FR3107801A1 - Applicateur d’onde haute fréquence, coupleur et dispositif associés pour la production d’un plasma - Google Patents

Applicateur d’onde haute fréquence, coupleur et dispositif associés pour la production d’un plasma Download PDF

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Abstract

Adaptateur d’onde haute fréquence, coupleur et dispositif associés pour la production d’un plasma Applicateur (1) d’onde haute fréquence pour la production d’un plasma, comprenant un conducteur intérieur (11), et un conducteur extérieur (12) formant une structure coaxiale (10), et un milieu de propagation (13) d’une onde haute-fréquence selon une direction principale de propagation (x), comprenant un diélectrique de passage (130) de l’onde (4) présentant un corps solide d’étanchéité disposé entre le conducteur intérieur (11) et le conducteur extérieur (12). Avantageusement, le conducteur intérieur (11) présente une première dimension externe d1 selon une direction transverse (y), perpendiculaire à la direction principale de propagation (x), et le conducteur extérieur (12) présente une dimension interne d2 selon la direction transverse (y), telles que 0,2<(d2-d1)/d2 < 0,7, permettant d’améliorer la dissipation des flux d’énergie en surface de l’applicateur (1). Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Applicateur d’onde haute fréquence, coupleur et dispositif associés pour la production d’un plasma
La présente invention concerne le domaine de la production de plasma excité par une onde haute fréquence. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse la production de plasma à haute puissance (puissance donnant lieu à des densités de puissance supérieures à la dizaine de W/cm2) et dans le domaine des fortes pressions (pression supérieure à 1 Torr, correspondant à environ 133 Pa dans le système international des unités).
ETAT DE LA TECHNIQUE
De nombreuses techniques de dépôt sont assistées par plasma. Par exemple, le dépôt d’un film de silicium polycristallin ou de diamant sur un substrat peut avantageusement être réalisé par de telles techniques. On rappelle qu’un plasma est un milieu gazeux conducteur constitué d’électrons, d’ions et de particules neutres, et macroscopiquement neutre électriquement. Un plasma est notamment obtenu par ionisation d’un gaz par des électrons. On s’intéresse ici aux plasmas excités par ondes électromagnétiques de haute fréquence, et plus particulièrement du domaine des micro-ondes. Certaines applications nécessitent un dépôt sur de larges surfaces, et donc la génération d’un plasma uniforme dans une zone de production étendue. Pour cela, plusieurs solutions technologiques existent.
Une de ces solutions consiste à distribuer spatialement des ondes de haute fréquence, et notamment des micro-ondes, en utilisant un guide d’onde dans lequel les ondes sont propagées et injectées, via des fentes d’injection, dans une enceinte où le dépôt est réalisé. Toutefois, les guides d’ondes restent encombrants et des couplages indésirables entre les ondes injectées via différentes fentes d’injection peuvent limiter la stabilité du plasma.
Une autre solution consiste à distribuer des coupleurs indépendamment alimentés en ondes haute fréquence. De manière générale, un coupleur pour la production d’un plasma est configuré pour transférer une onde électromagnétique d’une extrémité arrière, connectée à un générateur d’onde, à une extrémité avant, où le couplage de l’onde avec des électrons permet de générer un plasma.
Pour transférer les ondes et les coupler avec les électrons afin de générer un plasma, le coupleur comprend une partie terminale avant, désignée par la suite applicateur. L’applicateur comprend une structure coaxiale généralement ouverte à son extrémité avant où un champ électromagnétique débouche et rayonne dans l’enceinte sous vide d’un dispositif de production de plasma.
Comme illustré par la figure 1, un coupleur présente une extrémité arrière connectée à un générateur d’onde 5, et comprend un applicateur d’onde, généralement constitué de deux conducteurs électriques: un conducteur intérieur 11 et un conducteur extérieur 12 formant ensemble une structure coaxiale 10, le conducteur intérieur 11 et le conducteur extérieur 12 étant séparés entre eux par un milieu diélectrique de propagation 13 des ondes. L’applicateur peut être disposé au niveau d’une paroi 300 de l’enceinte 30 du dispositif ou inséré au moins en partie dans l’enceinte.
Le milieu de propagation 13 est constitué d’au moins un diélectrique transparent aux ondes. Le milieu de propagation 13 peut comprendre différents matériaux diélectriques disposés par tronçons. Le milieu de propagation contient au moins un diélectrique de passage 130 des ondes qui présente un corps solide configuré pour obtenir une étanchéité au vide entre au moins une partie du milieu de propagation 13, par exemple à la pression atmosphérique, et l’enceinte 30 sous vide du dispositif de génération de plasma. Le diélectrique de passage 130 peut par exemple être positionné au niveau de l’extrémité avant de l’applicateur, ou bien, comme représenté en figure 1, en retrait par rapport à cette extrémité.
Par ailleurs, il est connu du document WO03103003 A1 un coupleur visant à produire une nappe de plasma à la surface de la paroi de l’enceinte d’un dispositif de génération de plasma. Le coupleur comprend un conducteur intérieur affleurant sensiblement avec la paroi de l’enceinte, le conducteur intérieur et la paroi de l'enceinte étant séparées par un espace coaxial au conducteur intérieur, formant le milieu de propagation. L’espace coaxial est rempli à l'extrémité du coupleur par un diélectrique de passage des ondes présentant un corps solide.
Les applicateurs d’onde haute fréquence peuvent toutefois être soumis à des flux importants d’énergie à leur extrémité avant, en contact avec le plasma, et notamment lorsque le coupleur fonctionne à haute puissance et à pression élevée. Ces flux d’énergie se traduisent par des quantités importantes de chaleur, induisant des contraintes thermomécaniques. Ces contraintes peuvent donner lieu à des stress et des déformations des éléments constituant l’applicateur, voire conduire à leur fracture. Ainsi, la distribution des ondes par des coupleurs reste limitée à des domaines de pression intermédiaires, ne dépassant pas en général 0,5 Torr. Ceci limite leur utilisation pour des dépôts exigeant, en plus d’une haute puissance, de fortes pressions, comme par exemple le dépôt de diamant.
Un objet de la présente invention est donc de proposer un applicateur d’onde haute fréquence permettant un bon transfert de puissance, voire un bon couplage entre une onde électromagnétique et des électrons pour la production d’un plasma, en améliorant la dissipation des flux d’énergie.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RESUME
Pour atteindre cet objectif, selon un premier aspect on prévoit un applicateur d’onde haute fréquence pour un coupleur pour la production d’un plasma, comprenant :
  • un conducteur intérieur et un conducteur extérieur formant ensemble une structure coaxiale s’étendant selon une direction principale de propagation de l’onde à l’intérieur de la structure coaxiale,
  • un milieu de propagation de l’onde haute fréquence délimité par une surface externe du conducteur intérieur et une surface interne du conducteur extérieur, et comprenant un diélectrique dit de passage de l’onde haute fréquence, le diélectrique de passage comprenant un corps solide d’étanchéité disposé entre le conducteur intérieur et le conducteur extérieur,
le conducteur intérieur présente, selon une direction transverse perpendiculaire à la direction principale de propagation, une première dimension externe d1prise entre deux points de sa surface externe opposés relativement à un axe de la structure coaxiale, et le conducteur extérieur présente, selon la direction transverse, une dimension interne d2prise entre deux points de sa surface interne opposés relativement à l‘axe de la structure coaxiale.
Avantageusement, la première dimension externe d1et la dimension interne d2sont telles que :
Ce rapport de dimensions du conducteur intérieur et du conducteur extérieur permet une bonne répartition surfacique de la puissance, tout en maintenant un bon couplage au plasma et un niveau faible de pertes d’insertion. Ainsi, l’applicateur permet de générer un plasma de haute puissance et à haute pression, tout en améliorant la dissipation des flux d’énergie en surface de l’applicateur, et notamment en surface d’une extrémité avant du conducteur intérieur. La fiabilité de l’applicateur est ainsi augmentée, ce qui permet d’améliorer la stabilité et la reproductibilité des procédés dans lesquels l’applicateur est utilisé. L’applicateur peut ainsi être utilisé pour la production de plasma à haute puissance et dans le domaine des fortes pressions.
Par ailleurs, la répartition surfacique de la puissance permet d’étendre la zone de dépôt de puissance, et donc celle de production du plasma.
L’applicateur est particulièrement adapté aux procédés de dépôt assistés par plasma, tels que les procédés PECVD (de l’anglais Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, pour dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma), et plus particulièrement le dépôt de diamant sur grande surface. Ces procédés nécessitent généralement de fortes concentrations d’espèces dans le plasma généré, et de préférence sur des surfaces étendues, pour accélérer la vitesse et/ou la cadence de dépôt. L’applicateur tel qu’introduit ci-dessus permet de répondre à cette nécessité.
