axe AA'.

Le plasma est séparé du cylindre 19 par une gaine électrostatique dont l'épaisseur s est de quelques millimètres.

Une onde de surface générée par une des antennes sera ainsi concentrée principalement à proximité de l'interface 20 qui sépare le plasma 16 de la gaine électrostatique. Une telle onde se propagera parallèlement à l'axe AA'.

Grâce à la continuité électromagnétique (assurée ici par le cylindre 19, mais dont on rappelle qu'elle peut être obtenue par un placement très rapproché des deux antennes), les ondes de surface se propageront le long de l'interface 20, de l'antenne émettrice 17 vers l'antenne réceptrice 18.

Les antennes 17 et 18 sont insérées sur toute leur longueur dans le cylindre 19 pour d'une part protéger ces antennes du plasma et pour d'autre part assurer le blocage mécanique de la pièce cylindrique 19.

Cette pièce 19 peut également être collée à l'isolant 32 qui entoure les câbles.

Le matériau de cet isolant 32 ainsi que celui constituant le cylindre 19 doivent être choisis de telle façon qu'ils puissent supporter les températures du gaz sans se déformer, ainsi que l'attaque chimique du plasma.

Les antennes doivent de préférence ne pas être en contact avec le plasma pour deux raisons: É éviter de polluer le plasma avec le métal constituant l'antenne, É et empêcher la formation d'une tension continue d'auto-polarisation de l'antenne qui peut perturber les mesures effectuées par le dispositif.

La longueur d des antennes 17 et 18 est environ de 5 millimètres. Ces antennes peuvent être le prolongement du conducteur intérieur des câbles coaxiaux semi-rigides 21, 23.

A titre d'exemple, le diamètre extérieur des câbles coaxiaux rigides peut être environ de 2 millimètres, et la distance L entre les extrémités des antennes de approximativement 1 centimètre. Le diélectrique de protection 26 dont l'épaisseur e est alors inférieure à 0,5 millimètre est disposé sur le conducteur extérieur 31 des câbles coaxiaux.

Le gainage de l'isolant 26 peut éventuellement être prolongé sur le cylindre 19 afin d'améliorer son blocage mécanique ainsi que la protection des antennes.

La figure 5 est une coupe transverse schématique selon un plan orthogonal à l'axe AA' et contenant l'axe BB' du guide d'onde montré sur la figure précédente.

Cette figure montre que le plasma est séparé du cylindre 19 de diamètre D par une gaine électrostatique d'épaisseur s séparée du plasma par l'interface 20.

Deuxième mode de réalisation de la sonde La sonde plasma à transmission décrite ci-dessus en référence au premier mode de réalisation utilise un guide à onde de surface entre les deux antennes dont la géométrie est coaxiale. Le guide utilisé présente une symétrie de révolution autour de l'axe AA', comme représenté en particulier sur la figure 4.

La figure 6 présente un second mode de réalisation dans lequel la sonde est réalisée de manière plus compacte.

Dans ce mode de réalisation, la sonde met en oeuvre un guide à ondes de surface dont la géométrie est radiale et plane. Le plan de ce guide peut par ailleurs être coplanaire avec une partie de la paroi du réacteur, afin de minimiser la perturbation provoquée par la présence de la sonde.

Cette variante utilise également deux câbles coaxiaux semi-rigides identiques 21 et 23, insérés dans un tube isolant et rigide 25 (les éléments identiques ou équivalents à ceux du premier mode de réalisation sont référencés de la même manière).

Le matériau du tube 25 est ici encore de l'alumine, du verre ou de la silice fondue, et le diamètre extérieur du tube est environ de 2 centimètres.

Comme pour le premier mode de réalisation l'étanchéité du passage sous vide de la sonde au travers de la paroi 7 du réacteur est assurée par un presse-étoupe formé des éléments 7, 29 et 30.

L'étanchéité du passage sous vide des câbles coaxiaux 21 et 23 est réalisée à l'aide d'un bouchon 28 qui obture de manière étanche l'extrémité du tube 25 située à l'extérieur du réacteur.

Chacun des deux câbles est terminé par une partie dénudée formant antenne dipolaire (respectivement antennes 17 et 18). Ces antennes s'étendent parallèlement et sont disposées de manière à dépasser dans l'espace intérieur du réacteur, hors de l'extrémité du tube 25 qui est située à l'intérieur du réacteur.

Un bouchon 48 diélectrique, percé de deux trous pour laisser passer les câbles 21 et 23, obture de manière étanche cette extrémité du tube 25 20 pour empêcher le plasma de pénétrer dans le tube.

Les antennes 17 et 18 peuvent être insérées sur toute leur longueur dans des cylindres isolants 46 et 47 si il est désiré de protéger ces antennes du plasma.

Les matériaux des protections 46 et 47 ainsi que celui constituant le bouchon 48 doivent ici encore être choisis de telle façon qu'ils puissent supporter l'attaque chimique du plasma et les températures du gaz sans se déformer.

Le matériau utilisé doit être un diélectrique chimiquement inerte comme par exemple du téflon, de l'alumine, de la silice fondue ou du verre.

La figure 7 est une coupe longitudinale schématique du guide d'onde radial et des antennes du deuxième mode de réalisation de la sonde plasma.

L'antenne émettrice 17 est située sur l'axe de symétrie AA' du tube 25. L'autre antenne 18, qui joue le rôle d'antenne réceptrice, est disposée à proximité de la paroi interne du tube 25.

Le guide d'onde présente une symétrie de révolution selon l'axe AA' et est également symétrique par rapport au plan contenant les axes AA' et BB' (plan de la figure).

Le plasma est séparé du bouchon 48 et des éventuelles protections 46, 47 par une gaine électrostatique assimilée à du vide dont l'épaisseur s est de quelques millimètres.

Ici encore, les ondes de surface générées par une des antennes seront concentrées principalement à proximité de l'interface 20 qui sépare le plasma 16 de la gaine électrostatique.

Dans ce mode de réalisation, une telle onde de surface se propagera radialement de l'antenne émettrice 17 située sur l'axe AA' vers le bord du guide d'onde radial où est disposée l'antenne réceptrice 18.

Dans ce mode de réalisation c'est le bouchon 48 qui assure la 20 continuité électromagnétique entre les deux antennes. Dans ce mode, le bouchon a donc deux fonctions: É Une fonction d'étanchéité du tube dont il bouche l'extrémité, É Une fonction de continuité électromagnétique.

La longueur d des antennes 17 et 18 peut être d'environ 5 millimètres. Ces antennes peuvent ici encore être le prolongement du conducteur intérieur des câbles coaxiaux semi-rigides 21, 23.

