FR2921538A1 - Dispositifs generateurs de plasma micro-ondes et torches a plasma - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur un dispositif générateur de plasma qui comprend au moins une source de très haute fréquence (> 100 MHz) connectée via un dispositif d'adaptation d'impédance à un micro-ruban conducteur fixé sur un support diélectrique, au moins un moyen de refroidissement dudit micro-ruban, et au moins une amenée de gaz proche du support diélectrique du côté opposé au côté supportant le micro-ruban, elle porte également sur des torches à plasma mettant en oeuvre ledit dispositif.

Description

DISPOSITIFS GENERATEURS DE PLASMA MICRO-ONDES ET TORCHES A PLASMA. L'invention porte sur des dispositifs permettant de générer des plasmas par couplage d'une puissance électromagnétique à un gaz. De tels dispositifs sont également appelés sources de plasma . Les termes dispositif générateur de plasma ou source de plasma seront utilisés indifféremment dans la présente description. La vulgarisation des technologies de traitement de surface par plasmas froids nécessite une amélioration des dispositifs qui ont pour fonction de générer ces plasmas par couplage d'une puissance électromagnétique à un gaz. Ces dispositifs ou sources de plasma doivent être : - simples et peu coûteux, - adaptés à l'extension d'échelle, et éventuellement à des géométries non planes, - capables de fonctionner dans une large gamme de niveaux de pression entre un vide notable, de l'ordre de 10-2 mbar et la pression atmosphérique, voire au dessus de cette dernière. En outre, l'efficacité de transmission au plasma de la puissance électromagnétique issue du générateur doit être aussi élevée que possible, c'est-à-dire : - que le fonctionnement ne doit générer qu'un minimum de pertes par échauffement de la structure du dispositif de couplage de la puissance électromagnétique au plasma, - que le rayonnement résiduel vers l'extérieur doit être négligeable (sécurité et impossibilité d'interférence avec des dispositifs opérant dans le voisinage aux même fréquences industrielles autorisées), -que seule une faible fraction de la puissance incidente doit être réfléchie vers le générateur, c'est-à-dire que l'on doit réaliser un bon accord d'impédance entre la ligne d'alimentation en puissance et la source de plasma utilisatrice de cette même puissance. Cette dernière condition doit autant que possible demeurer vraie pour une large gamme de régimes de fonctionnement, sans qu'il soit nécessaire de retoucher des réglages en temps réel. Les plasmas excités par des très hautes fréquences (nettement supérieures à la centaine de mégahertz) incluant les hyperfréquences (micro-ondes), par exemple à 434 MHz, 915 MHz, 2450 MHz et 5850 MHz (fréquences autorisées par la réglementation internationale pour la bande Industrielle, Scientifique et Médicale), ont un intérêt particulier du fait de leur densité électronique élevée. Celle-ci implique une activation plus intense des processus physico-chimiques dans la décharge, notamment un taux de formation supérieur des espèces actives impliquées dans un processus de traitement de surface. Ce traitement est alors plus complet et/ou plus rapide : par exemple la vitesse de dépôt de matériaux en couches minces est supérieure et le rendement de production est plus favorable. Au-delà d'une limite de quelques dizaines de MHz, les ondes électromagnétiques, du fait de leurs propriétés de propagation, ne peuvent pas être appliquées à un gaz pour créer un plasma au moyen d'électrodes reliées à un circuit d'alimentation électrique, comme c'est le cas en continu ou en radiofréquence. Les micro-ondes sont acheminées depuis le générateur par un guide d'ondes rectangulaire creux ou un câble coaxial, puis guidées par une structure conductrice d'une architecture spécifique, interne ou contiguë à l'enceinte de traitement. Celle-ci doit permettre la distribution et l'absorption répartie des micro-ondes pour créer un plasma aux caractéristiques requises, et suffisamment uniforme.

Des dispositifs générateurs de plasma micro-ondes ont été développés, parmi lesquels on peut notamment citer le système Duo-plasmaline (E. Rauschle et al. J. de Physique IV (8), PR7, 99 (1998)) , les applicateurs bidimensionnels à antennes à fentes (H.

