WO2006037704A1 - Device and method for characterizing plasma - Google Patents

Device and method for characterizing plasma Download PDF

Info

Publication number
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
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plasma
antenna
frequency
antennas
receiving antenna
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/054317
Other languages
French (fr)
Inventor
Sébastien DINE
Jean-Paul Booth
Original Assignee
Ecole Polytechnique
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ecole Polytechnique, Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) filed Critical Ecole Polytechnique
Publication of WO2006037704A1 publication Critical patent/WO2006037704A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917Plasma diagnostics
    • H01J37/32935Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32917Plasma diagnostics
    • H01J37/32935Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
    • H01J37/32954Electron temperature measurement
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/0006Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature
    • H05H1/0012Investigating plasma, e.g. measuring the degree of ionisation or the electron temperature using electromagnetic or particle radiation, e.g. interferometry
    • H05H1/0062Investigating 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.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

The invention concerns a method and a device for measuring electronic density in a plasma reactor (19) comprising: an emitting antenna (17) for emitting surface waves (10), a receiving antenna (18), means for electromagnetic continuity (19) between the emitting antenna and the receiving antenna for carrying the waves to the receiving antenna, means (24) for detecting the waves, processing means (16) connected to said detecting means for: determining a transmission threshold frequency corresponding to an emission frequency above which the waves are emitted with substantial power, deducing therefrom an electronic density in the plasma (14).