Selon un exemple, le conducteur intérieur et le conducteur extérieur peuvent former ensemble une structure coaxiale cylindrique s’étendant selon une direction principale de propagation. Le conducteur intérieur peut présenter, selon une direction transverse perpendiculaire à la direction principale de propagation, un rayon externe r1et le conducteur extérieur peut présenter selon la direction transverse, un rayon interne r2. Le rayon externe r1et le rayon interne r2peuvent être tels que, avec r1 égal à d1/2 et r2égal à d2/2 :
Un deuxième aspect concerne un coupleur d’onde haute fréquence pour la production d’un plasma comprenant
  • une structure coaxiale formée d’un conducteur intérieur, et d’un conducteur extérieur, configurée pour être connectée à un générateur d’onde haute fréquence,
  • un applicateur d’onde haute fréquence selon le premier aspect, la structure coaxiale de l’applicateur étant disposée dans la continuité de la structure coaxiale du coupleur.
Selon un exemple, l’applicateur d’onde haute fréquence est configuré pour être fixé de façon amovible sur la structure coaxiale du coupleur. L’applicateur peut ainsi être monté sur différentes structures coaxiales de coupleur. Ces structures coaxiales, de moindre coût, peuvent être conçues pour assurer un bon couplage avec la décharge d’onde issue du générateur, pour différentes impédances plasma, pour un même applicateur. L’utilisation de coupleur d’onde haute fréquence est donc rendue plus flexible. En outre, si uniquement un parmi l’applicateur et la structure coaxiale est endommagé, il n’est pas nécessaire de changer l’ensemble du coupleur. Selon un exemple, l’applicateur peut être configuré pour être fixé manuellement par un utilisateur sur la structure coaxiale du coupleur.
Un troisième aspect de l’invention concerne un dispositif de production d’un plasma comprenant une enceinte et au moins un coupleur d’onde haute fréquence selon le deuxième aspect.
De par les caractéristiques du coupleur, et notamment de l’applicateur, le dispositif de production de plasma présente plusieurs avantages par rapport aux solutions existantes. La fiabilité du dispositif est en outre augmentée par l’amélioration de la dissipation des flux d’énergie sur l’au moins un coupleur, tout en offrant un bon couplage, voire un couplage amélioré.
L’applicateur pouvant être monté sur différentes structures coaxiales de coupleur, de moindre coût, les coûts d’investissement associés sont réduits, tout en permettant d’utiliser différentes conditions opératoires. Le dispositif est donc adapté à différents procédés, et notamment aux procédés de dépôt assisté par plasma à haute vitesse et/ou grande cadence de dépôt.
Selon un exemple, le dispositif peut comprendre une pluralité de coupleurs, les coupleurs étant disposés sur au moins deux, voire trois, parois de l’enceinte de façon à former un réseau au moins bidimensionnel, voire tridimensionnel. L’applicateur permettant d’étendre la zone de dépôt de puissance, et donc celle de production du plasma, une pluralité de coupleurs peut être utilisée pour obtenir des plasmas uniformes sur grandes dimensions. Un plasma uniforme de de haute densité d’espèces peut être obtenu, ce qui permet d’accroitre considérablement la vitesse des procédés mettant en œuvre le dispositif. En outre, le nombre de pièces à traiter peut être augmenté par l’augmentation du nombre de coupleurs et, donc, du volume de plasma généré. Ainsi, les coûts de production sont diminués.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La figure 1 représente une vue selon une coupe longitudinale d’un coupleur illustrant l’état de la technique.
La figure 2 représente une vue de l’enceinte d’un dispositif de production de plasma, selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 3 représente une vue selon une coupe longitudinale d’un coupleur, selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 4 représente une vue selon une coupe longitudinale d’un applicateur, selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 5 représente une vue selon une coupe longitudinale d’un applicateur, selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La figure 6 représente une vue selon une coupe longitudinale d’un applicateur, selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
La figure 7 représente une vue selon une coupe longitudinale d’un applicateur, selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
La figure 8 est un graphique représentant la répartition surfacique de la puissance (en W.cm-2) sur l’extrémité avant de l’applicateur pour plusieurs valeurs de rayons du conducteur intérieur, selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 9 est un graphique des pertes d’insertion, en valeurs relatives, représentées en fonction des dimensions relatives de l’applicateur selon différents modes de réalisation de l’invention.
La figure 10 est un graphique de la variation relative de l’impédance à vide, c’est à dire sans génération de plasma, sur l’extrémité avant de l’applicateur, normalisée à son impédance caractéristique, et représentée en fonction des dimensions relatives de l’applicateur selon différents modes de réalisation de l’invention.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les dimensions relatives des différents éléments de l’applicateur ne sont pas nécessairement représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement:
  • l’onde haute fréquence présente une fréquence supérieure à la centaine de MHz. Selon un exemple, l’onde est une onde micro-onde, et notamment l’onde présente une fréquence comprise entre 300 MHz et 10 GHz. Selon un exemple, la fréquence peut être 352 MHz, 433 MHz, 915 MHz, 2,45 GHz, 5,8 GHz,
  • le diélectrique de passage peut être disposé à une extrémité avant du milieu de propagation, et s’étendre, selon la direction principale de propagation, sur une longueur sensiblement égale à un multiple d’un dixième d’un quart de longueur d’onde de l’onde. Le diélectrique de passage est ainsi dans une configuration dite de fenêtre mince. Selon un exemple, longueur d’onde de l’onde est sa longueur d’onde dans le diélectrique de passage,
  • la structure coaxiale peut présenter une symétrie de révolution autour de son axe,
  • le conducteur intérieur peut présenter, sur une portion s’étendant depuis une extrémité avant du conducteur intérieur, un resserrement de façon à présenter selon la direction transverse, depuis la portion et jusqu’à son extrémité arrière, une deuxième dimension externe d1 ’, entre deux points de sa surface externe opposés relativement à l‘axe de la structure coaxiale, la première dimension externe d1étant supérieure à la deuxième dimension externe d1 ’,
  • l’applicateur peut comprendre un diélectrique dit de recouvrement présentant un corps solide et recouvrant au moins une extrémité avant du conducteur intérieur,
  • le diélectrique de passage peut être disposé à une extrémité avant du milieu de propagation, et le diélectrique de recouvrement peut recouvrir en outre une extrémité avant du conducteur extérieur et le diélectrique de passage,
  • le diélectrique de passage et le diélectrique de recouvrement peuvent former un ensemble présentant un corps commun sans discontinuité,
  • l’ensemble formé par le diélectrique de passage et le diélectrique de recouvrement peut présenter, selon la direction principale de propagation et au niveau du milieu de propagation, une longueur sensiblement égale à un multiple d’un dixième d’un quart de longueur d’onde de l’onde. Selon un exemple, longueur d’onde de l’onde est sa longueur d’onde dans le diélectrique de passage,
  • l’applicateur peut comprendre en outre un module de refroidissement disposé dans le conducteur intérieur, le module de refroidissement comprenant une chambre de refroidissement délimitée par une extrémité avant du conducteur intérieur. Le conducteur intérieur peut présenter, au niveau de la chambre de refroidissement, une épaisseur réduite,
  • l’épaisseur e112du conducteur intérieur au niveau de la chambre de refroidissement peut être inférieure ou égale à
où k11et k14représentent respectivement les conductivités thermiques du conducteur intérieur et du diélectrique de recouvrement et e11l’épaisseur du conducteur intérieur.
  • l’applicateur peut comprendre un diélectrique de recouvrement présentant un corps solide et recouvrant au moins une extrémité avant du conducteur intérieur, et une céramique de jonction disposée au contact entre au moins le diélectrique de recouvrement et le conducteur intérieur, et de préférence au contact entre le conducteur intérieur et le diélectrique de recouvrement et au contact entre le conducteur intérieur et le diélectrique de passage,
  • le diélectrique de passage, la céramique de jonction et le conducteur intérieur peuvent être formés de matériaux dont le rapport entre eux de leurs coefficients d’expansion thermique est compris entre 0,5 et 1,5.
  • l’applicateur peut comprendre en outre un jonc de brasure disposé entre le diélectrique de passage et le conducteur extérieur,
  • le diélectrique de passage, le jonc de brasure et le conducteur extérieur peuvent être formés de matériaux dont le rapport entre eux de leurs coefficients d’expansion thermique est compris entre 0,5 et 1,5.