Le diamètre extérieur des câbles coaxiaux rigides peut être d'environ 2 millimètres, et la distance L entre les extrémités des antennes approximativement de 7 millimètres. Le diamètre D du tube diélectrique 25 est environ de 2 centimètres. Les cylindres 46, 47 de protection ont un diamètre légèrement supérieur à celui des câbles coaxiaux rigides.

La figure 8 est une vue selon l'axe AA' du guide d'onde plan montré sur la figure précédente.

Le plasma est séparé du tube 25 de diamètre extérieur D par une gaine électrostatique 45 d'épaisseur séparée du plasma par l'interface 20.

Le diélectrique de protection 46 protégeant l'antenne émettrice 17 est situé sur l'axe AA'.

L'autre élément diélectrique de protection 47 est disposé en bordure du guide radial plan à proximité de la paroi interne du tube 25. Ces deux protections 46, 47 sont fixées au bouchon diélectrique 48 qui est enfoncé dans le tube 25.

Circuit de mesure Afin de déterminer la densité électronique avec une sonde plasma telle que présentée ci-dessus il faut utiliser un circuit de mesure situé à l'extérieur de l'enceinte du réacteur dont le schéma synoptique est donné sur la figure 9.

Ce circuit ainsi que les différents moyens qu'il comprend et qui vont être exposés en détail dans la suite de ce texte - peut être utilisé avec les deux modes de réalisation présentés ci-dessus pour la sonde à plasma.

Le but de ce circuit est de mesurer la puissance électromagnétique transmise entre les deux antennes 17, 18 afin d'identifier et de mesurer la fréquence de transmission de l'onde de surface se propageant dans le guide d'onde formé par le cylindre diélectrique 19, la gaine électrostatique 45 et le plasma 16.

Pour accomplir cette tâche le dispositif doit pouvoir assurer les quatre fonctions suivantes: É alimenter l'antenne émettrice 17 en énergie électrique issue de la source 22 afin d'exciter une onde de surface à l'entrée du guide d'onde, ladite alimentation étant réalisée avec une fréquence que l'on peut faire varier, É mesurer la puissance électromagnétique captée par l'antenne réceptrice 18 à la sortie du guide d'onde, É tracer la puissance captée en fonction de la fréquence de la source 22, et en déduire la densité électronique locale entre les deux antennes, É protéger les circuits de nuisances pouvant perturber leur fonctionnement.

Ces quatre fonctions sont assurées par quatre moyens respectifs que sont un circuit d'alimentation 22, un puissancemètre 24, un circuit d'affichage et de traitement 40 et un circuit de protection 33.

On va ci-dessous décrire ces quatre moyens (la figure 9 illustre une configuration correspondant au deuxième mode de réalisation de la sonde, mais il est rappelé que le circuit peut naturellement être mis en oeuvre avec tous les modes de réalisation de la sonde).

É Circuit d'alimentation 22 Ce circuit délivre une tension sinusoïdale de fréquence f dont la puissance est constante quelque soit la fréquence. La fréquence de la tension délivrée par ce circuit peut quant à elle être modifiée de manière contrôlée.

On précise que cette tension peut plus généralement être une tension périodique dont on peut faire varier de manière contrôlée une caractéristique de fréquence.

Le circuit d'alimentation 22 comprend un oscillateur haute-fréquence 35 dont la tension de sortie est contrôlée de manière à avoir une amplitude constante.

La tension sinusoïdale en sortie de l'oscillateur 35 est amplifiée avec un amplificateur large-bande 36. La sortie de l'amplificateur 36 est connectée à l'antenne émettrice par l'intermédiaire du câble coaxial 21 qui est inséré dans le tube diélectrique 25.

L'oscillateur 35 est contrôlé avec une tension de contrôle continue qui sert à régler la fréquence f. Cette fréquence f est ainsi proportionnelle à la tension de contrôle appliquée, et après une calibration préalable la mesure de cette tension de contrôle équivaut à une mesure de la fréquence f de l'oscillateur 35.

Soient respectivement fmin et fmax les fréquences minimum et maximum de la tension sinusoïdale délivrée par le circuit 22, Vmin et Vmax sont les tensions de contrôle correspondantes.

Afin de balayer continuellement l'intervalle de fréquence entre fmin et fmax, l'oscillateur 35 est connecté à la sortie d'un générateur de rampes de tension 37 qui délivre un signal périodique en dent de scie dont la période est T. De cette manière, la fréquence de l'alimentation délivrée par l'oscillateur 35 est contrôlée pour croître continûment sur un intervalle T elle cette fréquence varie ainsi selon des cycles successifs qui s'enchaînent dès qu'un intervalle T est expiré.

Durant une période T la tension délivrée par le générateur 37 augmente linéairement avec le temps, cette tension passant en une période de Vmin a Vmax.

La période T conditionne la durée de la mesure de la densité électronique. Cette période est ajustable afin de pouvoir effectuer un balayage de Vmin a Vmax (et donc de fmin à fmax pour la fréquence de sortie de l'oscillateur 35) en un temps compris entre, par exemple, 0,1 seconde et 1 seconde.

La gamme de fréquence délimitée par fmin et furax est évidemment fonction de la valeur de l'amplitude de la densité électronique à mesurer. La fréquence de transmission que l'on cherche à déterminer est liée à la densité électronique par la relation: f,-(GHz) = 6,32.10-6 \Jne(cm-3).

Ainsi, en fonction de la connaissance préalable que l'on a de la gamme de valeurs dans laquelle la densité à mesurer devrait se trouver, on adoptera des valeurs différentes de fmin et fmax. On peut par exemple indiquer que: É Si la densité à mesurer se situe entre 108 électrons par centimètre cube et 1010 électrons par centimètre cube alors il faut utiliser des fréquences fmin et fmax de 63 MHz et 630 MHz respectivement.

É Si la densité à mesurer se situe entre 109 électrons par centimètre cube et 1011 électrons par centimètre cube alors il faut utiliser des fréquences 10 fmin et fmax de 200 MHz et 2 GHz respectivement.

É Si la densité à mesurer est supérieure à 1012 électrons par centimètre cube alors il faut utiliser des fréquences supérieures à 6 GHz (fmin = 6 GHz).

La gamme de fréquence à utiliser dans le cas général est entre 50 MHz et 6 GHz on précise que dans le cadre du présent texte les hautes fréquences sont définies comme les fréquences supérieures à 50 MHz.

Le gain de l'amplificateur 36 est ajustable afin de régler la puissance du signal sinusoïdal appliqué à l'antenne émettrice.

Cette puissance doit être suffisamment élevée afin de permettre la 20 détection de l'onde de surface par l'antenne de réception 18 et le puissancemètre 24.

A des pressions de gaz inférieures à 13 pascals l'onde transmise entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice est peu absorbée par le plasma entourant la sonde. Une puissance de 1 milliwatt est suffisante.

