WO2006037704A1 - Dispositif et procede de caracterisation de plasma - Google Patents

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WO2006037704A1
WO2006037704A1 PCT/EP2005/054317 EP2005054317W WO2006037704A1 WO 2006037704 A1 WO2006037704 A1 WO 2006037704A1 EP 2005054317 W EP2005054317 W EP 2005054317W WO 2006037704 A1 WO2006037704 A1 WO 2006037704A1
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antenna
frequency
antennas
receiving antenna
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Sébastien DINE
Jean-Paul Booth
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
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    • H01J37/32917—Plasma diagnostics
    • H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
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    • H01J37/32954—Electron temperature measurement
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/0006—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
    • H05H1/0012—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry
    • H05H1/0062—Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry by using microwaves

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring the electron density in a plasma reactor, said plasma being distributed in a space contained in the reactor. And the invention also relates to an electronic density measurement method associated with such a device.
  • plasma means a sufficiently ionized gas for the charged species that it contains to have a collective behavior - that is to say that they adapt their movement according to the movement of the other species, electronic density and density of other charged species around them.
  • n e is the number of electrons per unit volume often expressed in electrons / cm 3 .
  • plasma space is in this text defined as the space occupied by the plasma inside the plasma reactor.
  • electrostatic sheath As shown for example in Figure 2 by the reference 45, the typical thickness of this area is a few millimeters.
  • the electrostatic sheath is an electron-poor zone because the electron density is much lower than that in the plasma. We can thus assimilate this zone to a vacuum.
  • This electrostatic sheath is automatically formed around any object immersed in a plasma.
  • the invention applies particularly advantageously - but not limited - to low electron density plasmas and high gas pressure.
  • a “low density” plasma is defined here as a plasma in which the electron density is less than a value of 10 10 electrons / cm 3 . And one likewise defines a plasma "high pressure” as a plasma in which the pressure is greater than a value of the order of 65 pascals.
  • Some devices have been designed to perform such local density measurements.
  • the Langmuir probe is a first example of such a device. But if the probes of this type make it possible to carry out local measurements of density, they are associated with certain limitations.
  • this type of probe is not suitable for chemically reactive plasmas: the Langmuir probes are indeed sensitive to deposits and other pollutions generated by such plasmas. In addition, this type of probe needs to be compensated in the case
  • RF plasma radiofrequency waves
  • the ion flow probe is another type of device for performing local measurements.
  • FR 2 738 984 - requires the knowledge of certain parameters associated with the plasma (such as the Bohm speed and the negative ion density if the plasma contains them) to access, from these parameters, an electronic density. Now it would be advantageous to access direct measurements of electronic density, that is to say not requiring the knowledge of other parameters of the plasma in question.
  • a third type of device for performing local density measurements is the absorption plasma probe.
  • This type of probe also has a limited sensitivity of measurement.
  • this type of probe is more particularly delicate at low density ( ⁇ 10 10 electrons / cm 3 ) and high pressure (> 65 pascals,> 0.5 torr), because it requires a recourse to a complex analysis of observed signal spectra. Furthermore, the measuring sensitivity of this probe decreases as the pressure increases - it is therefore a function of the pressure.
  • the sensitivity of this type of probe is thus typically 10 9 electrons / cm 3 below 13 pascals (0.1 torr) and it is of the order of 10 10 electrons / cm 3 between 13 pascals and 133 pascals (1 torr).
  • An object of the invention is to meet this need.
  • an object of the invention is to make it possible to carry out density measurements simply, quickly and directly.
  • Another object of the invention is to make it possible to carry out such measurements without resorting to a large calibration or complex digital processing.
  • Another object of the invention is to enable the characterization of reactive plasmas which generate deposits and pollutions.
  • Another object of the invention is to be able to apply density measurement to low density plasmas, high pressure plasmas - and plasmas which are both low density and high pressure.
  • an electronic density measuring device in a plasma reactor said plasma being distributed in a plasma space contained in the reactor, characterized in that it comprises :
  • Control means for controllably varying said transmission frequency; at least one transmitting antenna connected to said emission voltage generating means for emitting surface waves on the surface of the plasma space;
  • At least one receiving antenna for receiving said surface waves emitted by the transmitting antenna (s), electromagnetic continuity means between the transmitting antenna (s) and the antenna or antennas; s) receiver (s), to constitute a continuous transmission sheath corresponding to the interface between an electrostatic sheath and the plasma between each transmitting antenna and at least one receiving antenna, the boundary of said electrostatic sheath with the plasma for conveying the surface waves emitted by each transmitting antenna to at least one receiving antenna,
  • Processing means connected to said control means and to said detection means, for:
  • determining a transmission threshold frequency which corresponds to an emission frequency above which the surface waves are transmitted to the receiving antenna with a substantial power, and deriving from said transmission threshold frequency an electronic density in the plasma.
  • the topology of said electromagnetic continuity means is controlled to prevent the plasma from entering between a transmitting antenna and an associated receiving antenna and to guarantee the continuity of the electrostatic sheath between the two antennas,
  • said transmission sheath is located in continuity with the electrostatic sheaths associated respectively with said transmitting antenna and with said receiving antenna,
  • Said means of electromagnetic continuity are obtained by the dimensioning and the arrangement of each transmitting antenna with respect to each receiving antenna intended to receive the surface wave emitted by said transmitting antenna, Said electromagnetic continuity means correspond to a dielectric continuity element,
  • Said processing means comprise a spectral or frequency-selective analysis device capable of analyzing the electromagnetic energy received by each reception antenna as a function of the transmission frequency,
  • Said electromagnetic continuity means comprise an electrostatic continuity structure between each transmitting antenna and each receiving antenna intended to receive the surface wave emitted by said transmitting antenna,
  • Said electrostatic continuity structure is made of a dielectric or insulating material
  • the device comprises an emitting antenna arranged opposite an associated receiving antenna and coaxially with said receiving antenna, so that the space separating the ends of the two antennas is substantially centered on the common axis of the two antennas,
  • Said electrostatic continuity structure is a cylinder arranged coaxially between a transmitting antenna and an associated receiving antenna,
  • the device comprises a transmitting antenna disposed non-coaxially with an associated receiving antenna, the ends of the transmitting antenna and the receiving antenna being located substantially opposite one another; said electrostatic continuity structure is a a piece which blocks the space between the respective ends of the transmitting antenna and the receiving antenna so as to prevent the plasma from occupying said space,
  • the transmitting antenna and the receiving antenna are carried on the same support,
  • the antennas are isolated from the plasma, • the antennas are dipolar.
  • the device comprises:
  • a cylindrical piece made of a dielectric material, disposed between and in contact with two dipole antennas in which the latter are inserted over their entire length; said cylindrical part making it possible to form between the two antennas an electrostatic sheath whose plasma separation interface is continuous between the two antennas,
  • the device also comprises a plug made of a dielectric material plugging the end of the dielectric tube in its portion exposed to the plasma, a first linear dipole antenna being disposed on the axis of the tube protruding from the tube at its end located at inside the enclosure, passing through the cap,
  • a second rectilinear dipole antenna being disposed parallel to the axis of the tube near its inner wall, protruding from the tube at its end located inside the enclosure, passing through the plug,
  • the device further comprising:
  • the device comprises:
  • the invention also proposes a method for measuring electronic density in a plasma reactor, said plasma being distributed in a plasma space contained in the reactor, characterized in that it comprises the steps of:
  • the establishment of said electrostatic sheath is obtained by placing between each transmitting antenna and each associated receiving antenna an electromagnetic continuity structure,
  • Said antennas are dipole antennas
  • Said antennas are disposed at the end of a tube, made of a dielectric material, and inserted into the plasma through a wall of the enclosure of a plasma reactor,
  • Said antennas are arranged in a plane, separated by a planar substrate made of a dielectric material, and inserted into the plasma through a wall of the enclosure of a plasma reactor, or flush with the wall of the reactor so as to to be in contact with the plasma by disturbing it as little as possible,
  • the method comprises determining, from the measurement of the power transmitted between two antennas, the minimum frequency, fr , for which a significant electromagnetic power is transported by a surface wave guided by the interface between the plasma and the electrostatic sheath,
  • the method comprises: feeding a transmitting antenna with a high frequency sinusoidal voltage delivered by a source whose frequency of the delivered signal can be modified, measurement of the electromagnetic power picked up by a receiving antenna arranged near the transmitting antenna, as a function of the frequency of the source.
  • the method comprises the continuous and increasing variation of the frequency of said sinusoidal voltage, while measuring the electromagnetic power picked up by another antenna in order to determine the frequency above which the power picked up by the antenna and due to the propagation of a surface wave, grows significantly.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a plasma reactor that can be used in the context of the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a measuring device according to the invention, according to a first embodiment. realization
  • FIG. 3 is a more detailed view explaining, in connection with this first embodiment, the configuration of the elements introduced into the plasma reactor
  • FIG. 4 is a detailed view of the electromagnetic continuity means implemented in the first embodiment of FIG. embodiment of the invention, in which an axis AA 'and a cutting plane BB' are defined,
  • FIG. 5 is a sectional view of these electromagnetic continuity means, along the plane BB 'defined in FIG. 4;
  • FIG. 6 is a schematic representation of a measuring device according to the invention, according to a second mode realization,
  • FIG. 7 details, in connection with this second embodiment, the configuration of the transmitting antenna, the receiving antenna, and the associated electromagnetic continuity means, an axis AA 'and a cutting plane BB' being defined on this figure
  • FIG. 8 is a sectional view of the electromagnetic continuity means and antennas implemented in this second embodiment, along the plane BB 'defined in FIG. 7,
  • FIG. 9 is an overall diagram more particularly detailing the means of voltage generation, control, detection and processing implemented in the invention.
  • FIG. 10 is a graph illustrating surface wave dispersion relationships
  • FIG. 11 is a theoretical graph illustrating the power that must theoretically be transmitted between a receiving antenna and a transmitting antenna, as a function of the frequency of the voltage supplying these antennas,
  • FIG. 12 is a representation of the electrodes making it possible to generate a plasma in a plasma reactor used in the context of the invention.
  • FIG. 13 comprises FIGS. 13a and 13b, which respectively represent a general view of a practical embodiment made by the applicants of the transmission probe according to the invention - this embodiment corresponding to a first embodiment. And FIG. 13b is a detailed view of this probe, extracted from the view of FIG.
  • a graph a) whose curve shows the shape of the transmitted power observed between a transmitting antenna and a receiving antenna of the device, as a function of the frequency of the supply voltage of the device. This curve shows in particular two frequency thresholds,
  • Figure 16 includes two graphs:> a graph a) which illustrates the influence of the pressure on the power transmitted,
  • FIG. 17 illustrates transmitted power results obtained in a hydrogen plasma at a relatively high pressure of 65 pascals.
  • the invention applies in fact to the measurement of the electron density in an ionized gas or plasma - in particular a plasma in a chamber constituting a plasma reactor.
  • Plasma reactors can be used to coat a sample of a thin layer of material, to etch a sample (eg ion bombardment, by a flow of atoms and reactive radicals, or both together), or more generally to modify the structure or the chemical composition of a surface.
  • a plasma reactor may also be used as a light source or as a waste gas treatment device for pollution control applications or as a thermonuclear fusion reactor.
  • FIG. 1 represents, schematically and in section, an example of a plasma reactor to which the present invention applies. This is, for example, a so-called radiofrequency excitation (RF) reactor by capacitive or inductive coupling.
  • RF radiofrequency excitation
  • Such a reactor comprises a vacuum chamber 1. Near a first wall 2 of this chamber is placed on a substrate holder 3, a sample to be treated 4.
  • the sample 4 has in this figure the shape of a disk a surface directed towards the interior of the enclosure 1 constitutes the surface to be treated. This form is not limiting.
  • the enclosure 1 is filled with a gas at low pressure, for example of the order of a few pascals to a few hundred pascals.
  • the gas comes from a source 12 to be injected into the enclosure of the reactor via a gas supply pipe 10, the gas flow rate being regulated by a mass flow controller 11.
  • the gas is discharged from the enclosure 1 by a discharge pipe 13 connected to a pumping system 14 consisting of one or more vacuum pumps in series.
  • the pumping volumetric flow rate is adjusted by means of a valve 15.
  • the pressure in the chamber is controlled with the valve 15 or the flow controller 11.
  • Several means can be used to generate the plasma 16. For example, in a configuration called “capacitive coupling reactive ion etching", a radio frequency voltage is applied to the substrate holder. It is also possible, as shown in FIG. 1, to generate the plasma 16 by means of a source 6 independent of the substrate holder 3.
  • This source 6 can be for example:
  • An electrode powered by a radio frequency generator (capacitive source)
  • This source may possibly be associated with means allowing the application of a static magnetic field.
  • a source 6 independent of the substrate holder the latter may be polarized by a radiofrequency source 5 to establish self-polarization and thus increase the impact energy of the ions on the surface to be treated .
  • the source 6 is a radiofrequency source
  • the latter may optionally be biased at a higher frequency than that applied to the substrate holder 5 in order to control the electronic density preferentially.
  • Plasmas concerned by the present invention include chemically reactive plasmas (and in which chemical reactivity in addition to ion bombardment may be used).
  • This reactivity initiated by the electrons avoids the need for a significant heating of the gas or substrate holder, which would damage the sample to be treated.
  • the rate of production of radicals produced by electronic collisions is therefore a function of the electron density.
  • the flow of charged particles (electrons and ions) that arrive at the surface to be treated is proportional to the electron density. Chemical reactivity and ion bombardment generally act synergistically in these plasmas.
  • the characteristics of the plasma In a process of plasma deposition or etching, it is important to know the characteristics of the plasma to be able to control the implementation of the process and its reproducibility, in particular to control the speed of deposition or etching as a function of the thickness. deposition or depth of the desired etching.
  • the electronic density is one of those characteristics whose measurement and control is decisive in the implementation of these deposition or etching processes.
  • the invention applies to a measurement of this density in a plasma reactor.
  • an electronic density measuring device (which we will name the portion immersed in the plasma "plasma probe") according to a first embodiment of the invention.
  • the operation of the probe according to the invention is based on the determination of the "transmission frequency" of a surface electromagnetic wave propagating in an electrostatic sheath (typically cylindrical) established between the plasma and the probe.
  • the probe is inserted through the wall 7 of a vacuum chamber 1 of a plasma reactor so as to be brought into contact with the plasma 16.
  • the density measurement is done by implementing an electromagnetic wave transmission between a transmitting antenna 17 and a receiving antenna 18 spaced a given distance (which may be about 1 cm). As will be seen in more detail, it is important that the space between the transmitting antenna and the receiving antenna is not too great.
  • the probe here comprises only a transmitting antenna and a receiving antenna.
  • the transmitting antenna 17 is connected by a coaxial cable 21 to a source circuit 22 which delivers a periodic voltage (typically a sinusoidal voltage) whose frequency can be modified.
  • a periodic voltage typically a sinusoidal voltage
  • this frequency range includes frequencies between 50 MHz and 6 GHz.
  • the receiving antenna 18 is connected by another coaxial cable 23 to a device 24 for measuring the power of the electromagnetic radiation picked up by this receiving antenna. This makes it possible to determine the electromagnetic power transmitted between the two antennas as a function of the frequency of the source 22.
  • a cylinder 19 of dielectric material about 1 millimeter in diameter and 1 centimeter in length is interposed between the two antennas.
  • the roll material (19) is a chemically inert dielectric such as alumina, glass, fused silica or polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • a chemically inert dielectric such as alumina, glass, fused silica or polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the two antennas and the cylinder 19 are located in the plasma 16. This figure shows the electrostatic sheath (here referenced
  • FIG. 2 shows an electrostatic sheath 45 around the elements of the probe and in particular around the cylinder 19 and the antennas 17 and 18.
  • This electrostatic sheath zone is separated from the plasma 16 by an interface 20.
  • the cylinder 19 is disposed between the two antennas to ensure electromagnetic continuity between the transmitting antenna and the receiving antenna.
  • electrostatic continuity means “continuity of the electromagnetic properties of the dielectric structures (in this case electrostatic and dielectric sheath) between the two antennas”.
  • This electromagnetic continuity is obtained because the cylinder prevents the plasma 16 from occupying the space between the two antennas and this cylinder ensures the continuity of the electrostatic sheath 45 and the plasma / electrostatic sheath interface 20 between the two antennas .
  • This continuity of the electrostatic sheath and its interface between the transmitting antenna and the receiving antenna will allow a wave of surface to propagate along the interface 20, from the transmitting antenna 17 to the receiving antenna 18.