Dans la suite de la description, il sera fait usage de termes tels que « longitudinal », « transversal », « avant » et « arrière ». Ces termes doivent être interprétés de façon relative en relation avec la position normale d’utilisation de l’applicateur d’onde haute fréquence ou du coupleur dans le dispositif de production de plasma. Par exemple, on entend par extrémité «avant», l’extrémité de l’applicateur ou du coupleur tournée vers l’enceinte du dispositif de production de plasma. L’extrémité «arrière» désigne l’extrémité de l’applicateur ou du coupleur tournée à l’opposé, c’est-à-dire vers l’extérieur du dispositif de production de plasma. «Longitudinal» s’entend par rapport à la direction principale d’extension de l’applicateur ou du coupleur, parallèle à la direction principale de propagation des ondes.
«Interne» désigne les éléments ou les faces tournées vers l’intérieur de l’applicateur ou du coupleur, et «externe » désigne les éléments ou les faces tournées vers l’extérieur de l’applicateur ou du coupleur. Selon un exemple, la structure coaxiale de l’applicateur et du coupleur présentant un axe central A, «interne» désigne les éléments ou les faces tournées vers cet axe, et «externe » désigne les éléments ou les faces tournées à l’opposé de cet axe central.
On entend par un paramètre « sensiblement égal/supérieur/inférieur à » une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur.
On entend par un matériau d’un élément de l’applicateur ou du coupleur à base d’un composé A, un élément comprenant ce composé A et éventuellement d’autres matériaux, voire le matériau est majoritairement formé de ce composé A.
L'épaisseur d’un élément ou d’une paroi est mesurée, pour au moins une portion considérée, en chaque point de la surface de l’élément ou de la paroi pour l’au moins une portion considérée, selon une direction perpendiculaire à la tangente en ce point.
Le dispositif 3 de production de plasma est décrit en référence à la figure 2. Le dispositif comprend une enceinte 30 présentant plusieurs parois 300. Au moins un coupleur 2 d’onde haute fréquence est disposé sur une paroi 300 de l’enceinte 30. Le coupleur 2 vise à assurer la propagation d’une onde électromagnétique depuis un générateur de micro-ondes jusqu'à l'intérieur de l'enceinte 30 avec un minimum de perte de puissance. Le coupleur 2 permet en outre de coupler une onde électromagnétique 4, de préférence de haute fréquence transmise par le coupleur aux électrons. Ce couplage permet d’ioniser un gaz ou un mélange de gaz présent dans l’enceinte 30 pour générer un plasma. La fréquence de l’onde peut être supérieure à 100 MHz. Plus particulièrement la fréquence de l’onde peut être dans le domaine des micro-ondes, et par exemple comprise entre 300 MHz et 10 GHz. Dans la suite, on se réfère à l’exemple non-limitatif dans lequel l’onde est une onde micro-onde.
Pour cela, le dispositif 3 peut comprendre des modules d’introduction de gaz configurés pour fournir le gaz ou le mélange de gaz dans l’enceinte 30, ainsi que des modules de pompage, non représentés en figure 3 et connus de l’homme du métier. Les modules d’introduction de gaz et les modules de pompage permettent de maintenir la pression du gaz à ioniser à une valeur souhaitée, choisie notamment selon la nature du gaz, et la densité d’espèces voulue dans le plasma généré.
Typiquement, la pression du gaz ou du mélange de gaz peut être comprise entre quelques millitorr à quelques dizaines de torr (correspondant à environ quelques dixièmes de Pa à quelques milliers de Pa, dans le système international des unités) . Plus particulièrement, le dispositif 3 de production de plasma est configuré pour fonctionner dans le domaine des fortes pressions, c’est à dire à une pression supérieure à 1 Torr, correspondant à 133 Pa. En outre, le dispositif 3 peut être configuré pour fonctionner à une haute puissance micro-onde donnant lieu à des hautes densités de puissance, par exemple à une densité de puissance supérieure à 10 W/cm2.
En effet, le dispositif 3 de production de plasma comprend un coupleur 2, configuré pour supporter l’application de fortes puissances et des fortes pressions. Ainsi, le dispositif 3 est adapté à la production des plasmas de très fortes densités d’espèces, par exemple dans les procédés de traitement par plasma à grande vitesse et/ou grande cadence de fabrication. À titre d’exemple non limitatif, on envisage notamment des procédés de dépôt chimiques en phase vapeur assisté par plasma (abrégé PECVD, de l’anglaisPlasma Enhanced Chemical Vapor D e position) tels que le dépôt de diamant, le dépôt de silicium polycristallin, le dépôt de film anticorrosif, l’enlèvement de résine.
Le coupleur 2 peut être disposé au niveau d’une paroi 300 de l’enceinte 30 de façon à affleurer cette paroi 300 selon l’exemple illustré en figure 2, ou inséré au moins en partie dans l’enceinte 30. De préférence, le coupleur 2 est disposé de façon à affleurer la paroi de la chambre, pour augmenter l’uniformité du plasma.
Le dispositif 3 peut comprendre une pluralité de coupleurs 2, afin de former un réseau s’étendant sur au moins une paroi 300 de l’enceinte 30. En augmentant le nombre de coupleurs, le volume du plasma généré peut être étendu. Ainsi, la surface traitée par le plasma et/ou le nombre de pièces à traiter peuvent être augmentés, entraînant une diminution des coûts de production et permettant la mise en œuvre de procédés de traitement de grande surface. Selon un exemple, une pluralité de coupleurs 2 est disposée sur au moins deux parois 300, afin de former un réseau bidimensionnel. Selon l’exemple illustré en figure 2, une pluralité de coupleurs 2 est disposée sur trois parois 300, afin de former un réseau tridimensionnel. Ainsi, la surface traitée par le plasma et/ou le nombre de pièces à traiter peuvent être encore augmentés. En outre, il est possible de traiter un objet présentant une surface complexe, par exemple la surface de l’objet s’étend dans les trois dimensions de l’espace.
Le coupleur 2 micro-onde est maintenant écrit en référence à la figure 3. Le coupleur 2 comprend une partie arrière et une partie terminale avant, désignée dans la suite par le terme applicateur 1 micro-onde. La partie arrière du coupleur 2 et l’applicateur 1 comprennent un conducteur intérieur 11,21, aussi désigné dans le domaine par le terme «âme centrale», et un conducteur extérieur 12, 22, aussi désigné dans le domaine par le terme «blindage». Le conducteur intérieur 11,21, et le conducteur extérieur 12, 22 sont des structures électriquement conductrices. Le conducteur intérieur 11, 21 s’étend selon une direction principale x entre une extrémité avant 112, 212 destinée à être dirigée vers l’intérieur de l’enceinte 30 du dispositif 3, et une extrémité arrière 113, 213. Le conducteur extérieur 12, 22 s’étend selon une direction principale x entre une extrémité avant 122, 222 destinée à être dirigée vers l’intérieur de l’enceinte 30 du dispositif 3, et une extrémité arrière 123, 223. Pour la partie arrière du coupleur 2 et l’applicateur 1, le conducteur extérieur 12, 22 entoure le conducteur intérieur 11, 21, au moins partiellement selon une direction principale x, et forment une structure coaxiale 10, 20 présentant un axe central A parallèle à la direction principale x. Selon un exemple, chaque structure coaxiale 10, 20 présente une symétrie de révolution autour de l’axe central A dit axe de révolution. Par exemple, le conducteur intérieur 11, 21 et le conducteur extérieur 12, 22 sont cylindriques. Dans la suite, on désigne de façon équivalente la partie arrière du coupleur 2 par structure coaxiale 20.
Afin de transmettre les micro-ondes de l’extrémité arrière du coupleur 2 à l’extrémité avant de l’applicateur 1 où le plasma est produit, un milieu de propagation 13, 23 est délimité par la surface externe 111, 211 du conducteur intérieur 11, 21 et la surface interne 120, 220 du conducteur extérieur 12, 22. Le milieu de propagation 13, 23 est un milieu diélectrique, et donc transparent aux micro-ondes. Ce milieu s’étend selon une direction principale de propagation des micro-ondes, parallèle, voire confondue, à la direction x. Le milieu de propagation 13, 23 peut être formé d’un de plusieurs matériaux diélectriques, tels que l’air, le quartz, et l’alumine. Comme illustré dans la figure 3, la structure coaxiale 13 de l’applicateur 1 et la structure coaxiale 20 du coupleur 2 peuvent être disposées dans la continuité l’une de l’autre.
Le coupleur 2 peut être connecté à un générateur de micro-ondes 5 et être configuré pour injecter les micro-ondes dans le milieu de propagation 13, 23. Pour cela, le conducteur intérieur 23 présente à son extrémité arrière 213 un fond 2130 située à une distance d7du connecteur d’injection de micro-ondes 50 selon la direction x, et délimitant le milieu de propagation 23 au niveau des extrémités arrières 213, 223 des conducteurs intérieur 21 et extérieur 22. Cette distance d7est généralement choisie en quart d’onde λ/4, avec λ la longueur d’onde des micro-ondes. Notons que cette distance d7peut être différente selon la conception du coupleur 2, et notamment de sa structure coaxiale 20.