Sugai, Plasma Fusion Research 72, 621 (1996) et H. Sugai et al., Plasma Sources Science and Technology 7, 192 (1998)), les sources à applicateur de champ à micro-rubans pour des applications analytiques (A.M. Bilgic et al. Plasma Sources Science and Technology 9, 1-4 (2000)), les systèmes à résonance cyclotronique électronique et les systèmes magnétrons multidipolaires. Cependant, tous ces dispositifs sont d'une architecture complexe et coûteuse à réaliser. Ils sont d'autre part trop dépendants d'une configuration et d'une dimension donnée pour le réacteur de traitement plasma. Les inventeurs ont trouvé de façon surprenante et inattendue que des sources planes basées sur des applicateurs de champs à micro-rubans (en anglais microstrip ) constituent des sources de plasma très simples et faciles à mettre en oeuvre et qui présentent l'ensemble des qualités requises. Ainsi, le dispositif générateur de plasma conforme à l'invention comprend au moins une source de très haute fréquence connectée à un micro-ruban conducteur fixé sur un support diélectrique, au moins un moyen d'adaptation d'impédance entre la source de très haute fréquence et la connexion au micro-ruban, au moins un moyen de refroidissement dudit micro-ruban, et au moins une amenée de gaz proche du support diélectrique du côté opposé au côté supportant le micro-ruban. Comme on l'aura compris à la lecture de ce qui précède on entend par l'expression très hautes fréquences selon l'invention des fréquences supérieures à 100 MHz, et notamment les fréquences discrètes à 434 MHz, 915 MHz, 2450 MHz et 5850 MHz qui sont autorisées par la réglementation internationale pour la bande Industrielle, Scientifique et Médicale (ISM). De même, concernant l'amenée de gaz proche ou au voisinage du support diélectrique on entend une arrivée débouchant typiquement à moins de 15 mm du support, et préférentiellement à moins de 10 mm du support.

Le plasma est généré sous la surface du diélectrique opposée à la surface supportant le micro- ruban et en regard de ce dernier. Ainsi, le dispositif selon l'invention peut être déplacé vis-à-vis de la surface à traiter de telle sorte que le plasma soit en contact avec cette surface à traiter ou bien la surface à traiter pourra défiler sous la zone génératrice de plasma, le dispositif selon l'invention restant alors fixe. Selon l'orientation du micro-ruban par rapport à la surface à traiter et selon la distance séparant le diélectrique et la surface à traiter, le traitement se fera directement par le plasma ou par post-décharge. Par post-décharge l'homme de l'art entend la région immédiatement contiguë à la zone proprement dite de plasma caractérisée par sa luminescence intense. Dans la post-décharge les espèces chargées ont pratiquement disparu mais il existe encore des espèces actives et/ou excitées neutres. Ainsi, lorsque le micro-ruban est perpendiculaire à la surface à traiter, cette dernière ne rencontre pas la zone de plasma et le traitement se fera par post-décharge alors que lorsque le micro-ruban est parallèle à la surface à traiter (cas le plus courant), le traitement se fera par contact direct avec le plasma. Dans la présente invention, on entend par micro-ruban un élément conducteur électrique de forme allongée et de faible épaisseur, typiquement de l'ordre du millimètre ou inférieure au millimètre. La longueur et la largeur du micro-ruban ne sont pas quelconques et vont être dimensionnées de manière à optimiser les propriétés de propagation de la puissance le long de la ligne de transmission que constitue le micro-ruban. En variante, le micro-ruban peut être remplacé par un élément allongé creux notamment de section ronde, rectangulaire ou carrée, l'épaisseur de la paroi du tube creux étant suffisante pour une bonne résistance mécanique et sans effet sur le comportement électrique. Le micro-ruban n'est pas astreint à une géométrie plane et rectiligne, mais peut également adopter une forme courbe dans le plan ou une forme gauche dans le sens de sa longueur avec des courbures concaves ou convexes. Compte tenu du fait que les courants en haute fréquence circulent en obéissant à l'effet de peau ou skin effect et que celui-ci dépend de la fréquence et de la conductibilité du matériau constituant le conducteur, l'épaisseur pratique dans laquelle va circuler le courant sera très inférieure à 0,1 mm. Cependant, compte tenu du fait que les puissances transportées sont élevées, de l'ordre de quelques centaines de watts, et que la conductivité du métal décroît avec l'augmentation de température, l'épaisseur du micro-ruban va être très supérieure à l'épaisseur théorique définie par l'effet de peau et il va être nécessaire de refroidir le micro-ruban afin qu'il conserve son intégrité physique. Ainsi, le micro-ruban va présenter une épaisseur de l'ordre du millimètre et être réalisé en un matériau bon conducteur électrique et thermique, choisi parmi ceux présentant une bonne tenue mécanique, qui peuvent être des alliages cuivreux comme par exemple le laiton ou de préférence le cuivre au béryllium. Pour conserver la bonne conductibilité du micro-ruban, on peut de manière avantageuse revêtir la surface de ce dernier par un dépôt de métal au moins aussi bon conducteur électrique et insensible à l'oxydation (par exemple de l'or). Ainsi on garantit le maintien dans le temps des bonnes caractéristiques électriques dans une ambiance de fonctionnement normale où les alliages cuivreux ont tendance à légèrement s'oxyder ou se polluer en surface. De façon avantageuse, le micro-ruban conducteur est plaqué mécaniquement sur le diélectrique. Il peut également être sérigraphié sur le diélectrique, si les puissances mises en jeu sont suffisamment faibles.

Le diélectrique utilisé doit présenter non seulement de bonnes propriétés diélectriques c'est-à-dire une faible valeur du rapport de la partie imaginaire à la partie réelle de sa fonction diélectrique (tangente delta), typiquement comprise entre 10-4 et 10-2, traduisant des pertes diélectriques faibles à la fréquence d'utilisation concernée, mais également une excellente tenue au choc thermique (le gradient thermique lié au plasma au contact de la paroi opposée au micro-ruban pouvant être très élevé).