  • the cylinder 19 thus corresponds to an example of electromagnetic continuity means between a transmitting antenna and a receiving antenna.
  • this electromagnetic continuity can also be established without having an additional element between the two antennas, but by providing that the distance separating these two antennas is sufficiently small so that the plasma can not penetrate between the antennas and the electrostatic sheaths generated. by the two antennas meet.
  • the "electromagnetic continuity means" simply correspond to the particular dimensioning and arrangement making it possible to obtain the desired continuity without additional element.
  • the assembly formed by the cylinder 19, the electrostatic sheath 45 and the plasma 16 constitutes a waveguide (or a transmission line) for the surface waves.
  • This guide depend on the properties of the plasma and in particular its electron density.
  • the two antennas 17, 18 are as will be seen used to characterize in transmission the properties of this guide, and deduce the local electronic density between the two antennas.
  • the probe implemented in the context of the invention is thus a transmission plasma probe (this being the case for all embodiments of the probe). It differs from the absorption plasma probes that have been mentioned in the introduction to this text.
  • the wave to be transmitted is generated by the alternating current coming from the source 22, then injected at a first end of the waveguide mentioned above by the transmitting antenna 17, to be picked up at the output of the waveguide by the receiving antenna 18.
  • the waveguide authorizes the propagation of surface waves only at frequencies higher than a particular frequency called transmission threshold frequency (which may also be designated by the simple term "transmission frequency" in the following of this text), noted f fr .
  • This transmission frequency can be detected because it corresponds to a singular point in the frequency spectrum of the transmitted power.
  • the transmission frequency corresponds to the frequency above which the electromagnetic power received by the receiving antenna 18 increases significantly.
  • FIG. 3 shows in more detail the plasma probe of FIG. 2. This probe was inserted into a plasma reactor, for example through an opening in a wall 7 of the reactor, in order to be in contact with the plasma (on Figure 3 inside the reactor is on the left - unlike the representation of Figure 2).
  • the probe comprises two semi-rigid cables 21 and 23 inserted in the same electrically insulating and rigid tube 25. These cables are coaxial cables.
  • the two cables 21 and 23 may be identical.
  • the material of the tube may be alumina or fused silica, and the outer diameter of this tube may be about 1 centimeter.
  • Each of the two cables has a protruding portion out of the tube
  • each antenna 17, 18 is designated by the term "dipole" antenna because in the case of each of these antennas it is the dipole constituted by the antenna itself and the shielding sheath
  • the two antennas 17 and 18 are inserted in the dielectric cylinder 19, the radius of which is equal to the outside diameter of the cables 21 and 23 (that is to say their diameter with the protection 26 which can surround them before their bare end, if such protection exists).
  • the curved configuration of the two cables forms a closed loop, the bases of the projections of the two cables being close to each other, while their stripped ends are facing each other, also close, and joined by the cylinder 19.
  • the antennas 17 and 18 are identical and they can be used interchangeably as transmitting antenna or receiving antenna.
  • these two cables can be covered by a dielectric layer 26.
  • This layer constitutes a protection in the case where it is desired to avoid pollution of the plasma space by the metal of the coaxial cables 21 and 23.
  • this protective cladding must be able to withstand the temperatures of the gas in the enclosure without melting and without polluting the plasma. It must also not react chemically with the gases injected into the enclosure.
  • This protection can be made of alumina, glass, fused silica or with a flexible PTFE tube.
  • a plasma-tight and electrically conductive plug 27 blocks the end of the tube 25 which opens into the reactor. This plug is pierced with two holes to pass the cables 21 and 23. This plug prevents the plasma from entering the tube 25.
  • a gland formed of the elements referenced 7, 29 and 30 is used to seal between the wall of the reactor chamber and the tube 25.
  • the part 29 is a gland cover screwed onto a projection of the wall 7 so as to crush a flexible seal 30 against the rigid tube 25.
  • the probe By slightly unscrewing the cover 29, the probe can be moved into the reactor while preserving the tightness of the vacuum passage of the probe.
  • the gland allows the probe to be moved without "breaking the vacuum” in the reactor vacuum chamber.
  • FIG. 4 is a detailed view of a longitudinal section of the waveguide and antennas of the transmission plasma probe, according to the first embodiment of the invention.
  • the waveguide has a symmetry of revolution along the axis AA 'and is also symmetrical with respect to the plane containing the axis BB' and orthogonal to the axis AA '.
  • the plasma is separated from the cylinder 19 by an electrostatic sheath whose thickness s is a few millimeters.
  • a surface wave generated by one of the antennas will thus be concentrated mainly near the interface 20 which separates the plasma 16 from the electrostatic sheath. Such a wave will propagate parallel to the axis AA '.
  • the surface waves will propagate along the interface 20, the transmitting antenna 17 to the receiving antenna 18.
  • the antennas 17 and 18 are inserted along their entire length in the cylinder 19 in order firstly to protect these antennas from the plasma and, secondly, to ensure the mechanical blocking of the cylindrical part 19.
  • This part 19 can also be glued to the insulation 32 which surrounds the cables.
  • this insulator 32 as well as that constituting the cylinder 19 must be chosen in such a way that they can withstand the temperatures of the gas without deforming, as well as the etching of the plasma. Antennas should preferably not be in contact with the plasma for two reasons:
  • antennas 17 and 18 are approximately 5 millimeters. These antennas may be an extension of the inner conductor of the semi-rigid coaxial cables 21, 23.
  • the outer diameter of the rigid coaxial cables may be about 2 millimeters, and the distance L between the ends of the antennas approximately 1 centimeter.
  • the cladding of the insulator 26 may possibly be extended on the cylinder 19 in order to improve its mechanical locking as well as the protection of the antennas.
  • FIG. 5 is a schematic transverse section along a plane orthogonal to the axis AA 'and containing the axis BB' of the waveguide shown in the previous figure. This figure shows that the plasma is separated from the cylinder 19 of diameter D by an electrostatic sheath of thickness s separated from the plasma by the interface 20.
  • the transmission plasma probe described above with reference to the first embodiment uses a surface waveguide between the two antennas whose geometry is coaxial.
  • the guide used has a symmetry of revolution about the axis AA ', as represented in particular in FIG. 4.
  • Figure 6 shows a second embodiment in which the probe is made more compact.
  • the probe implements a surface wave guide whose geometry is radial and plane.
  • the plane of this guide may also be coplanar with part of the reactor wall, in order to minimize the disturbance caused by the presence of the probe.
  • This variant also uses two identical semi-rigid coaxial cables 21 and 23, inserted in an insulating and rigid tube 25 (elements identical or equivalent to those of the first embodiment are referenced in the same way).
  • the material of the tube 25 is again alumina, glass or fused silica, and the outer diameter of the tube is about 2 centimeters.
  • the sealing of the vacuum passage of the probe through the wall 7 of the reactor is provided by a gland formed of the elements 7, 29 and 30.
  • the sealing of the vacuum passage of the cables coaxial 21 and 23 is made using a plug 28 which seals the end of the tube 25 located outside the reactor.
  • Each of the two cables is terminated by a stripped part forming dipole antenna (respectively antennas 17 and 18). These antennas extend in parallel and are arranged to protrude into the interior of the reactor, out of the end of the tube 25 which is located inside the reactor.
  • a dielectric plug 48 pierced with two holes for passing the cables 21 and 23, sealingly closes this end of the tube 25 to prevent the plasma from entering the tube.
  • Antennas 17 and 18 may be inserted throughout their length in insulating cylinders 46 and 47 if it is desired to protect these antennas from the plasma.
  • the materials of the protections 46 and 47 as well as that constituting the plug 48 must here again be chosen in such a way that they can withstand the chemical etching of the plasma and the temperatures of the gas without being deformed.
  • Figure 7 is a schematic longitudinal section of the radial waveguide and antennas of the second embodiment of the plasma probe.
  • the transmitting antenna 17 is located on the axis of symmetry AA 'of the tube 25.
  • the other antenna 18, which acts as a receiving antenna, is disposed near the inner wall of the tube 25.
  • the waveguide has a symmetry of revolution along the axis AA 'and is also symmetrical with respect to the plane containing the axes AA' and BB '(plane of the figure).
  • the plasma is separated from the plug 48 and any protections
  • the surface waves generated by one of the antennas will be concentrated mainly in the vicinity of the interface 20 which separates the plasma 16 from the electrostatic sheath.
  • such a surface wave will propagate radially from the transmitting antenna 17 located on the axis AA 'towards the edge of the radial waveguide where the receiving antenna 18 is disposed.
  • the plug 48 which ensures the electromagnetic continuity between the two antennas.
  • the cap has two functions:
  • antennas 17 and 18 may be about 5 millimeters. These antennas may again be an extension of the inner conductor of the semi-rigid coaxial cables 21, 23.
  • the outer diameter of rigid coaxial cables may be around
  • Figure 8 is a view along the axis AA 'of the plane waveguide shown in the previous figure.
  • the plasma is separated from the tube 25 of outer diameter D by an electrostatic sheath 45 of thickness separated from the plasma by the interface 20.
  • the protective dielectric 46 protecting the transmitting antenna 17 is located on the axis AA '.
  • the other dielectric protection element 47 is disposed at the edge of the radial plane guide near the inner wall of the tube 25. These two protections 46, 47 are fixed to the dielectric plug 48 which is pressed into the tube 25.
  • this circuit is to measure the electromagnetic power transmitted between the two antennas 17, 18 to identify and measure the transmission frequency of the surface wave propagating in the waveguide formed by the dielectric cylinder 19 , the electrostatic sheath 45 and the plasma 16.
  • FIG. 9 illustrates a configuration corresponding to the second embodiment of the probe, but it is recalled that the circuit can naturally be implemented with all the embodiments of the probe).
  • This circuit delivers a sinusoidal voltage of frequency f whose power is constant whatever the frequency.
  • the frequency of the voltage delivered by this circuit can in turn be modified in a controlled manner. It should be noted that this voltage may more generally be a periodic voltage from which a frequency characteristic can be varied in a controlled manner.
  • the power supply circuit 22 comprises a high frequency oscillator
  • the sinusoidal output voltage of the oscillator 35 is amplified with a wide-band amplifier 36.
  • the output of the amplifier 36 is connected to the transmitting antenna via the coaxial cable 21 which is inserted into the dielectric tube 25 .
  • the oscillator 35 is controlled with a continuous control voltage which serves to adjust the frequency f. This frequency f is thus proportional to the control voltage applied, and after a preliminary calibration the measurement of this control voltage is equivalent to a measurement of the frequency f of the oscillator 35.
  • the minimum and maximum frequencies of the sinusoidal voltage delivered by the circuit 22 are f m i n and f max, respectively, V min and V max are the corresponding control voltages.
  • the oscillator 35 is connected to the output of a voltage ramp generator 37 which delivers a periodic sawtooth signal whose period is T.
  • the frequency of the supply delivered by the oscillator 35 is controlled to grow continuously over an interval T - this frequency thus varies according to successive cycles which follow one another as soon as an interval T has expired.
  • the period T determines the duration of the measurement of the electron density.
  • This period is adjustable in order to perform a scanning V min V max (and hence f m i n f max for the output frequency of the oscillator 35) in a time between, for example, 0.1 second and 1 second.
  • the frequency range delimited by f min and f max is obviously a function of the value of the amplitude of the electronic density to be measured.
  • the transmission frequency that is to be determined is related to the electronic density by the relation:
  • f min and f max are 63 MHz and 630 MHz respectively.
  • the frequency range to be used in the general case is between 50 MHz and 6 GHz - it is specified that for the purposes of this text the "high frequencies" are defined as frequencies above 50 MHz.
  • the gain of the amplifier 36 is adjustable to adjust the power of the sinusoidal signal applied to the transmitting antenna.
  • This power must be sufficiently high to allow detection of the surface wave by the receiving antenna 18 and the power meter 24.
  • the power meter 24 is used to measure the power picked up by the receiving antenna 18.
  • This power meter comprises a rectifier circuit 38.
  • the rectifier circuit is connected to the receiving antenna 18 by the coaxial cable 23.
  • the rectifier circuit 38 has an input port and an output port.
  • the output port delivers a DC voltage proportional to the power received at the input thanks to the rectification operated, for example, by a shottky type diode.
  • This DC voltage is amplified using a voltage amplifier 39.
  • the circuit 38 must be able to measure powers of the order of one microwatt to several tens of milliwatts because in general the power captured by the receiving antenna 17 hardly exceeds 1% of the power delivered by the voltage source. If the electrical power delivered by the voltage source is of the order of milliwatt, then it is necessary to be able to measure a power of the order of microwatt ( ⁇ W).
  • the duration of the power measurement by the rectifier circuit 38 is much shorter than 0.1 second (the rectifying diode is not the circuit which sets the duration of the measurement of the electronic density.)
  • the response time of the latter is much lower than the minimum frequency sweep time of the source, ie 0.1 s).
  • the duration of the measurement of the electron density is T. This is the time taken to perform the scan between f mm and f max .
  • This circuit 40 comprises two inputs powered respectively by:
  • the circuit 40 is responsible for displaying the power transmitted between the two antennas 17, 18 as a function of the frequency of the voltage source 35.
  • this device 40 analyzes the spectrum in order to deduce the transmission frequency of the surface wave to finally display the electron density. All or part of this device 40 can be realized by software means.
  • the voltage amplified by the amplifier 39 is proportional to the power of the wave picked up by the receiving antenna 18.
  • the voltage delivered by the ramp generator 36 is in turn proportional to the frequency of the electromagnetic wave emitted by the transmitting antenna 16.
  • the frequency spectrum of the electromagnetic power transmitted between the two antennas is obtained by developing at the circuit 40 the DC voltage at the output of the amplifier 39 connected to the output of the rectifier circuit 38, as a function of the voltage delivered by the generator ramp 36.
  • This circuit serves to protect the circuits 22 and 24 described above against two sources of nuisance which are RF interference and continuous self-biasing.
  • RF interference occurs when the probe is used in plasma created using an RF source (typically 13.56 MHz).
  • the probe uses two antennas 17, 18 inserted in the plasma, the latter capture a small part of the power electromagnetic radiofrequency from the source 6 for generating the plasma.
  • the parasitic electromagnetic energy picked up by the transmitting antenna is the parasitic electromagnetic energy picked up by the transmitting antenna
  • the 17 is capable of disturbing the operation of the supply circuit 22.
  • the energy picked up by the receiving antenna 18 can, if it is not identified, be read by the device as power from the transmitting antenna 17, this which would disturb the measurement of this power.
  • Plasmas also have the particularity of generating harmonics of the frequency of the plasma source 6. In the case of a source 6 excited at 13.56 MHz, therefore, also the power at 27.12 MHz, 40, 68 MHz etc.
  • Two RF filters 41, 42 are then used to reduce the intensity of the spurious signal picked up by the 13.56 MHz antennas and its harmonic frequencies.
  • One of the filters 41 is arranged in series between the supply circuit
  • the other filter 42 is arranged in series between the power meter 24 and the coaxial cable 23 connected to the receiving antenna 18.
  • filters 41, 42 are band reject filters that eliminate the frequency of the source 6
  • the filters 41 and 42 are low-pass filters allowing only frequencies lower than f max .
  • Continuous self-bias is a DC voltage that occurs on antennas 17, 18 and ground in the presence of plasma when the antennas are not covered by an insulator.
  • This DC voltage can disturb the operation of the supply circuit 22 or power meter 24. It must be removed with circuits 43, 44 whose function is to block the DC current (DC blocker).
  • circuits 43, 44 are constructed with capacitors arranged in series respectively between the filters 41, 42 and the coaxial cables 21, 23.
  • a surface wave is an electromagnetic wave that can propagate at the interface between two media whose dielectric constants are of opposite signs.
  • the usual insulating materials have relative dielectric constants ⁇ greater than or equal to 1.
  • the dielectric constant of the vacuum is equal to 1 and that of a conductor is negative.
  • electrostatic sheath 45 around the probe and in particular around the cylinder 19 and the antennas 17, 18. This zone is separated from the plasma 16 by an interface 20.
  • the electrostatic sheath is a zone that is poor in electrons because the density electronics is much lower than that in plasma. We can thus assimilate this zone to a vacuum.
  • the relative dielectric constant of an electrostatic sheath is thus approximately equal to 1.