L’applicateur 1 micro-onde peut être agencé au niveau d’une paroi 300 de l’enceinte 30 selon l’exemple illustré en figure 2. Pour cela, l’applicateur 1 peut comprendre un module de mise en butée 124, par exemple avec une butée fixe 124 disposée sur le pourtour du conducteur extérieur 12. L’on comprend que selon la disposition du module de mise en butée 124, l’applicateur 1 peut affleurer la paroi 300 de l’enceinte 30, ou bien être inséré au moins en partie dans l’enceinte 30.
Selon un exemple, l’applicateur 1 et la partie arrière du coupleur 2 peuvent former une seule et même pièce. En alternative, l’applicateur 1 micro-onde peut être configuré pour être fixé de façon amovible sur la structure coaxiale 20 du coupleur 2. L’applicateur 1 micro-onde peut ainsi être monté sur toute structure coaxiale 20 du coupleur 2 configurée de sorte que le coupleur transmette les micro-ondes d’une extrémité à une autre du coupleur 2. Il est connu de l’homme du métier que les structures coaxiales 20, de moindre coût, peuvent être conçues pour assurer un bon couplage avec la décharge de micro-ondes issue du générateur 5. Par exemple, on pourra utiliser différentes structures coaxiales 20 pour différentes impédances plasma, c’est-à-dire différentes fenêtres en pression et en puissance d’utilisation, pour un même applicateur 1. L’utilisation du coupleur micro-onde 2 est donc rendue plus flexible. Le coût d’investissement associé au dispositif 3 est en outre réduit, puisqu’il est possible d’utiliser l’applicateur 1 pour différentes conditions opératoires et, donc, différents procédés de traitement. En outre, si uniquement un parmi l’applicateur 1 et la structure coaxiale 20 du coupleur 2 est endommagé, il n’est pas nécessaire de changer l’ensemble du coupleur 2.
L’applicateur 1 peut être fixé sur la structure coaxiale 20 du coupleur 2 par le biais d’outils, ou de préférence manuellement par un utilisateur. Pour cela, l’applicateur 1 peut comprendre un module de fixation 123’ complémentaire d’un module de fixation 222’ de la structure coaxiale 20 du coupleur 2, et configurés pour solidariser l’applicateur 1 à la structure coaxiale 20. Par exemple, ces modules de fixation présentent des filetages complémentaires. Selon un autre exemple, ces modules de fixation présentent des reliefs complémentaires propres à être enclipsés. Selon l’exemple illustré en figure 2, le module de fixation 123’ peut être disposé à l’extrémité arrière 123 du conducteur extérieur 12 de l’applicateur 1, et le module de fixation 222’ peut être disposé à l’extrémité avant 222 du conducteur extérieur 22. En outre, le conducteur intérieur 11 de l’applicateur peut présenter à son extrémité arrière 113 un profil complémentaire à l’extrémité avant 212 du conducteur intérieur 21 de la structure coaxiale 20. Afin de réaliser une étanchéité au vide entre les conducteur intérieur 11, 21, un joint, et par exemple un joint torique 115, peut être disposé à leur interface. En outre, la surface de contact entre les conducteurs intérieurs 11, 21 s’étend selon la direction 11 pour améliorer le transfert thermique le long des conducteurs intérieurs 11, 21, ainsi qu’assurer un bon guidage mécanique lorsque l’applicateur 1 est monté sur la structure coaxiale 20.
Par ailleurs, le conducteur extérieur 22 de la structure coaxiale 20, voire le conducteur extérieur 12 de l’applicateur, présente un diamètre nominal compatible aux standards, tels que les standards DN40 (40 mm), DN25 (25 mm), DN16 (16 mm).
L’applicateur micro-onde est maintenant décrit en détail en référence aux figures 4 à 7. Lorsqu’un coupleur 2 fonctionne à haute puissance et à pression élevée, l’applicateur 1 en contact avec le plasma est exposée à des flux importants d’énergie, ce qui se traduit par des quantités importantes de chaleur. L’applicateur 1 est ici configuré pour supporter ces flux importants d’énergie, par une distribution efficace de la chaleur et sa dissipation. Ainsi, les contraintes thermomécaniques donnant lieu à des stress et des déformations voire une fracture mécanique des éléments de l’applicateur 1 sont réduites, voire évitées.
L’applicateur 1 présente plus particulièrement une configuration des conducteurs intérieur 11 et extérieur 12, ainsi qu’un assemblage de différents matériaux permettant son fonctionnement sans endommagement, notamment lorsque le flux d’énergie auquel le coupleur 2 est exposé devient important.
Pour cela, selon une direction transverse y, perpendiculaire à la direction principale de propagation x, le conducteur intérieur 11 présente une première dimension externe d1entre deux points de sa surface externe 111 opposés relativement à l’axe de la structure coaxiale 10, et le conducteur extérieur 12 présente une dimension interne d2entre deux points de sa surface interne 120 opposés relativement à l’axe de la structure coaxiale 10, la première dimension externe d1et la dimension interne d2étant relativement choisies de façon à permettre une bonne répartition surfacique de la puissance, tout en maintenant un bon couplage au plasma et un niveau faible des pertes d’insertion.
L’augmentation de la dimension d1du conducteur intérieur 11 par rapport à la dimension d2du conducteur extérieur 12 permet d’améliorer considérablement la répartition surfacique de la puissance. Toutefois, cette augmentation induit, d’une part, une augmentation quasi-exponentielle des pertes d’insertion (αc), ce qui diminue la puissance transmise au plasma et, d’autre part, une augmentation du module de l’impédance à vide |XV| normalisé à l’impédance caractéristique Z0, désigné ZNci-après, avec ZN= │Xv│/Z0, ce qui dégrade le couplage.
Dans ce cas, la dimension d1du conducteur intérieur 11 par rapport à la dimension d2du conducteur extérieur 12 peut être bornée en fonction des pertes d’insertion (αc) dans les conducteurs 11, 12 de l’applicateur et en fonction de l’impédance normalisée ZN. Par exemple, à dimension d2constante, selon un diamètre normalisé du conducteur extérieur, et à une fréquence fixée, la dimension d1est choisi de sorte que:
  • Δαc/αcminest inférieur à 200 %, où Δαccorrespond à la différence entre αcet αcmin, αcmincorrespondant au coefficient de pertes d'insertion dans les conducteurs intérieur 11 et extérieur 12;
  • δZN/ZN minest inférieur à 65 %, où δZNcorrespond à la différence entre ZNet ZN min, ZNminétant égal à│Xv│min/Z0, │Xv│mincorrespondant à une impédance à vide proche de l’impédance caractéristique Z0, ZNmintendant vers 1.
Partant des conditions ci-dessus, la diminution de la dimension d1du conducteur intérieur 11 par rapport à la dimension d2du conducteur extérieur 12 permet de minimiser, aussi bien les pertes d’insertion, que l’impédance normalisée. Toutefois, cette diminution réduit la surface de répartition de la puissance. Dans ce cas, la diminution maximale de la dimension d1du conducteur intérieur 11 peut être bornée par les valeurs minimales des pertes d’insertion (αc) et de l’impédance normalisée ZN. Au-delà de ces valeurs minimales, non seulement la puissance est désavantageusement repartie sur une très petite surface, mais aussi les pertes d’insertion et l’impédance normalisée ZNré-augmentent drastiquement.
Au cours du développement de l’invention, un rapport des dimensions d1et d2des conducteurs respectivement intérieur 11 et extérieur 12 a été mis en évidence afin d’obtenir l’extension de la zone de répartition de la puissance, tout en gardant le maintien à un niveau faible des pertes d’insertion et de l’impédance normalisée ZN.
La première dimension externe d1et la dimension interne d2sont telles que
Selon l’exemple dans lequel les conducteurs intérieur 11 et extérieur 12 sont cylindriques, avec d = 2r, on obtient la relation suivante.
De préférence, la diminution de la dimension d1du conducteur intérieur 11 est bornée par Δαc/αcmin> 50% et (ZN) δZN/ZN min> 10 % pour avoir une surface de répartition de puissance suffisamment étendue. Ainsi, le rapport des dimensions présenté dans les deux relations précitées peut être compris entre 0,2 et 0,4.