Ainsi on pourra choisir comme diélectriques la silice pour son excellente résistance aux chocs thermiques ou de préférence des céramiques et notamment du nitrure de bore ou du nitrure d'aluminium. Différents moyens de refroidissement du micro-35 ruban peuvent être utilisés. Selon un premier mode de réalisation, dans un boîtier isolant placé sur le diélectrique et au dessus du micro-ruban, on fait circuler un fluide refroidissant qui est isolant électrique et présente une constante diélectrique E inférieure à celle du diélectrique solide du substrat. Le fluide de refroidissement doit présenter un bon pouvoir caloporteur. Il doit également être un bon diélectrique afin de ne pas perturber la propagation des ondes électromagnétiques le long de la ligne ni de dissiper une fraction importante de la puissance par absorption. Le fluide diélectrique caloporteur peut par exemple avantageusement être une alpha-oléfine comme du tétradécène (C14). Ainsi le dispositif conforme à l'invention comprend un boîtier disposé sur le diélectrique et au-dessus du micro-ruban confinant la circulation du fluide refroidissant. Selon un second mode de réalisation, on réalise le refroidissement de manière indirecte en disposant sur la totalité de la face libre du micro-ruban un radiateur en matériau diélectrique pouvant être une céramique, de préférence bonne conductrice thermique (ex : alumine, nitrure d'aluminium), dans lequel on fait circuler un fluide de refroidissement. Dans ce cas, comme la circulation ne se fait pas au contact direct du micro-ruban mais à une certaine distance de celui-ci, le fluide de refroidissement ne circule pas dans une région de forte densité de puissance électromagnétique et n'est pas astreint à une faible absorption des ondes, et peut par conséquent être de l'eau. Selon un troisième mode de réalisation, dans le cas où le micro-ruban est remplacé par un élément conducteur allongé creux, on fait circuler un fluide de refroidissement dans la partie creuse de celui-ci. Le fluide de refroidissement peut être de l'eau puisque le champ électromagnétique est nul sur la paroi intérieure de l'élément creux. En effet, l'épaisseur de paroi dudit élément est très supérieure à l'épaisseur de peau. Cette solution permet un bien meilleur refroidissement que les systèmes de refroidissement décrits précédemment et autorise le passage de courants très haute fréquence plus élevés et donc une puissance transmise supérieure sans augmentation des pertes électriques. La ligne ainsi constituée avec un conducteur creux de section transversale rectangulaire, carrée ou circulaire, s'apparente à une structure hybride du point de vue électrique par comparaison avec une ligne à micro-ruban plane. Expérimentalement on a pu vérifier que ce type de ligne possède une impédance caractéristique relativement proche de celle d'une structure micro-ruban. Le fait de ne plus avoir de radiateur intermédiaire simplifie notablement le montage, et le contact de l'électrode sur le diélectrique est assuré par un dispositif de plaquage identique au montage d'une structure micro-ruban plane. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif conforme à l'invention peut également être doté d'au moins un moyen de refroidissement du diélectrique. Un moyen de refroidissement peut consister en des canaux ménagés dans le diélectrique dans lesquels circule un fluide de refroidissement. Un autre moyen peut consister à placer le diélectrique sur un support comportant des canaux dans lesquels circule un fluide de refroidissement.

De façon à ne pas émettre de micro-ondes dans l'environnement extérieur, ce qui constituerait un gaspillage de la puissance et créerait des problèmes de sécurité des opérateurs ou de compatibilité électromagnétique, il est nécessaire que le dispositif de couplage de la puissance micro-ondes constitué par la ligne à micro-rubans soit enclos dans un boîtier conducteur jouant le rôle d'une cage de Faraday. Selon la fréquence utilisée, l'alimentation en puissance des dispositifs selon l'invention peut être directement transposée de l'industrie des semi-conducteurs de puissance appliqués aux télécommunications. Les générateurs de puissance basés sur cette technologie état solide sont plus compacts et plus fiables que les générateurs basés sur des tubes à vide comme des magnétrons attaqués par une alimentation à découpage. A l'inverse de ces derniers, ils ne nécessitent aucun entretien, notamment le remplacement périodique du magnétron est éliminé. En outre, le prix de ces générateurs baisse rapidement avec l'effet de production en moyenne et grande série. L'alimentation des lignes à micro-rubans peut être réalisée de plusieurs manières : - en mode d'onde progressive, en connectant le générateur d'ondes très haute fréquence à une seule extrémité du micro-ruban et en connectant une charge d'impédance adaptée à l'extrémité opposée du micro-ruban ; - en mode d'onde progressive, en connectant un générateur d'ondes très haute fréquence à chacune des extrémités du micro-ruban pour, d'une part, augmenter la puissance totale, d'autre part compenser l'atténuation de l'onde par absorption le long de sa propagation pour entretenir le plasma. Dans ce cas, il faut utiliser un générateur différent à chaque extrémité pour ne pas avoir de corrélation de phase entre les deux signaux, faute de quoi l'on entretiendrait un mode d'onde stationnaire ; - en mode d'onde stationnaire, en connectant un 35 générateur d'ondes très haute fréquence à une seule extrémité du micro-ruban et en ménageant un court-circuit ajustable à l'extrémité opposée pour réaliser l'adaptation d'impédance; en mode d'onde stationnaire, en connectant un générateur d'ondes très haute fréquence à un dispositif diviseur dont chacune des branches est connectée à l'une des extrémités du micro-ruban. Les liaisons et la connectique sont assurées par des composants standards du commerce (par exemple par un câble coaxial présentant une impédance caractéristique de 50Q). Le dispositif conforme à l'invention, présente l'avantage supplémentaire par rapport aux systèmes en guide d'ondes que l'adaptation d'impédance est également plus commode à réaliser. Par exemple les composants de transformation et d'accord d'impédance peuvent être réalisés sous forme de réseau d'adaptation en circuiterie classique (réseaux constitués d'inductances et de capacités), mais aussi directement dans la structure même des lignes à micro-ruban, en y réalisant un transformateur d'impédance quart d'onde (dont le principe est connu de l'homme de l'art), ou en rapportant des tronçons de micro-ruban de dimensions appropriées (appelés dans cette industrie stubs ), en excroissance des lignes de propagation avec comme corollaire une simplicité dans l'intégration, l'impossibilité de déréglage (les valeurs étant fixées par la géométrie et la nature du diélectrique employé) et une optimisation du transfert de la puissance très haute fréquence (pertes réduites dans la connectique et les liaisons). Ainsi l'adaptation d'impédance entre le générateur très haute fréquence et l'applicateur à micro-ruban peut se faire par un réseau en T, en H ou L, ou à l'aide d'un stub perpendiculaire au micro-ruban.