  • the relative dielectric constant of a plasma for a wave at the frequency / is:
  • the magnitude f p is called the electronic plasma frequency f p
  • This particular frequency is a function of the electronic density (n e ). It is defined by:
  • An electromagnetic wave can penetrate a plasma and propagate in its volume only if the frequency of this wave is greater than f p . Below this frequency a wave emitted outside of a plasma is reflected on its surface and does not penetrate deep. It is then a so-called evanescent wave in the plasma.
  • the source of the incident wave ie a transmitting antenna
  • the proportion of the energy that is transferred to the surface mode is increased - which makes it possible to detect more easily the surface wave.
  • the transmitting antenna is inserted into the plasma however it is never in contact with the plasma because there always remains an electrostatic sheath between the antenna and the plasma.
  • This transmitting antenna is connected to the piece 19 in order to force a surface wave to propagate around this piece along the electrostatic plasma-sheath interface.
  • another antenna - receiving - is connected to capture a portion of the energy transported by the surface wave.
  • the wavelength ⁇ of a given wave varies with its frequency f.
  • the relation between ⁇ and f is called "dispersion relation”.
  • the calculation of the dispersion relation makes it possible to determine the properties of a wave such as its propagation speed as well as the frequency range in which it exists.
  • the dispersion relation of a given wave type in a medium depends on the composition of the medium and its geometry. In the case of the surface wave of a plasma it depends on the electronic density, the thickness of the electrostatic sheath and the dimensions of the probe.
  • the operation of the probe according to the invention involves the measurement of the transmission threshold frequency (here also called simply "transmission frequency”) which is the frequency above which a surface wave is transmitted in the waveguide between the two antennas.
  • transmission threshold frequency here also called simply "transmission frequency”
  • FIG. 10 shows the dispersion relations calculated for an exemplary transmission plasma probe according to the invention.
  • the dimensions of this probe are those mentioned above with respect to an exemplary practical embodiment of the invention.
  • the radius r of the probe is 1 millimeter
  • the thickness s of the electrostatic sheath is 0.72 millimeters
  • the density is 5.10 9 electrons per cubic centimeter.
  • FIG. 10 comprises several curves because there exists for the surface wave generated between the antenna of the device different surface modes known as "angular modes" indicated by an index m.
  • a given angular mode is characterized by a particular mapping of electric and magnetic fields.
  • the energy is transported by a wave propagating in the plasma volume by reflecting on the walls or in the plasma.
  • the frequency of the voltage source When the frequency of the voltage source is close to / fr , the electric field of the wave and therefore its energy are located at the interface between the plasma and the electrostatic sheath.
  • the electron density that is measured by determining / fr is the edge density of the electrostatic plasma-sheath interface.
  • This frequency f tr is independent of the thickness of the electrostatic sheath, the dimensions of the probe and the presence of dissipations which absorb the energy of the surface wave during its propagation.
  • the electric field of the wave accelerates the electrons and gives them energy.
  • very low ambient pressure for example, pressures lower than 13 pascals, in the absence of collisions of electrons with the atoms or the neutral molecules of the gas, this energy is integrally restored to the surface wave, which facilitates its detection. .
  • Increasing the resistivity of the plasma by increasing the pressure or reducing the electron density therefore has the effect of dissipating the energy of the surface wave, thereby attenuating the amplitude of the signal detected by the antenna.
  • Applicants have used a plasma reactor to implant a dielectric guide transmission plasma probe.
  • the plasma is generated in this reactor by a capacitively coupled radiofrequency source.
  • the sealed chamber of the reactor is made mainly of stainless steel and aluminum in which a vacuum is created by two vacuum pumps placed in series. At rest the pressure in the reactor is about 10 -4 Pascal When gas is injected, the pressure in the chamber can be regulated to work at a constant pressure between 1 pascal and 133 pascals.
  • the plasma is created in the reactor between two plane and circular electrodes 12 cm in diameter, located opposite one of the other, and confined by a grid-shaped cylinder, connected to the ground.
  • the upper electrode is polarized using an RF voltage whose frequency is most often 13.56 MHz. Other frequencies such as 27.12 MHz or 40.68 MHz are also usable.
  • the RF power comes from a generator consisting of an RF signal source connected to a high power amplifier.
  • an impedance matching circuit is interposed between the RF electrode and the output of the amplifier.
  • a counter-electrode connected to ground is disposed above the RF electrode to prevent plasma initiation in this region above the upper electrode.
  • the RF electrode is not visible in Figure 12 because it is hidden by the metal shield that covers it.
  • the lower electrode and the reactor walls are connected to ground.
  • the distance between the electrodes is 3 centimeters.
  • the plasma is confined radially by a conductive grid which is also connected to ground.
  • the injection of the gas into the chamber takes place through the upper electrode which is pierced with holes, it is an electrode called "shower head”.
  • the gas is evacuated to the vacuum pumps by four holes drilled in the walls of the reactor (two are visible in the background on the sides of Figure 12).
  • the photograph of FIG. 13a is a general view from above of a photograph of the probe installed in the reactor - the upper part of the reactor having been removed for the capture of this photograph.
  • the probe is inserted into the volume occupied by the plasma through an orifice in the containment grid.
  • This probe is constructed from RG-405 / U semi-rigid coaxial cables with a characteristic impedance of 50 ohms. The cables are inserted into an alumina tube 9.6 millimeters in diameter and 1.9 millimeters thick.
  • the photograph of Figure 13b is a close-up of the waveguide, taken from the view of Figure 13b.
  • the dipole antennas here have a length of 3 millimeters and the distance between the end of the antennas is 1 centimeter. These antennas are built by letting the inner conductor of the cables pass.
  • Insulation inside coaxial cables is teflon. A piece of this insulation is used to make the dielectric cylindrical part located between the two antennas.
  • the protective layer is made with 0.05 mm thick Teflon tape wrapped around the cables. The thickness of the Teflon protective layer is about 0.2 millimeters.
  • the seal between the reactor chamber and the alumina tube is provided by a gland and an O-ring.
  • a stopper built with a teflon cylinder and low pressure compatible glue is used to vacuum the coaxial cables.
  • the ends of the cables that are out of the reactor are connected to SMA type coaxial connectors that are commonly used when transmitting low power signals in the 100 MHz - 6 GHz frequency range used by the plasma probe. transmission. These connectors are used to connect the probe to a measuring device.
  • the probe is connected to a network analyzer. It is a commonly used measuring instrument for characterizing transmission of an electronic circuit. It has an internal high-frequency source which can fulfill the function of a power supply circuit as well as a device for measuring the power transmitted.
  • a PC-type computer is connected to the network analyzer via a GPIB port to acquire the transmitted wave spectra as data tables.
  • the graphical study of the spectra drawn from the data tables makes it possible to deduce the frequency of transmission and therefore the electronic density. • Mention of some practical results
  • An argon plasma was produced in the capacitively coupled reactor described above with an RF voltage whose frequency is 40.68 MHz.
  • the gas pressure is 5 pascals.
  • FIG. 14a shows the frequency spectrum of the power received by the receiving antenna measured for a power, P RF , of 50 W delivered by the RF generator.
  • the power of the microwave source of the power supply circuit connected to the transmitting antenna is constant and equal to 50 milliwatts regardless of the frequency. Less than 1 percent of this power is captured by the receiving antenna.
  • this structure moves towards the high frequencies when the power delivered by the RF generator increases, that is to say when the electronic density increases.
  • This peak is delimited by two frequencies f b and f h which are reported in FIG. 15 a as a function of the power delivered by the RF generator.
  • This peak is due to a surface wave that transports energy below the plasma frequency, ie in the lower part of the frequency spectrum.
  • the ratio f b / fh is close to 1 / V2 ⁇ 0.7 and that the shape of the spectra obtained (see FIGS. 14a and 14b) is close to what predicted by theory (see Figure 11).
  • the two frequencies f b and f h identified in FIGS. 14a and 14b are thus respectively the transmission frequency, f tr , and the plasma frequency, f p .
  • Figure 16a shows a set of spectra measured at different pressures in an argon plasma.
  • the RF power delivered by the RF generator is adjusted slightly around 50 W to maintain / fr at the same value regardless of the pressure.
  • Figure 17 shows a set of spectra measured under conditions close to those used in plasma-assisted material deposition applications (ie at a relatively high gas pressure of 65 pascals).
  • the gas used is hydrogen and the measurements are carried out at 65 pascals.
  • Hydrogen is a reactive gas often present in silicon or diamond deposition applications.
  • the invention makes it possible to carry out density measurements by overcoming the drawbacks mentioned in the introduction to this text.
  • the invention makes it possible to carry out such measurements in the context of an industrial process without disturbing this process.
  • the invention can be used to control the smooth running of an industrial process.
  • the probe can thus be inserted through a polarized electrode or through a wall of the reactor.
  • the device can deliver to the RF generator a set point for modifying the radiofrequency or microwave gas excitation signal in order to correct this variation in density
  • the invention also makes it possible to propose a device that makes it possible to characterize and adjust the characteristics of a plasma prior to an industrial process using this plasma.
  • the probe is used to adjust the various control parameters of the plasma reactor such as the gas pressure, the gas flow rate, the composition of the gas mixture or the electric power delivered by the plasma source in order to obtain the electron density. optimal for the intended application.
  • the applications concerned cover those known for plasmas. These include applications for plasma assisted deposition or etching or applications for which the plasma is used as a light source or as a device for treating gaseous effluents (depollution applications or as a thermonuclear fusion reactor) ). This preliminary characterization and source adjustment operation is carried out during the installation of the reactor or during its restart after a prolonged shutdown as part of a planned maintenance or following a failure.
  • the probe can be removed to minimize the disturbance brought by the latter. It can also be stored to control the progress of the process as mentioned above.
  • the invention makes it possible to detect the source of the fault in order to remedy it. Once this operation is performed, the probe can still be used to characterize and adjust the reactor as described above.
  • probes can be distributed near the walls of the enclosure to have measurements in different regions of the enclosure.
  • a probe mounted in a sealed manner in the reactor but can be moved in a controlled manner in the interior space of the reactor (having a knowledge of the location of the probe at any time).
  • Another advantage of the invention is that it makes it possible to verify, in a phase of characterization of the enclosure or of repair, the homogeneity of the electronic density in the region of the enclosure intended to receive a sample to be treated and this, with any plasma.
  • a single measuring device can also be connected sequentially to several probes using a switching device. Such a switching device connects a single probe to the measuring device then disconnects and then connect to another probe.
  • the invention is particularly suitable for measuring low electron densities (10 8 -10 9 electrons per cubic centimeter) at gas pressures of several tens of pascals where the other techniques are inapplicable. This range of pressures and densities corresponds in particular to applications of plasma assisted deposits.
  • the present invention aims to be used in plasma assisted etching applications or in applications for which the plasma is used as a light source or as a device for treating gaseous effluents for remediation applications or as a thermonuclear fusion reactor.
  • the invention In order to be able to be used in industrial plasma reactors having few openings on the outside, the invention also proposes a compact device which requires the presence of only one vacuum passage in the chamber to insert the probe therein. .
  • a reactor generating the plasma was used in the embodiment example by means of a capacitively coupled radio frequency generator, the invention applies regardless of the mode of excitation of the gas. it is continuous, radiofrequency or microwave.

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Abstract

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

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE CARACTERISATION DE PLASMA
La présente invention concerne un dispositif de mesure de la densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace contenu dans le réacteur. Et l'invention concerne également un procédé de mesure de densité électronique associé à un tel dispositif.
On précise qu'on entend dans ce texte par « plasma » un gaz suffisamment ionisé pour que les espèces chargées qu'il contient aient un comportement collectif - c'est à dire qu'elles adaptent leur mouvement en fonction du mouvement des autres espèces, de la densité électronique et de la densité des autres espèces chargées qui les entourent.
La densité électronique, ne, est le nombre d'électrons par unité de volume souvent exprimé en électrons/cm3.
Et I' « espace de plasma » est dans ce texte défini comme l'espace occupé par le plasma à l'intérieur du réacteur à plasma.
On rappelle que devant toute surface exposée à un plasma se forme une zone appelée « gaine électrostatique » (illustrée par exemple sur la figure 2 par la référence 45). L'épaisseur typique de cette zone est de quelques millimètres. La gaine électrostatique est une zone pauvre en électrons car la densité électronique y est très inférieure à celle dans le plasma. On peut donc assimiler cette zone à du vide.
Cette gaine électrostatique se forme automatiquement autour de tout objet immergé dans un plasma. Comme on le verra, l'invention s'applique de manière particulièrement avantageuse - mais non limitative - aux plasmas de basse densité électronique et de haute pression de gaz.
On définit ici un plasma « basse densité » comme un plasma dans lequel la densité électronique est inférieure à une valeur de 1010 électrons/cm3. Et on définit de même un plasma « haute pression » comme un plasma dans lequel la pression est supérieure à une valeur de l'ordre de 65 pascals.
Il existe déjà de nombreux types de dispositifs de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma.
Ces dispositifs sont souvent aptes à effectuer des mesures dites « globales », c'est à dire qu'ils fournissent une valeur unique caractérisant globalement la densité électronique.
Or il est parfois souhaitable de réaliser des mesures « locales », qui caractérisent la densité électronique en un endroit spécifique de l'espace occupé par le plasma.
Certains dispositifs ont été conçus pour réaliser de telles mesures locales de densité.
La sonde de Langmuir est un premier exemple d'un tel dispositif. Mais si les sondes de ce type permettent de réaliser des mesures locales de densité, elles sont associées à certaines limitations.
Premièrement, ce type de sonde n'est pas adapté pour les plasmas chimiquement réactifs : les sondes de Langmuir sont en effet sensibles aux dépôts et autres pollutions générés par de tels plasmas. En outre, ce type de sonde nécessite d'être compensé dans le cas
- fréquent - d'un plasma généré par des ondes radiofréquences (plasma RF).
En outre, le fonctionnement de ce type de sonde est relativement complexe. La sonde à flux ionique est un autre type de dispositif permettant d'effectuer des mesures locales.
Ce type de sonde - dont une illustration est donnée dans le brevet
FR 2 738 984 - nécessite la connaissance de certains paramètres associés au plasma (tels que la vitesse de Bohm et la densité d'ions négatifs si le plasma en contient) pour accéder, à partir de ces paramètres, à une densité électronique. Or il serait avantageux d'accéder à des mesures directes de densité électronique, c'est à dire ne nécessitant pas la connaissance d'autres paramètres du plasma considéré.
Un troisième type de dispositif permettant d'effectuer des mesures locales de densité est la sonde plasma à absorption.
Ce type de sonde, illustré notamment par le document US 6 339 297, exploite la détection de pics d'absorption d'une onde de surface stationnaire, à partir de laquelle on déduit de manière indirecte une fréquence représentative d'une densité d'électrons. Mais ce type de sonde est également associé à des limitations.
Son fonctionnement est en effet assez complexe - il nécessite en particulier un traitement d'extrapolation à partir des observations effectuées, et constitue ainsi une méthode indirecte - qui ne donne pas directement accès à une densité. En outre, la mise en œuvre des sondes de ce type nécessite un traitement numérique important, et un étalonnage préalable.
Ce type de sonde a par ailleurs une sensibilité de mesure limitée.
Plus précisément, la mise en œuvre de ce type de sonde est plus particulièrement délicate à basse densité (<1010 électrons/cm3) et haute pression (>65 pascals, > 0,5 torr), car elle nécessite un recours à une analyse complexe des spectres de signaux observés. Par ailleurs la sensibilité de mesure de cette sonde diminue lorsque la pression augmente - elle est donc fonction de la pression.
La sensibilité de ce type de sonde est ainsi typiquement de 109 électrons/cm3 en dessous de 13 pascals (0,1 torr) et elle est de l'ordre de 1010 électrons/cm3 entre 13 pascals et 133 pascals (1 torr).
Par comparaison, dans le cas de l'invention les tests effectués par les demanderesses ont montré une sensibilité de 109 électrons/cm3 jusqu'à 133 pascals (1 torr). Ainsi, dans le cas de plasmas entre 0.1 et 1 Torr, la mise en œuvre de ce type de sonde connu est limitée à des plasmas dont la densité est supérieure à environ 1010 électrons/cm3 - ce qui ne permet pas de caractériser des plasmas de basse densité.
Il apparaît ainsi qu'il demeure un besoin pour un dispositif de mesure de densité d'un plasma, apte à effectuer des mesures locales de densité et affranchi des limitations exposées ci-dessus.
Un but de l'invention est de répondre à ce besoin.
Notamment, un but de l'invention est de permettre de réaliser des mesures de densité de manière simple, rapide et directe.