Ainsi, la puissance surfacique est répartie en surface du conducteur intérieur 11 tout en minimisant les pertes d’insertion et l’impédance normalisée, et plus particulièrement en gardant des pertes d'insertion faibles comprises entre 0 et 200*αcminet des écarts relatifs d’impédance de 0 à 65 *ZNmin.
Dans la suite on considère à titre non limitatif que les conducteurs intérieur 11 et extérieur 12 sont cylindriques, et donc forment une structure coaxiale 10 cylindrique.
À titre d’exemple, la figure 8 illustre la répartition surfacique de la puissance micro-onde (en W.cm-2) sur l’extrémité avant de l’applicateur 1 pour plusieurs valeurs de rayons du conducteur intérieur 11, pour une décharge d’argon à une pression de sensiblement 1 Torr par un coupleur de diamètre nominal 25 mm lorsqu’il est alimenté par 30 W de puissance micro-onde à 915 MHz. On remarque que plus le rayon r1du conducteur intérieur augmente de 3,1 à 9,5 mm, plus la puissance micro-onde est répartie le long du conducteur intérieur 11 selon une direction transverse à l’axe de révolution A.
La figure 9 illustre un graphique des pertes d’insertion, en valeurs relatives, calculées en fonction du rapport (r2-r1)/r2pour un guide d’onde coaxial en aluminium de différents diamètres nominaux (abrégé DN) donnés en mm, avec un milieu de propagation 13 d’air à une fréquence micro-onde de 915 MHz ou de 2,45 GHz. Selon l’exemple illustré en figure 9, un minimum de pertes de αcmin= 3.10-3m-1peut être obtenu pour un rayon r1de 3 à 4 mm (soit une perte relative de Δαc/αcmin= (αc- αcmin)/ αcmin≈ 0), mais la puissance déposée dans le plasma, comme illustrée par la figure 8, reste localisée sur un diamètre inférieure à 5 mm, ce qui est largement inférieur au rayon r2du conducteur extérieur 12, de 12,5 mm selon cet exemple. Pour un rayon r1compris entre 7 mm et 9,5 mm, les pertes d’insertion relatives Δαc/αcminsont inférieures à 200 % tout en permettant une meilleure expansion surfacique de la puissance, selon la figure 8.
Pour les valeurs considérées ci-dessus à titre d’exemple, la figure 10 confirme que le meilleur couplage, en ayant δZN/ZN min≈ 0, correspond à un rayon r1de 3 à 4 mm pour un rayon r2de 12,5 mm. Selon la figure 8, la puissance est toutefois concentrée sur une zone de répartition de rayon inférieur à 5 mm. Pour un même rayon r2, le couplage correspondant à la meilleure répartition surfacique de la puissance est obtenu pour un rayon d’au moins 9,5 mm est inférieur à 65 %.
Les pertes d’insertion étant gardées à un niveau faible et le couplage entre les micro-ondes 4 et les électrons étant assuré, l’applicateur 1 permet la production d’un plasma à haute puissance avec une répartition avantageuse de la puissance et donc de la dissipation des flux d’énergie en surface de l’applicateur. La tenue thermomécanique de l’applicateur 1 est ainsi améliorée. Sa fiabilité est donc augmentée, ce qui permet d’améliorer la stabilité et la reproductibilité des procédés dans lesquels l’applicateur 1 est utilisé. L’applicateur 1 peut ainsi être utilisé pour la production de plasma à haute puissance et dans le domaine des fortes pressions, pour la production de plasma avec une haute densité d’espèces.
Cette configuration de l’applicateur 1 permet d’étendre la zone de dépôt de puissance des micro-ondes et, donc celle de génération du plasma. Cela a pour conséquence la réduction de la discontinuité entre les zones de génération lorsque qu’une pluralité de coupleur 2 est disposée dans un dispositif 3 de production de plasma. Des plasmas uniformes sur grandes dimensions peuvent ainsi être obtenus.
De façon synergique, un plasma uniforme avec une haute densité d’espèces peut être généré, notamment lorsque des coupleurs sont disposés à en réseau au moins bidimensionnel. Ceci permet d’accroitre considérablement la vitesse d’un procédé de traitement mettant en œuvre l’applicateur 1. Des procédés de traitement uniformes et à haute pression peuvent être mis en œuvre sur de grandes surfaces, ce qui résout un des principaux défis des plasmas à haute pression des solutions existantes. Par ailleurs, les coûts de maintenance sont réduits grâce à l’augmentation de la fiabilité de l’applicateur 1.
Le milieu de propagation 13 de l’applicateur 1 est maintenant décrit en détail. Le milieu de propagation 13 est constitué d’au moins un diélectrique transparent aux micro-ondes, et par exemple de l’air. Le milieu de propagation 13 comprend en outre un diélectrique de passage 130 de la micro-onde 4 présentant un corps solide dit d’étanchéité, à base d’un matériau diélectrique, et disposé entre le conducteur intérieur 11 et le conducteur extérieur 12. Le terme «solide» précise un état solide par rapport à un état gazeux ou liquide. Le diélectrique de passage 130 est configuré de façon à permettre le passage de la micro-onde 4 depuis le milieu de propagation 13 jusqu’à l’enceinte 30. Le diélectrique de passage est en outre configuré de façon à maintenir une étanchéité au vide entre l’enceinte 30 et le reste du milieu de propagation 13, qui est par exemple à la pression atmosphérique.
Selon l’exemple illustré en figure 4, le diélectrique de passage peut être positionné au niveau des extrémités avant 112, 122 des conducteur intérieur 11 et extérieur 12, de façon à former un bouchon diélectrique à l’extrémité avant 131 du milieu de propagation 13.
Le diélectrique de passage 130 des micro-ondes peut être dans une configuration de fenêtre mince. Pour cela, le diélectrique de passage 130 présente une longueur L, selon la direction principale de propagation x, sensiblement égale à un multiple d’un dixième d’un quart de longueur d’onde de la micro-onde 4 dans le diélectrique de passage 130. Cette configuration présente plusieurs avantages, par rapport aux solutions existantes dans lesquelles la longueur du diélectrique de passage est un multiple d’un demi et/ou d’un quart de longueur d’onde des micro-ondes. La longueur du diélectrique de passage 130 peut être inférieure à celle des solutions existantes, ce qui facilite la dissipation des flux d’énergie dans le diélectrique, et donc son refroidissement. En outre, une fenêtre mince limite la désadaptation en impédance entre l’applicateur 1 construit et celui prévu par des simulations numériques. Cette désadaptation est notamment induite par des écarts éventuels entre la permittivité diélectrique du diélectrique de passage 130, indiquée par les fournisseurs, utilisée comme donnée d’entrée lors de la conception numérique des coupleurs 2, et la permittivité diélectrique réelle. Ainsi, l’applicateur 1 permet de limiter, voire d’éviter, une perte de puissance des micro-ondes.
Pour garantir l’étanchéité par le diélectrique de passage 130 entre le diélectrique 130 et le conducteur extérieur 12, un jonc 17 est disposé à leur interface. Un jonc 17 correspond à une liaison métallique entre le diélectrique 130 et le conducteur extérieur 12. Le jonc est préférentiellement un jonc de brasure 17, permettant une liaison sans fusion du diélectrique 130 et du conducteur extérieur 12, à la différence d’un jonc de soudure. Le jonc de brasure 17 permet de remplacer un joint torique 18 généralement utilisé pour cette fonction, comme illustré en figure 1. Or, lors de l’utilisation d’un coupleur 2, un joint torique disposé à l’extrémité de l’applicateur 1 en contact avec le plasma, peut surchauffer et être endommagé, voire détruit. Ceci peut entraîner des fuites électromagnétiques, voire des instabilités de couplage. En outre, le jonc de brasure 17 confère une solidité mécanique à l’applicateur. De préférence, et comme décrit plus en détail ultérieurement, le jonc de brasure est en métal.
De façon synergique, la configuration en fenêtre mince facilite l’opération de brasure. Lors de cette opération, il est plus facile de contrôler la diffusion du jonc de brasure sur une distance plus courte et d’assurer ainsi l’étanchéité.
L’applicateur comprend en outre un diélectrique de recouvrement 14, une pièce à base d’un matériau diélectrique configurée pour recouvrir au moins l’extrémité avant 112 du conducteur intérieur 11. Selon un exemple, le diélectrique de recouvrement 14 recouvre en outre l’extrémité avant 122 du conducteur extérieur 12 et le diélectrique de passage 130 sur sa face avant. Le diélectrique de recouvrement 14 peut ainsi recouvrir l’ensemble de la surface de l’applicateur 1 en contact avec le plasma. Le recouvrement de la surface de l’applicateur 1 permet de faire barrière aux réactions chimiques qui pourraient être activées par la haute température de cette surface et, donc, de protéger l’applicateur contre une contamination du procédé. La fiabilité de l’applicateur est ainsi encore augmentée.