Lorsque la pression du gaz dans l'enceinte du réacteur à plasma est supérieure à 13 pascals l'énergie de l'onde est dissipée au cours de sa propagation dans le guide d'onde, et plus de puissance sera nécessaire.

En outre la puissance délivrée ne doit pas excéder un watt pour ne pas perturber la décharge des composants du circuit.

É Puissancemètre 24 Le puissancemètre 24 est utilisé pour mesurer la puissance captée par l'antenne réceptrice 18.

Ce puissancemètre comprend un circuit rectificateur 38. Le circuit rectificateur est connecté à l'antenne réceptrice 18 par le câble coaxial 23.

Le circuit rectificateur 38 dispose d'un port d'entrée et d'un port de sortie. Le port de sortie délivre une tension continue proportionnelle à la puissance reçue en entrée grâce au redressement opéré, par exemple, par une diode de type shottky. Cette tension continue est amplifiée à l'aide d'un amplificateur de tension 39.

Le circuit 38 doit pouvoir mesurer des puissances de l'ordre du microwatt jusqu'à plusieurs dizaines de milliwatt car en générale la puissance captée par l'antenne réceptrice 17 ne dépasse guère 1% de la puissance délivrée par la source de tension.

Si la puissance électrique délivrée par la source de tension est de l'ordre du milliwatt, il faut alors pouvoir mesurer une puissance électrique de l'ordre du microwatt ( W).

La durée de la mesure de puissance par le circuit rectificateur 38 est très inférieure à 0,1 seconde (la diode rectificatrice n'est pas le circuit qui fixe la durée de la mesure de la densité électronique. Le temps de réponse de cette dernière est bien inférieur à la durée minimale de balayage en fréquence de la source c'est-à-dire 0,1 s).

Par conséquent la durée de la mesure de la densité électronique est T. Il s'agit du temps mis pour effectuer le balayage entre et fmax.

É Circuit 40 d'affichage et de traitement Ce circuit 40 comporte deux entrées alimentées respectivement par: É La sortie de l'amplificateur 39du puissancemètre 24, É La sortie du générateur de rampes 36.

Le circuit 40 se charge d'afficher la puissance transmise entre les deux antennes 17, 18 en fonction de la fréquence de la source de tension 35.

En outre il analyse le spectre afin d'en déduire la fréquence de transmission de l'onde de surface pour finalement afficher la densité électronique. Tout ou une partie de ce dispositif 40 peut être réalisé par des moyens logiciels.

La tension amplifiée par l'amplificateur 39 est proportionnelle à la puissance de l'onde captée par l'antenne réceptrice 18.

La tension délivrée par le générateur de rampes 36 est quant à elle proportionnelle à la fréquence de l'onde électromagnétique émise par l'antenne émettrice 16.

Le spectre en fréquence de la puissance électromagnétique transmise entre les deux antennes est obtenu en élaborant au niveau du circuit 40 la tension continue en sortie de l'amplificateur 39 connecté à la sortie du circuit rectificateur 38, en fonction de la tension délivrée par le générateur de rampe 36.

É Circuit de protection 33 Ce circuit a pour fonction de protéger les circuits 22 et 24 décrits précédemment contre deux sources de nuisances qui sont le parasitage RF et l'auto-polarisation continue.

Parasitage RF Le parasitage RF survient lorsque la sonde est utilisée dans un plasma créé à l'aide d'une source RF (généralement à 13,56 MHz).

Comme la sonde utilise deux antennes 17, 18 insérées dans le plasma, ces dernières captent une faible part de la puissance électromagnétique radiofréquence issue de la source 6 destinée à générer le plasma.

L'énergie électromagnétique parasite captée par l'antenne émettrice 17 est susceptible de perturber le fonctionnement du circuit d'alimentation 22. L'énergie captée par l'antenne réceptrice 18 peut si elle n'est pas identifiée être lue par le dispositif comme de la puissance issue de l'antenne émettrice 17, ce qui perturberait la mesure de cette puissance.

Les plasmas ont également pour particularité de générer des harmoniques de la fréquence de la source de plasma 6.

Dans le cas d'une source 6 excitée à 13,56 MHz, on capte donc aussi de la puissance à 27,12 MHz, 40,68 MHz etc. Deux filtres RF 41, 42 sont alors utilisés afin de réduire l'intensité du signal parasite capté par les antennes à 13,56 MHz ainsi qu'à ses fréquences harmoniques.

L'un des filtres 41 est disposé en série entre le circuit d'alimentation 22 et le câble coaxial 21 connecté à l'antenne émettrice 17.

L'autre filtre 42 est disposé en série entre le puissancemètre 24 et le câble coaxial 23 relié à l'antenne réceptrice 18.

Ces filtres sont des filtres passe-haut dont la fréquence de coupure est aux alentours de 50 MHz. Les signaux délivrés par le circuit d'alimentation 22 sont dans la gamme 50 MHz-6 GHz. Il faut donc veiller à ce que la fréquence de coupure de ces filtres passe-haut demeure en dessous de la fréquence fm;n pour éviter de filtrer les signaux de mesure provenant du circuit d'alimentation.

Lorsque la source 6 est une source de micro-ondes fonctionnant à 2,45 GHz il faut filtrer cette fréquence à l'aide de filtres 41, 42 réjecteur de bande ou passe-bas selon que la fréquence de la source 6 est entre fm;n et fmax ou au dessus: É Si la fréquence de la source 6 est entre fm;n et fmax, les filtres 41, 42 sont des filtres réjecteurs de bande qui éliminent la fréquence de la source 6 (et ses éventuelles harmoniques situées entre fm;n et fmax), É Si la fréquence de la source est au-dessus de la fréquence de la source 6 est entre fmin et furax, les filtres 41 et 42 sont des filtres passe- bas ne laissant passer que les fréquences inférieures à furax.

Quelle que soit la fréquence utilisée pour la source plasma 6 il faut tenir compte de ce filtrage dans l'interprétation des spectres élaborés par le circuit 40.

Auto-polarisation L'auto-polarisation continue est une tension continue qui apparaît sur les antennes 17, 18 et la masse en présence de plasma lorsque les antennes ne sont pas recouvertes par un isolant.

Cette tension continue peut perturber le fonctionnement du circuit d'alimentation 22 ou du puissancemètre 24.

Elle doit être supprimée avec des circuits 43, 44 dont la fonction est de bloquer le courant continu (bloqueur de DC).

Ces circuits 43, 44 sont construits avec des condensateur disposés en série respectivement entre les filtres 41, 42 et les câbles coaxiaux 21, 23.

Eléments de théorie et de modélisation On va dans cette section exposer les principaux éléments de théorie et de modélisation mis en oeuvre par l'invention.