Un autre but de l'invention est de permettre de réaliser de telles mesures sans avoir recours à un étalonnage important ou un traitement numérique complexe.
Un autre but de l'invention est de permettre de caractériser des plasmas réactifs qui génèrent des dépôts et des pollutions.
Un autre but de l'invention est de pouvoir appliquer la mesure de densité à des plasmas de basse densité, aux plasmas de haute pression - et aux plasmas qui sont à la fois de basse densité et de haute pression.
Afin d'atteindre ces buts, l'invention propose selon un premier aspect un dispositif de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace de plasma contenu dans le réacteur, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend :
• Des moyens pour générer une tension électrique périodique associée à une fréquence dite d'émission,
• Des moyens de commande pour faire varier de manière contrôlée ladite fréquence d'émission, • au moins une antenne émettrice reliée auxdits moyens de génération de tension d'émission pour émettre des ondes de surface à la surface de l'espace de plasma,
• au moins une antenne réceptrice pour recevoir lesdites ondes de surface émises par la ou les antenne(s) émettrice(s), • des moyens de continuité électromagnétique entre la ou les antenne(s) émettrice(s) et la ou les antenne(s) réceptrice(s), pour constituer une gaine de transmission continue correspondant à l'interface entre une gaine électrostatique et le plasma entre chaque antenne émettrice et au moins une antenne réceptrice, la frontière de ladite gaine électrostatique avec le plasma permettant d'acheminer les ondes de surface émises par chaque antenne émettrice jusqu'à au moins une antenne réceptrice,
• des moyens de détection des ondes de surface reçues par la ou les antenne(s) réceptrice(s),
• des moyens de traitement reliés auxdits moyens de commande et auxdits moyens de détection, pour :
> déterminer une fréquence seuil de transmission, qui correspond à une fréquence d'émission au dessus de laquelle les ondes de surface sont transmises à l'antenne réceptrice avec une puissance substantielle, > et déduire de ladite fréquence seuil de transmission une densité électronique dans le plasma.
Des aspects préférés, mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants :
• la topologie desdits moyens de continuité électromagnétique est contrôlée pour éviter que le plasma ne pénètre entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice associée et pour garantir la continuité de la gaine électrostatique entre les deux antennes,
• pour chaque antenne émettrice et une antenne réceptrice associée ladite gaine de transmission est située dans la continuité des gaines électrostatiques associées respectivement à ladite antenne émettrice et à ladite antenne réceptrice,
• lesdits moyens de continuité électromagnétique sont obtenus par le dimensionnement et l'agencement de chaque antenne émettrice par rapport à chaque antenne réceptrice destinée à recevoir l'onde de surface émise par ladite antenne émettrice, • lesdits moyens de continuité électromagnétique correspondent à un élément de continuité diélectrique,
• lesdits moyens de traitement comprennent un dispositif d'analyse spectrale ou sélectif en fréquence apte à analyser l'énergie électromagnétique reçue par chaque antenne de réception en fonction de la fréquence d'émission,
• lesdits moyens de continuité électromagnétique comprennent une structure de continuité électrostatique entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice destinée à recevoir l'onde de surface émise par ladite antenne émettrice,
• ladite structure de continuité électrostatique est réalisée en un matériau diélectrique ou isolant,
• le dispositif comprend une antenne émettrice disposée en regard d'une antenne réceptrice associée et coaxialement avec ladite antenne réceptrice, de manière que l'espace séparant les extrémités des deux antennes soit sensiblement centré sur l'axe commun des deux antennes,
• ladite structure de continuité électrostatique est un cylindre disposé coaxialement entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice associée,
• le dispositif comprend une antenne émettrice disposée non coaxialement à une antenne réceptrice associée, les extrémités de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice étant situées sensiblement en regard l'une de l'autre, • ladite structure de continuité électrostatique est une pièce qui bouche l'espace située entre les extrémités respectives de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice de manière à prévenir que le plasma occupe ledit espace,
• l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice sont portées par un même support,
• les antennes sont isolées du plasma, • les antennes sont dipolaires.
• le dispositif comporte :
> deux antennes dipolaires insérée dans le plasma, chacune disposée à une première extrémité d'un câble coaxial respectif dont la deuxième extrémité débouche à l'extérieur de l'enceinte d'un réacteur à plasma;
> un tube diélectrique dans lequel les câbles coaxiaux sont insérés;
> une pièce cylindrique, constitué d'un matériau diélectrique, disposée entre et au contact de deux antennes dipolaires dans lequel ces dernières sont insérées sur toute leur longueur; ladite pièce cylindrique permettant de constituer entre les deux antennes une gaine électrostatique dont l'interface de séparation avec le plasma est continue entre les deux antennes,
> un ensemble coaxial axisymétrique formé par le cylindre diélectrique et les antennes dipolaires rectilignes dont les axes sont confondus avec l'axe de symétrie de cet ensemble,
• le dispositif comporte également un bouchon constitué d'un matériau diélectrique bouchant l'extrémité du tube diélectrique dans sa partie exposée au plasma, > une première antenne dipolaire rectiligne étant disposée sur l'axe du tube en dépassant du tube à son extrémité située à l'intérieur de l'enceinte, en passant au travers du bouchon,
> une deuxième antenne dipolaire rectiligne étant disposée parallèlement à l'axe du tube à proximité de sa paroi interne, en dépassant du tube à son extrémité située à l'intérieur de l'enceinte, en passant au travers du bouchon,
> le dispositif comportant en outre :
S une pièce constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne, S une pièce constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne. le dispositif comprend:
> deux antennes dipolaires rectilignes, chacune disposée à une première extrémité d'un conducteur respectif dont la deuxième extrémité débouche à l'extérieur de l'enceinte d'un réacteur à plasma,
> des moyens externes à l'enceinte pour alimenter une première antenne avec une tension sinusoïdale de haute-fréquence délivrée par une source, dont la fréquence est ajustable, et connectée à ladite deuxième extrémité du conducteur dont la première extrémité est associée à ladite première antenne,
> des moyens externes à l'enceinte pour mesurer la puissance captée par la deuxième antenne et connecté à ladite deuxième extrémité du conducteur dont la première extrémité est associée à ladite deuxième antenne, > des moyens disposés en série sur le conducteur associé à ladite première antenne pour soustraire de la composante de tension sinusoïdale la fréquence de la source générant le plasma et une éventuelle composante de tension continue sur une électrode interne dudit conducteur associé à ladite première antenne, > des moyens disposés en série sur le conducteur associé à ladite deuxième antenne pour soustraire de la composante de tension sinusoïdale la fréquence de la source générant le plasma et une éventuelle composante de tension continue q sur une électrode interne dudit conducteur associé à ladite deuxième antenne, > un dispositif d'affichage et de traitement pour élaborer la puissance mesurée par le dispositif en fonction de la fréquence de la source, et pour en déduire la fréquence seuil au dessus de laquelle la puissance captée augmente de manière significative afin de déterminer la valeur de la densité électronique du plasma situé autour des antennes. Des aspects préférés, mais non limitatifs de ce procédé sont les suivants :
Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un procédé de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace de plasma contenu dans le réacteur, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
> établir entre au moins une antenne émettrice située dans ledit plasma et au moins une antenne réceptrice distincte de ladite antenne émettrice également située dans le plasma une gaine électrostatique continue,
> générer à l'interface entre ladite gaine électrostatique et le plasma une onde de surface se propageant de ladite antenne émettrice vers ladite antenne réceptrice, par l'application à ladite antenne émettrice d'une tension électrique périodique dont on contrôle la fréquence - dite fréquence d'émission,
> acquérir le signal électromagnétique reçu par ladite antenne de réception et quantifier sa puissance,
> faire varier la fréquence d'émission tout en poursuivant l'acquisition dudit signal électromagnétique reçu par l'antenne de réception, pour détecter une fréquence de transmission correspondant à une fréquence d'émission au dessus de laquelle la puissance dudit signal reçu par l'antenne de réception augmente de manière significative,
> déduire de la valeur de ladite fréquence de transmission une densité d'électrons dans le plasma à proximité de l'antenne d'émission et de l'antenne de réception.
• l'établissement de ladite gaine électrostatique est obtenu en disposant entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice associée une structure de continuité électromagnétique,
• la densité est obtenue par la relation ne(cm~3) = 2.5x\010 f£ (GHz) , avec : > ne = densité /
> f,r = —F= = fréquence seuil de transmission
> r J f P =^ 2%
P ε0me
> e = charge électronique élémentaire,
> ε0 = permittivité du vide,
> m = masse de l'électron,
• lesdites antennes sont des antennes dipolaires,
• lesdites antennes sont disposées à l'extrémité d'un tube, constitué d'un matériau diélectrique, et inséré dans le plasma au travers d'une paroi de l'enceinte d'un réacteur à plasma,
• lesdites antennes sont disposées dans un plan, séparés par un substrat plan constitué d'un matériau diélectrique, et insérées dans le plasma au travers d'une paroi de l'enceinte d'un réacteur à plasma, ou affleurant le paroi du réacteur afin d'être en contact avec le plasma en le perturbant le moins possible,
• le procédé comprend la détermination, à partir de la mesure de la puissance transmise entre deux antennes, de la fréquence minimale, /fr , pour laquelle une puissance électromagnétique significative est transportée par une onde de surface guidée par l'interface entre le plasma et la gaine électrostatique,
• ladite puissance électromagnétique significative correspond à un microwatt.
• le procédé comprend : > l'alimentation d'une antenne émettrice avec une tension sinusoïdale de haute-fréquence délivrée par une source dont on peut modifier la fréquence du signal délivré, > la mesure de la puissance électromagnétique captée par une antenne réceptrice disposée à proximité de l'antenne émettrice, en fonction de la fréquence de la source.
• le procédé comprend la variation continue et de manière croissante de la fréquence de ladite tension sinusoïdale, tout en mesurant la puissance électromagnétique captée par une autre antenne afin de déterminer la fréquence au dessus de laquelle la puissance captée par l'antenne et due à la propagation d'une onde de surface, croît de manière significative. D'autres aspects, buts et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1 est une représentation schématique d'un réacteur à plasma pouvant être mis en œuvre dans le cadre de l'invention, • la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de mesure selon l'invention, selon un premier mode de réalisation,
• la figure 3 est une vue plus détaillée exposant à propos de ce premier mode de réalisation la configuration des éléments introduits dans le réacteur à plasma, • la figure 4 est une vue détaillée des moyens de continuité électromagnétique mis en œuvre dans le premier mode de réalisation de l'invention, sur laquelle un axe AA' et un plan de coupe BB' sont définis,
• la figure 5 est une vue en coupe de ces moyens de continuité électromagnétique, selon le plan BB' défini sur la figure 4, • la figure 6 est une représentation schématique d'un dispositif de mesure selon l'invention, selon un second mode de réalisation,
• la figure 7 détaille à propos de ce second mode de réalisation la configuration de l'antenne émettrice, de l'antenne réceptrice, et des moyens de continuité électromagnétique associés, un axe AA' et un plan de coupe BB' étant définis sur cette figure, • la figure 8 est une vue en coupe des moyens de continuité électromagnétique et des antennes mis en œuvre dans ce second mode de réalisation, selon le plan BB' défini sur la figure 7,
• la figure 9 est un schéma d'ensemble détaillant plus particulièrement les moyens de génération de tension, de commande, de détection et de traitement mis en œuvre dans l'invention,
• la figure 10 est un graphe illustrant des relations de dispersion d'ondes de surface,
• la figure 11 est un graphe théorique illustrant la puissance qui doit théoriquement être transmise entre une antenne réceptrice et une antenne émettrice, en fonction de la fréquence de la tension alimentant ces antennes,
• la figure 12 est une représentation des électrodes permettant de générer un plasma dans un réacteur de plasma utilisé dans le cadre de l'invention,
• La figure 13 comprend les figures 13a et 13b qui représentent respectivement une vue générale d'une réalisation pratique faite par les demanderesses de la sonde à transmission selon l'invention - cette réalisation correspondant à un premier mode de réalisation. Et la figure 13b est une vue de détail de cette sonde, extraite de la vue de la figure
13a,
• la figure 14 comprend deux graphes :
> un graphe a) dont la courbe illustre l'allure de la puissance transmise observée entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice du dispositif, en fonction de la fréquence de la tension d'alimentation du dispositif. Cette courbe fait en particulier apparaître deux seuils de fréquence,
> un graphe b) qui décline le même type de courbe en mettant en évidence l'influence de la puissance, PRF, du générateur radiofréquence injecté pour entretenir le plasma (et donc de la densité électronique) sur la position des deux seuils de fréquence qui viennent d'être mentionnés,
• la figure 15 comprend deux graphes :
> un graphe a) qui donne les valeurs des deux fréquences de seuil mises en évidence sur les figures 14 a et 14b, pour différentes puissances,
> un graphe b) qui établit que le rapport des deux fréquences de seuil est toujours proche d'un facteur constant,
• la figure 16 comprend deux graphes : > un graphe a) qui illustre l'influence de la pression sur la puissance transmise,
> un graphe b) qui illustre l'influence de la densité électronique sur la puissance transmise,
• la figure 17 illustre des résultats de puissance transmise obtenus dans un plasma d'hydrogène à une pression relativement élevée de 65 pascals.
Présentation d'un réacteur à plasma
Préalablement à la description de formes de réalisation de l'invention qui va suivre, on va exposer ci-dessous quelques caractéristiques d'un réacteur à plasma pouvant être mis en œuvre dans le cadre de l'invention.
L'invention s'applique en effet à la mesure de la densité électronique dans un gaz ionisé ou plasma - notamment un plasma dans une enceinte constituant un réacteur à plasma.
On précise que la densité électronique est le nombre d'électrons par unité de volume, densité volumique exprimée le plus souvent en électrons par centimètre cube. Les réacteurs à plasma peuvent être utilisés pour revêtir un échantillon d'une couche mince de matériau, pour graver un échantillon (par bombardement ionique, par un flux d'atomes et radicaux réactifs, ou par les deux ensemble), ou plus généralement pour modifier la structure ou la composition chimique d'une surface.
Un réacteur à plasma peut également être utilisé comme source de lumière ou en tant que dispositif de traitement d'effluents gazeux pour des applications de dépollution ou bien comme réacteur de fusion thermonucléaire.
La figure 1 représente, schématiquement et en coupe, un exemple de réacteur à plasma auquel s'applique la présente invention. Il s'agit, par exemple, d'un réacteur dit à excitation radiofréquence (RF) par couplage capacitif ou inductif.
Un tel réacteur comprend une enceinte sous vide 1. Près d'une première paroi 2 de cette enceinte est placé, sur un porte-substrat 3, un échantillon à traiter 4. L'échantillon 4 a sur cette figure la forme d'un disque dont une surface dirigée vers l'intérieur de l'enceinte 1 constitue la surface à traiter. Cette forme n'est pas limitative.
L'enceinte 1 est remplie d'un gaz à faible pression, par exemple de l'ordre de quelques pascals à quelques centaines de pascals. Le gaz est issu d'une source 12 pour être injecté dans l'enceinte du réacteur par un tuyau d'approvisionnement en gaz 10, le débit de gaz étant régulé par un contrôleur de débit massique 11.
Lorsqu'un mélange de gaz est utilisé, plusieurs sources, contrôleurs de débit et tuyaux d'approvisionnement sont utilisés en parallèle. Le gaz est évacué de l'enceinte 1 par un tuyau d'évacuation 13 connecté à un système de pompage 14 constitué d'une ou plusieurs pompes à vide en série. Le débit volumétrique de pompage est ajusté à l'aide d'une valve 15.
La pression dans l'enceinte se contrôle avec la valve 15 ou le contrôleur de débit 11. Plusieurs moyens peuvent être utilisés pour générer le plasma 16. Par exemple, dans une configuration dite « gravure ionique réactive à couplage capacitif », une tension radiofréquence est appliquée au porte- substrat. On peut également, comme cela est représenté sur la figure 1 , générer le plasma 16 au moyen d'une source 6 indépendante du porte- substrat 3.
Cette source 6 peut être par exemple :
• une électrode polarisée avec une tension continue (source à tension continue),
• une électrode alimentée par un générateur radiofréquence (source capacitive),
• une bobine alimentée par un générateur radiofréquence (source inductive)
• un générateur de micro-ondes.