Le diélectrique de recouvrement 14 et le diélectrique de passage 130 peuvent être en outre juxtaposés selon la direction x sans discontinuité. Par exemple, on peut prévoir que les diélectriques de recouvrement 14 et de passage des micro-ondes 130 soient juxtaposés sans faire corps commun, ces diélectriques étant par exemple assemblés à l’aide d’une céramique de jonction.
De préférence, le diélectrique de recouvrement 14 peut faire corps commun avec le diélectrique de passage 130. Le diélectrique de recouvrement 14 et le diélectrique de passage 130 peuvent être directement juxtaposés selon la direction x sans discontinuité et être formés du même matériau. Ainsi, les contraintes d’ajustement mécanique entre le diélectrique de passage 130 et le diélectrique de recouvrement 14 sont ainsi évitées. Les problèmes de désalignement des diélectriques lors du montage sont en outre écartés. Par ailleurs, la formation de microcavités entre le diélectrique de passage 130 et le diélectrique de recouvrement 14 est ainsi évitée. La formation de micro-plasmas dans ces microcavités peut engendrer une surchauffe locale et une détérioration de l’applicateur 1. La dissipation des flux d’énergie en surface de l’applicateur est donc encore améliorée.
L’ensemble formé par le diélectrique de passage 130 et le diélectrique de recouvrement 14 peut être dans une configuration de fenêtre mince. Pour cela, l’ensemble formé par le diélectrique de passage 130 et le diélectrique de recouvrement 14 peut présenter une longueur L, selon la direction principale de propagation x et au niveau du milieu de propagation 13, sensiblement égale à un multiple d’un dixième d’un quart de longueur d’onde de la micro-onde 4 dans le diélectrique de passage 130.
Le diélectrique de recouvrement 14 peut être de faible épaisseur, et notamment de la plus faible épaisseur possible. L'épaisseur minimale du diélectrique de recouvrement 14 est plus particulièrement imposée par sa tenue mécanique. Par exemple, l'épaisseur du diélectrique de recouvrement 14 est sensiblement supérieure à 100 µm (10- 4m).
Pour améliorer la dissipation de la chaleur à la surface de l’applicateur 1 en contact avec le plasma, l’applicateur comprend un module de refroidissement 15 permettant un transfert efficace de la quantité de chaleur, déposée par le plasma sur l’applicateur 1. Ce module de refroidissement 15 est configuré pour faire circuler un liquide de refroidissement 153, par exemple de l’eau, pour dissiper la chaleur reçue par l’applicateur 1 de la part du plasma en la transférant vers le liquide de refroidissement 153.
Comme illustré par la figure 4, le module de refroidissement 15 peut être disposé à l’intérieur du conducteur intérieur 11. Le module de refroidissement 15 peut comprendre une chambre de refroidissement 150, configurée pour coopérer avec un élément d’injection 151 du liquide de refroidissement 153 disposé sur la structure coaxiale 20 du coupleur 2, et un conduit d’évacuation 152 de ce liquide.
La chambre de refroidissement 150 peut être délimitée par l’extrémité avant 112 du conducteur intérieur 11, par sa surface intérieure 110. L’élément d’injection 151, telle qu’une aiguille biseauté, peut déboucher dans la chambre de refroidissement 150, en regard de l’avant de l’applicateur 1.
Le conduit d’évacuation 152 peut s’étendre de la chambre de refroidissement 150 selon la direction x dans le conducteur intérieur 21 de la structure coaxiale jusqu’à traverser le fond 2130, de façon à évacuer le fluide de refroidissement 153 une fois le transfert de chaleur effectué. Le conduit d’évacuation 152 peut plus particulièrement être délimité par la surface interne 210 du conducteur intérieur 21.
Selon l’exemple illustré par la figure 4, le rayon intérieur r5du conducteur intérieur 11 peut être supérieur au rayon intérieur r3du conducteur intérieur 21. Ainsi, la chambre de refroidissement 150 permet de faire circuler le liquide de refroidissement au contact d’un maximum de l’extrémité avant 112 et de la surface intérieure 110 du conducteur extérieur.
L’applicateur 1 peut être configuré de façon à être exempt de poche d’air entre la chambre de refroidissement 150 et le diélectrique de recouvrement 14. Pour cela, l’applicateur 1 peut comprendre une céramique de jonction 16, une pièce à base d’un matériau céramique disposée au contact entre au moins le diélectrique de recouvrement 14 et le conducteur intérieur 11, et de préférence aussi au contact entre le conducteur intérieur 11 et le diélectrique de passage 130, et configurée pour établir une jonction entre ces éléments. La céramique de jonction 16 peut être configurée de façon à établir un contact direct, sans film ou poches d'air, entre le conducteur intérieur 11 et les diélectrique de recouvrement 14 et celui de passage 130. En effet, la présence de couches ou poches d’air est préjudiciable du point de vue de la dissipation de chaleur en raison de la très faible conductivité thermique de l’air, d’environ 0,5 à 0,6 W.K-1.m-1sur un domaine de 800 à 1000 K, par rapport à celles des matériaux environnants, décrits en détails ultérieurement, et par exemple l’alumine (30 W.K-1.m-1), le Kovar (17 W.K-1.m-1), ou encore l’aluminium (238 W.K-1.m-1). De façon synergique avec le module de refroidissement 15, le transfert thermique et donc la dissipation des flux d’énergie sont encore améliorés.
Selon un exemple, le conducteur intérieur 11 peut présenter, sur une portion 114, un resserrement 114’. Plus particulièrement, et comme illustré par les figures 5 à 7, le conducteur intérieur 11 peut présenter, à partir de son extrémité de premier rayon r1, un resserrement 114’ pour présenter depuis la portion 114 et jusqu’à son extrémité arrière 113, un deuxième rayon r1 ’, le premier rayon r1étant supérieur au deuxième rayon r1 ’. Ainsi, dans un sens allant de l’arrière vers l’avant de l’applicateur 1, le conducteur intérieur 11 présente une portion alignée avec le conducteur intérieur 21 de la structure coaxiale 20, puis présente une portion élargie 112’ sur son extrémité avant 112. Selon une projection perpendiculaire à la direction x, le pourtour de la portion alignée avec le conducteur intérieur 21 de la structure coaxiale 20 peut être complètement compris dans le pourtour de la portion élargie 112’. Selon l’exemple illustré par les figures 5 à 7, et dans un sens allant de l’avant vers l’arrière de l’applicateur 1, le resserrement 114’ s’étend depuis une extrémité arrière du diélectrique de passage 130. La paroi du conducteur intérieur 11 au niveau du resserrement 114’ peut en outre s’étendre obliquement par rapport à la direction x.
Le rayon externe r1 ’du conducteur intérieur 11 et le rayon externe r4du conducteur intérieur 21 peuvent ainsi être réduits, tout en conservant la configuration de l’extrémité 112 du conducteur intérieur 11 permettant un compromis entre répartition des flux de chaleur et minimisation des pertes d’insertions. Le rapport des rayons r1 ’/r2, et r4/r2peut ainsi être diminué, pour améliorer le transfert des micro-ondes, en minimisant les phénomènes de réflexion et/ou l’apparition d’ondes stationnaires. Dès lors, l’applicateur permet de limiter encore, voire d’éviter, une perte de puissance des micro-ondes.
Le resserrement 114’ permet par ailleurs d’augmenter la surface interne 110 du conducteur intérieur 11 en contact avec le fluide de refroidissement 153 au niveau de la chambre de refroidissement 150. Le transfert thermique et donc la dissipation des flux d’énergie sont encore améliorés.
Avec ou sans le resserrement 114’, l’épaisseur e112d’au moins une partie de l’extrémité avant 112 du conducteur intérieur 11, au niveau de la chambre de refroidissement 150, peut être minimisée. L’épaisseur du conducteur intérieur 11 étant réduite, le refroidissement de l’extrémité avant de l’applicateur 1 est facilité. Au niveau de la liaison entre les conducteurs intérieurs 11, 21, l'épaisseur e11du conducteur intérieur 11 peut être comprise entre e112et 2*e112.
L’épaisseur e112du conducteur intérieur 11 et/ou l’épaisseur du diélectrique de recouvrement 14 peut plus particulièrement être liée à la résistance thermique de chacun des deux matériaux formant ces éléments. Cette résistance thermique est de préférence faible pour ne pas induire des gradients de température importants dans les matériaux, ce qui conduirait à des contraintes et déformations dommageables, telles que des fissures dans le diélectrique de passage 130 et/ou dans le diélectrique de recouvrement 14.