L'adaptation de l'impédance et donc le dimensionnement du stub et du micro-ruban sont à la portée de l'homme du métier et peuvent être faits selon une analyse quasi-statique dans laquelle on part de l'hypothèse que le mode de propagation est exclusivement TEM (voir les travaux de Gupta et al : Microstrip lines and slot lines , K.C. Gupta, R.Garg, I.J. Bahl (Hartech House, Norwood, MA 1979). L'homme du métier saura en particulier adapter l'impédance des dispositifs dans lesquels le micro-ruban est baigné dans un fluide de refroidissement de constante diélectrique supérieure à 1, ou dans lesquels un radiateur diélectrique de constante diélectrique supérieure à 1 est plaqué sur le micro-ruban.

Afin de traiter simultanément et de façon uniforme une plus grande surface, il est avantageux d'associer plusieurs dispositifs conformes à l'invention. La juxtaposition d'une pluralité de dispositifs générateurs de plasma permettra en effet de générer une nappe de plasma sur de grandes surfaces. Ceci du moins s'applique au traitement au défilé en continu. On peut associer autant d'éléments que nécessaire pour réaliser un traitement de surface en continu avec le rendement de production désiré. Chacun des dispositifs générateurs de plasma ainsi associés comprend au moins une source très haute fréquence connectée à travers une adaptation d'impédance à un micro-ruban conducteur fixé sur un support diélectrique, au moins un moyen de refroidissement dudit micro-ruban, et au moins une amenée de gaz proche du support diélectrique du côté opposé au côté supportant le micro-ruban. Pour des applications de traitement de surface fonctionnant à la pression atmosphérique avec la nécessité de faire défiler le substrat sous la zone

active on peut imaginer différents arrangements de modules plasma permettant une intégration aisée tout en bénéficiant de la simplicité inhérente à ce type de sources. Les dispositifs générateurs de plasma, peuvent être mis bout à bout pour couvrir la largeur du substrat ou peuvent être placés avec un décalage dans le sens de défilement de manière à réaliser un recouvrement de la zone à traiter. On peut également additionner les dispositifs générateurs de plasma dans le sens du défilement de façon si nécessaire à augmenter le temps de contact de la zone active en fonction de la vitesse de défilement, de façon notamment à augmenter la productivité. Selon l'un des aspects de l'invention, celle- ci concerne un assemblage d'au moins deux, de préférence de 2 à 15, et plus préférentiellement encore de 3 à 8, dispositifs générateurs de plasma tels que décrits précédemment. L'assemblage des différents dispositifs entre eux peut être réalisé grâce à une embase commune ou structure mécanique qui assure les fonctions de distribution des gaz, de refroidissement et la connectique de puissance électromagnétique. La connectique peut avantageusement être très limitée en connectant directement sur le micro-ruban le module amplificateur du générateur de puissance très haute fréquence, avec son dispositif intégré d'accord d'impédance. L'assemblage de différents dispositifs générateurs de plasma entre eux grâce à une embase ou structure mécanique qui assure les fonctions de distribution des gaz, de refroidissement et la connectique électromagnétique présente notamment les avantages suivants : - sa réalisation et son intégration sont simples, ce qui rend possible une production en série et limite les coûts de fabrication, et rend la maintenance aisée ; en réduisant la liaison électrique à un simple connecteur (pas de câble coaxial), les pertes au niveau du transport de la puissance vers le module plasma sont réduites ce qui a une incidence importante sur le dimensionnement et donc le coût de la partie très haute fréquence. En outre, avec les dispositifs conformes à l'invention, il est possible d'utiliser des fréquences d'excitation des modules plasma un peu plus basses que le domaine micro-ondes comme par exemple 434 MHz (bande ISM) qui permettent de bénéficier de la technologie tout semi-conducteur avec un bon rendement. Un autre objet de l'invention porte sur des torches plasma de puissance moyenne et de taille réduite et modulaire bénéficiant également des mêmes avantages que ceux décrits plus haut. Ces torches à plasma reprennent les dispositions et formes (micro-ruban plan ou creux) des applicateurs précédents. Plus particulièrement, le diélectrique sur lequel est placé le micro-ruban conducteur est traversé de part en part par un canal longitudinal. Du gaz est introduit par l'une des extrémités et le plasma se forme dans le canal et s'étend dans la totalité de celui-ci. En jouant sur le débit de gaz et la puissance très haute fréquence on pourra soit extraire le plasma à l'extrémité de la torche ou utiliser la post- décharge en éloignant le substrat à traiter. La section du canal peut bien entendu être optimisée afin de confiner le plasma.