É Introduction On va commencer par rappeler ici certaines notions utilisées dans le cadre de l'invention.

Une onde de surface est une onde électromagnétique qui peut se 30 propager à l'interface entre deux milieux dont les constantes diélectriques sont de signes contraires. Les matériaux isolants usuels ont des constantes diélectriques relatives supérieures ou égales à 1. La constante diélectrique du vide est égale à 1 et celle d'un conducteur est négative.

On a déjà rappelé que devant toute surface exposée à un plasma se forme une zone appelée gaine électrostatique dont l'épaisseur typique est de quelques millimètres.

II y a donc une gaine électrostatique 45 autour de la sonde et en particulier autour du cylindre 19 et des antennes 17, 18. Cette zone est séparée du plasma 16 par une interface 20.

La gaine électrostatique est une zone pauvre en électrons car la densité électronique y est très inférieure à celle dans le plasma. On peut donc assimiler cette zone à du vide. La constante diélectrique relative d'une gaine électrostatique est ainsi environ égale à 1.

La constante diélectrique relative d'un plasma pour une onde à 15 la fréquence f est: f2 Ep =1 f La grandeur fp est appelée fréquence plasma électronique fp (ou fréquence plasma).

Cette fréquence particulière est fonction de la densité électronique (ne). Elle est définie par: (t)p 2 ne2 avec co = P 2îI p 0me (e est la charge électronique élémentaire, ò est la permittivité du vide et me est la masse de l'électron).

Lorsque la fréquence f du courant généré par la source 35 est inférieure à fp, la constante diélectrique relative du plasma est négative, une onde de surface est donc susceptible de se propager à l'interface entre la 25 gaine électrostatique et un plasma pour des fréquences f inférieures à la fréquence plasma (fp).

La fréquence plasma électronique est donc liée à la densité électronique par à la relation: fp(GHz) = 8,98.10-6\Jne(cm-3) Une densité de 1010 électrons par centimètre cube est courante dans les plasmas de décharge par conséquent une fréquence plasma électronique de l'ordre de 1 GHz est également courante.

Une onde électromagnétique ne peut pénétrer dans un plasma et se propager dans son volume que si la fréquence de cette onde est supérieure à fp. En dessous de cette fréquence une onde émise à l'extérieure d'un plasma se réfléchit à sa surface et n'y pénètre pas en profondeur. Il s'agit alors d'une onde dite évanescente dans le plasma.

En revanche même pour des ondes de fréquence f inférieure à fp des ondes de surface peuvent exister et se propager le long de l'interface plasmagaine électrostatique qui joue alors le rôle de guide d'onde.

On peut donc générer de telles ondes de surface en envoyant vers un plasma une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à fp.

L'essentiel de l'énergie de cette onde se trouve réfléchie par la 20 surface du plasma, mais une partie de cette énergie est transférée à une onde électromagnétique de surface.

En disposant la source de l'onde incidente, c'est à dire une antenne émettrice, à proximité immédiate d'un plasma, on augmente la proportion de l'énergie qui est transférée au mode de surface ce qui permet de détecter plus facilement l'onde de surface.

Dans le cas de la sonde plasma à transmission objet de la présente invention l'antenne émettrice est insérée dans le plasma cependant elle n'est jamais en contact avec le plasma car il subsiste toujours une gaine électrostatique entre l'antenne et le plasma.

Cette antenne émettrice est connectée à la pièce 19 afin de forcer une onde de surface à se propager autour de cette pièce le long de l'interface plasma-gaine électrostatique. Au bout de la pièce 19 une autre antenne de réception - est connectée pour capter une partie de l'énergie transportée par l'onde de surface.

É Eléments de théorie Pour exploiter la sonde selon l'invention il est nécessaire de calculer la relation entre la fréquence de transmission fi,. et la densité électronique que l'on cherche à mesurer.

La longueur d'onde 2L d'une onde donnée varie avec sa fréquence f. La relation entre et f est appelée relation de dispersion .

Le calcul de la relation de dispersion permet de déterminer les propriétés d'une onde comme sa vitesse de propagation ainsi que la gamme de fréquence dans laquelle elle existe. La relation de dispersion d'un type d'onde donné dans un milieu dépend de la composition du milieu et de sa géométrie. Dans le cas de l'onde de surface d'un plasma elle dépend de la densité électronique, de l'épaisseur de la gaine électrostatique et des dimensions de la sonde.

Le fonctionnement de la sonde selon l'invention implique la mesure de la fréquence seuil de transmission (ici également appelée simplement fréquence de transmission ) qui est la fréquence au dessus de laquelle une onde de surface est transmise dans le guide d'onde entre les deux antennes.

Le calcul de la relation de dispersion à partir d'un modèle théorique adéquat permet donc d'établir une relation entre la densité électronique du plasma entourant le guide d'onde et la fréquence de transmission f.

La figure 10 montre les relations de dispersion calculées pour un exemple de sonde plasma à transmission objet de l'invention.

Les dimensions de cette sonde sont celles qui ont été mentionnées cidessus à propos d'un exemple de réalisation pratique de l'invention. Le rayon r de la sonde est de 1 millimètre, l'épaisseur s de la gaine électrostatique est 0,72 millimètre et la densité est de 5.109 électrons par centimètre cube. Au lieu de représenter en fonction de f la figure 10 expose zn(r+s) en fonction de f afin d'avoir des abaques universels.

La figure 10 comporte plusieurs courbes car il existe pour l'onde de surface générée entre les antennes du dispositif différents modes de surface dits modes angulaires repérés par un indice m. Un mode angulaire donné est caractérisé par une cartographie particulière des champs électriques et magnétiques.

On observe qu'une onde de surface - quelque soit son mode angulaire m n'existe qu'entre deux fréquences particulières. Le calcul théorique montre que ces deux fréquences sont respectivement égales à - et fp. La fréquence de transmission, ftr, est ainsi égale à A des fréquences supérieures à la fréquence plasma fp le transport d'énergie se fait par une onde se propageant dans le volume du plasma en se réfléchissant sur les parois ou dans le plasma. A des fréquences inférieures à la fréquence fp aucune énergie, hormis celle transportée par l'onde de surface, n'est normalement captée par l'antenne réceptrice. En pratique si l'antenne de réception est trop proche de l'antenne émettrice, l'effet du couplage capacitif entre ces antennes n'est pas négligeable et un courant circule entre les deux antennes.

Ce couplage parasite se fait aussi par l'intermédiaire du plasma.

A cet égard on cherchera donc d'une part à réduire au maximum la surface des antennes en contact avec le plasma et d'autre part à ne pas trop rapprocher les antennes.