L’épaisseur e112du conducteur intérieur 11 au niveau de la chambre de refroidissement 150 peut être inférieure ou égale à:
où k11et k14représentent respectivement les conductivités thermiques du conducteur intérieur 11 et du diélectrique de recouvrement 14 et e11l’épaisseur du conducteur intérieur.
Selon un exemple, l'épaisseur du conducteur 21, définie par la différence entre son rayon externe r4et son rayon interne r3,est supérieure l'épaisseur du conducteur intérieur 11 pour améliorer la tenue mécanique du coupleur 2.
La position relative des conducteurs intérieur 11 et extérieur 12 est maintenant décrite en référence aux figures 4 à 7. Plus particulièrement, les conducteurs peuvent être dans un même plan ou décalés l’un par rapport à l’autre. Comme illustré par les figures 4 et 5, les conducteurs intérieur 11 et extérieur 12 peuvent être alignés de sorte que leur extrémité avant 112, 122 soient disposées dans un même plan P1. En outre, le diélectrique de passage des micro-ondes 130 peuvent être aligné sur sa face avant dans le même plan.
En alternative, l’extrémité avant 112 du conducteur intérieur 11 peut être disposée en retrait de l’extrémité avant 122 du conducteur extérieur 12. Selon l’exemple illustré en figure 6, l’extrémité avant 112 du conducteur intérieur 11 peut plus particulièrement être disposée à une distance d5de l’extrémité avant 122 du conducteur extérieur 12, d5pouvant de préférence être limitée de sorte que l’épaisseur l’ensemble formé par le diélectrique de recouvrement 14 et le diélectrique de passage des micro-ondes 130, au niveau de l’extrémité avant du milieu de passage 13 des micro-ondes, soit dans la configuration de fenêtre mince.
En alternative, l’extrémité avant 112 du conducteur intérieur 11 peut être disposée en avant de l’extrémité avant 122 du conducteur extérieur 12. Selon l’exemple illustré en figure 7, l’extrémité avant 112 du conducteur intérieur 11 peut plus particulièrement être disposée à une distance d6de l’extrémité avant 122 du conducteur extérieur 12, d6pouvant de préférence être limitée de sorte que l’épaisseur l’ensemble formé par le diélectrique de recouvrement 14 et le diélectrique de passage des micro-ondes 130, au niveau de l’extrémité avant du milieu de passage 13 des micro-ondes, soit dans la configuration de fenêtre mince.
Notons que bien que les exemples illustrés dans les figures 6 et 7 présentent un resserrement 114’, les différentes positions relatives des conducteurs 11, 12 peuvent s’appliquer avec ou sans le resserrement 114’. En outre, selon la position relative des conducteurs 11, 12 les dimensions de l’ensemble formé par le diélectrique de passage 130 et le diélectrique de recouvrement 14 peuvent être adapté, notamment pour respecter la configuration de fenêtre mince.
Comme énoncé précédemment, les différents éléments constitutifs de l’applicateur 1 sont formés de matériaux permettant son fonctionnement sans endommagement, notamment lorsque le flux d’énergie auquel le coupleur 2 est exposé devient important. Les matériaux choisis sont de préférence compatibles du point de vue thermique et chimique afin de pouvoir :
  • réaliser la brasure entre le conducteur extérieur 12 et le diélectrique de passage 130, voire le diélectrique de recouvrement 14,
  • réaliser la jonction entre les diélectriques 130, 14 et le conducteur intérieur 11,
  • prévenir la création de ponts thermiques et l’apparition des contraintes thermomécaniques donnant lieu à des stress et déformations, voire jusqu’à la fracture mécanique, des éléments constituant l’applicateur 1, voire le coupleur 2,
  • garantir la solidité mécanique de l’ensemble.
Les matériaux qui répondent à ces critères sont maintenant décrits. Aux interfaces entre différents éléments de l’applicateur 1, les matériaux des éléments à une interface donnée peuvent présenter des coefficients d’expansion thermiques de ces matériaux proches, par exemple dont le rapport entre, ou de façon équivalente le rapport deux à deux, est compris entre 0,5 et 1,5, et de préférence entre 0,8 et 1,2. Ainsi, le risque de déformation de ces éléments les uns par rapport aux autres est limité lors de l’utilisation de l’applicateur 1. Cette caractéristique concerne plus particulièrement l’ensemble formé par le diélectrique de recouvrement 14, le diélectrique de passage 130, la céramique de jonction 15 et le conducteur intérieur 11, et/ou l’ensemble formé par le diélectrique de passage 130, le jonc de brasure 17 et le conducteur extérieur 12.
Le diélectrique de recouvrement 14 présente de préférence une bonne stabilité chimique à haute température, et de préférence à une température supérieure à 300 °C. Par exemple, le diélectrique de recouvrement 14 est en alumine Al2O3. Le diélectrique de recouvrement 14 est ainsi stable par rapport aux matériaux métalliques généralement utilisés pour recouvrir l’extrémité avant des coupleurs, tels que l’aluminium ou l’acier inoxydable. De plus, les métaux ont une température de fusion Tfplus faible (Tf-Al = 660°C contre Tf-Al2O3= 2054°C à pression atmosphérique), et peuvent induire une contamination du plasma, et donc du procédé, avec des vapeurs métalliques.
Le conducteur extérieur 12 peut comprendre au moins deux portions formées de matériaux distincts, afin d’améliorer la compatibilité chimique et physique avec d’autres éléments voisins de l’applicateur, notamment en ce qui concerne d’éventuelles déformations thermiques lors du fonctionnement de l’applicateur 1.
Afin de réaliser la brasure entre le conducteur extérieur 12 et le diélectrique de passage 130, voire le diélectrique de recouvrement 14, les matériaux de ces éléments sont de préférence compatibles thermiquement entre eux et chimiquement avec le matériau du jonc de brasure 17, comprenant par exemple un alliage de cuivre et d’argent.L’extrémité avant 122 du conducteur intérieur est donc de préférence à base d’un alliage de fer, nickel et cobalt à faible coefficient de dilatation thermique, tel que le Kovar©, et le diélectrique de passage 130, voire le diélectrique de recouvrement 14, en alumine. Un alliage de fer, nickel et cobalt à faible coefficient de dilatation thermique, tel que le Kovar©, peut notamment être utilisé pour sceller ensemble les couples de matériaux verre/métal ou céramique/métal dans une large plage de température et pour de multiples applications. Il peut être donc utilisé pour effectuer une brasure avec un diélectrique, par exemple en alumine Al2O3. En outre, le Kovar© et l’alumine présentent des coefficients d’expansion thermique (CET) proches: CETKovar≈ 5-6x10-6K-1et CETAl2O3≈ 8-9x10-6K-1.
Le conducteur extérieur 22 et le conducteur intérieur 21 de la structure coaxiale 20 du coupleur 2 peuvent être à base d’un métal présentant une haute conductivité thermique, tel que l’argent, le cuivre, l’aluminium, le duralumin, un laiton de conductivité, présentant respectivement une conductivité thermique de 400, 380, 238, 160 et 120 W.K-1.m-1. En effet, les conducteurs de la structure coaxiale 20 sont refroidis de manière très efficace par le fond 2130 du coupleur 2, illustré en figure 3, ce qui peut accroitre la vitesse de dissipation des flux d’énergie. Notons que le choix du métal peut en outre être fait de façon à minimiser les pertes d'insertion des micro-ondes. De préférence, le conducteur extérieur 22 et le conducteur intérieur 21 sont à base d’aluminium.
L’ensemble formé par les conducteur extérieurs 12, 22 est de préférence étanche au vide. Pour cela, le conducteur extérieur 12 peut comprendre une portion avant 125 en Kovar © et une portion arrière 126 en métal, la portion avant 125 et la portion arrière 126 pouvant par exemple être soudées entre elles. Afin de permettre cette soudure, le métal de la portion arrière 126 présente de préférence une température de fusion Tfproche de la portion avant 125. Par exemple, la portion arrière 126 est en acier inoxydable (abrégé inox): Tf- Kovar= 1450°C et Tf-inox≈ 1500°C. Comme énoncé précédemment, la portion 126 peut être assemblée au conducteur extérieur de la structure coaxiale 20 par le module de fixation 123’, par exemple par un filetage.
Le conducteur intérieur 11 de l’applicateur est de préférence en alliage de fer, nickel et cobalt à faible coefficient de dilatation thermique, tel que le Kovar©. En effet, l’aluminium est peu compatible thermiquement avec l’alumine du diélectrique de recouvrement 14 et du diélectrique de passage 130, par exemple en termes de coefficients d’expansion thermique (CETAl2O3≈ 8-9x10-6K-1<< CETAl= 23-25x10-6K-1).