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE CARACTERISATION DE PLASMA DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZING 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.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.
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.It is specified that in this text "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.
La densité électronique, ne, est le nombre d'électrons par unité de volume souvent exprimé en électrons/cm3.The electron density, n e , is the number of electrons per unit volume often expressed in electrons / cm 3 .
Et I' « espace de plasma » est dans ce texte défini comme l'espace occupé par le plasma à l'intérieur du réacteur à plasma.And "plasma space" is in this text defined as the space occupied by the plasma inside the plasma reactor.
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.It is recalled that before any surface exposed to a plasma forms an area called "electrostatic sheath" (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.
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.This electrostatic sheath is automatically formed around any object immersed in a plasma. As will be seen, the invention applies particularly advantageously - but not limited - to low electron density plasmas and high gas pressure.
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.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.
Il existe déjà de nombreux types de dispositifs de mesure de densité électronique dans un réacteur à plasma.There are already many types of electronic density measuring devices in a plasma reactor.
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.These devices are often able to perform so-called "global" measurements, ie they provide a unique value characterizing the overall electronic density.
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.Now it is sometimes desirable to carry out "local" measurements, which characterize the electronic density at a specific place in the space occupied by the plasma.
Certains dispositifs ont été conçus pour réaliser de telles mesures locales de densité.Some devices have been designed to perform such local density measurements.
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.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.
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 casFirstly, 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
- fréquent - d'un plasma généré par des ondes radiofréquences (plasma RF).- frequent - a plasma generated by radiofrequency waves (RF plasma).
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.In addition, the operation of this type of probe is relatively complex. The ion flow probe is another type of device for performing local measurements.
Ce type de sonde - dont une illustration est donnée dans le brevetThis type of probe - an illustration of which is given in the patent
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.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.
Un troisième type de dispositif permettant d'effectuer des mesures locales de densité est la sonde plasma à absorption.A third type of device for performing local density measurements is the absorption plasma probe.
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.This type of probe, illustrated in particular by the document US Pat. No. 6,339,297, exploits the detection of absorption peaks of a stationary surface wave, from which is indirectly deduced a frequency representative of an electron density. . But this type of probe is also associated with 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.Its operation is indeed quite complex - it requires in particular an extrapolation processing from the observations made, and thus constitutes an indirect method - which does not give direct access to a density. In addition, the implementation of probes of this type requires significant digital processing, and a prior calibration.
Ce type de sonde a par ailleurs une sensibilité de mesure limitée.This type of probe also has a limited sensitivity of measurement.
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.More specifically, the implementation of 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.
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).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).
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.By comparison, in the case of the invention the tests carried out by the applicants showed a sensitivity of 10 9 electrons / cm 3 up to 133 pascals (1 torr). Thus, in the case of plasmas between 0.1 and 1 Torr, the implementation of this type of known probe is limited to plasmas whose density is greater than about 10 10 electrons / cm 3 - which does not allow to characterize low density plasmas.
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.It thus appears that there remains a need for a device for measuring the density of a plasma, able to perform local density measurements and freed from the limitations set out above.
Un but de l'invention est de répondre à ce besoin.An object of the invention is to meet this need.
Notamment, un but de l'invention est de permettre de réaliser des mesures de densité de manière simple, rapide et directe.In particular, an object of the invention is to make it possible to carry out density measurements simply, quickly and directly.
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.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.
Un autre but de l'invention est de permettre de caractériser des plasmas réactifs qui génèrent des dépôts et des pollutions.Another object of the invention is to enable the characterization of reactive plasmas which generate deposits and 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.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.
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 :In order to achieve these aims, the invention proposes, according to a first aspect, 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 :
• Des moyens pour générer une tension électrique périodique associée à une fréquence dite d'émission,Means for generating a periodic electrical voltage associated with a so-called emission frequency,
• 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,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;
• 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,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,
• des moyens de détection des ondes de surface reçues par la ou les antenne(s) réceptrice(s),Means for detecting the surface waves received by the receiving antenna (s),
• des moyens de traitement reliés auxdits moyens de commande et auxdits moyens de détection, pour :Processing means connected to said control means and to said detection means, for:
> 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.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.
Des aspects préférés, mais non limitatifs du dispositif selon l'invention sont les suivants :Preferred, but not limiting, aspects of the device according to the invention are the following:
• 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,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,
• 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,For each transmitting antenna and an associated receiving antenna, said transmission sheath is located in continuity with the electrostatic sheaths associated respectively with said transmitting antenna and with said receiving antenna,
• 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,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,
• 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,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,
• 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,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,
• ladite structure de continuité électrostatique est réalisée en un matériau diélectrique ou isolant,Said electrostatic continuity structure is made of a dielectric or insulating material,
• 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,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,
• ladite structure de continuité électrostatique est un cylindre disposé coaxialement entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice associée,Said electrostatic continuity structure is a cylinder arranged coaxially between a transmitting antenna and an associated receiving antenna,
• 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,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,
• l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice sont portées par un même support,The transmitting antenna and the receiving antenna are carried on the same support,
• les antennes sont isolées du plasma, • les antennes sont dipolaires.• the antennas are isolated from the plasma, • the antennas are dipolar.
• le dispositif comporte :The device comprises:
> 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;> two dipole antennas inserted in the plasma, each disposed at a first end of a respective coaxial cable whose second end opens out of the chamber of a plasma reactor;
> un tube diélectrique dans lequel les câbles coaxiaux sont insérés;a dielectric tube in which the coaxial cables are inserted;
> 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,> 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,
> 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,an axisymmetric coaxial assembly formed by the dielectric cylinder and the rectilinear dipole antennas whose axes coincide with the axis of symmetry of this assembly,
• 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,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,
> 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,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,
> le dispositif comportant en outre :the device further comprising:
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:S a piece made of a dielectric material, in which is inserted the antenna, S a piece made of a dielectric material, in which is inserted the antenna. the device comprises:
> 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,> two rectilinear dipole antennas, each disposed at a first end of a respective conductor whose second end opens out of the enclosure of a plasma reactor,
> 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,external means to the enclosure for supplying a first antenna with a high-frequency sinusoidal voltage delivered by a source, whose frequency is adjustable, and connected to said second end of the conductor whose first end is associated with said first antenna; ,
> 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 :external means to the enclosure for measuring the power sensed by the second antenna and connected to said second end of the conductor whose first end is associated with said second antenna; means arranged in series on the conductor associated with said first antenna; to subtract from the sinusoidal voltage component the frequency of the plasma generating source and a possible DC voltage component on an inner electrode of said conductor associated with said first antenna,> means arranged in series on the conductor associated with said second antenna for subtracting from the sinusoidal voltage component the frequency of the plasma generating source and a possible DC voltage component q on an internal electrode of said conductor associated with said second antenna,> a display and processing device for developing the power measured by the device according to the fr quence of the source, and for deriving the threshold frequency above which the sensed power increases significantly to determine the value of the electron density of the plasma located around the antennas. Preferred, but not limiting, aspects of this process are:
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 :According to a second aspect, 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:
> 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,establishing between at least one transmitting antenna located in said plasma and at least one receiving antenna separate from said transmitting antenna also located in the plasma a continuous electrostatic sheath,
> 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,generating at the interface between said electrostatic sheath and the plasma a surface wave propagating from said transmitting antenna to said receiving antenna, by applying to said transmitting antenna a periodic electrical voltage whose frequency is controlled - said frequency resignation,