En l'absence de couplage parasite entre les deux antennes on s'attend à mesurer pour l'onde transmise un spectre de puissance transmise tel que montré sur la figure 11.

Lorsque la fréquence de la source de tension est proche de fi, , le champ électrique de l'onde et donc son énergie sont localisées à l'interface entre le plasma et la gaine électrostatique. La densité électronique que l'on mesure en déterminant f est donc la densité en lisière de l'interface plasma-gaine électrostatique.

Cette fréquence ftr est indépendante de l'épaisseur de la gaine électrostatique, des dimensions de la sonde et de la présence de dissipations qui absorbent l'énergie de l'onde de surface au cours de sa propagation.

Le champ électrique de l'onde accélère les électrons et leur donne de l'énergie. A très basse pression environnante par exemple des pressions inférieures à 13 pascals, en l'absence de collisions des électrons avec les atomes ou les molécules neutres du gaz, cette énergie est intégralement restituée à l'onde de surface, ce qui facilite sa détection.

Mais en présence de collisions (à des pressions de gaz supérieures à 13 pascals) les électrons cèdent de l'énergie aux molécules neutres, cette énergie ne pouvant ensuite être restituée à l'onde. Le plasma devient donc résistif. Cette résistivité croît aussi lorsque la densité électronique diminue.

L'augmentation de la résistivité du plasma par accroissement de la pression ou par diminution de la densité électronique a donc pour effet de dissiper l'énergie de l'onde de surface, atténuant ainsi l'amplitude du signal détecté par l'antenne.

Précisions sur un exemple de réalisation On va donner ci-dessous quelques informations supplémentaires sur un exemple de réalisation pratique de l'invention fabriquée et utilisée par la demanderesse.

É Description du réacteur

Les demanderesses ont utilisé un réacteur à plasma pour y implanter 5 une sonde plasma à transmission à guide diélectrique. Le plasma est généré dans ce réacteur par une source à radiofréquence à couplage capacitif.

L'enceinte étanche du réacteur est faite principalement d'acier inoxydable et d'aluminium dans laquelle un vide est créé grâce à deux pompes à vide placées en série. Au repos la pression dans le réacteur est environ de 10-4 pascals. Lorsque du gaz est injecté, la pression dans l'enceinte peut-être régulée afin de travailler à une pression constante entre 1 pascal et 133 pascals.

Comme illustré sur la figure 12 qui correspond à une photographie prise de l'extérieur par une fenêtre du réacteur, le plasma est créé dans le réacteur entre deux électrodes planes et circulaires de 12 centimètres de diamètre, situées en regard l'une de l'autre, et confiné par une grille en forme de cylindre, connecté à la masse.

L'électrode supérieure, dite électrode RF, est polarisée à l'aide d'une 20 tension RF dont la fréquence est le plus souvent de 13,56 MHz. D'autres fréquences comme 27,12 MHz ou bien 40,68 MHz sont également utilisables.

La puissance RF est issue d'un générateur constitué par une source de signaux RF connecté à un amplificateur de haute puissance. Afin de maximiser la puissance délivrée au plasma un circuit d'accord en impédance est intercalée entre l'électrode RF et la sortie de l'amplificateur.

Une contre-électrode connectée à la masse est disposée au dessus de l'électrode RF pour empêcher l'amorçage de plasma dans cette région située au-dessus de l'électrode supérieure.

L'électrode RF n'est donc pas visible sur la figure 12 car elle est masquée par le blindage métallique qui la recouvre.

L'électrode inférieure et les parois du réacteur sont connectées à la masse. La distance entre les électrodes est de 3 centimètres. Le plasma est confiné radialement par une grille conductrice qui est également reliée à la masse.

L'injection du gaz dans l'enceinte s'effectue au travers de l'électrode supérieure qui est percée de trous, c'est une électrode dite en pomme de douche . Le gaz est évacué vers les pompes à vide par quatre orifices percés dans les parois du réacteur (deux sont visibles en arrière-plan sur les côtés de la figure 12).

É Caractéristiques et implantation de la sonde La photographie de la figure 13a est une vue générale de dessus issue d'une photographie de la sonde installée dans le réacteur - la partie supérieure du réacteur ayant été retirée pour la prise de vue de cette photographie.

La sonde est insérée dans le volume occupé par le plasma en passant par un orifice dans la grille de confinement.

Cette sonde est construite à partir de câbles coaxiaux semi-rigides de type RG-405/U dont l'impédance caractéristique est de 50 ohms. Les câbles sont insérés dans une tube en alumine de 9,6 millimètre de diamètre et de 1,9 millimètre d'épaisseur.

La photographie de la figure 13b est un gros plan du guide d'onde, extrait de la vue de la figure 13b.

Les antennes dipolaires ont ici une longueur de 3 millimètres et la distance entre l'extrémité des antennes est de 1 centimètre. Ces antennes sont construites en laissant dépasser le conducteur intérieur des câbles.

L'isolant à l'intérieur des câbles coaxiaux est du téflon. Un morceau de cet isolant est utilisé pour fabriquer la pièce cylindrique diélectrique située entre les deux antennes. La couche de protection est réalisée avec du ruban de téflon de 0,05 millimètre d'épaisseur enroulée autour des câbles. L'épaisseur de la couche protectrice de téflon est environ de 0,2 millimètre.

L'étanchéité entre l'enceinte du réacteur et le tube en alumine est assurée par un presse-étoupe et un joint torique.

Un bouchon construit avec un cylindre de téflon et de la colle compatible avec les basses pressions est utilisé pour faire un passage sous vide des câbles coaxiaux.

Les extrémités des câbles qui sont hors du réacteur sont connectées à des connecteurs coaxiaux de type SMA qui sont d'usage courant lorsqu'il faut transmettre des signaux de faible puissance dans la gamme de fréquence 100 MHz - 6 GHz utilisé par la sonde plasma à transmission. Ces connecteurs permettent de relier la sonde à un dispositif de mesure.

É Circuit de mesure Dans l'exemple qui est ici décrit la sonde est connectée à un analyseur de réseau. Il s'agit d'un instrument de mesure d'usage courant servant à caractériser en transmission un circuit électronique. Il dispose d'une source haute-fréquence interne pouvant remplir la fonction de circuit d'alimentation ainsi qu'un dispositif de mesure de la puissance transmise.

Un ordinateur de type PC est connecté à l'analyseur de réseau par un port GPIB afin d'acquérir les spectres d'onde transmise sous forme de tableaux de données. L'étude graphique des spectres tracées à partir des tableaux de données permet de déduire la fréquence de transmission et donc la densité électronique.

2876536 43 É Mention de quelques résultats pratiques Un plasma d'argon a été produit dans le réacteur à couplage capacitif décrit précédemment avec une tension RF dont la fréquence est 40,68 MHz.