La céramique de jonction présente de préférence une bonne tenue en température et une haute conductivité thermique. Un adhésif céramique, ou de façon équivalente un ciment céramique de collage, à base d’alumine peut être utilisé, tel que le 903HP présentant une température de fusionTf- 903HPégale à 1790°C, et une conductivité thermique d’environ 5,6 W.K-1.m-1. Le 903HP, présente en outre une bonne compatibilité chimique avec l’alumine Al2O3et le Kovar©, ainsi qu’un coefficient d’expansion thermique proche (CETKovar≈ 5-6x10-6K-1, CET903HP= 7.2x10-6K-1, CETAl2O3≈ 8-9x10-6K-1).
Au vu de la description qui précède, il apparaît clairement que l’invention propose un applicateur d’onde haute fréquence permettant un bon transfert, voire un bon couplage entre une onde électromagnétique et des électrons pour la production d’un plasma, en améliorant la dissipation des flux d’énergie.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
Dans la description qui précède, on a considère que les conducteurs intérieur et extérieur sont cylindriques. Les conducteurs peuvent toutefois présenter toute géométrie permettant de former une structure coaxiale et permettant le transfert et le couplage d’une onde haute fréquence.
LISTE DES REFERENCES NUMERIQUES
1. Applicateur micro-onde
10. Structure coaxiale
11. Conducteur intérieur
110. Surface interne
111. Surface externe
112. Extrémité avant
112’. Portion élargie
113. Extrémité arrière
114. Portion
114’. Resserrement
115. Joint torique
12. Conducteur extérieur
120. Surface interne
121. Surface externe
122. Extrémité avant
123. Extrémité arrière
123’. Module de fixation
124. Élément de butée
125. Portion avant
126. Portion arrière
13. Milieu de propagation
130. Diélectrique de passage
131. Extrémité avant
14. Diélectrique de recouvrement
140. Face avant
141. Face arrière
15. Module de refroidissement
150. Chambre de refroidissement
151. Aiguille d’injection
152. Conduit d’évacuation
153. Fluide de refroidissement
16. Céramique de jonction
17. Jonc de brasure
18. Joint torique
2. Coupleur micro-onde
20. Structure coaxiale
21. Conducteur intérieur
210. Surface interne
211. Surface externe
212. Extrémité avant
213. Extrémité arrière
2130. Fond
22. Conducteur extérieur
220. Surface interne
221. Surface externe
222. Extrémité avant
222’. Module de fixation
223. Extrémité arrière
23. Milieu de propagation
3. Dispositif de production
30. Enceinte
300. Parois
4. Onde
5. Générateur de micro-ondes
50. Connecteur d’injection de micro-ondes

Claims (17)

  1. Applicateur (1) d’onde haute fréquence pour coupleur pour la production d’un plasma, comprenant:
    • un conducteur intérieur (11) et un conducteur extérieur (12) formant ensemble une structure coaxiale (10) s’étendant selon une direction principale (x) de propagation de l’onde (4) haute fréquence à l’intérieur de la structure coaxiale (10),
    • un milieu de propagation (13) de l’onde (4) haute fréquence délimité par une surface externe (111) du conducteur intérieur (11) et une surface interne (120) du conducteur extérieur (12), et comprenant un diélectrique dit de passage (130) de l’onde (4) haute fréquence, le diélectrique de passage (130) comprenant un corps solide d’étanchéité disposé entre le conducteur intérieur (11) et le conducteur extérieur (12),
    • le conducteur intérieur (11) présente, selon une direction transverse (y) perpendiculaire à la direction principale de propagation (x), une première dimension externe d1 prise entre deux points de sa surface externe (111) opposés relativement à un axe de la structure coaxiale (10), et le conducteur extérieur (12) présente, selon la direction transverse (y), une dimension interne d2 prise entre deux points de sa surface interne (120) opposés relativement à l‘axe de la structure coaxiale (10),
    l’applicateur étant caractérisé en ce que, la première dimension externe d1et la dimension interne d2sont telles que:
  2. Applicateur (1) selon la revendication précédente, dans lequel le diélectrique de passage (130) est disposé à une extrémité avant (131) du milieu de propagation (13), et s’étend, selon la direction principale de propagation (x), sur une longueur (L) sensiblement égale à un multiple d’un dixième d’un quart de longueur d’onde de l’onde (4).
  3. Applicateur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le conducteur intérieur (11) présente, sur une portion (114) s’étendant depuis une extrémité avant (112) du conducteur intérieur (11), un resserrement (114’) de façon à présenter, selon la direction transverse (y) et depuis la portion (114) et jusqu’à son extrémité arrière (113), une deuxième dimension externe d1’entre deux points de sa surface externe (111) opposés relativement à l‘axe de la structure coaxiale (10), la première dimension externe d1étant supérieure à la deuxième dimension externe d1 ’.
  4. Applicateur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un diélectrique dit de recouvrement (14) présentant un corps solide et recouvrant au moins une extrémité avant (112) du conducteur intérieur (11).
  5. Applicateur (1) selon la revendication précédente, dans lequel, le diélectrique de passage (130) étant disposé à une extrémité avant (131) du milieu de propagation (13), le diélectrique de recouvrement (14) recouvre en outre une extrémité avant (122) du conducteur extérieur (12) et le diélectrique de passage (130).
  6. Applicateur (1) selon la revendication précédente, dans lequel le diélectrique de passage (130) et le diélectrique de recouvrement (14) forment un ensemble présentant un corps commun sans discontinuité.
  7. Applicateur (1) selon la revendication précédente, dans lequel l’ensemble formé par le diélectrique de passage (130) et le diélectrique de recouvrement (14) présente, selon la direction principale de propagation (x) et au niveau du milieu de propagation (13), une longueur (L) sensiblement égale à multiple d’un dixième d’un quart de longueur d’onde de l’onde (4) dans le diélectrique de passage (130).
  8. Applicateur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un module de refroidissement (15) disposé dans le conducteur intérieur (11), le module de refroidissement (15) comprenant une chambre de refroidissement (150) délimitée par une extrémité avant (112) du conducteur intérieur (11), le conducteur intérieur (11) présentant, au niveau de la chambre de refroidissement (150), une épaisseur réduite.
  9. Applicateur (1) selon la revendication précédente, dans lequel l’épaisseur e112du conducteur intérieur (11) au niveau de la chambre de refroidissement (150) est inférieure ou égale à

    où k11et k14représentent respectivement les conductivités thermiques du conducteur intérieur (11) et du diélectrique de recouvrement (14) et e11l’épaisseur du conducteur intérieur.
  10. Applicateur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’applicateur (1) comprenant un diélectrique de recouvrement (14) présentant un corps solide et recouvrant au moins une extrémité avant (112) du conducteur intérieur (11), et une céramique de jonction (16) disposée au contact entre au moins le diélectrique de recouvrement (14) et le conducteur intérieur (11).
  11. Applicateur (1) selon la revendication précédente, dans lequel le diélectrique de recouvrement (14), le diélectrique de passage (130), la céramique de jonction (15) et le conducteur intérieur (11) sont formés de matériaux dont le rapport entre eux de leurs coefficients d’expansion thermique est compris entre 0,5 et 1,5.
  12. Applicateur (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un jonc de brasure (17) disposé entre le diélectrique de passage (130) et le conducteur extérieur (12).
  13. Applicateur (1) selon la revendication précédente, dans lequel le diélectrique de passage (130), le jonc de brasure (17) et le conducteur extérieur (12) sont formés de matériaux dont le rapport entre eux de leurs coefficients d’expansion thermique est compris entre 0,5 et 1,5.
  14. Coupleur (2) d’onde haute fréquence pour la production d’un plasma comprenant
    • une structure coaxiale (20) formée d’un conducteur intérieur (21), et d’un conducteur extérieur (22), configurée pour être connectée à un générateur (5) d’onde haute fréquence,
    • un applicateur (1) d’onde haute fréquence selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, la structure coaxiale (10) de l’applicateur (1) étant disposée dans la continuité de la structure coaxiale (20) du coupleur (2).
  15. Coupleur (2) selon la revendication précédente, dans lequel l’applicateur (1) d’onde haute fréquence est configuré pour être fixé de façon amovible sur la structure coaxiale (20) du coupleur (2).
  16. Dispositif (3) de production d’un plasma comprenant une enceinte (30) et au moins un coupleur (2) selon l’une quelconque des deux revendications précédentes.
  17. Dispositif (3) de production d’un plasma selon la revendication précédente, le dispositif (3) comprenant une pluralité de coupleurs (2), les coupleurs (2) étant disposés sur au moins deux parois (300) de l’enceinte (30) de façon à former un réseau au moins bidimensionnel.
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