Cette source peut éventuellement être associée à des moyens permettant l'application d'un champ magnétique statique. Dans le cas de l'emploi d'une source 6 indépendante du porte-substrat, ce dernier peut être polarisé par une source radiofréquence 5 pour établir une auto-polarisation et augmenter ainsi l'énergie d'impact des ions sur la surface à traiter.
Lorsque la source 6 est une source radiofréquence, cette dernière peut éventuellement être polarisée à une fréquence plus élevée que celle appliquée au porte-substrat 5 dans le but de contrôler préférentiellement la densité électronique.
Les plasmas concernés par la présente invention incluent les plasmas chimiquement réactifs (et dans lesquels la réactivité chimique en plus du bombardement ionique peut être utilisée).
La seule réactivité du gaz ou du mélange de gaz injectés dans l'enceinte est parfois le seul phénomène exploité.
Mais en général cette réactivité est améliorée ou même générée par les collisions des électrons sur les atomes ou molécules neutres produisant ainsi des radicaux, espèces chimiques instables absentes dans le gaz sans la présence des électrons, ainsi que des ions réactifs. Ces radicaux ainsi que les ions réactifs sont responsables du dépôt ou de la gravure. Dans le cas du dépôt, on parle alors de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma.
Cette réactivité initiée par les électrons évite le recours à un chauffage important du gaz ou du porte-substrat, ce qui endommagerait l'échantillon à traiter. Le taux de production des radicaux produits par les collisions électroniques est donc fonction de la densité électronique.
De même, le flux de particules chargées (électrons et ions) qui arrivent à la surface à traiter est proportionnel à la densité électronique. La réactivité chimique et le bombardement ionique agissent généralement en synergie dans ces plasmas.
Dans un processus de dépôt ou de gravure par plasma, il est important de connaître les caractéristiques du plasma pour pouvoir contrôler la mise en oeuvre du processus et sa reproductibilité, en particulier pour contrôler la vitesse de dépôt ou de gravure en fonction de l'épaisseur du dépôt ou de la profondeur de la gravure souhaitée. La densité électronique est une de ces caractéristiques dont la mesure et le contrôle est déterminant dans la mise en oeuvre de ces processus de dépôt ou de gravure. L'invention s'applique à une mesure de cette densité dans un réacteur à plasma.
Premier mode de réalisation de la sonde
En référence maintenant à la figure 2, on a représenté un dispositif de mesure de densité électronique (dont nous nommerons la partie immergée dans le plasma « sonde à plasma ») selon un premier mode de réalisation de l'invention. Comme on le verra, le fonctionnement de la sonde selon l'invention repose sur la détermination de la « fréquence de transmission » d'une onde électromagnétique de surface se propageant dans une gaine électrostatique (typiquement cylindrique) établie entre le plasma et la sonde. La sonde est insérée au travers de la paroi 7 d'une enceinte à vide 1 d'un réacteur plasma afin d'être mis en contact avec le plasma 16.
La mesure de densité se fait en mettant en œuvre une transmission d'ondes électromagnétiques entre une antenne émettrice 17 et une antenne réceptrice 18 espacées d'une distance donnée (qui peut être d'environ 1 cm). Comme on le verra plus en détail, il est important que l'espace entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice ne soit pas trop important.
La sonde comporte ici uniquement une antenne émettrice et une antenne réceptrice.
On précise toutefois qu'il est également possible de prévoir plus d'une antenne émettrice et plus d'une antenne réceptrice, lesdites antennes étant alors disposées en différents endroits du réacteur - avec toujours un espacement contrôlé et des moyens de continuité électromagnétique entre chaque antenne émettrice et la ou les antenne(s) réceptrice(s) qui lui est (sont) associée(s). L'antenne émettrice 17 est reliée par un câble coaxial 21 à un circuit source 22 qui délivre une tension périodique (typiquement une tension sinusoïdale) dont on peut modifier la fréquence.
Celle-ci est modifiée de manière à balayer continuellement une gamme de fréquence donnée. Dans un exemple préféré de mise en œuvre, cette gamme de fréquence comprend les fréquences situées entre 50 MHz et 6 GHz.
L'antenne réceptrice 18 est reliée par un autre câble coaxial 23 à un dispositif 24 chargé de mesurer la puissance du rayonnement électromagnétique capté par cette antenne réceptrice. Cela permet de déterminer la puissance électromagnétique transmise entre les deux antennes en fonction de la fréquence de la source 22.
Un cylindre 19 en matériau diélectrique d'environ 1 millimètre de diamètre et 1 centimètre de longueur est intercalé entre les deux antennes.
Le matériau du cylindre (19) est un diélectrique chimiquement inerte comme par exemple de l'alumine, du verre, de la silice fondu ou du poly- tetra-fluoro-éthylène (PTFE).
Les deux antennes et le cylindre 19 sont situés dans le plasma 16. On a illustré sur cette figure la gaine électrostatique (ici référencée
45) qui correspond à la zone se formant spontanément devant toute surface exposée à un plasma, et dont l'épaisseur typique est de quelques millimètres.
On a ainsi représenté sur la figure 2 une gaine électrostatique 45 autour des éléments de la sonde et en particulier autour du cylindre 19 et des antennes 17 et 18.
Cette zone de gaine électrostatique est séparée du plasma 16 par une interface 20.
Le cylindre 19 est disposé entre les deux antennes pour garantir une continuité électromagnétique entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice.
On précise qu'on entend plus précisément par « continuité électromagnétique » « continuité des propriétés électromagnétiques des structures diélectriques (en l'occurrence gaine électrostatique et diélectrique) entre les deux antennes ».
Cette continuité électromagnétique est obtenue du fait que le cylindre empêche le plasma 16 d'occuper l'espace entre les deux antennes et que ce cylindre assure la continuité de la gaine électrostatique 45 et de l'interface plasma/gaine électrostatique 20 entre les deux antennes. Cette continuité de la gaine électrostatique et de son interface entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice va permettre à une onde de surface de se propager le long de l'interface 20, de l'antenne émettrice 17 vers l'antenne réceptrice 18.
Le cylindre 19 correspond ainsi à un exemple de moyens de continuité électromagnétique entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice.
On précise que cette continuité électromagnétique peut également être établie sans disposer d'élément additionnel entre les deux antennes, mais en prévoyant que la distance séparant ces deux antennes soit suffisamment petite pour que le plasma ne puisse pénétrer entre les antennes et que les gaines électrostatiques générées par les deux antennes se rejoignent. Dans un tel cas les « moyens de continuité électromagnétique » correspondent simplement au dimensionnement et à l'agencement particuliers permettant d'obtenir sans élément additionnel la continuité souhaitée. Revenant au mode de réalisation décrit en référence à la figure 2, l'ensemble formé par le cylindre 19, la gaine électrostatique 45 et le plasma 16 constitue un guide d'onde (ou une ligne de transmission) pour les ondes de surface.
Les propriétés de ce guide dépendent des propriétés du plasma et en particulier de sa densité électronique.
Les deux antennes 17, 18 sont comme on va le voir utilisées pour caractériser en transmission les propriétés de ce guide, et en déduire la densité électronique locale entre les deux antennes.
La sonde mise en œuvre dans le cadre de l'invention est ainsi une sonde plasma à transmission (ceci étant le cas pour tous les modes de réalisation de la sonde). Elle se distingue ainsi notamment des sondes plasma à absorption qui ont été évoquées en introduction de ce texte.
L'onde à transmettre est générée par le courant alternatif issu de la source 22, puis injectée à une première extrémité du guide d'onde mentionné ci-dessus par l'antenne émettrice 17, pour être captée en sortie du guide d'onde par l'antenne réceptrice 18. Et le guide d'onde n'autorise la propagation d'ondes de surface qu'à des fréquences supérieures à une fréquence particulière appelée fréquence seuil de transmission (qui pourra également être désignée par le simple terme de « fréquence de transmission » dans la suite de ce texte), notée ffr . Cette fréquence de transmission peut être détectée car elle correspond à un point singulier dans le spectre en fréquence de la puissance transmise. La fréquence de transmission correspond en effet à la fréquence au dessus de laquelle la puissance électromagnétique captée par l'antenne réceptrice 18 augmente significativement. Et la valeur de cette fréquence de transmission est liée à la densité électronique entre les deux antennes. On peut en effet montrer que la densité ne se déduit de la fréquence de transmission par la relation : ne(cm-3) = 2,5ΛOloftr 2(GHz).
La figure 3 représente avec davantage de détail la sonde plasma de la figure 2. Cette sonde a été insérée dans un réacteur plasma en passant par exemple par une ouverture dans une paroi 7 du réacteur, afin d'être en contact avec le plasma (sur la figure 3 l'intérieur du réacteur est à gauche - contrairement à la représentation de la figure 2).
La sonde comprend deux câbles semi-rigides 21 et 23 insérés dans un même tube électriquement isolant et rigide 25. Ces câbles sont des câbles coaxiaux.
Les deux câbles 21 et 23 peuvent être identiques.
Le matériau du tube 25 peut être de l'alumine ou de la silice fondue, et le diamètre extérieur de ce tube peut être d'environ 1 centimètre. Chacun des deux câbles comporte une partie saillante hors du tube
25 dans le réacteur.
Ces deux parties saillantes sont recourbées de manière à ce que les deux câbles présentent chacun en regard l'un de l'autre une extrémité, les deux extrémités étant coaxiales. Ces deux extrémités, dénudées, constituent deux antennes dipolaires respectives 17 et 18. L'autre extrémité de chaque câble est située hors du réacteur à plasma.
On précise qu'on désigne chaque antenne 17, 18 par le terme d'antenne « dipolaire » car dans le cas de chacune de ces antennes c'est le dipôle constitué par l'antenne elle-même et la gaine de blindage
(conducteur) du câble coaxial de l'antenne qui permet de créer le champ électrique qui excitera l'onde de surface.
Les deux antennes 17 et 18 sont insérées dans le cylindre diélectrique 19, dont le rayon est égal au diamètre extérieur des câbles 21 et 23 (c'est à dire à leur diamètre avec la protection 26 qui peut les entourer avant leur extrémité dénudée, si une telle protection existe).
La configuration recourbée des deux câbles forme une boucle fermée, les bases des parties saillantes des deux câbles étant proches l'une de l'autre, alors que leurs extrémités dénudées sont en regard l'une de l'autre, également proches, et jointes par le cylindre 19.
On notera qu'il n'est pas nécessaire (bien que cela soit souvent plus commode) de faire sortir les deux câbles coaxiaux par la même orifice dans le réacteur. La configuration recourbée des deux câbles permet au plasma d'occuper tout l'espace autour du cylindre 19 . Elle permet également de garantir qu'aucune surface conductrice ne se trouve à proximité du cylindre 19 ce qui permet de ne pas perturber la propagation des ondes de surface le long du guide d'onde. Les extrémités des câbles coaxiaux 21 et 23 qui débouchent à l'extérieur de l'enceinte sont connectées à un circuit de mesure qui sera décrit dans la suite de ce texte.
Dans une configuration préférée du dispositif, les antennes 17 et 18 sont identiques et elles peuvent être utilisées indifféremment comme antenne émettrice ou antenne réceptrice. Dans la partie où les câbles 21 et 23 sont dans l'espace de plasma ces deux câbles peuvent être recouverts par une couche diélectrique 26.
Cette couche constitue une protection dans le cas où on désire éviter une pollution de l'espace de plasma par le métal des câbles coaxiaux 21 et 23.
Le matériau constituant ce gainage de protection doit pouvoir supporter les températures du gaz dans l'enceinte sans fondre et sans polluer le plasma. Il doit également ne pas réagir chimiquement avec les gaz injectés dans l'enceinte. Cette protection peut être réalisée en alumine, en verre, en silice fondue ou à l'aide d'un tube de PTFE flexible.
Dans la partie où les câbles coaxiaux sont logés dans le tube diélectrique 25, ces câbles ne sont pas exposés au plasma.
Un bouchon 27 étanche au plasma et électriquement conducteur bouche l'extrémité du tube 25 qui débouche dans le réacteur. Ce bouchon est percé de deux trous pour faire passer les câbles 21 et 23. Ce bouchon permet d'empêcher le plasma de pénétrer dans le tube 25.
Un presse-étoupe formé des éléments référencés 7, 29 et 30 est utilisé pour assurer l'étanchéité entre la paroi de l'enceinte du réacteur et le tube 25. La pièce 29 est un capot de presse-étoupe vissé sur une saillie de la paroi 7 de manière à écraser un joint souple 30 contre le tube rigide 25.
En dévissant légèrement le capot 29 on peut déplacer la sonde dans le réacteur tout en préservant l'étanchéité du passage sous vide de la sonde. Le presse-étoupe permet de déplacer la sonde sans « casser le vide » dans l'enceinte à vide du réacteur.
Un second bouchon 28 placé à l'extérieur du réacteur bouche la deuxième extrémité du tube 25. Ce second bouchon permet d'assurer l'étanchéité du passage sous vide des câbles coaxiaux dans le tube, l'intérieur du tube étant maintenu sous vide. La figure 4 est une vue détaillée d'une coupe longitudinale du guide d'onde et des antennes de la sonde plasma à transmission, selon le premier mode de réalisation de l'invention.
Le guide d'onde présente une symétrie de révolution selon l'axe AA' et est également symétrique par rapport au plan contenant l'axe BB' et orthogonal à l'axe AA'.
Le plasma est séparé du cylindre 19 par une gaine électrostatique dont l'épaisseur s est de quelques millimètres.
Une onde de surface générée par une des antennes sera ainsi concentrée principalement à proximité de l'interface 20 qui sépare le plasma 16 de la gaine électrostatique. Une telle onde se propagera parallèlement à l'axe AA'.
Grâce à la continuité électromagnétique (assurée ici par le cylindre 19, mais dont on rappelle qu'elle peut être obtenue par un placement très rapproché des deux antennes), les ondes de surface se propageront le long de l'interface 20, de l'antenne émettrice 17 vers l'antenne réceptrice 18.
Les antennes 17 et 18 sont insérées sur toute leur longueur dans le cylindre 19 pour d'une part protéger ces antennes du plasma et pour d'autre part assurer le blocage mécanique de la pièce cylindrique 19. Cette pièce 19 peut également être collée à l'isolant 32 qui entoure les câbles.
Le matériau de cet isolant 32 ainsi que celui constituant le cylindre 19 doivent être choisis de telle façon qu'ils puissent supporter les températures du gaz sans se déformer, ainsi que l'attaque chimique du plasma. Les antennes doivent de préférence ne pas être en contact avec le plasma pour deux raisons :
• éviter de polluer le plasma avec le métal constituant l'antenne,
• et empêcher la formation d'une tension continue d'auto-polarisation de l'antenne qui peut perturber les mesures effectuées par le dispositif. La longueur d des antennes 17 et 18 est environ de 5 millimètres. Ces antennes peuvent être le prolongement du conducteur intérieur des câbles coaxiaux semi-rigides 21 , 23.
A titre d'exemple, le diamètre extérieur des câbles coaxiaux rigides peut être environ de 2 millimètres, et la distance L entre les extrémités des antennes de approximativement 1 centimètre. Le diélectrique de protection
26 dont l'épaisseur e est alors inférieure à 0,5 millimètre est disposé sur le conducteur extérieur 31 des câbles coaxiaux.
Le gainage de l'isolant 26 peut éventuellement être prolongé sur le cylindre 19 afin d'améliorer son blocage mécanique ainsi que la protection des antennes.
La figure 5 est une coupe transverse schématique selon un plan orthogonal à l'axe AA' et contenant l'axe BB' du guide d'onde montré sur la figure précédente. Cette figure montre que le plasma est séparé du cylindre 19 de diamètre D par une gaine électrostatique d'épaisseur s séparée du plasma par l'interface 20.
Deuxième mode de réalisation de la sonde
La sonde plasma à transmission décrite ci-dessus en référence au premier mode de réalisation utilise un guide à onde de surface entre les deux antennes dont la géométrie est coaxiale. Le guide utilisé présente une symétrie de révolution autour de l'axe AA', comme représenté en particulier sur la figure 4.
La figure 6 présente un second mode de réalisation dans lequel la sonde est réalisée de manière plus compacte.
Dans ce mode de réalisation, la sonde met en œuvre un guide à ondes de surface dont la géométrie est radiale et plane. Le plan de ce guide peut par ailleurs être coplanaire avec une partie de la paroi du réacteur, afin de minimiser la perturbation provoquée par la présence de la sonde. Cette variante utilise également deux câbles coaxiaux semi-rigides identiques 21 et 23, insérés dans un tube isolant et rigide 25 (les éléments identiques ou équivalents à ceux du premier mode de réalisation sont référencés de la même manière). Le matériau du tube 25 est ici encore de l'alumine, du verre ou de la silice fondue, et le diamètre extérieur du tube est environ de 2 centimètres.