La pression du gaz est de 5 pascals. En augmentant la puissance délivrée par le générateur RF de plasma on augmente la densité électronique dans le plasma car on ionise d'autant plus le gaz en lui fournissant plus d'énergie.

La figure 14a montre le spectre en fréquence de la puissance captée 10 par l'antenne réceptrice mesurée pour une puissance, PRF, de 50 W délivrée par le générateur RF.

La puissance de la source de micro-ondes du circuit d'alimentation connecté à l'antenne émettrice est constante et égale à 50 milliwatts quelle que soit la fréquence. Moins de 1 pour cent de cette puissance est captée par l'antenne réceptrice.

Il existe dans le spectre de puissance transmise une structure de pic à basse fréquence.

Comme le montre la figure 14b, cette structure se déplace vers les hautes fréquences lorsque la puissance délivrée par le générateur RF augmente, c'est à dire lorsque la densité électronique augmente. Ce pic est délimité par deux fréquences f, et fh qui sont reportées sur la figure 15a en fonction de la puissance délivrée par le générateur RF.

Ce pic est dû à une onde de surface qui transporte de l'énergie en dessous de la fréquence plasma, c'est à dire dans la partie basse du 25 spectre de fréquences.

Pour vérifier cela, le rapport de deux fréquences fb et fh qui délimitent ce pic est tracé sur la figure 15b en fonction de la puissance délivrée par le générateur RF.

On constate que le rapport fbifh est proche de 1/h 0.7 et que l'allure des spectres obtenus (Cf. figures 14a et 14b) est proche de ce qui prévu par la théorie (c.f. figure 11). Les deux fréquences fb et fb identifiées sur les figures 14a et 14b sont ainsi respectivement la fréquence de transmission, ftr, et la fréquence plasma, fp.

La figure 16a montre un ensemble de spectres mesurés à des pressions différentes dans un plasma d'argon. La puissance RF délivrée par le générateur RF est légèrement ajustée autour de 50 W afin de maintenir f, à la même valeur quelle que soit la pression.

Le rapport entre les deux fréquences fb et fh est ici encore de 0,7 quelle que soit la pression.

La figure 16b présente des spectres de puissance mesurés à 5 pascals à des densités inférieures à 5.109 électrons par centimètre cube.

Lorsque la pression augmente (figure 16a) ou bien lorsque la densité électronique diminue (figures 16b et 14), le pic de l'onde de surface est de moins en moins discernable ce qui rend plus difficile la détermination de fp.

Ceci provient de l'augmentation de la résistivité du plasma qui a pour conséquence d'accentuer l'atténuation de l'onde de surface. A puissance incidente constante, si l'atténuation augmente on capte alors moins de puissance.

Par contre la détection de fi, reste possible quelles que soient les conditions.

II s'agit de la fréquence seuil au dessus de laquelle la puissance captée par l'antenne réceptrice croît significativement.

Et l'invention sera d'autant plus aisée à mettre en oeuvre que ce seuil sera détecté simplement (c'est-à-dire en particulier que la puissance transmise sera importante et que la transition sera abrupte).

La figure 17 montre un ensemble de spectres mesurés dans des conditions proches de celles utilisées dans les applications de dépôt d'un matériau assisté par plasma (soit à une pression de gaz relativement élevé de 65 pascals).

Le gaz utilisé est de l'hydrogène et les mesures sont réalisées à 65 pascals. L'hydrogène est un gaz réactif souvent présent dans les applications de dépôt de couches minces de silicium ou de diamant.

Bien que l'on ne distingue plus le pic de l'onde de surface à haute pression, une bonne estimation de la fréquence de transmission est donnée par l'intersection entre l'axe des ordonnées et la droite interpolant le mieux le spectre au dessus du seuil.

Conclusion L'invention permet d'effectuer des mesures de densité en s'affranchissant des inconvénients mentionnés en introduction de ce texte.

On ajoutera que l'invention permet de réaliser de telles mesures dans le cadre d'un procédé industriel, sans perturber ce procédé. En particulier l'invention peut être utilisée pour contrôler le bon déroulement d'un processus industriel.

Cela est réalisé en disposant la sonde en bordure du plasma afin de minimiser la perturbation apportée par sa présence. La sonde peut ainsi être insérée au travers d'une électrode polarisée ou bien au travers d'une paroi du réacteur.

Et les mesures de densité peuvent être exploitées en temps réel, notamment de la manière suivante: É Si le dispositif détecte une légère variation de la densité électronique, il peut délivrer au générateur RF une consigne permettant de modifier le signal radiofréquence ou micro-onde d'excitation du gaz afin de corriger cette variation de densité, É Si le dispositif détecte une variation brutale de la densité électronique, il peut générer une alarme afin de prévenir l'opérateur en charge de surveiller le processus.

L'invention permet également de proposer un dispositif qui permet de caractériser et ajuster les caractéristiques d'un plasma préalablement à un processus industriel utilisant ce plasma.

La sonde est dans ce cas utilisée pour ajuster les différents paramètres de contrôle du réacteur plasma comme la pression de gaz, le débit de gaz, la composition du mélange de gaz ou la puissance électrique délivrée par la source plasma afin d'obtenir la densité électronique optimale pour l'application visée.

Les applications concernées couvrent celles qui sont connues pour les plasmas. On citera notamment les applications de dépôt ou de gravure assistés par plasma ou bien les applications pour lesquelles le plasma est utilisé comme source de lumière ou en tant que dispositif de traitement d'effluents gazeux (des applications de dépollution ou bien comme réacteur de fusion thermonucléaire).

Cette opération préalable de caractérisation et de réglage de la source est réalisée lors de l'installation du réacteur ou bien au cours de son redémarrage après un arrêt prolongé dans le cadre d'une maintenance prévue ou à la suite d'une défaillance.

Une fois cette opération préalable réalisée, la sonde peut être retirée pour minimiser la perturbation apportée par cette dernière. Elle peut aussi être conservée afin de contrôler le déroulement du procédé comme évoqué précédemment.

En cas de défaillance du procédé, ou de problème détecté par la sonde si cette dernière est utilisée au cours du procédé, l'invention permet de détecter la source de la panne afin d'y remédier. Une fois cette opération réalisée, la sonde peut être encore utilisée pour caractériser et régler le réacteur comme décrit plus haut.

On notera que plusieurs sondes peuvent être réparties à proximité des parois de l'enceinte pour disposer de mesures dans différentes régions de l'enceinte.