> acquérir le signal électromagnétique reçu par ladite antenne de réception et quantifier sa puissance,acquire the electromagnetic signal received by said receiving antenna and quantify its power,
> 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,> vary the transmission frequency while continuing to acquire said received electromagnetic signal by the receiving antenna, to detect a transmission frequency corresponding to a transmission frequency above which the power of said signal received by the receiving antenna increases significantly,
> 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.> derive from the value of said transmission frequency a density of electrons in the plasma near the transmitting antenna and the receiving antenna.
• l'établissement de ladite gaine électrostatique est obtenu en disposant entre chaque antenne émettrice et chaque antenne réceptrice associée une structure de continuité électromagnétique,The establishment of said electrostatic sheath is obtained by placing between each transmitting antenna and each associated receiving antenna an electromagnetic continuity structure,
• la densité est obtenue par la relation ne(cm~3) = 2.5x\010 f£ (GHz) , avec : > ne = densité /• the density is obtained by the relation n e (cm ~ 3 ) = 2.5x \ 0 10 f £ (GHz), with:> n e = density /
> f,r = —F= = fréquence seuil de transmission> f, r = -F = = transmission threshold frequency
> r J f P =^ 2%> r J f P = ^ 2%
P ε0meP ε 0 m e
> e = charge électronique élémentaire,> e = elementary electronic charge,
> ε0 = permittivité du vide,> ε 0 = vacuum permittivity,
> m = masse de l'électron,> m = mass of the electron,
• lesdites antennes sont des antennes dipolaires,Said antennas are dipole antennas,
• 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,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,
• 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,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,
• 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,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,
• ladite puissance électromagnétique significative correspond à un microwatt.• said significant electromagnetic power corresponds to a 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.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.
• 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 :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. Other aspects, objects and advantages of the invention will appear better on reading the following description, made with reference to the appended drawings in which:
• 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,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,
• 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,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,
• 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,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,
• 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,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,
• 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,FIG. 9 is an overall diagram more particularly detailing the means of voltage generation, control, detection and processing implemented in the invention,
• la figure 10 est un graphe illustrant des relations de dispersion d'ondes de surface,FIG. 10 is a graph illustrating surface wave dispersion relationships,
• 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,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,
• 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,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,
• 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 figureFIG. 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.
13a,13a,
• la figure 14 comprend deux graphes :• Figure 14 includes two graphs:
> 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,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,
> 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,> a graph b) which declines the same type of curve by highlighting the influence of the power, P RF , of the radiofrequency generator injected to maintain the plasma (and therefore the electron density) on the position of the two frequency thresholds just mentioned,
• la figure 15 comprend deux graphes :• Figure 15 includes two graphs:
> 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,a graph which gives the values of the two threshold frequencies highlighted in FIGS. 14 a and 14b, for different powers,
> un graphe b) qui établit que le rapport des deux fréquences de seuil est toujours proche d'un facteur constant,> a graph b) which establishes that the ratio of the two threshold frequencies is always close to a constant factor,
• la figure 16 comprend deux graphes : > un graphe a) qui illustre l'influence de la pression sur la puissance transmise,• Figure 16 includes two graphs:> a graph a) which illustrates the influence of the pressure on the power transmitted,
> un graphe b) qui illustre l'influence de la densité électronique sur la puissance transmise,a graph b) which illustrates the influence of the electron density on the power transmitted,
• la figure 17 illustre des résultats de puissance transmise obtenus dans un plasma d'hydrogène à une pression relativement élevée de 65 pascals.FIG. 17 illustrates transmitted power results obtained in a hydrogen plasma at a relatively high pressure of 65 pascals.
Présentation d'un réacteur à plasmaPresentation of a plasma reactor
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.Prior to the description of embodiments of the invention which follows, some characteristics of a plasma reactor that may be implemented in the context of the invention will be set forth below.
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.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.
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.It is specified that the electron density is the number of electrons per unit of volume, volume density expressed most often in electrons per cubic centimeter. 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.
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.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.
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.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.
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.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.
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.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.
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.When a gas mixture is used, multiple sources, flow controllers and supply pipes are used in parallel. 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.
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.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.
Cette source 6 peut être par exemple :This source 6 can be for example:
• une électrode polarisée avec une tension continue (source à tension continue),• a polarized electrode with a DC voltage (DC voltage source),
• une électrode alimentée par un générateur radiofréquence (source capacitive),An electrode powered by a radio frequency generator (capacitive source),
• une bobine alimentée par un générateur radiofréquence (source inductive)• a coil powered by a radiofrequency generator (inductive source)
• un générateur de micro-ondes.• a microwave generator.
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.This source may possibly be associated with means allowing the application of a static magnetic field. In the case of the use of 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 .
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.When 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.
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).Plasmas concerned by the present invention include chemically reactive plasmas (and in which chemical reactivity in addition to ion bombardment may be used).
La seule réactivité du gaz ou du mélange de gaz injectés dans l'enceinte est parfois le seul phénomène exploité.The only reactivity of the gas or gas mixture injected into the chamber is sometimes the only phenomenon exploited.
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.But in general this reactivity is improved or even generated by collisions of electrons on neutral atoms or molecules thus producing radicals, unstable chemical species absent in the gas without the presence of electrons, as well as reactive ions. These radicals that reactive ions are responsible for depositing or etching. In the case of deposition, this is known as plasma-enhanced chemical vapor deposition.
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.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.
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.Similarly, 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.
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.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.
Premier mode de réalisation de la sondeFirst embodiment of the probe
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.Referring now to Figure 2, there is shown 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. As will be seen, 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.
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.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.
La sonde comporte ici uniquement une antenne émettrice et une antenne réceptrice.The probe here comprises only a transmitting antenna and a receiving antenna.
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.It is however specified that it is also possible to provide more than one transmitting antenna and more than one receiving antenna, said antennas then being arranged in different locations of the reactor - with always a controlled spacing and means of electromagnetic continuity between each antenna transmitter and the receiver antenna (s) associated with it. 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.
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.This is modified so as to continually scan a given frequency range. In a preferred implementation example, this frequency range includes frequencies between 50 MHz and 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.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.
Un cylindre 19 en matériau diélectrique d'environ 1 millimètre de diamètre et 1 centimètre de longueur est intercalé entre les deux antennes.A cylinder 19 of dielectric material about 1 millimeter in diameter and 1 centimeter in length is interposed between the two antennas.
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).The roll material (19) is a chemically inert dielectric such as alumina, glass, fused silica or polytetrafluoroethylene (PTFE).
Les deux antennes et le cylindre 19 sont situés dans le plasma 16. On a illustré sur cette figure la gaine électrostatique (ici référencéeThe two antennas and the cylinder 19 are located in the plasma 16. This figure shows the electrostatic sheath (here referenced
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.45) which corresponds to the spontaneously forming zone in front of any surface exposed to a plasma, and whose typical thickness is a few millimeters.
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.Thus, 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.
Cette zone de gaine électrostatique est séparée du plasma 16 par une interface 20.This electrostatic sheath zone is separated from the plasma 16 by an interface 20.
Le cylindre 19 est disposé entre les deux antennes pour garantir une continuité électromagnétique entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice.The cylinder 19 is disposed between the two antennas to ensure electromagnetic continuity between the transmitting antenna and the receiving antenna.
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 ».It is specified that more precisely "electromagnetic continuity" means "continuity of the electromagnetic properties of the dielectric structures (in this case electrostatic and dielectric sheath) between the two antennas".
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.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.
Le cylindre 19 correspond ainsi à un exemple de moyens de continuité électromagnétique entre une antenne émettrice et une antenne réceptrice.The cylinder 19 thus corresponds to an example of electromagnetic continuity means between a transmitting antenna and a receiving antenna.