Ainsi une torche à plasma conforme à l'invention comprend au moins une source de très haute fréquence avec son dispositif intégré d'accord d'impédance connectée à un micro-ruban conducteur fixé sur un support diélectrique, au moins un moyen de refroidissement dudit micro-ruban, ledit support diélectrique étant traversé longitudinalement par un canal par une extrémité duquel est introduit le gaz et dans lequel se forme le plasma. Du fait de leur conception simple il est possible d'utiliser ce type de torche de plasma sur un bras de robot afin d'appliquer le traitement plasma par balayage d'une surface à traiter. L'invention va être décrite de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés sur lesquels : - les figures la-lb représentent des vues de face et en coupe d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention suivant lequel le micro-ruban est plan mais de forme courbe, et permettant un traitement par post-décharge de plasma d'une surface non plane; - les figures 2a-2b représentent des vues de face et en coupe d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention suivant lequel le micro-ruban est de forme gauche et permettant un traitement direct dans le plasma d'une surface non plane d'un substrat

- Les figures 3a-3d représentent schématiquement différentes connexions du micro-ruban conducteur au générateur très haute fréquence ; - les figures 4a-4c représentent schématiquement les possibilités d'adaptation de l'impédance du dispositif ; - la figure 5 représente en coupe transversale un dispositif selon l'invention avec un micro-ruban plan doté d'un premier mode de réalisation du moyen de refroidissement; - la figure 6 représente en coupe transversale un dispositif selon l'invention avec un micro-ruban plan doté d'un second mode de réalisation du moyen de refroidissement; -les figures 7 et 8 représentent en coupe transversale un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention avec un élément de ligne de propagation de section creuse qui est une alternative au micro-ruban ; -les figures 9a et 9b sont des représentations en coupe longitudinale et transversale d'un dispositif selon l'invention doté d'un micro-ruban plan ; - les figures 10a et 10b sont des représentations en coupe longitudinale et transversale d'un dispositif selon l'invention doté d'un élément de ligne de propagation de section creuse qui est une alternative au micro-ruban ; - la figure 11 représente en coupe transversale un assemblage de dispositifs conformes à l'invention ; - la figure 12 représente en coupe un autre assemblage de dispositifs conformes à l'invention ; - les figures 13a et 13b représentent des coupes longitudinale et transversale d'une torche plasma mettant en oeuvre un dispositif conforme à l'invention. Sur les figures la et lb est illustré de façon schématique un dispositif 1 selon l'invention selon lequel le micro-ruban 2 qui présente une forme plane mais courbe est connecté à un générateur très haute fréquence. Ce micro-ruban 2 est fixé sur la surface d'un support diélectrique 3 dont un bord coïncide avec un des bords courbes du ruban. Une fente 4 est prévue dans le diélectrique dans laquelle est introduit le gaz et généré le plasma 5. Un substrat 6 à traiter, perpendiculaire en moyenne au plan du micro-ruban et présentant une forme gauche épousant la courbure du diélectrique et du micro-ruban est entrainé au dessous du dispositif dans le sens indiqué par la flèche. Suivant ce mode de réalisation, le substrat étant perpendiculaire au micro-ruban, le traitement se fait par post-décharge de plasma. Sur les figures 2a et 2b est illustré de façon schématique un dispositif 7 selon l'invention selon lequel le micro-ruban 8 qui présente une forme gauche est connecté à un générateur très haute fréquence. Ce micro-ruban 8 est fixé sur la surface elle-même gauche d'un diélectrique 9. Le gaz est amené à proximité de la face 9a du diélectrique et le plasma 10 est généré sous la face 9a en regard du micro-ruban 8. Un substrat 11 à traiter, présentant une forme gauche épousant celle du diélectrique 9 et du micro-ruban 8 est entrainé au dessous du dispositif 7 dans le sens indiqué par la flèche. Suivant ce mode de réalisation, le substrat 11 étant perpendiculaire au micro-ruban, le traitement se fait directement par le plasma.