Et il est également possible de prévoir une sonde montée de manière étanche dans le réacteur, mais pouvant être déplacée de manière contrôlée dans l'espace intérieur du réacteur (en ayant une connaissance de l'endroit où se trouve la sonde à tout moment). Dans ce cas on peut utiliser une seule sonde fixée à un translateur sous vide pour déplacer la sonde parallèlement à la paroi entre deux mesures. L'interprétation des mesures délivrées par la sonde aux différents endroits de mesure permettra alors de dresser une carte de la répartition de la densité électronique à proximité de la paroi concernée.

Un autre avantage de l'invention est qu'elle permet de vérifier, dans une phase de caractérisation de l'enceinte ou de réparation, l'homogénéité de la densité électronique dans la région de l'enceinte destinée à recevoir un échantillon à traiter et ce, avec n'importe quel plasma.

Pour ce faire, il est possible que É plusieurs sondes et dispositifs de mesures soient répartis à proximité de la paroi destinée à recevoir, en fonctionnement normal, l'échantillon à traiter, É et/ou qu'une sonde soit montée de manière mobile dans le réacteur.

Un seul dispositif de mesure peut également être connecté séquentiellement à plusieurs sondes à l'aide d'un dispositif de commutation. Un tel dispositif de commutation connecte une seule sonde au dispositif de mesure puis se déconnecte pour ensuite se connecter à une autre sonde.

L'invention est notamment particulièrement adaptée pour mesurer les densités électroniques faibles (108 -109 électrons par centimètres cube) àdes pressions de gaz de plusieurs dizaines de pascals où les autres techniques sont inapplicables. Ce domaine de pressions et de densités correspond notamment aux applications de dépôts assistés par plasma.

Outre ces plasmas de dépôts, la présente invention vise aussi à être utilisée dans les applications de gravure assistée par plasma ou bien dans les applications pour lesquelles le plasma est utilisé comme source de lumière ou en tant que dispositif de traitement d'effluents gazeux pour des 48 2876536 applications de dépollution ou bien comme réacteur de fusion thermonucléaire.

Afin de pouvoir être utilisé dans des réacteurs plasma industriels possédant peu d'ouvertures sur l'extérieur, l'invention propose en outre un dispositif compact qui ne nécessite la présence que d'un seul passage sous vide dans la chambre pour y insérer la sonde.

Bien entendu, la présente invention est susceptible de subir diverses modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les matériaux, dimensions, types de câbles coaxiaux, et gamme de fréquences utilisés indiqués à titre d'exemple pourront être modifiés, notamment, en fonction du réacteur à plasma auquel est destiné le dispositif.

De plus, bien que l'on ait utilisé dans l'exemple de réalisation un réacteur générant le plasma au moyen d'un générateur radiofréquence à couplage capacitif, l'invention s'applique quel que soit le mode d'excitation du gaz, qu'il soit continu, radiofréquence ou micro-onde.

Claims (2)

1. 49 2876536 REVENDICATIONS

   1. Dispositif de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace de plasma 5 contenu dans le réacteur, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend: É Des moyens (35) pour générer une tension électrique périodique associée à une fréquence dite d'émission, É Des moyens de commande (37) pour faire varier de manière contrôlée ladite fréquence d'émission, É au moins une antenne émettrice (17) reliée auxdits moyens de génération de tension d'émission pour émettre des ondes de surface à la surface de l'espace de plasma, É au moins une antenne réceptrice (18) pour recevoir lesdites ondes de surface émises par la ou les antenne(s) émettrice(s), É des moyens de continuité électromagnétique (19) entre la ou les antenne(s) émettrice(s) et la ou les antenne(s) réceptrice(s), pour constituer une gaine de transmission continue correspondant à l'interface entre une gaine électrostatique et le plasma entre chaque antenne émettrice et moins une antenne réceptrice, la frontière (20) de ladite gaine électrostatique avec le plasma permettant d'acheminer les ondes de surface émises par chaque antenne émettrice jusqu'à au moins une antenne réceptrice, É des moyens (24) de détection des ondes de surface reçues par la ou les antenne(s) réceptrice(s), É des moyens de traitement reliés auxdits moyens de commande et auxdits moyens de détection, pour: :- déterminer une fréquence seuil de transmission qui correspond à une fréquence d'émission au dessus de laquelle les ondes de surface sont émises avec une puissance 30 substantielle, - et déduire de ladite fréquence seuil de transmission une densité électronique dans le plasma.

   2. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens de continuité électromagnétique sont disposés de manière à éviter que le plasma ne pénètre entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice associée et garantir la continuité de la gaine électrostatique entre les deux antennes.

   3. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que pour chaque antenne émettrice et une antenne réceptrice associée ladite gaine de transmission est située dans la continuité des gaines électrostatiques associées respectivement à ladite antenne émettrice et à ladite antenne réceptrice.

   4. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite gaine de transmission continue est obtenue en contrôlant les paramètres suivants: É dimensionnement de chaque antenne émettrice et réceptrice, É agencement de chaque antenne émettrice, par rapport à chaque antenne réceptrice destinée à recevoir l'onde de surface émise par ladite antenne émettrice.

   5. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de continuité électromagnétique correspondent à un élément de continuité (19) diélectrique.

   6. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement comprennent un dispositif d'analyse spectrale ou sélectif en fréquence apte à analyser l'énergie électromagnétique reçue par chaque antenne de réception en fonction de la fréquence d'émission.

   7. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de continuité électromagnétique (19) comprennent une structure de continuité électrostatique entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice destinée à recevoir l'onde de surface émise par ladite antenne émettrice.

   8. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite structure de continuité électrostatique est réalisée en un matériau diélectrique ou isolant.

   9. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif comprend une antenne émettrice disposée en regard d'une antenne réceptrice associée et coaxialement avec ladite antenne réceptrice, de manière que l'espace séparant les extrémités des deux antennes soit sensiblement centré sur l'axe commun des deux antennes.

   10. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite structure de continuité électrostatique est un cylindre (19) disposé coaxialement entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice associée.

   11. Dispositif selon une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le dispositif comprend une antenne émettrice disposée non coaxialement à une antenne réceptrice associée, les extrémités de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice étant situées sensiblement en regard l'une de l'autre.
2. 52 2876536 12. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite structure de continuité électrostatique est une pièce qui bouche l'espace située entre les extrémités respectives de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice de manière à prévenir que le plasma occupe ledit espace.

   13. Dispositif selon l'une des quatre revendications précédentes caractérisé en ce que l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice sont portées par un même support.

   14. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que les antennes sont isolées du plasma.

   15. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que les antennes sont dipolaires.