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.It is specified that 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. In such a case, the "electromagnetic continuity means" simply correspond to the particular dimensioning and arrangement making it possible to obtain the desired continuity without additional element. Returning to the embodiment described with reference to Figure 2, 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.
Les propriétés de ce guide dépendent des propriétés du plasma et en particulier de sa densité électronique.The properties of this guide depend on the properties of the plasma and in particular its electron density.
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.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.
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.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.
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).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. And 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. And the value of this transmission frequency is related to the electronic density between the two antennas. We can indeed show that the density n e is deduced from the transmission frequency by the relation: n e (cm- 3 ) = 2.5ΛO lo f tr 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).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).
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.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.
Les deux câbles 21 et 23 peuvent être identiques.The two cables 21 and 23 may be identical.
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 tubeThe 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
25 dans le réacteur.In the reactor.
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.These two projecting parts are bent so that the two cables each face one end facing each other, the two ends being coaxial. These two ends, stripped, constitute two respective dipole antennas 17 and 18. The other end of each cable is located outside the plasma reactor.
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 blindageIt is specified that 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
(conducteur) du câble coaxial de l'antenne qui permet de créer le champ électrique qui excitera l'onde de surface.(Conductor) coaxial cable of the antenna that creates the electric field that will excite the surface wave.
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).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).
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.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.
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.Note that it is not necessary (although it is often more convenient) to get the two coaxial cables out through the same port in the reactor. The recurved configuration of the two cables allows the plasma to occupy the entire space around the cylinder 19. It also ensures that no conductive surface is located near the cylinder 19 which allows not to disturb the propagation of surface waves along the waveguide. The ends of the coaxial cables 21 and 23 which open out of the enclosure are connected to a measuring circuit which will be described later in this text.
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.In a preferred configuration of the device, the antennas 17 and 18 are identical and they can be used interchangeably as transmitting antenna or receiving antenna. In the part where the cables 21 and 23 are in the plasma space these two cables can be covered by a dielectric layer 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.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.
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.The material constituting 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.
Dans la partie où les câbles coaxiaux sont logés dans le tube diélectrique 25, ces câbles ne sont pas exposés au plasma.In the part where the coaxial cables are housed in the dielectric tube 25, these cables are not exposed to the 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.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.
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.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.
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.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.
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.A second plug 28 placed outside the reactor blocks the second end of the tube 25. This second plug makes it possible to seal the vacuum passage of the coaxial cables in the tube, the inside of the tube being kept under vacuum. 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.
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'.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 '.
Le plasma est séparé du cylindre 19 par une gaine électrostatique dont l'épaisseur s est de quelques millimètres.The plasma is separated from the cylinder 19 by an electrostatic sheath whose thickness s is a few millimeters.
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'.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 '.
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.Thanks to the electromagnetic continuity (provided here by the cylinder 19, but which is recalled that it can be obtained by a very close placement of the two antennas), the surface waves will propagate along the interface 20, the transmitting antenna 17 to the receiving antenna 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.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.
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 :The material of 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:
• éviter de polluer le plasma avec le métal constituant l'antenne,• avoid polluting the plasma with the metal constituting the antenna,
• 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.• and prevent the formation of a continuous self-biasing voltage of the antenna that can disturb the measurements made by the device. The length d of antennas 17 and 18 is approximately 5 millimeters. These antennas may be an extension of the inner conductor of the semi-rigid coaxial cables 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 protectionFor example, 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 dielectric protection
26 dont l'épaisseur e est alors inférieure à 0,5 millimètre est disposé sur le conducteur extérieur 31 des câbles coaxiaux.26 whose thickness e is then less than 0.5 millimeter is disposed on the outer conductor 31 of the coaxial cables.
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.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.
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.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.
Deuxième mode de réalisation de la sondeSecond embodiment of the probe
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.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.
La figure 6 présente un second mode de réalisation dans lequel la sonde est réalisée de manière plus compacte.Figure 6 shows a second embodiment in which the probe is made more compact.
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.In this embodiment, 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.
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.As for the first embodiment, 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.
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.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.
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.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.
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.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.
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.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.
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.The material used must be a chemically inert dielectric such as teflon, alumina, fused silica or glass. Figure 7 is a schematic longitudinal section of the radial waveguide and antennas of the second embodiment of the plasma probe.
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.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.
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 protectionsThe 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
46, 47 par une gaine électrostatique assimilée à du vide dont l'épaisseur s est de quelques millimètres.46, 47 by an electrostatic sheath assimilated to vacuum whose thickness is a few millimeters.
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.Here again, 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.
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.In this embodiment, 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.
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 :In this embodiment it is the plug 48 which ensures the electromagnetic continuity between the two antennas. In this mode, the cap has two functions:
• Une fonction d'étanchéité du tube dont il bouche l'extrémité,• A sealing function of the tube which it closes the end,
• Une fonction de continuité électromagnétique.• An electromagnetic continuity function.
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.The length d of 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.
Le diamètre extérieur des câbles coaxiaux rigides peut être d'environThe outer diameter of rigid coaxial cables may be around
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.2 millimeters, and the distance L between the ends of the antennas approximately 7 millimeters. The diameter D of the dielectric tube 25 is about 2 centimeters. The cylinders 46, 47 of protection have a diameter slightly greater than that of rigid coaxial cables. Figure 8 is a view along the axis AA 'of the plane waveguide shown in the previous figure.
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'.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 '.
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.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.
Circuit de mesureMeasuring circuit
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.In order to determine the electron density with a plasma probe as presented above, it is necessary to use a measurement circuit located outside the reactor chamber, the block diagram of which is given in FIG. 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.This circuit - as well as the various means it comprises and which will be described in detail later in this text - can be used with the two embodiments presented above for the plasma probe.
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.The purpose of 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.
Pour accomplir cette tâche le dispositif doit pouvoir assurer les quatre fonctions suivantes :To accomplish this task the device must be able to perform the following four functions:
• 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,Supplying the transmitting antenna 17 with electrical energy coming from the source 22 in order to excite a surface wave at the input of the waveguide, said supply being made with a frequency that can be varied,
• mesurer la puissance électromagnétique captée par l'antenne réceptrice 18 à la sortie du guide d'onde,• measure the electromagnetic power picked up by the receiving antenna 18 at the exit of the waveguide,
• tracer la puissance captée en fonction de la fréquence de la source 22, et en déduire la densité électronique locale entre les deux antennes,• plot the captured power according to the frequency of the source 22, and deduce the local electronic density between the two antennas,
• protéger les circuits de nuisances pouvant perturber leur fonctionnement.• protect the circuits from nuisances that could disrupt their operation.
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.These four functions are provided by four respective means that are a power supply circuit 22, a power meter 24, a display and processing circuit 40 and a protection circuit 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).These four means will be described below (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).
• Circuit d'alimentation 22• Power supply 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.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.
Le circuit d'alimentation 22 comprend un oscillateur haute-fréquenceThe power supply circuit 22 comprises a high frequency oscillator
35 dont la tension de sortie est contrôlée de manière à avoir une amplitude constante.35 whose output voltage is controlled so as to have a constant amplitude.