Sur les figures 3a à 3d sont représentées de façon schématique les différentes manières de connecter le micro-ruban conducteur à l'alimentation en puissance très haute fréquence. Ainsi, selon un premier mode de réalisation (figure 3a), le micro-ruban 12 est alimenté de manière à propager une onde progressive le long du micro-ruban. Le générateur d'ondes très haute fréquence est connecté via une ligne coaxiale, par exemple d'impédance caractéristique de 50Q (cette valeur correspondant généralement au standard industriel) à une seule extrémité 12a du micro-ruban 12, l'autre extrémité 12b étant connectée à une charge d'impédance adaptée 14, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de réflexion des ondes à ladite extrémité opposée à la connexion au générateur et donc pas d'onde stationnaire le long du micro-ruban. Dans ce mode de réalisation l'intensité de l'onde décroît très notablement le long du micro-ruban, du fait de l'absorption progressive de la puissance pour entretenir le plasma. Ce dernier est donc peu uniforme le long du micro-ruban.

Selon un second mode de réalisation, illustré sur la figure 3b, le micro-ruban 15 est alimenté de manière à propager deux ondes progressives opposées à partir de chacune de ses extrémités, de manière à ce que leurs intensités s'additionnent. Pour cela, une extrémité 15a du micro-ruban est reliée via une ligne coaxiale 17 à un premier générateur d'ondes très haute fréquence 16 et l'extrémité opposée 15b du micro-ruban est reliée via une ligne coaxiale 18 à un second générateur d'ondes très haute fréquence 19. Les phases des signaux de deux générateurs distincts étant décorrélées, ce sont les intensités des deux ondes se propageant en direction opposée qui s'ajoutent, et non leurs amplitudes (ce qui conduirait à l'apparition par interférence d'une onde stationnaire), compensant en partie le gradient observé avec une seule source à une extrémité. Selon un troisième mode de réalisation illustré par la figure 3c, le micro-ruban 20 est alimenté de manière à créer un mode d'onde stationnaire le long du micro- ruban. Une extrémité 20a du micro-ruban 20 est reliée via une ligne coaxiale 21 à un générateur très haute fréquence. A l'autre extrémité 20b est connecté un dispositif 22 de court-circuit. Ce dispositif de court-circuit 22 est ajustable pour faire varier le coefficient de réflexion complexe et adapter l'impédance de manière à optimiser les caractéristiques de l'onde stationnaire. Selon un quatrième mode de réalisation illustré par la figure 3d, le micro-ruban 23 est alimenté de manière à créer un mode d'onde stationnaire le long du micro-ruban. Un générateur très haute fréquence est connecté via une ligne coaxiale 24 à un dispositif diviseur de puissance 25 (équipement standard industriel connu de l'homme de métier) dont chacune des branches 26a et 26b est connectée à une extrémité 23a et 23b du micro-ruban 23. Les phases des ondes provenant du même générateur étant corrélées, ce sont bien les amplitudes des ondes qui s'ajoutent et non leurs intensités, donnant naissance par interférence à une onde stationnaire. Comme diviseur de puissance on peut par exemple utiliser un dispositif de type Wilkinson connu dans la littérature. Sur les figures 4a à 4c sont représentés de façon schématique trois modes d'adaptation de l'impédance.

Ainsi, sur la figure 4a le générateur très haute fréquence est relié au micro-ruban 27 par un réseau d'adaptation d'impédance qui est dans ce cas particulier un réseau en T 28. Sur la figure 4b, le générateur très haute fréquence est relié directement au micro-ruban 29 du côté où celui-ci est doté d'un stub 30 en micro-ruban de longueur L et de largeur W, perpendiculaire au micro-ruban 29. Le choix des paramètres géométriques L et W permet de modifier l'effet électrique du stub et ainsi d'apporter la correction voulue à l'impédance résultante du système. Sur la figure 4c, le générateur très haute fréquence est relié au micro-ruban 31 via un transformateur d'impédance quart d'ondes réalisé en micro-ruban 32 disposé dans le prolongement longitudinal du micro- ruban principal et présentant une longueur électrique effective de À/4, À étant la longueur d'ondes de propagation le long de la ligne micro-ruban rapportée sur le substrat de constante diélectrique donnée, à la valeur considérée de la très haute fréquence. La fonction du transformateur d'impédance quart d'ondes est de faire en sorte que la puissance incidente provenant du générateur voie une impédance effective égale à l'impédance caractéristique de la ligne de micro-ruban principale formant l'applicateur de champ, le plasma étant allumé (l'ensemble micro-ruban + plasma constituant une charge complexe). La règle générale de dimensionnement d'un transformateur d'impédance quart d'ondes sur une ligne de transmission est bien connue. Si Zc est l'impédance de sortie du générateur et Zt l'impédance caractéristique de la ligne en micro-ruban (avec le plasma allumé), l'impédance Zt du transformateur quart d'ondes sera Zt = (Z0 x ZL) 1/z Sur la figure 5 est représenté en coupe transversale un dispositif 33 conforme à l'invention comprenant un micro-ruban 34 fixé sur un diélectrique qui est un élément parallélépipédique présentant un évidement allongé formant un canal 36 et placé sur un support en matériau conducteur 37 formant plan de référence électrique, traversé sur toute sa hauteur par une fente 38 et de part et d'autre de ladite fente par des fentes 39a et 39b longitudinales et symétriques par rapport à la fente 38 et permettant l'alimentation en gaz. Sur la face supérieure du diélectrique 35a supportant le micro-ruban 34 est fixé un boîtier en matériau diélectrique 40 dans lequel circule un fluide refroidissant diélectrique 41, la totalité du micro-ruban 34 étant en contact avec le fluide refroidissant 41. Une cage de Faraday 42 enserre le diélectrique 35 et le boîtier de confinement du fluide refroidissant 40. Le plasma 43 est généré dans le canal 36 et les espèces actives s'échappent par la fente 38 dans le sens de la flèche du fait de l'entraînement par le flux de gaz.