Comme pour le premier mode de réalisation l'étanchéité du passage sous vide de la sonde au travers de la paroi 7 du réacteur est assurée par un presse-étoupe formé des éléments 7, 29 et 30. L'étanchéité du passage sous vide des câbles coaxiaux 21 et 23 est réalisée à l'aide d'un bouchon 28 qui obture de manière étanche l'extrémité du tube 25 située à l'extérieur du réacteur.
Chacun des deux câbles est terminé par une partie dénudée formant antenne dipolaire (respectivement antennes 17 et 18). Ces antennes s'étendent parallèlement et sont disposées de manière à dépasser dans l'espace intérieur du réacteur, hors de l'extrémité du tube 25 qui est située à l'intérieur du réacteur.
Un bouchon 48 diélectrique, percé de deux trous pour laisser passer les câbles 21 et 23, obture de manière étanche cette extrémité du tube 25 pour empêcher le plasma de pénétrer dans le tube.
Les antennes 17 et 18 peuvent être insérées sur toute leur longueur dans des cylindres isolants 46 et 47 si il est désiré de protéger ces antennes du plasma.
Les matériaux des protections 46 et 47 ainsi que celui constituant le bouchon 48 doivent ici encore être choisis de telle façon qu'ils puissent supporter l'attaque chimique du plasma et les températures du gaz sans se déformer.
Le matériau utilisé doit être un diélectrique chimiquement inerte comme par exemple du téflon, de l'alumine, de la silice fondue ou du verre. La figure 7 est une coupe longitudinale schématique du guide d'onde radial et des antennes du deuxième mode de réalisation de la sonde plasma.
L'antenne émettrice 17 est située sur l'axe de symétrie AA' du tube 25. L'autre antenne 18, qui joue le rôle d'antenne réceptrice, est disposée à proximité de la paroi interne du tube 25.
Le guide d'onde présente une symétrie de révolution selon l'axe AA' et est également symétrique par rapport au plan contenant les axes AA' et BB' (plan de la figure). Le plasma est séparé du bouchon 48 et des éventuelles protections
46, 47 par une gaine électrostatique assimilée à du vide dont l'épaisseur s est de quelques millimètres.
Ici encore, les ondes de surface générées par une des antennes seront concentrées principalement à proximité de l'interface 20 qui sépare le plasma 16 de la gaine électrostatique.
Dans ce mode de réalisation, une telle onde de surface se propagera radialement de l'antenne émettrice 17 située sur l'axe AA' vers le bord du guide d'onde radial où est disposée l'antenne réceptrice 18.
Dans ce mode de réalisation c'est le bouchon 48 qui assure la continuité électromagnétique entre les deux antennes. Dans ce mode, le bouchon a donc deux fonctions :
• Une fonction d'étanchéité du tube dont il bouche l'extrémité,
• Une fonction de continuité électromagnétique.
La longueur d des antennes 17 et 18 peut être d'environ 5 millimètres. Ces antennes peuvent ici encore être le prolongement du conducteur intérieur des câbles coaxiaux semi-rigides 21 , 23.
Le diamètre extérieur des câbles coaxiaux rigides peut être d'environ
2 millimètres, et la distance L entre les extrémités des antennes approximativement de 7 millimètres. Le diamètre D du tube diélectrique 25 est environ de 2 centimètres. Les cylindres 46, 47 de protection ont un diamètre légèrement supérieur à celui des câbles coaxiaux rigides. La figure 8 est une vue selon l'axe AA' du guide d'onde plan montré sur la figure précédente.
Le plasma est séparé du tube 25 de diamètre extérieur D par une gaine électrostatique 45 d'épaisseur séparée du plasma par l'interface 20. Le diélectrique de protection 46 protégeant l'antenne émettrice 17 est situé sur l'axe AA'.
L'autre élément diélectrique de protection 47 est disposé en bordure du guide radial plan à proximité de la paroi interne du tube 25. Ces deux protections 46, 47 sont fixées au bouchon diélectrique 48 qui est enfoncé dans le tube 25.
Circuit de mesure
Afin de déterminer la densité électronique avec une sonde plasma telle que présentée ci-dessus il faut utiliser un circuit de mesure situé à l'extérieur de l'enceinte du réacteur dont le schéma synoptique est donné sur la figure 9.
Ce circuit - ainsi que les différents moyens qu'il comprend et qui vont être exposés en détail dans la suite de ce texte - peut être utilisé avec les deux modes de réalisation présentés ci-dessus pour la sonde à plasma.
Le but de ce circuit est de mesurer la puissance électromagnétique transmise entre les deux antennes 17, 18 afin d'identifier et de mesurer la fréquence de transmission de l'onde de surface se propageant dans le guide d'onde formé par le cylindre diélectrique 19, la gaine électrostatique 45 et le plasma 16.
Pour accomplir cette tâche le dispositif doit pouvoir assurer les quatre fonctions suivantes :
• alimenter l'antenne émettrice 17 en énergie électrique issue de la source 22 afin d'exciter une onde de surface à l'entrée du guide d'onde, ladite alimentation étant réalisée avec une fréquence que l'on peut faire varier,
• mesurer la puissance électromagnétique captée par l'antenne réceptrice 18 à la sortie du guide d'onde,
• tracer la puissance captée en fonction de la fréquence de la source 22, et en déduire la densité électronique locale entre les deux antennes,
• protéger les circuits de nuisances pouvant perturber leur fonctionnement.
Ces quatre fonctions sont assurées par quatre moyens respectifs que sont un circuit d'alimentation 22, un puissancemètre 24, un circuit d'affichage et de traitement 40 et un circuit de protection 33.
On va ci-dessous décrire ces quatre moyens (la figure 9 illustre une configuration correspondant au deuxième mode de réalisation de la sonde, mais il est rappelé que le circuit peut naturellement être mis en œuvre avec tous les modes de réalisation de la sonde).
• Circuit d'alimentation 22
Ce circuit délivre une tension sinusoïdale de fréquence f dont la puissance est constante quelque soit la fréquence. La fréquence de la tension délivrée par ce circuit peut quant à elle être modifiée de manière contrôlée. On précise que cette tension peut plus généralement être une tension périodique dont on peut faire varier de manière contrôlée une caractéristique de fréquence.
Le circuit d'alimentation 22 comprend un oscillateur haute-fréquence
35 dont la tension de sortie est contrôlée de manière à avoir une amplitude constante.
La tension sinusoïdale en sortie de l'oscillateur 35 est amplifiée avec un amplificateur large-bande 36. La sortie de l'amplificateur 36 est connectée à l'antenne émettrice par l'intermédiaire du câble coaxial 21 qui est inséré dans le tube diélectrique 25. L'oscillateur 35 est contrôlé avec une tension de contrôle continue qui sert à régler la fréquence f. Cette fréquence f est ainsi proportionnelle à la tension de contrôle appliquée, et après une calibration préalable la mesure de cette tension de contrôle équivaut à une mesure de la fréquence f de l'oscillateur 35.
Soient respectivement fmin et fmax les fréquences minimum et maximum de la tension sinusoïdale délivrée par le circuit 22, Vmin et Vmax sont les tensions de contrôle correspondantes.
Afin de balayer continuellement l'intervalle de fréquence entre fmin et W, l'oscillateur 35 est connecté à la sortie d'un générateur de rampes de tension 37 qui délivre un signal périodique en dent de scie dont la période est T.
De cette manière, la fréquence de l'alimentation délivrée par l'oscillateur 35 est contrôlée pour croître continûment sur un intervalle T - elle cette fréquence varie ainsi selon des cycles successifs qui s'enchaînent dès qu'un intervalle T est expiré.
Durant une période T la tension délivrée par le générateur 37 augmente linéairement avec le temps, cette tension passant en une période
Figure imgf000031_0001
La période T conditionne la durée de la mesure de la densité électronique. Cette période est ajustable afin de pouvoir effectuer un balayage de Vmin à Vmax (et donc de fmin à fmax pour la fréquence de sortie de l'oscillateur 35) en un temps compris entre, par exemple, 0,1 seconde et 1 seconde. La gamme de fréquence délimitée par fmin et fmax est évidemment fonction de la valeur de l'amplitude de la densité électronique à mesurer. La fréquence de transmission que l'on cherche à déterminer est liée à la densité électronique par la relation :
Figure imgf000031_0002
Ainsi, en fonction de la connaissance préalable que l'on a de la gamme de valeurs dans laquelle la densité à mesurer devrait se trouver, on adoptera des valeurs différentes de fmin et fmax. On peut par exemple indiquer que : • Si la densité à mesurer se situe entre 108 électrons par centimètre cube et 1010 électrons par centimètre cube alors il faut utiliser des fréquences fmin et fmax de 63 MHz et 630 MHz respectivement.
• Si la densité à mesurer se situe entre 109 électrons par centimètre cube et 1011 électrons par centimètre cube alors il faut utiliser des fréquences fmin et fmax de 200 MHz et 2 GHz respectivement.
• Si la densité à mesurer est supérieure à 1012 électrons par centimètre cube alors il faut utiliser des fréquences supérieures à 6 GHz (fmin = 6 GHz).
La gamme de fréquence à utiliser dans le cas général est entre 50 MHz et 6 GHz - on précise que dans le cadre du présent texte les « hautes fréquences » sont définies comme les fréquences supérieures à 50 MHz.
Le gain de l'amplificateur 36 est ajustable afin de régler la puissance du signal sinusoïdal appliqué à l'antenne émettrice.
Cette puissance doit être suffisamment élevée afin de permettre la détection de l'onde de surface par l'antenne de réception 18 et le puissancemètre 24.
A des pressions de gaz inférieures à 13 pascals l'onde transmise entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice est peu absorbée par le plasma entourant la sonde. Une puissance de 1 milliwatt est suffisante. Lorsque la pression du gaz dans l'enceinte du réacteur à plasma est supérieure à 13 pascals l'énergie de l'onde est dissipée au cours de sa propagation dans le guide d'onde, et plus de puissance sera nécessaire.
En outre la puissance délivrée ne doit pas excéder un watt pour ne pas perturber la décharge des composants du circuit. • Puissancemètre 24
Le puissancemètre 24 est utilisé pour mesurer la puissance captée par l'antenne réceptrice 18.
Ce puissancemètre comprend un circuit rectificateur 38. Le circuit rectificateur est connecté à l'antenne réceptrice 18 par le câble coaxial 23.
Le circuit rectificateur 38 dispose d'un port d'entrée et d'un port de sortie. Le port de sortie délivre une tension continue proportionnelle à la puissance reçue en entrée grâce au redressement opéré, par exemple, par une diode de type shottky. Cette tension continue est amplifiée à l'aide d'un amplificateur de tension 39.
Le circuit 38 doit pouvoir mesurer des puissances de l'ordre du microwatt jusqu'à plusieurs dizaines de milliwatt car en générale la puissance captée par l'antenne réceptrice 17 ne dépasse guère 1% de la puissance délivrée par la source de tension. Si la puissance électrique délivrée par la source de tension est de l'ordre du milliwatt, il faut alors pouvoir mesurer une puissance électrique de l'ordre du microwatt ( μ W).
La durée de la mesure de puissance par le circuit rectificateur 38 est très inférieure à 0,1 seconde (la diode rectificatrice n'est pas le circuit qui fixe la durée de la mesure de la densité électronique. Le temps de réponse de cette dernière est bien inférieur à la durée minimale de balayage en fréquence de la source c'est-à-dire 0,1 s).
Par conséquent la durée de la mesure de la densité électronique est T. Il s'agit du temps mis pour effectuer le balayage entre fmm et fmax .
• Circuit 40 d'affichage et de traitement
Ce circuit 40 comporte deux entrées alimentées respectivement par :
• La sortie de l'amplificateur 39 du puissancemètre 24,
• La sortie du générateur de rampes 36. Le circuit 40 se charge d'afficher la puissance transmise entre les deux antennes 17, 18 en fonction de la fréquence de la source de tension 35.
En outre il analyse le spectre afin d'en déduire la fréquence de transmission de l'onde de surface pour finalement afficher la densité électronique. Tout ou une partie de ce dispositif 40 peut être réalisé par des moyens logiciels.
La tension amplifiée par l'amplificateur 39 est proportionnelle à la puissance de l'onde captée par l'antenne réceptrice 18. La tension délivrée par le générateur de rampes 36 est quant à elle proportionnelle à la fréquence de l'onde électromagnétique émise par l'antenne émettrice 16.
Le spectre en fréquence de la puissance électromagnétique transmise entre les deux antennes est obtenu en élaborant au niveau du circuit 40 la tension continue en sortie de l'amplificateur 39 connecté à la sortie du circuit rectificateur 38, en fonction de la tension délivrée par le générateur de rampe 36.
• Circuit de protection 33
Ce circuit a pour fonction de protéger les circuits 22 et 24 décrits précédemment contre deux sources de nuisances qui sont le parasitage RF et l'auto-polarisation continue.
Parasitaae RF
Le parasitage RF survient lorsque la sonde est utilisée dans un plasma créé à l'aide d'une source RF (généralement à 13,56 MHz).
Comme la sonde utilise deux antennes 17, 18 insérées dans le plasma, ces dernières captent une faible part de la puissance électromagnétique radiofréquence issue de la source 6 destinée à générer le plasma.
L'énergie électromagnétique parasite captée par l'antenne émettrice
17 est susceptible de perturber le fonctionnement du circuit d'alimentation 22. L'énergie captée par l'antenne réceptrice 18 peut si elle n'est pas identifiée être lue par le dispositif comme de la puissance issue de l'antenne émettrice 17, ce qui perturberait la mesure de cette puissance.
Les plasmas ont également pour particularité de générer des harmoniques de la fréquence de la source de plasma 6. Dans le cas d'une source 6 excitée à 13,56 MHz, on capte donc aussi de la puissance à 27,12 MHz, 40,68 MHz etc.
Deux filtres RF 41 , 42 sont alors utilisés afin de réduire l'intensité du signal parasite capté par les antennes à 13,56 MHz ainsi qu'à ses fréquences harmoniques. L'un des filtres 41 est disposé en série entre le circuit d'alimentation
22 et le câble coaxial 21 connecté à l'antenne émettrice 17.
L'autre filtre 42 est disposé en série entre le puissancemètre 24 et le câble coaxial 23 relié à l'antenne réceptrice 18.
Ces filtres sont des filtres passe-haut dont la fréquence de coupure est aux alentours de 50 MHz. Les signaux délivrés par le circuit d'alimentation 22 sont dans la gamme 50 MHz-6 GHz. Il faut donc veiller à ce que la fréquence de coupure de ces filtres passe-haut demeure en dessous de la fréquence fmin pour éviter de filtrer les signaux de mesure provenant du circuit d'alimentation. Lorsque la source 6 est une source de micro-ondes fonctionnant à 2,45 GHz il faut filtrer cette fréquence à l'aide de filtres 41 , 42 réjecteur de bande ou passe-bas selon que la fréquence de la source 6 est entre fmin et fmax ou au dessus :
• Si la fréquence de la source 6 est entre fmin et fmaχ, les filtres 41 , 42 sont des filtres réjecteurs de bande qui éliminent la fréquence de la source 6
(et ses éventuelles harmoniques situées entre fmin et fmaχ), • Si la fréquence de la source est au-dessus de la fréquence de la source 6 est entre fmin et fmaχ, les filtres 41 et 42 sont des filtres passe-bas ne laissant passer que les fréquences inférieures à fmax.
Quelle que soit la fréquence utilisée pour la source plasma 6 il faut tenir compte de ce filtrage dans l'interprétation des spectres élaborés par le circuit 40.
Auto-polarisation
L'auto-polarisation continue est une tension continue qui apparaît sur les antennes 17, 18 et la masse en présence de plasma lorsque les antennes ne sont pas recouvertes par un isolant.
Cette tension continue peut perturber le fonctionnement du circuit d'alimentation 22 ou du puissancemètre 24. Elle doit être supprimée avec des circuits 43, 44 dont la fonction est de bloquer le courant continu (bloqueur de DC).
Ces circuits 43, 44 sont construits avec des condensateur disposés en série respectivement entre les filtres 41 , 42 et les câbles coaxiaux 21 , 23.
Eléments de théorie et de modélisation
On va dans cette section exposer les principaux éléments de théorie et de modélisation mis en œuvre par l'invention.