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.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.
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.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.
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.In order to continuously scan the frequency interval between f min and W, the oscillator 35 is connected to the output of a voltage ramp generator 37 which delivers a periodic sawtooth signal whose period is 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.In this way, 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.
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 :
During a period T the voltage delivered by the generator 37 increases linearly with time, this voltage passing in a period
Figure imgf000031_0001
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:
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.
Figure imgf000031_0002
Thus, depending on the prior knowledge that one has of the range of values in which the density to be measured should be, one will adopt different values of f min and f max . For example, it can be stated that: • If the density to be measured is between 10 8 electrons per cubic centimeter and 10 10 electrons per cubic centimeter, then the frequencies fmin and f m ax are 63 MHz and 630 MHz respectively.
• 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.• If the density to be measured is between 10 9 electrons per cubic centimeter and 10 11 electrons per cubic centimeter then fmin and f ma x frequencies of 200 MHz and 2 GHz should be used respectively.
• 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).• If the density to be measured is greater than 10 12 electrons per cubic centimeter then frequencies above 6 GHz (f min = 6 GHz) should be used.
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.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.
Le gain de l'amplificateur 36 est ajustable afin de régler la puissance du signal sinusoïdal appliqué à l'antenne émettrice.The gain of the amplifier 36 is adjustable to adjust the power of the sinusoidal signal applied to the transmitting antenna.
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.This power must be sufficiently high to allow detection of the surface wave by the receiving antenna 18 and the power meter 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.At gas pressures less than 13 pascals the wave transmitted between the transmitting antenna and the receiving antenna is poorly absorbed by the plasma surrounding the probe. A power of 1 milliwatt is sufficient. When the pressure of the gas in the plasma reactor chamber is greater than 13 pascals the energy of the wave is dissipated during its propagation in the waveguide, and more power will be needed.
En outre la puissance délivrée ne doit pas excéder un watt pour ne pas perturber la décharge des composants du circuit. • Puissancemètre 24In addition, the power delivered must not exceed one watt so as not to disturb the discharge of the circuit components. • Power meter 24
Le puissancemètre 24 est utilisé pour mesurer la puissance captée par l'antenne réceptrice 18.The power meter 24 is used to measure the power picked up by the receiving antenna 18.
Ce puissancemètre comprend un circuit rectificateur 38. Le circuit rectificateur est connecté à l'antenne réceptrice 18 par le câble coaxial 23.This power meter comprises a rectifier circuit 38. The rectifier circuit is connected to the receiving antenna 18 by the coaxial cable 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.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.
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).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 (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).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).
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 .Therefore 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 .
• Circuit 40 d'affichage et de traitement• Display and processing circuit 40
Ce circuit 40 comporte deux entrées alimentées respectivement par :This circuit 40 comprises two inputs powered respectively by:
• La sortie de l'amplificateur 39 du puissancemètre 24,• The output of the amplifier 39 of the power meter 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.• The output of the ramp generator 36. 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.
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.In addition, it 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.
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.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.
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.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.
• Circuit de protection 33• Protection circuit 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.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.
Parasitaae RFRF Parasitaae
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).RF interference occurs when the probe is used in plasma created using an RF source (typically 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.As 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.
L'énergie électromagnétique parasite captée par l'antenne émettriceThe parasitic electromagnetic energy picked up by the transmitting antenna
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.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.
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.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.
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'alimentationTwo 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
22 et le câble coaxial 21 connecté à l'antenne émettrice 17.22 and the coaxial cable 21 connected to the transmitting antenna 17.
L'autre filtre 42 est disposé en série entre le puissancemètre 24 et le câble coaxial 23 relié à l'antenne réceptrice 18.The other filter 42 is arranged in series between the power meter 24 and the coaxial cable 23 connected to the receiving antenna 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 :These filters are high-pass filters whose cutoff frequency is around 50 MHz. The signals delivered by the power supply circuit 22 are in the range 50 MHz-6 GHz. It is therefore necessary to ensure that the cutoff frequency of high pass filters remains below the frequency f m in order to avoid filtering the measurement signals from the supply circuit. When the source 6 is a microwave source operating at 2.45 GHz it is necessary to filter this frequency using filters 41, 42 tape rejector or low-pass depending on whether the frequency of the source 6 is between f m i n and f max or above:
• 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• If the frequency of the source 6 is between f n and f m i my χ, filters 41, 42 are band reject filters that eliminate the frequency of the 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.(and its possible harmonics located between f min and f ma χ), • If the frequency of the source is above the frequency of the source 6 is between f m i n and f ma χ, the filters 41 and 42 are low-pass filters allowing only frequencies lower than f max .
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.Whatever the frequency used for the plasma source 6, this filtering must be taken into account in the interpretation of the spectra produced by the circuit 40.
Auto-polarisationSelf-bias
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.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.
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).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).
Ces circuits 43, 44 sont construits avec des condensateur disposés en série respectivement entre les filtres 41 , 42 et les câbles coaxiaux 21 , 23.These circuits 43, 44 are constructed with capacitors arranged in series respectively between the filters 41, 42 and the coaxial cables 21, 23.
Eléments de théorie et de modélisationElements of theory and modeling
On va dans cette section exposer les principaux éléments de théorie et de modélisation mis en œuvre par l'invention.We will in this section expose the main elements of theory and modeling implemented by the invention.
• Introduction• Introduction
On va commencer par rappeler ici certaines notions utilisées dans le cadre de l'invention.We will begin by recalling here some concepts used in the context of the 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.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 ε greater than or equal to 1. The dielectric constant of the vacuum is equal to 1 and that of a conductor is negative.
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.It has already been recalled that in front of any surface exposed to a plasma, an area called an "electrostatic sheath" is formed, the typical thickness of which is a few millimeters.
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.There is therefore an 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.
La constante diélectrique relative d'un plasma pour une onde à la fréquence / est :The relative dielectric constant of a plasma for a wave at the frequency / is:
Figure imgf000037_0001
Figure imgf000037_0001
La grandeur fp est appelée fréquence plasma électronique fp The magnitude f p is called the electronic plasma frequency f p
(ou fréquence plasma). Cette fréquence particulière est fonction de la densité électronique (ne ). Elle est définie par :(or plasma frequency). This particular frequency is a function of the electronic density (n e ). It is defined by:
2 s ω P 2 neeΔ 2 P ω s 2 n e e Δ
ZK £omeZK £ o m e
(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 ).(e is the elementary electronic charge, ε 0 is the permittivity of the vacuum and m e is the mass of the electron). When the frequency f of the current generated by the source 35 is less than f p , the relative dielectric constant of the plasma is negative, a surface wave is therefore likely to propagate at the interface between the electrostatic sheath and a plasma for frequencies f lower than the plasma frequency (f p ).
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.The electron plasma frequency is therefore related to the electron density by the relation: f p (GHz) = 8, 98 × 10 -6 γ e (cm- 3 ). A density of 10 10 electrons per cubic centimeter is common in the discharge plasmas therefore an electronic plasma frequency of the order of 1 GHz is also common.
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.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.
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 the other hand, even for waves of frequency f less than f p, surface waves can exist and propagate along the electrostatic plasma-sheath interface which then acts as a waveguide.
On peut donc générer de telles ondes de surface en envoyant vers un plasma une onde électromagnétique dont la fréquence est inférieure à fP -We can thus generate such surface waves by sending to a plasma an electromagnetic wave whose frequency is lower than f P -
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.Most of the energy of this wave is reflected by the surface of the plasma, but some of this energy is transferred to a surface electromagnetic wave.
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.By arranging the source of the incident wave, ie a transmitting antenna, in the immediate vicinity of a plasma, 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.
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.In the case of the transmission plasma probe object of the present invention, 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. At the end of the piece 19 another antenna - receiving - is connected to capture a portion of the energy transported by the surface wave.
• Eléments de théorie• Elements of theory
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.To exploit the probe according to the invention it is necessary to calculate the relationship between the transmission frequency / fr and the electronic density that is to be measured.
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 ».The wavelength λ of a given wave varies with its frequency f. The relation between λ and f is called "dispersion relation".
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 .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. The calculation of the dispersion relation from a suitable theoretical model thus makes it possible to establish a relationship between the electronic density of the plasma surrounding the waveguide and the transmission frequency / 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.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 and the density is 5.10 9 electrons per cubic centimeter. Instead of representing λ as a function of FIG. 10 exposes 1% ( [ + s) as a function of - £ - in order to have universal charts.