Sur la figure 6 est représenté en coupe transversale un dispositif 44 conforme à l'invention qui diffère du mode de réalisation représenté sur la figure 5 par le fait que le boîtier isolant contenant un liquide de refroidissement en contact avec le micro-ruban est remplacé par un radiateur 45 qui est un parallélépipède en matériau diélectrique plaqué sur la surface libre supérieure (opposée au substrat et au plasma) du micro-ruban 34 et traversé par un canal 47 dans lequel circule un liquide de refroidissement 48 qui n'est plus nécessairement un très bon diélectrique à la très haute fréquence considérée, mais peut être par exemple de l'eau. Sur la figure 7 est représenté en coupe transversale un dispositif 49 conforme à l'invention qui diffère du mode de réalisation représenté sur la figure 6 par le fait que le micro-ruban 34 et le radiateur diélectrique 45 ont été remplacés par un élément de ligne de transmission 50 qui est un élément conducteur creux de section circulaire dans lequel circule un liquide de refroidissement 51. La surface 35a du diélectrique 35 a bien entendu été modifiée pour s'adapter à la forme de l'élément conducteur 50. Sur la figure 8 est représenté en coupe transversale un dispositif 52 conforme à l'invention qui diffère du mode de réalisation représenté sur la figure 7 par le fait que l'élément de ligne de transmission 53 est un conducteur creux de section rectangulaire dans lequel circule un liquide de refroidissement 51. La surface 35a du diélectrique 35 est alors plane comme pour les modes de réalisation des figures 5 et 6. Un dispositif générateur de plasma 54 doté d'un système de refroidissement tel que celui de la figure 6 est représenté de façon complète sur les figures 9a et 9b. Ce dispositif 54 est constitué des différents éléments suivants empilés les uns sur les autres : - une embase 55 traversée par deux canaux longitudinaux symétriques 56a et 56b dans lesquels circule de l'eau, et par deux canaux symétriques 57a et 57b de distribution du gaz entrant dans la décharge avec au centre une fente 58 de sortie permettant l'extraction des espèces actives du plasma 59 ; le refroidissement de l'embase est nécessaire du fait de la chaleur dégagée par le plasma qui est au contact du substrat diélectrique ; - un diélectrique 60 formant, au dessus de ladite fente 58, un canal 61 de largeur identique au micro-ruban 62 et de même longueur ; - ledit micro-ruban 62 constitué d'une bande de métal conductrice et relié au connecteur permettant de transmettre la puissance très haute fréquence venant du générateur, et étant fixé au-dessus dudit diélectrique 60 ; - un radiateur diélectrique 63 en céramique, présentant un canal longitudinal 64 dans lequel circule de l'eau, et plaqué sur toute la surface du micro-ruban 62. Un système de serrage 65 de l'empilement permet le plaquage et le maintien des éléments sur l'embase 55. Un joint torique non représenté situé en partie inférieure garantit l'étanchéité du volume dans lequel se développe la décharge. L'ensemble du dispositif est confiné dans un boîtier conducteur 66 jouant le rôle d'une cage de Faraday afin d'éviter toute fuite de rayonnement vers l'environnement extérieur, avec les problèmes associés de sécurité et de compatibilité électromagnétique. Un dispositif générateur de plasma 67 doté d'un système de refroidissement tel que celui de la figure 7 est représenté de façon complète sur les figures 10a et 10b. Ce dispositif 67 diffère de celui des figures 9a et 9b par le fait que l'ensemble micro-ruban 62 + radiateur isolant 63 est remplacé par un élément de ligne de transmission longitudinal de section circulaire creuse dans lequel circule de l'eau. L'élément de ligne de transmission est maintenu par une cale diélectrique insérée dans le reste de l'empilement et immobilisée par des moyens de serrage 70.