   16. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte: É deux antennes dipolaires (17,18) insérée dans le plasma (16), chacune disposée à une première extrémité d'un câble coaxial respectif (21, 23) dont la deuxième extrémité débouche à l'extérieur de l'enceinte (1) d'un réacteur à plasma; É un tube diélectrique (25) dans lequel les câbles coaxiaux (21,23) sont insérés; une pièce cylindrique (19), constitué d'un matériau diélectrique, disposée entre et au contact de deux antennes dipolaires (17, 18) dans lequel ces dernières sont insérées sur toute leur longueur; ladite pièce cylindrique permettant de constituer entre les deux antennes une gaine électrostatique dont l'interface (20) de séparation avec le plasma est continue entre les deux antennes, É un ensemble (17, 18, 19) coaxial axisymétrique formé par le cylindre diélectrique (19) et les antennes (17,18) dipolaires rectilignes dont les axes sont confondus avec l'axe de symétrie de cet ensemble; 17. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que: É le dispositif comporte également un bouchon (48) constitué d'un matériau diélectrique bouchant l'extrémité du tube diélectrique (25) dans sa partie exposée au plasma (16), > une première antenne dipolaire rectiligne (17) étant disposée sur l'axe du tube (25) en dépassant du tube (25) à son extrémité située à l'intérieur de l'enceinte (1), en passant au travers du bouchon (48), > une deuxième antenne dipolaire rectiligne (18) étant disposée parallèlement à l'axe du tube (25) à proximité de sa paroi interne, en dépassant du tube (25) à son extrémité située à l'intérieur de l'enceinte (1), en passant au travers du bouchon (48), É le dispositif comportant en outre: > une pièce (46) constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne (17), une pièce (47) constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne (18).

   18. Dispositif selon la revendication 16 caractérisé en ce que le dispositif comprend: É deux antennes dipolaires rectilignes (17,18), chacune disposée à une première extrémité d'un conducteur respectif (21.23) dont la deuxième extrémité débouche à l'extérieur de l'enceinte (1) d'un réacteur à plasma, É des moyens externes (22) à l'enceinte (1) pour alimenter une première antenne (17) avec une tension sinusoïdale de haute- 20 25 fréquence délivrée par une source (25), dont la fréquence est ajustable, et connectée à ladite deuxième extrémité du conducteur (21) dont la première extrémité est associée à ladite première antenne, É des moyens externes (24) à l'enceinte (1) pour mesurer la puissance captée par la deuxième antenne (18) et connecté à ladite deuxième extrémité du conducteur (23) dont la première extrémité est associée à ladite deuxième antenne, É des moyens (41, 43) disposés en série sur le conducteur (21) associé à ladite première antenne pour soustraire de la composante de tension sinusoïdale la fréquence de la source générant le plasma et une éventuelle composante de tension continue sur une électrode interne dudit conducteur (21) associé à ladite première antenne, É des moyens (42, 44) disposés en série sur le conducteur (23) associé à ladite deuxième antenne pour soustraire de la composante de tension sinusoïdale la fréquence de la source générant le plasma et une éventuelle composante de tension continue q sur une électrode interne dudit conducteur (23) associé à ladite deuxième antenne, É un dispositif d'affichage et de traitement (40) pour élaborer la puissance mesurée par le dispositif (24) en fonction de la fréquence de la source (22), et pour en déduire la fréquence seuil au dessus de laquelle la puissance captée augmente de manière significative afin de déterminer la valeur de la densité électronique du plasma (16) situé autour des antennes (17,18).

   19. Procédé de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace de plasma 30 contenu dans le réacteur, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à É Etablir entre au moins une antenne émettrice située dans ledit plasma et au moins une antenne réceptrice distincte de ladite antenne émettrice égaiement située dans le plasma une gaine électrostatique continue, É Générer à l'interface (20) entre ladite gaine électrostatique et le plasma une onde de surface se propageant de ladite antenne émettrice vers ladite antenne réceptrice, par l'application à ladite antenne émettrice d'une tension électrique périodique dont on contrôle la fréquence dite fréquence d'émission, É Acquérir le signal électromagnétique reçu par ladite antenne de réception et quantifier sa puissance, É Faire varier la fréquence d'émission tout en poursuivant l'acquisition dudit signal électromagnétique reçu par l'antenne de réception, pour détecter une fréquence de transmission 15 correspondant à une fréquence d'émission au dessus de laquelle la puissance dudit signal reçu par l'antenne de réception augmente de manière significative, É Déduire de la valeur de ladite fréquence de transmission une densité d'électrons dans le plasma à proximité de l'antenne 20 d'émission et de l'antenne de réception.

   20. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'établissement de ladite gaine électrostatique est obtenu en disposant entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice associée une structure de continuité électromagnétique.

   21. Procédé selon une des deux revendications précédentes caractérisé en ce que la densité est obtenue par la relation ne(cn7-') =2.5x10avec: É ne = densité 56 2876536 ^ f. f = = fréquence seuil de transmission É f p 22r 2 'r,,e2 É = - p soma, É e = charge électronique élémentaire, 5 É so = permittivité du vide É me = masse de l'électron.

   22. Procédé selon une des trois revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites antennes sont des antennes dipolaires. 10 23. Procédé selon une des quatre revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites antennes sont disposées à l'extrémité d'un tube (25), constitué d'un matériau diélectrique, et inséré dans le plasma (16) au travers d'une paroi de l'enceinte (1) d'un réacteur à plasma.

   24. Procédé selon une des revendications 19 à 22 caractérisé en ce que lesdites antennes sont disposées dans un plan, séparés par un substrat plan constitué d'un matériau diélectrique, et insérées dans le plasma (16) au travers d'une paroi de l'enceinte (1) d'un réacteur à plasma, ou affleurant le paroi du réacteur afin d'être en contact avec le plasma en le perturbant le moins possible.

   25. Procédé selon une des six revendications précédentes caractérisé 25 en ce que le procédé comprend la détermination, à partir de la mesure de la puissance transmise entre deux antennes (17,18). de la fréquence minimale, pour laquelle une puissance électromagnétique significative est transportée par une onde de surface guidée par l'interface (20) entre le plasma (16) et la gaine électrostatique (45).

   26. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite puissance électromagnétique significative correspond à un 5 microwatt.

   27. Procédé selon une des huit revendications précédentes caractérisé en ce que le procédé comprend: É l'alimentation d'une antenne émettrice (17) avec une tension 10 sinusoïdale de haute-fréquence délivrée par une source (22) dont on peut modifier la fréquence du signal délivré, É la mesure de la puissance électromagnétique captée par une antenne réceptrice (18) disposée à proximité de l'antenne émettrice, en fonction de la fréquence de la source (22).

   28. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le procédé comprend la variation continue et de manière croissante de la fréquence de ladite tension sinusoïdale, tout en mesurant la puissance électromagnétique captée par une autre antenne (18) afin de déterminer la fréquence au dessus de laquelle la puissance captée par l'antenne (18) et due à la propagation d'une onde de surface, croît de manière significative.