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.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.
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 ^ .It is observed that a surface wave - whatever its angular mode m - exists only between two particular frequencies. The theoretical calculation shows that these two frequencies are respectively equal to ^ 1 and f p . The transmission frequency, f tr , is thus equal to ^.
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.At frequencies above the plasma frequency f p the energy is transported by a wave propagating in the plasma volume by reflecting on the walls or in the 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.At frequencies below the frequency f p no energy, except that carried by the surface wave, is normally picked up by the receiving antenna. In practice, if the receiving antenna is too close to the transmitting antenna, the effect of the capacitive coupling between these antennas is not negligible and a current flows between the two antennas. This "parasitic" coupling is also done via 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.In this respect we will seek on the one hand to minimize the surface of the antennas in contact with the plasma and on the other hand not to bring too close antennas. In the absence of parasitic coupling between the two antennas, it is expected to measure for the transmitted wave a transmitted power spectrum as shown in FIG.
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.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.
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.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.
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.The electric field of the wave accelerates the electrons and gives them energy. At 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. .
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.But in the presence of collisions (at gas pressures greater than 13 pascals) the electrons give energy to the neutral molecules, this energy can not then be restored to the wave. The plasma thus becomes resistive. This resistivity also increases as the electron density decreases.
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.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.
Précisions sur un exemple de réalisationDetails on an example of realization
On va donner ci-dessous quelques informations supplémentaires sur un exemple de réalisation pratique de l'invention fabriquée et utilisée par la demanderesse.We will give below some additional information on an exemplary practical embodiment of the invention manufactured and used by the Applicant.
• Description du réacteur• Description of the reactor
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.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.
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.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.
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.As illustrated in FIG. 12, which corresponds to a photograph taken from the outside by a reactor window, 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.
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.The upper electrode, called RF 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.
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.The RF power comes from a generator consisting of an RF signal source connected to a high power amplifier. In order to maximize the power delivered to the plasma, an impedance matching circuit is interposed between the RF electrode and the output of the amplifier.
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.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.
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.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.
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).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).
• Caractéristiques et implantation de la sonde• Characteristics and implantation of the probe
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.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.
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.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.
La photographie de la figure 13b est un gros plan du guide d'onde, extrait de la vue de la figure 13b.The photograph of Figure 13b is a close-up of the waveguide, taken from the view of 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.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.
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.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.
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.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.
• Circuit de mesure• Measuring circuit
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.In the example described here, 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.
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 pratiquesA 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
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.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. By increasing the power delivered by the RF plasma generator, the electron density in the plasma is increased because the gas is further ionized by providing it with more energy.
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.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.
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.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.
Il existe dans le spectre de puissance transmise une structure de « pic » à basse fréquence.There is a low frequency "peak" pattern in the transmitted power spectrum.
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.As shown in FIG. 14b, 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.
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.This peak is due to a surface wave that transports energy below the plasma frequency, ie in the lower part of the frequency spectrum.
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.To verify this, the ratio of two frequencies f b and f h which delimit this peak is plotted in FIG. 15b as a function of the power delivered by the RF generator.
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.It can be seen that 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 .
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.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.
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.The ratio between the two frequencies f b and f h is here again 0.7, whatever the pressure. Figure 16b shows power spectra measured at 5 pascals at densities less than 5.10 9 electrons per cubic centimeter.
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.When the pressure increases (FIG. 16a) or when the electron density decreases (FIGS. 16b and 14), the peak of the surface wave is less and less discernible, which makes the determination of f p more difficult. This is due to the increase in the resistivity of the plasma which has the effect of accentuating the attenuation of the surface wave. At constant incident power, if the attenuation increases then less power is captured.
Par contre la détection de /fr reste possible quelles que soient les conditions.On the other hand the detection of / fr remains possible whatever the conditions.
Il s'agit de la fréquence seuil au dessus de laquelle la puissance captée par l'antenne réceptrice croît significativement.This is the threshold frequency above which the power picked up by the receiving antenna increases significantly.
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).And the invention will be all the easier to implement that this threshold will be detected simply (that is to say in particular that the transmitted power will be important and that the transition will be abrupt).
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.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.
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.Although we no longer distinguish the peak of the surface wave at high pressure, a good estimate of the transmission frequency is given by the intersection between the ordinate axis and the best interpolating line above the spectrum. threshold.
ConclusionConclusion
L'invention permet d'effectuer des mesures de densité en s'affranchissant des inconvénients mentionnés en introduction de ce texte.The invention makes it possible to carry out density measurements by overcoming the drawbacks mentioned in the introduction to this text.
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.It will be added that the invention makes it possible to carry out such measurements in the context of an industrial process without disturbing this process. In particular the invention can be used to control the smooth running of an industrial process.
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.This is done by placing the probe at the edge of the plasma to minimize the disturbance caused by its presence. The probe can thus be inserted through a polarized electrode or through a wall of the reactor.
Et les mesures de densité peuvent être exploitées en temps réel, notamment de la manière suivante :And the density measurements can be exploited in real time, in particular as follows:
• 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,• If the device detects a slight variation in the electron density, it 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,
• 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.• If the device detects a sudden change in electronic density, it can generate an alarm to alert the operator to monitor the process. 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.
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.In this case, 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.
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.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.
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.Once this preliminary operation is performed, 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.
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.In the event of a failure of the process, or of a problem detected by the probe if the latter is used during the process, 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.
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.Note that several probes can be distributed near the walls of the enclosure to have measurements in different regions of the enclosure. And it is also possible to provide 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). In this case we can use a single probe attached to a vacuum translator to move the probe parallel to the wall between two measurements. The interpretation of the measurements delivered by the probe at the different measurement locations will then make it possible to draw up a map of the distribution of the electronic density near the wall in question. 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.
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.To do this, it is possible that: • several probes and measuring devices are distributed near the wall intended to receive, in normal operation, the sample to be treated, and / or that a probe is mounted in a mobile manner in the reactor.
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.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.
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.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.
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.In addition to these deposition plasmas, the present invention also 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.
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.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. .
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.Of course, the present invention is susceptible to various modifications that will occur to those skilled in the art. In particular, the materials, dimensions, types of coaxial cables, and frequency range used as examples may be modified, in particular, depending on the plasma reactor to which the device is intended.
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. In addition, although 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.