• Introduction
On va commencer par rappeler ici certaines notions utilisées dans le cadre de l'invention.
Une onde de surface est une onde électromagnétique qui peut se propager à l'interface entre deux milieux dont les constantes diélectriques sont de signes contraires. Les matériaux isolants usuels ont des constantes diélectriques relatives ε supérieures ou égales à 1. La constante diélectrique du vide est égale à 1 et celle d'un conducteur est négative.
On a déjà rappelé que devant toute surface exposée à un plasma se forme une zone appelée « gaine électrostatique » dont l'épaisseur typique est de quelques millimètres.
Il y a donc une gaine électrostatique 45 autour de la sonde et en particulier autour du cylindre 19 et des antennes 17, 18. Cette zone est séparée du plasma 16 par une interface 20. La gaine électrostatique est une zone pauvre en électrons car la densité électronique y est très inférieure à celle dans le plasma. On peut donc assimiler cette zone à du vide. La constante diélectrique relative d'une gaine électrostatique est ainsi environ égale à 1.
La constante diélectrique relative d'un plasma pour une onde à la fréquence / est :
Figure imgf000037_0001
La grandeur fp est appelée fréquence plasma électronique fp
(ou fréquence plasma). Cette fréquence particulière est fonction de la densité électronique (ne ). Elle est définie par :
2 s ω P 2 neeΔ
ZK £ome
(e est la charge électronique élémentaire, ε0 est la permittivité du vide et me est la masse de l'électron). Lorsque la fréquence f du courant généré par la source 35 est inférieure à fp, la constante diélectrique relative du plasma est négative, une onde de surface est donc susceptible de se propager à l'interface entre la gaine électrostatique et un plasma pour des fréquences f inférieures à la fréquence plasma (fp ).
La fréquence plasma électronique est donc liée à la densité électronique par a la relation : fp (GHz) = 8, 98.10~6 yjne (cm~3 ) . Une densité de 1010 électrons par centimètre cube est courante dans les plasmas de décharge par conséquent une fréquence plasma électronique de l'ordre de 1 GHz est également courante.
Une onde électromagnétique ne peut pénétrer dans un plasma et se propager dans son volume que si la fréquence de cette onde est supérieure à fp . En dessous de cette fréquence une onde émise à l'extérieure d'un plasma se réfléchit à sa surface et n'y pénètre pas en profondeur. Il s'agit alors d'une onde dite évanescente dans le plasma.
En revanche même pour des ondes de fréquence f inférieure à fp des ondes de surface peuvent exister et se propager le long de l'interface plasma-gaine électrostatique qui joue alors le rôle de guide d'onde.
On peut donc générer de telles ondes de surface en envoyant vers un plasma une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à fP -
L'essentiel de l'énergie de cette onde se trouve réfléchie par la surface du plasma, mais une partie de cette énergie est transférée à une onde électromagnétique de surface.
En disposant la source de l'onde incidente, c'est à dire une antenne émettrice, à proximité immédiate d'un plasma, on augmente la proportion de l'énergie qui est transférée au mode de surface - ce qui permet de détecter plus facilement l'onde de surface.
Dans le cas de la sonde plasma à transmission objet de la présente invention l'antenne émettrice est insérée dans le plasma cependant elle n'est jamais en contact avec le plasma car il subsiste toujours une gaine électrostatique entre l'antenne et le plasma. Cette antenne émettrice est connectée à la pièce 19 afin de forcer une onde de surface à se propager autour de cette pièce le long de l'interface plasma-gaine électrostatique. Au bout de la pièce 19 une autre antenne - de réception - est connectée pour capter une partie de l'énergie transportée par l'onde de surface.
• Eléments de théorie
Pour exploiter la sonde selon l'invention il est nécessaire de calculer la relation entre la fréquence de transmission /fr et la densité électronique que l'on cherche à mesurer.
La longueur d'onde λ d'une onde donnée varie avec sa fréquence f. La relation entre λ et f est appelée « relation de dispersion ».
Le calcul de la relation de dispersion permet de déterminer les propriétés d'une onde comme sa vitesse de propagation ainsi que la gamme de fréquence dans laquelle elle existe. La relation de dispersion d'un type d'onde donné dans un milieu dépend de la composition du milieu et de sa géométrie. Dans le cas de l'onde de surface d'un plasma elle dépend de la densité électronique, de l'épaisseur de la gaine électrostatique et des dimensions de la sonde. Le fonctionnement de la sonde selon l'invention implique la mesure de la fréquence seuil de transmission (ici également appelée simplement « fréquence de transmission ») qui est la fréquence au dessus de laquelle une onde de surface est transmise dans le guide d'onde entre les deux antennes. Le calcul de la relation de dispersion à partir d'un modèle théorique adéquat permet donc d'établir une relation entre la densité électronique du plasma entourant le guide d'onde et la fréquence de transmission /fr .
La figure 10 montre les relations de dispersion calculées pour un exemple de sonde plasma à transmission objet de l'invention. Les dimensions de cette sonde sont celles qui ont été mentionnées ci-dessus à propos d'un exemple de réalisation pratique de l'invention. Le rayon r de la sonde est de 1 millimètre, l'épaisseur s de la gaine électrostatique est 0,72 millimètre et la densité est de 5.109 électrons par centimètre cube. Au lieu de représenter λ en fonction de / la figure 10 expose 1%([+s) en fonction de -£- afin d'avoir des abaques universels.
La figure 10 comporte plusieurs courbes car il existe pour l'onde de surface générée entre les antennes du dispositif différents modes de surface dits « modes angulaires » repérés par un indice m. Un mode angulaire donné est caractérisé par une cartographie particulière des champs électriques et magnétiques.
On observe qu'une onde de surface - quelque soit son mode angulaire m - n'existe qu'entre deux fréquences particulières. Le calcul théorique montre que ces deux fréquences sont respectivement égales à ^l et fp . La fréquence de transmission, ftr, est ainsi égale à ^ .
A des fréquences supérieures à la fréquence plasma fp le transport d'énergie se fait par une onde se propageant dans le volume du plasma en se réfléchissant sur les parois ou dans le plasma.
A des fréquences inférieures à la fréquence fp aucune énergie, hormis celle transportée par l'onde de surface, n'est normalement captée par l'antenne réceptrice. En pratique si l'antenne de réception est trop proche de l'antenne émettrice, l'effet du couplage capacitif entre ces antennes n'est pas négligeable et un courant circule entre les deux antennes. Ce couplage « parasite » se fait aussi par l'intermédiaire du plasma.
A cet égard on cherchera donc d'une part à réduire au maximum la surface des antennes en contact avec le plasma et d'autre part à ne pas trop rapprocher les antennes. En l'absence de couplage parasite entre les deux antennes on s'attend à mesurer pour l'onde transmise un spectre de puissance transmise tel que montré sur la figure 11.
Lorsque la fréquence de la source de tension est proche de /fr , le champ électrique de l'onde et donc son énergie sont localisées à l'interface entre le plasma et la gaine électrostatique. La densité électronique que l'on mesure en déterminant /fr est donc la densité en lisière de l'interface plasma-gaine électrostatique.
Cette fréquence ftr est indépendante de l'épaisseur de la gaine électrostatique, des dimensions de la sonde et de la présence de dissipations qui absorbent l'énergie de l'onde de surface au cours de sa propagation.
Le champ électrique de l'onde accélère les électrons et leur donne de l'énergie. A très basse pression environnante - par exemple des pressions inférieures à 13 pascals, en l'absence de collisions des électrons avec les atomes ou les molécules neutres du gaz, cette énergie est intégralement restituée à l'onde de surface, ce qui facilite sa détection.
Mais en présence de collisions (à des pressions de gaz supérieures à 13 pascals) les électrons cèdent de l'énergie aux molécules neutres, cette énergie ne pouvant ensuite être restituée à l'onde. Le plasma devient donc résistif. Cette résistivité croît aussi lorsque la densité électronique diminue.
L'augmentation de la résistivité du plasma par accroissement de la pression ou par diminution de la densité électronique a donc pour effet de dissiper l'énergie de l'onde de surface, atténuant ainsi l'amplitude du signal détecté par l'antenne.
Précisions sur un exemple de réalisation
On va donner ci-dessous quelques informations supplémentaires sur un exemple de réalisation pratique de l'invention fabriquée et utilisée par la demanderesse.
• Description du réacteur
Les demanderesses ont utilisé un réacteur à plasma pour y implanter une sonde plasma à transmission à guide diélectrique. Le plasma est généré dans ce réacteur par une source à radiofréquence à couplage capacitif.
L'enceinte étanche du réacteur est faite principalement d'acier inoxydable et d'aluminium dans laquelle un vide est créé grâce à deux pompes à vide placées en série. Au repos la pression dans le réacteur est environ de 10"4 pascals. Lorsque du gaz est injecté, la pression dans l'enceinte peut-être régulée afin de travailler à une pression constante entre 1 pascal et 133 pascals.
Comme illustré sur la figure 12 qui correspond à une photographie prise de l'extérieur par une fenêtre du réacteur, le plasma est créé dans le réacteur entre deux électrodes planes et circulaires de 12 centimètres de diamètre, situées en regard l'une de l'autre, et confiné par une grille en forme de cylindre, connecté à la masse.
L'électrode supérieure, dite électrode RF, est polarisée à l'aide d'une tension RF dont la fréquence est le plus souvent de 13,56 MHz. D'autres fréquences comme 27,12 MHz ou bien 40,68 MHz sont également utilisables.
La puissance RF est issue d'un générateur constitué par une source de signaux RF connecté à un amplificateur de haute puissance. Afin de maximiser la puissance délivrée au plasma un circuit d'accord en impédance est intercalée entre l'électrode RF et la sortie de l'amplificateur.
Une contre-électrode connectée à la masse est disposée au dessus de l'électrode RF pour empêcher l'amorçage de plasma dans cette région située au-dessus de l'électrode supérieure. L'électrode RF n'est donc pas visible sur la figure 12 car elle est masquée par le blindage métallique qui la recouvre.
L'électrode inférieure et les parois du réacteur sont connectées à la masse. La distance entre les électrodes est de 3 centimètres. Le plasma est confiné radialement par une grille conductrice qui est également reliée à la masse.
L'injection du gaz dans l'enceinte s'effectue au travers de l'électrode supérieure qui est percée de trous, c'est une électrode dite en « pomme de douche ». Le gaz est évacué vers les pompes à vide par quatre orifices percés dans les parois du réacteur (deux sont visibles en arrière-plan sur les côtés de la figure 12).
• Caractéristiques et implantation de la sonde
La photographie de la figure 13a est une vue générale de dessus issue d'une photographie de la sonde installée dans le réacteur - la partie supérieure du réacteur ayant été retirée pour la prise de vue de cette photographie.
La sonde est insérée dans le volume occupé par le plasma en passant par un orifice dans la grille de confinement. Cette sonde est construite à partir de câbles coaxiaux semi-rigides de type RG-405/U dont l'impédance caractéristique est de 50 ohms. Les câbles sont insérés dans une tube en alumine de 9,6 millimètre de diamètre et de 1 ,9 millimètre d'épaisseur.
La photographie de la figure 13b est un gros plan du guide d'onde, extrait de la vue de la figure 13b.
Les antennes dipolaires ont ici une longueur de 3 millimètres et la distance entre l'extrémité des antennes est de 1 centimètre. Ces antennes sont construites en laissant dépasser le conducteur intérieur des câbles.
L'isolant à l'intérieur des câbles coaxiaux est du téflon. Un morceau de cet isolant est utilisé pour fabriquer la pièce cylindrique diélectrique située entre les deux antennes. La couche de protection est réalisée avec du ruban de téflon de 0,05 millimètre d'épaisseur enroulée autour des câbles. L'épaisseur de la couche protectrice de téflon est environ de 0,2 millimètre. L'étanchéité entre l'enceinte du réacteur et le tube en alumine est assurée par un presse-étoupe et un joint torique.
Un bouchon construit avec un cylindre de téflon et de la colle compatible avec les basses pressions est utilisé pour faire un passage sous vide des câbles coaxiaux. Les extrémités des câbles qui sont hors du réacteur sont connectées à des connecteurs coaxiaux de type SMA qui sont d'usage courant lorsqu'il faut transmettre des signaux de faible puissance dans la gamme de fréquence 100 MHz - 6 GHz utilisé par la sonde plasma à transmission. Ces connecteurs permettent de relier la sonde à un dispositif de mesure.
• Circuit de mesure
Dans l'exemple qui est ici décrit la sonde est connectée à un analyseur de réseau. Il s'agit d'un instrument de mesure d'usage courant servant à caractériser en transmission un circuit électronique. Il dispose d'une source haute-fréquence interne pouvant remplir la fonction de circuit d'alimentation ainsi qu'un dispositif de mesure de la puissance transmise.
Un ordinateur de type PC est connecté à l'analyseur de réseau par un port GPIB afin d'acquérir les spectres d'onde transmise sous forme de tableaux de données. L'étude graphique des spectres tracées à partir des tableaux de données permet de déduire la fréquence de transmission et donc la densité électronique. • Mention de quelques résultats pratiques
Un plasma d'argon a été produit dans le réacteur à couplage capacitif décrit précédemment avec une tension RF dont la fréquence est 40,68 MHz. La pression du gaz est de 5 pascals. En augmentant la puissance délivrée par le générateur RF de plasma on augmente la densité électronique dans le plasma car on ionise d'autant plus le gaz en lui fournissant plus d'énergie.
La figure 14a montre le spectre en fréquence de la puissance captée par l'antenne réceptrice mesurée pour une puissance, PRF, de 50 W délivrée par le générateur RF.
La puissance de la source de micro-ondes du circuit d'alimentation connecté à l'antenne émettrice est constante et égale à 50 milliwatts quelle que soit la fréquence. Moins de 1 pour cent de cette puissance est captée par l'antenne réceptrice.
Il existe dans le spectre de puissance transmise une structure de « pic » à basse fréquence.
Comme le montre la figure 14b, cette structure se déplace vers les hautes fréquences lorsque la puissance délivrée par le générateur RF augmente, c'est à dire lorsque la densité électronique augmente. Ce pic est délimité par deux fréquences fb et fh qui sont reportées sur la figure 15a en fonction de la puissance délivrée par le générateur RF.
Ce pic est dû à une onde de surface qui transporte de l'énergie en dessous de la fréquence plasma, c'est à dire dans la partie basse du spectre de fréquences.
Pour vérifier cela, le rapport de deux fréquences fb et fh qui délimitent ce pic est tracé sur la figure 15b en fonction de la puissance délivrée par le générateur RF.
On constate que le rapport fb/fh est proche de 1/V2 ≈ 0.7 et que l'allure des spectres obtenus (Cf. figures 14a et 14b) est proche de ce qui prévu par la théorie (cf. figure 11). Les deux fréquences fb et fh identifiées sur les figures 14a et 14b sont ainsi respectivement la fréquence de transmission, ftr, et la fréquence plasma, fp.
La figure 16a montre un ensemble de spectres mesurés à des pressions différentes dans un plasma d'argon. La puissance RF délivrée par le générateur RF est légèrement ajustée autour de 50 W afin de maintenir /fr à la même valeur quelle que soit la pression.
Le rapport entre les deux fréquences fb et fh est ici encore de 0 ,7 quelle que soit la pression. La figure 16b présente des spectres de puissance mesurés à 5 pascals à des densités inférieures à 5.109 électrons par centimètre cube.
Lorsque la pression augmente (figure 16a) ou bien lorsque la densité électronique diminue (figures 16b et 14), le pic de l'onde de surface est de moins en moins discernable ce qui rend plus difficile la détermination de fp . Ceci provient de l'augmentation de la résistivité du plasma qui a pour conséquence d'accentuer l'atténuation de l'onde de surface. A puissance incidente constante, si l'atténuation augmente on capte alors moins de puissance.
Par contre la détection de /fr reste possible quelles que soient les conditions.
Il s'agit de la fréquence seuil au dessus de laquelle la puissance captée par l'antenne réceptrice croît significativement.
Et l'invention sera d'autant plus aisée à mettre en œuvre que ce seuil sera détecté simplement (c'est-à-dire en particulier que la puissance transmise sera importante et que la transition sera abrupte).
La figure 17 montre un ensemble de spectres mesurés dans des conditions proches de celles utilisées dans les applications de dépôt d'un matériau assisté par plasma (soit à une pression de gaz relativement élevé de 65 pascals). Le gaz utilisé est de l'hydrogène et les mesures sont réalisées à 65 pascals. L'hydrogène est un gaz réactif souvent présent dans les applications de dépôt de couches minces de silicium ou de diamant.