Sur la figure 11 est représenté un assemblage 71 de trois dispositifs (à titre d'exemple, ce nombre pouvant être augmenté sans limitation particulière) générateurs de plasma comprenant chacun un module d'alimentation très haute fréquence 72 permettant l'alimentation très haute fréquence d'un micro-ruban conducteur 73. Le micro-ruban est refroidi grâce à un radiateur diélectrique 74 dans le canal interne 75 duquel circule de l'eau. Le micro-ruban est fixé sur un substrat diélectrique 76. Les différentes unités micro- ruban / diélectrique / alimentation très haute fréquence / radiateur diélectrique sont maintenues entre elles par un bloc de distribution intégrant des rampes d'alimentation en gaz 79, des rampes d'alimentation en eau de refroidissement 80. Le plasma 81 est généré au niveau de la face inférieure du substrat diélectrique en regard du micro-ruban. Le substrat 82 à traiter défile sous chacune des sources de plasma. Sur la figure 12 est représenté un autre type 35 d'assemblage 83 comprenant deux unités (de façon non limitative) diélectrique 84/micro-ruban 85 permettant la formation d'un plasma 86 dans la fente 87 alimentée en gaz par l'entrée de gaz 88. Le gaz est ensuite entrainé vers la sortie de gaz 89. Le refroidissement du micro-ruban est assuré par une circulation de fluide refroidissant diélectrique dans le canal 90 entourant le micro-ruban. Le refroidissement du bloc de distribution 91 est assuré par des canaux 92 dans lesquels circule de l'eau.

Sur la figure 13 est représentée une torche à plasma 93 comprenant une embase 94 intégrant un canal longitudinal coaxial 95 fermé à une extrémité et dans lequel circule de l'eau avec entrée et sortie à l'autre extrémité. Au dessus de cette embase 94 est placé un diélectrique 96 traversé de part en part par un canal longitudinal 97 dans lequel est introduit le gaz et dans lequel est généré le plasma 98. Au dessus du diélectrique est fixé le micro-ruban 99 connecté au générateur très haute fréquence. Sur la face libre du micro-ruban 99 est placé un radiateur diélectrique dans lequel circule de l'eau 101. L'ensemble est inséré dans une cage de Faraday 102.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Dispositif (1) générateur de plasma qui comprend au moins une source de puissance de fréquence supérieure à 100 MHz, connectée via un système d'adaptation d'impédance à un micro-ruban (2) conducteur fixé en contact intime sur toute sa surface inférieure sur un support diélectrique (3), au moins un moyen de refroidissement dudit micro-ruban, et au moins une amenée de gaz proche du support diélectrique du côté opposé au côté supportant le micro-ruban.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le micro-ruban présente une épaisseur 15 de l'ordre du millimètre.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que le micro-ruban conducteur est en alliage cuivreux choisi dans le 20 groupe comprenant le laiton ou de préférence le cuivre au béryllium.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le 25 micro-ruban conducteur est fixé mécaniquement sur le diélectrique.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le 30 micro-ruban est sérigraphié sur le diélectrique.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le diélectrique présente une tangente de pertes 35 diélectrique tg delta comprise entre 10-4 et 10-2

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le diélectrique est de la silice ou une céramique, de préférence du nitrure d'aluminium ou du nitrure de bore.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que le dispositif est placé dans un boîtier conducteur jouant le rôle d'une cage de Faraday.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'un boîtier diélectrique est disposé sur le substrat diélectrique de la ligne micro-ruban et au-dessus du micro-ruban, et qu'un fluide refroidissant présentant de faibles pertes diélectriques circule dans ledit boîtier.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que sur la totalité de la face libre du micro-ruban est disposé un radiateur en matériau diélectrique traversé par un fluide de refroidissement.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le micro-ruban est un conducteur longitudinal creux doté au niveau de chacune de ses extrémités d'une ouverture permettant la circulation d'un fluide de refroidissement.

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 10, caractérisé par le fait qu'ilcomprend des moyens de refroidissement du substrat diélectrique.

13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que le diélectrique présente des canaux dans lesquels circule un liquide de refroidissement ou que le diélectrique est disposé sur un support comportant des canaux dans lesquels circule un liquide de refroidissement.

14. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la surface du micro-ruban est revêtue d'un dépôt de métal bon conducteur électrique et insensible à l'oxydation tel que l'or.

15. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit système d'adaptation d'impédance est réalisé à partir de composants d'accord d'impédance réalisés dans la structure même du micro-ruban.

16. Dispositif générateur de plasma, caractérisé par le fait qu'il est constitué d'un assemblage d'au moins deux, de préférence de 2 à 15, et plus préférentiellement encore de 3 à 8, dispositifs tels que décrits dans l'une quelconque des revendications 1 à 15.

17. Torche à plasma comprenant au moins une source de très haute fréquence connectée via un dispositif d'adaptation d'impédance à un micro-ruban conducteur fixé sur un support diélectrique, au moins un moyen de refroidissement dudit micro-ruban, ledit support diélectrique étant traversé longitudinalement par uncanal par une extrémité duquel est introduit le gaz et dans lequel se forme le plasma dont les espèces actives sont extraites par l'écoulement gazeux par l'extrémité opposée.