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 :1. A device 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:
• Des moyens (35) pour générer une tension électrique périodique associée à une fréquence dite d'émission,Means (35) for generating a periodic electrical voltage associated with a so-called transmission frequency,
• 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,Control means (37) for controllably varying said transmission frequency; at least one transmitting antenna (17) connected to said emission voltage generating means for emitting surface waves on the surface of the transmitter; plasma space,
• 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,At least one receiving antenna (18) for receiving said surface waves emitted by the transmitting antenna (s), electromagnetic continuity means (19) between the transmitting antenna (s) and the receiving antenna (s), to form 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 (20) of said sheath. electrostatic plasma generator for conveying the surface waves emitted by each transmitting antenna to at least one receiving antenna,
• 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 :Means (24) for detecting the surface waves received by the receiving antenna (s), processing means connected to said control means and to said detection means, for:
> 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.determine a transmission threshold frequency corresponding to an emission frequency above which the surface waves are emitted with a substantial power, and deducing from said transmission threshold frequency an electronic density in the 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.2. Device according to the preceding claim characterized in that the electromagnetic continuity means are arranged to prevent the plasma enters between a transmitting antenna and an associated receiving antenna and ensure the continuity of the electrostatic sheath between the two antennas.
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.3. Device according to one of the preceding claims characterized in that for each transmitting antenna and a receiving antenna associated said transmission sheath is located in the continuity of the electrostatic sheaths respectively associated with said transmitting antenna and said receiving antenna.
4. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite gaine de transmission continue est obtenue en contrôlant les paramètres suivants :4. Device according to one of the preceding claims characterized in that said continuous transmission sheath is obtained by controlling the following parameters:
• 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.• sizing of each transmitting and receiving antenna, • arrangement of each transmitting antenna, with respect to each receiving antenna intended to receive the surface wave emitted by said transmitting antenna.
5. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens de continuité électromagnétique correspondent à un élément de continuité (19) diélectrique.5. Device according to one of the preceding claims characterized in that said electromagnetic continuity means correspond to a dielectric continuity element (19).
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.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that said processing means comprise a spectral analysis device or selective frequency capable of analyzing the energy electromagnetic received by each receiving antenna as a function of the transmission frequency.
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.7. Device according to one of the preceding claims characterized in that said means of electromagnetic continuity (19) comprise an electrostatic continuity structure between each transmitting antenna and each receiving antenna intended to receive the surface wave emitted by said transmitting antenna.
8. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que ladite structure de continuité électrostatique est réalisée en un matériau diélectrique ou isolant.8. Device according to the preceding claim characterized in that said electrostatic continuity structure is made of a dielectric material or insulator.
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.9. Device according to one of the preceding claims characterized in that the device comprises an emitting antenna disposed opposite an associated receiving antenna and coaxially with said receiving antenna, so that the space between the ends of the two antennas is substantially centered on the common axis of the two antennas.
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.10. Device according to the preceding claim characterized in that said electrostatic continuity structure is a cylinder (19) disposed coaxially between a transmitting antenna and an associated receiving antenna.
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. 11. Device according to one of claims 1 to 8 characterized in that the device comprises a transmitting antenna disposed non-coaxially to an associated receiving antenna, the ends of the transmitting antenna and the receiving antenna being situated substantially opposite one another. the other.
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.12. Device according to the preceding claim characterized in that said electrostatic continuity structure is a piece which blocks the space between the respective ends of the transmitting antenna and the receiving antenna so as to prevent the plasma occupies said space .
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.13. Device according to one of the four preceding claims characterized in that the transmitting antenna and the receiving antenna are carried by the same support.
14. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que les antennes sont isolées du plasma.14. Device according to one of the preceding claims characterized in that the antennas are isolated from the plasma.
15. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce que les antennes sont dipolaires.15. Device according to one of the preceding claims characterized in that the antennas are dipolar.
16. Dispositif selon une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte :16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises:
• 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;Two dipole antennas (17, 18) inserted into the plasma (16), each disposed at a first end of a respective coaxial cable (21, 23) whose second end opens out of the enclosure (1) a plasma reactor;
• 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,A dielectric tube (25) in which the coaxial cables (21, 23) are inserted; • a cylindrical piece (19), made of a dielectric material, disposed between and in contact with two dipole antennas (17, 18) in which the latter are inserted over their entire length; said cylindrical piece for constituting between the two antennas an electrostatic sheath whose interface (20) for separation with the plasma is continuous between the two antennas,
• 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;An axisymmetric coaxial assembly (17, 18, 19) formed by the dielectric cylinder (19) and rectilinear dipole antennas (17, 18) whose axes coincide with the axis of symmetry of this assembly;
17. Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que :17. Device according to the preceding claim characterized in that:
• 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),The device also comprises a plug (48) made of a dielectric material plugging the end of the dielectric tube (25) in its portion exposed to the 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),> a first straight dipole antenna (17) being disposed on the axis of the tube (25) protruding from the tube (25) at its end located inside the enclosure (1), passing through the plug ( 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),a second rectilinear dipole antenna (18) being disposed parallel to the axis of the tube (25) close to its inner wall, protruding from the tube (25) at its end located inside the enclosure (1) passing through the plug (48),
• le dispositif comportant en outre :The device further comprising:
> une pièce (46) constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne (17),a part (46) made of a dielectric material into which the antenna (17) is inserted,
> une pièce (47) constituée d'un matériau diélectrique, dans laquelle est insérée l'antenne (18).> a part (47) made of a dielectric material into which the antenna (18) is inserted.
18. Dispositif selon la revendication 16 caractérisé en ce que le dispositif comprend:18. Device according to claim 16 characterized in that the device comprises:
• 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,Two rectilinear dipole antennas (17, 18), each disposed at a first end of a respective conductor (21, 23) whose second end opens out of the enclosure (1) of a plasma reactor, External means (22) for the enclosure (1) for feeding a first antenna (17) with a sinusoidal voltage of high frequency delivered by a source (25), whose frequency is adjustable, and connected to said second end of the conductor (21) whose first end is associated with said first antenna, • external means (24) to the enclosure (1 ) for measuring the power picked up by the second antenna (18) and connected to said second end of the conductor (23) whose first end is associated with said second antenna,
• 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,Means (41, 43) arranged in series on the conductor (21) associated with said first antenna for subtracting from the sinusoidal voltage component the frequency of the source generating the plasma and a possible DC voltage component on an internal electrode of said conductor (21) associated with said first antenna, • means (42, 44) arranged in series on the conductor (23) associated with said second antenna for subtracting from the sinusoidal voltage component the frequency of the source generating the plasma and a any DC voltage component q on an internal electrode of said conductor (23) associated with said second antenna,
• 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).A display and processing device (40) for developing the power measured by the device (24) as a function of the frequency of the source (22), and to deduce therefrom the threshold frequency above which the sensed power increases. significantly to determine the value of the electron density of the plasma (16) located around the antennas (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,19. 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: • Establish between at least one transmitting antenna located in said plasma and at least one receiving antenna separate from said transmitting antenna also located in the plasma a continuous electrostatic sheath, • Generating at the interface (20) between said electrostatic sheath and the plasma a a surface wave propagating from said transmitting antenna to said receiving antenna, by applying to said transmitting antenna a periodic electrical voltage whose frequency - said so-called emission frequency - is controlled, • acquiring the electromagnetic signal received by said transmitting antenna receiving and quantifying its power,
• 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,• vary the transmission frequency while continuing the acquisition of said electromagnetic signal received by the receiving antenna, to detect a transmission frequency corresponding to a transmission frequency above which the power of said signal received by the receiving antenna increases significantly,
• 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.• Deduce from the value of said transmission frequency a density of electrons in the plasma near the transmitting antenna and the receiving antenna.
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.20. Method according to the preceding claim, characterized in that the establishment of said electrostatic sheath is obtained by arranging between each transmitting antenna and each associated receiving antenna a structure of electromagnetic continuity.
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 /21. Method according to one of the two preceding claims, characterized in that the density is obtained by the relation n e (cm- 3 ) = 2.5x \ 0 w f J (GHz), with: • n e = density /
• ftr = -j= = fréquence seuil de transmission• f tr = - j = = transmission threshold frequency
J p 2πJ p 2π
P εome e = charge électronique élémentaire,P ε o m e e = elementary electronic charge,
• ε0 = permittivité du vide• ε 0 = permittivity of the vacuum
• me = masse de l'électron.• m e = mass of the electron.
22. Procédé selon une des trois revendications précédentes caractérisé en ce que lesdites antennes sont des antennes dipolaires.22. Method according to one of the three preceding claims, characterized in that said antennas are dipole antennas.
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.23. Method according to one of the four preceding claims characterized in that said antennas are arranged at the end of a tube (25), made of a dielectric material, and inserted into the plasma (16) through a wall the enclosure (1) of a plasma reactor.
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.24. Method according to one of claims 19 to 22 characterized in that said antennas are arranged in a plane, separated by a plane substrate consisting of a dielectric material, and inserted into the plasma (16) through a wall of the enclosure (1) of a plasma reactor, or flush with the reactor wall in order to be in contact with the plasma by disturbing it as little as 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).25. The method according to one of the six preceding claims, characterized in that the method comprises determining, from the measurement of the power transmitted between two antennas (17, 18), the minimum frequency, "". , for which significant electromagnetic power is carried by a surface wave guided by the interface (20) between the plasma (16) and the sheath electrostatic (45).
26. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite puissance électromagnétique significative correspond à un microwatt.26. Method according to the preceding claim, characterized in that said significant electromagnetic power corresponds to a microwatt.
27. Procédé selon une des huit revendications précédentes caractérisé en ce que le procédé comprend :27. Method according to one of the eight preceding claims, characterized in that the method comprises:
• 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,Supplying a transmitting antenna (17) with a high frequency sinusoidal voltage delivered by a source (22) whose frequency of the delivered signal can be modified,
• 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).Measuring the electromagnetic power picked up by a receiving antenna (18) disposed near the transmitting antenna, as a function of the frequency of the 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. 28. Method according to the preceding claim characterized in that the method comprises continuously and increasing the variation of the frequency of said sinusoidal voltage, while measuring the electromagnetic power picked up by another antenna (18) to determine the frequency above from which the power picked up by the antenna (18) and due to the propagation of a surface wave, increases significantly.
PCT/EP2005/054317 2004-10-07 2005-09-01 Device and method for characterizing plasma WO2006037704A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0410574A FR2876536B1 (en) 2004-10-07 2004-10-07 DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZING PLASMA
FR0410574 2004-10-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006037704A1 true WO2006037704A1 (en) 2006-04-13