Bien que l'on ne distingue plus le pic de l'onde de surface à haute pression, une bonne estimation de la fréquence de transmission est donnée par l'intersection entre l'axe des ordonnées et la droite interpolant le mieux le spectre au dessus du seuil.
Conclusion
L'invention permet d'effectuer des mesures de densité en s'affranchissant des inconvénients mentionnés en introduction de ce texte.
On ajoutera que l'invention permet de réaliser de telles mesures dans le cadre d'un procédé industriel, sans perturber ce procédé. En particulier l'invention peut être utilisée pour contrôler le bon déroulement d'un processus industriel.
Cela est réalisé en disposant la sonde en bordure du plasma afin de minimiser la perturbation apportée par sa présence. La sonde peut ainsi être insérée au travers d'une électrode polarisée ou bien au travers d'une paroi du réacteur.
Et les mesures de densité peuvent être exploitées en temps réel, notamment de la manière suivante :
• Si le dispositif détecte une légère variation de la densité électronique, il peut délivrer au générateur RF une consigne permettant de modifier le signal radiofréquence ou micro-onde d'excitation du gaz afin de corriger cette variation de densité,
• Si le dispositif détecte une variation brutale de la densité électronique, il peut générer une alarme afin de prévenir l'opérateur en charge de surveiller le processus. L'invention permet également de proposer un dispositif qui permet de caractériser et ajuster les caractéristiques d'un plasma préalablement à un processus industriel utilisant ce plasma.
La sonde est dans ce cas utilisée pour ajuster les différents paramètres de contrôle du réacteur plasma comme la pression de gaz, le débit de gaz, la composition du mélange de gaz ou la puissance électrique délivrée par la source plasma afin d'obtenir la densité électronique optimale pour l'application visée.
Les applications concernées couvrent celles qui sont connues pour les plasmas. On citera notamment les applications de dépôt ou de gravure assistés par plasma ou bien les applications pour lesquelles le plasma est utilisé comme source de lumière ou en tant que dispositif de traitement d'effluents gazeux (des applications de dépollution ou bien comme réacteur de fusion thermonucléaire). Cette opération préalable de caractérisation et de réglage de la source est réalisée lors de l'installation du réacteur ou bien au cours de son redémarrage après un arrêt prolongé dans le cadre d'une maintenance prévue ou à la suite d'une défaillance.
Une fois cette opération préalable réalisée, la sonde peut être retirée pour minimiser la perturbation apportée par cette dernière. Elle peut aussi être conservée afin de contrôler le déroulement du procédé comme évoqué précédemment.
En cas de défaillance du procédé, ou de problème détecté par la sonde si cette dernière est utilisée au cours du procédé, l'invention permet de détecter la source de la panne afin d'y remédier. Une fois cette opération réalisée, la sonde peut être encore utilisée pour caractériser et régler le réacteur comme décrit plus haut.
On notera que plusieurs sondes peuvent être réparties à proximité des parois de l'enceinte pour disposer de mesures dans différentes régions de l'enceinte. Et il est également possible de prévoir une sonde montée de manière étanche dans le réacteur, mais pouvant être déplacée de manière contrôlée dans l'espace intérieur du réacteur (en ayant une connaissance de l'endroit où se trouve la sonde à tout moment). Dans ce cas on peut utiliser une seule sonde fixée à un translateur sous vide pour déplacer la sonde parallèlement à la paroi entre deux mesures. L'interprétation des mesures délivrées par la sonde aux différents endroits de mesure permettra alors de dresser une carte de la répartition de la densité électronique à proximité de la paroi concernée. Un autre avantage de l'invention est qu'elle permet de vérifier, dans une phase de caractérisation de l'enceinte ou de réparation, l'homogénéité de la densité électronique dans la région de l'enceinte destinée à recevoir un échantillon à traiter et ce, avec n'importe quel plasma.
Pour ce faire, il est possible que : • plusieurs sondes et dispositifs de mesures soient répartis à proximité de la paroi destinée à recevoir, en fonctionnement normal, l'échantillon à traiter, • et/ou qu'une sonde soit montée de manière mobile dans le réacteur.
Un seul dispositif de mesure peut également être connecté séquentiellement à plusieurs sondes à l'aide d'un dispositif de commutation. Un tel dispositif de commutation connecte une seule sonde au dispositif de mesure puis se déconnecte pour ensuite se connecter à une autre sonde.
L'invention est notamment particulièrement adaptée pour mesurer les densités électroniques faibles (108 -109 électrons par centimètres cube) à des pressions de gaz de plusieurs dizaines de pascals où les autres techniques sont inapplicables. Ce domaine de pressions et de densités correspond notamment aux applications de dépôts assistés par plasma.
Outre ces plasmas de dépôts, la présente invention vise aussi à être utilisée dans les applications de gravure assistée par plasma ou bien dans les applications pour lesquelles le plasma est utilisé comme source de lumière ou en tant que dispositif de traitement d'effluents gazeux pour des applications de dépollution ou bien comme réacteur de fusion thermonucléaire.
Afin de pouvoir être utilisé dans des réacteurs plasma industriels possédant peu d'ouvertures sur l'extérieur, l'invention propose en outre un dispositif compact qui ne nécessite la présence que d'un seul passage sous vide dans la chambre pour y insérer la sonde.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de subir diverses modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, les matériaux, dimensions, types de câbles coaxiaux, et gamme de fréquences utilisés indiqués à titre d'exemple pourront être modifiés, notamment, en fonction du réacteur à plasma auquel est destiné le dispositif.
De plus, bien que l'on ait utilisé dans l'exemple de réalisation un réacteur générant le plasma au moyen d'un générateur radiofréquence à couplage capacitif, l'invention s'applique quel que soit le mode d'excitation du gaz, qu'il soit continu, radiofréquence ou micro-onde.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace de plasma contenu dans le réacteur, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend :
• Des moyens (35) pour générer une tension électrique périodique associée à une fréquence dite d'émission,
• Des moyens de commande (37) pour faire varier de manière contrôlée ladite fréquence d'émission, • au moins une antenne émettrice (17) reliée auxdits moyens de génération de tension d'émission pour émettre des ondes de surface à la surface de l'espace de plasma,
• au moins une antenne réceptrice (18) pour recevoir lesdites ondes de surface émises par la ou les antenne(s) émettrice(s), • des moyens de continuité électromagnétique (19) entre la ou les antenne(s) émettrice(s) et la ou les antenne(s) réceptrice(s), pour constituer une gaine de transmission continue correspondant à l'interface entre une gaine électrostatique et le plasma entre chaque antenne émettrice et moins une antenne réceptrice, la frontière (20) de ladite gaine électrostatique avec le plasma permettant d'acheminer les ondes de surface émises par chaque antenne émettrice jusqu'à au moins une antenne réceptrice,
• des moyens (24) de détection des ondes de surface reçues par la ou les antenne(s) réceptrice(s), • des moyens de traitement reliés auxdits moyens de commande et auxdits moyens de détection, pour :
> déterminer une fréquence seuil de transmission qui correspond à une fréquence d'émission au dessus de laquelle les ondes de surface sont émises avec une puissance substantielle, > et déduire de ladite fréquence seuil de transmission une densité électronique dans le plasma.
2. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens de continuité électromagnétique sont disposés de manière à éviter que le plasma ne pénètre entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice associée et garantir la continuité de la gaine électrostatique entre les deux antennes.
3. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que pour chaque antenne émettrice et une antenne réceptrice associée ladite gaine de transmission est située dans la continuité des gaines électrostatiques associées respectivement à ladite antenne émettrice et à ladite antenne réceptrice.
4. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite gaine de transmission continue est obtenue en contrôlant les paramètres suivants :
• dimensionnement de chaque antenne émettrice et réceptrice, • agencement de chaque antenne émettrice, par rapport à chaque antenne réceptrice destinée à recevoir l'onde de surface émise par ladite antenne émettrice.
5. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de continuité électromagnétique correspondent à un élément de continuité (19) diélectrique.
6. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement comprennent un dispositif d'analyse spectrale ou sélectif en fréquence apte à analyser l'énergie électromagnétique reçue par chaque antenne de réception en fonction de la fréquence d'émission.
7. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de continuité électromagnétique (19) comprennent une structure de continuité électrostatique entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice destinée à recevoir l'onde de surface émise par ladite antenne émettrice.
8. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite structure de continuité électrostatique est réalisée en un matériau diélectrique ou isolant.
9. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que le dispositif comprend une antenne émettrice disposée en regard d'une antenne réceptrice associée et coaxialement avec ladite antenne réceptrice, de manière que l'espace séparant les extrémités des deux antennes soit sensiblement centré sur l'axe commun des deux antennes.
10. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite structure de continuité électrostatique est un cylindre (19) disposé coaxialement entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice associée.
11. Dispositif selon une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le dispositif comprend une antenne émettrice disposée non coaxialement à une antenne réceptrice associée, les extrémités de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice étant situées sensiblement en regard l'une de l'autre.
12. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite structure de continuité électrostatique est une pièce qui bouche l'espace située entre les extrémités respectives de l'antenne émettrice et de l'antenne réceptrice de manière à prévenir que le plasma occupe ledit espace.
13. Dispositif selon l'une des quatre revendications précédentes caractérisé en ce que l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice sont portées par un même support.
14. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que les antennes sont isolées du plasma.
15. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que les antennes sont dipolaires.
16. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte :
• deux antennes dipolaires (17,18) insérée dans le plasma (16), chacune disposée à une première extrémité d'un câble coaxial respectif (21 , 23) dont la deuxième extrémité débouche à l'extérieur de l'enceinte (1 ) d'un réacteur à plasma;
• un tube diélectrique (25) dans lequel les câbles coaxiaux (21 ,23) sont insérés; • une pièce cylindrique (19), constitué d'un matériau diélectrique, disposée entre et au contact de deux antennes dipolaires (17, 18) dans lequel ces dernières sont insérées sur toute leur longueur; ladite pièce cylindrique permettant de constituer entre les deux antennes une gaine électrostatique dont l'interface (20) de séparation avec le plasma est continue entre les deux antennes,
• un ensemble (17, 18, 19) coaxial axisymétrique formé par le cylindre diélectrique (19) et les antennes (17,18) dipolaires rectilignes dont les axes sont confondus avec l'axe de symétrie de cet ensemble;
17. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que :
• le dispositif comporte également un bouchon (48) constitué d'un matériau diélectrique bouchant l'extrémité du tube diélectrique (25) dans sa partie exposée au plasma (16),
> une première antenne dipolaire rectiligne (17) étant disposée sur l'axe du tube (25) en dépassant du tube (25) à son extrémité située à l'intérieur de l'enceinte (1), en passant au travers du bouchon (48),
> une deuxième antenne dipolaire rectiligne (18) étant disposée parallèlement à l'axe du tube (25) à proximité de sa paroi interne, en dépassant du tube (25) à son extrémité située à l'intérieur de l'enceinte (1 ), en passant au travers du bouchon (48),
• le dispositif comportant en outre :
> une pièce (46) constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne (17),
> une pièce (47) constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne (18).
18. Dispositif selon la revendication 16 caractérisé en ce que le dispositif comprend:
• deux antennes dipolaires rectilignes (17,18), chacune disposée à une première extrémité d'un conducteur respectif (21 ,23) dont la deuxième extrémité débouche à l'extérieur de l'enceinte (1 ) d'un réacteur à plasma, • des moyens externes (22) à l'enceinte (1 ) pour alimenter une première antenne (17) avec une tension sinusoïdale de haute- fréquence délivrée par une source (25), dont la fréquence est ajustable, et connectée à ladite deuxième extrémité du conducteur (21 ) dont la première extrémité est associée à ladite première antenne, • des moyens externes (24) à l'enceinte (1 ) pour mesurer la puissance captée par la deuxième antenne (18) et connecté à ladite deuxième extrémité du conducteur (23) dont la première extrémité est associée à ladite deuxième antenne,
• des moyens (41 , 43) disposés en série sur le conducteur (21 ) associé à ladite première antenne pour soustraire de la composante de tension sinusoïdale la fréquence de la source générant le plasma et une éventuelle composante de tension continue sur une électrode interne dudit conducteur (21 ) associé à ladite première antenne, • des moyens (42, 44) disposés en série sur le conducteur (23) associé à ladite deuxième antenne pour soustraire de la composante de tension sinusoïdale la fréquence de la source générant le plasma et une éventuelle composante de tension continue q sur une électrode interne dudit conducteur (23) associé à ladite deuxième antenne,
• un dispositif d'affichage et de traitement (40) pour élaborer la puissance mesurée par le dispositif (24) en fonction de la fréquence de la source (22), et pour en déduire la fréquence seuil au dessus de laquelle la puissance captée augmente de manière significative afin de déterminer la valeur de la densité électronique du plasma (16) situé autour des antennes (17,18).
19. Procédé de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma, ledit plasma étant réparti dans un espace de plasma contenu dans le réacteur, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : • Etablir entre au moins une antenne émettrice située dans ledit plasma et au moins une antenne réceptrice distincte de ladite antenne émettrice également située dans le plasma une gaine électrostatique continue, • Générer à l'interface (20) entre ladite gaine électrostatique et le plasma une onde de surface se propageant de ladite antenne émettrice vers ladite antenne réceptrice, par l'application à ladite antenne émettrice d'une tension électrique périodique dont on contrôle la fréquence - dite fréquence d'émission, • Acquérir le signal électromagnétique reçu par ladite antenne de réception et quantifier sa puissance,
• Faire varier la fréquence d'émission tout en poursuivant l'acquisition dudit signal électromagnétique reçu par l'antenne de réception, pour détecter une fréquence de transmission correspondant à une fréquence d'émission au dessus de laquelle la puissance dudit signal reçu par l'antenne de réception augmente de manière significative,
• Déduire de la valeur de ladite fréquence de transmission une densité d'électrons dans le plasma à proximité de l'antenne d'émission et de l'antenne de réception.
20. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'établissement de ladite gaine électrostatique est obtenu en disposant entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice associée une structure de continuité électromagnétique.
21. Procédé selon une des deux revendications précédentes caractérisé en ce que la densité est obtenue par la relation ne(cm-3) = 2.5x\0wf J(GHz) , avec : • ne = densité /
• ftr = -j= = fréquence seuil de transmission
J p 2π
P εome e = charge électronique élémentaire,
• ε0 = permittivité du vide
• me = masse de l'électron.
22. Procédé selon une des trois revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites antennes sont des antennes dipolaires.
23. Procédé selon une des quatre revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites antennes sont disposées à l'extrémité d'un tube (25), constitué d'un matériau diélectrique, et inséré dans le plasma (16) au travers d'une paroi de l'enceinte (1 ) d'un réacteur à plasma.
24. Procédé selon une des revendications 19 à 22 caractérisé en ce que lesdites antennes sont disposées dans un plan, séparés par un substrat plan constitué d'un matériau diélectrique, et insérées dans le plasma (16) au travers d'une paroi de l'enceinte (1 ) d'un réacteur à plasma, ou affleurant le paroi du réacteur afin d'être en contact avec le plasma en le perturbant le moins possible.
25. Procédé selon une des six revendications précédentes caractérisé en ce que le procédé comprend la détermination, à partir de la mesure de la puissance transmise entre deux antennes (17,18), de la fréquence minimale, /„. , pour laquelle une puissance électromagnétique significative est transportée par une onde de surface guidée par l'interface (20) entre le plasma (16) et la gaine électrostatique (45).
26. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite puissance électromagnétique significative correspond à un microwatt.
27. Procédé selon une des huit revendications précédentes caractérisé en ce que le procédé comprend :
• l'alimentation d'une antenne émettrice (17) avec une tension sinusoïdale de haute-fréquence délivrée par une source (22) dont on peut modifier la fréquence du signal délivré,
• la mesure de la puissance électromagnétique captée par une antenne réceptrice (18) disposée à proximité de l'antenne émettrice, en fonction de la fréquence de la source (22).
28. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce que le procédé comprend la variation continue et de manière croissante de la fréquence de ladite tension sinusoïdale, tout en mesurant la puissance électromagnétique captée par une autre antenne (18) afin de déterminer la fréquence au dessus de laquelle la puissance captée par l'antenne (18) et due à la propagation d'une onde de surface, croît de manière significative.
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