Family

ID=34954417

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2005/054317 WO2006037704A1 (en) 2004-10-07 2005-09-01 Device and method for characterizing plasma

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2876536B1 (en)
WO (1) WO2006037704A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112042282A (en) * 2019-01-31 2020-12-04 韩国标准科学研究院 Planar plasma diagnostic device, wafer-type plasma diagnostic device with embedded planar plasma diagnostic device, and electrostatic chuck with embedded planar plasma diagnostic device
CN113380429A (en) * 2021-05-18 2021-09-10 清华大学 Plasma signal acquisition device and acquisition method
CN115243438A (en) * 2022-07-08 2022-10-25 哈尔滨工业大学 Diagnosis system and method for low-temperature jet plasma under atmospheric pressure
CN117285210A (en) * 2023-11-27 2023-12-26 黎明职业大学 Printing and dyeing wastewater treatment device and method based on multi-frequency plasma technology

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010024114A1 (en) * 2000-01-17 2001-09-27 Hideo Kitagawa Plasma density measuring method and apparatus, and plasma processing system using the same
US6339297B1 (en) * 1998-07-23 2002-01-15 Nissin Inc. Plasma density information measuring method, probe used for measuring plasma density information, and plasma density information measuring apparatus

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6339297B1 (en) * 1998-07-23 2002-01-15 Nissin Inc. Plasma density information measuring method, probe used for measuring plasma density information, and plasma density information measuring apparatus
US20010024114A1 (en) * 2000-01-17 2001-09-27 Hideo Kitagawa Plasma density measuring method and apparatus, and plasma processing system using the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NAKAMURA K ET AL: "Highly sensitive plasma absorption probe for measuring low-density high-pressure plasmas", JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY A (VACUUM, SURFACES, AND FILMS) AIP FOR AMERICAN VACUUM SOC USA, vol. 21, no. 1, January 2003 (2003-01-01), pages 325 - 331, XP002329555, ISSN: 0734-2101 *
NAKAMURA K ET AL: "Precise electron density measurements by plasma absorption probe with sheath correction", JOINT CONFERENCE ESCAM PIG 16. SIXTEENTH EUROPEAN CONFERENCE ON ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS OF IONIZED GASES. ICRP 5 FIFTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON REACTIVE PLASMA. CONFERENCE PROCEEDINGS UNIV. JOSEPH FOURIER GRENOBLE, FRANCE, vol. 1, 2002, pages 379 - 380 vol.1, XP008047653 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112042282A (en) * 2019-01-31 2020-12-04 韩国标准科学研究院 Planar plasma diagnostic device, wafer-type plasma diagnostic device with embedded planar plasma diagnostic device, and electrostatic chuck with embedded planar plasma diagnostic device
CN113380429A (en) * 2021-05-18 2021-09-10 清华大学 Plasma signal acquisition device and acquisition method
CN115243438A (en) * 2022-07-08 2022-10-25 哈尔滨工业大学 Diagnosis system and method for low-temperature jet plasma under atmospheric pressure
CN115243438B (en) * 2022-07-08 2024-03-26 哈尔滨工业大学 Diagnosis system and method for low-temperature jet flow plasma under atmospheric pressure
CN117285210A (en) * 2023-11-27 2023-12-26 黎明职业大学 Printing and dyeing wastewater treatment device and method based on multi-frequency plasma technology
CN117285210B (en) * 2023-11-27 2024-04-05 黎明职业大学 Printing and dyeing wastewater treatment device and method based on multi-frequency plasma technology

Also Published As

Publication number Publication date
FR2876536B1 (en) 2007-01-26
FR2876536A1 (en) 2006-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1794600B1 (en) Probe for measuring characteristics of an excitation current of a plasma, and associated plasma reactor
EP0792571B1 (en) Method and device for measuring ion flow in a plasma
Thoman et al. Nanostructured gold films as broadband terahertz antireflection coatings
US7169254B2 (en) Plasma processing system and apparatus and a sample processing method
JP4773079B2 (en) Control method of plasma processing apparatus
FR2463975A1 (en) METHOD AND APPARATUS FOR DRY CHEMICAL ETCHING OF INTEGRATED CIRCUITS
US6226086B1 (en) Thickness monitoring
EP1597604B1 (en) Antenna for detection of partial discharges in a chamber of an electrical instrument
WO2006037704A1 (en) Device and method for characterizing plasma
WO2009027156A1 (en) System for analysing a low pressure gas by optical emission spectroscopy
Sobolewski et al. The effects of radio-frequency bias on electron density in an inductively coupled plasma reactor
EP3292229B1 (en) Facility for treating containers by microwave plasma, comprising a solid-state generator and adjustment method
Oyama et al. Means to remove electrode contamination effect of Langmuir probe measurement in space
US10566176B2 (en) Microwave probe, plasma monitoring system including the microwave probe, and method for fabricating semiconductor device using the system
FR3020235A1 (en) DEVICE FOR FORMING A NEAR-NEUTRAL BEAM OF PARTICLES OF OPPOSED LOADS.
EP0569296A1 (en) Device for chemical treatment by plasma and method using the same
FR2623910A1 (en) NON-CONTACT MEASURING DEVICE FOR ELECTRIC FIELDS THAT MODIFY STATISTICALLY AND / OR IN TIME
FR2677043A1 (en) Process, device and apparatus for treating a substrate with a low-pressure plasma
JP2001313285A (en) Plasma processing apparatus and method of processing specimen
EP2396645B1 (en) Discharge lamp for gds with an axial magnetic field
Seo et al. Investigation of reliability of the cutoff probe by a comparison with Thomson scattering in high density processing plasmas
JP4619468B2 (en) Plasma processing method, plasma processing apparatus, and plasma monitoring apparatus
Setyawan et al. Particle formation and trapping behavior in a TEOS/O2 plasma and their effects on contamination of a Si wafer
JP3727620B2 (en) Plasma processing apparatus with a window for measurement
Hebner Spatially resolved SiF and SiF 2 densities in inductively driven discharges containing C 2 F 6 and C 4 F 8

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KM KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase