WO2006090037A1 - Excitateurs de plasmas micro-ondes - Google Patents

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WO2006090037A1
WO2006090037A1 PCT/FR2005/051136 FR2005051136W WO2006090037A1 WO 2006090037 A1 WO2006090037 A1 WO 2006090037A1 FR 2005051136 W FR2005051136 W FR 2005051136W WO 2006090037 A1 WO2006090037 A1 WO 2006090037A1
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guide
plasma
microwaves
impedance
concentrating
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PCT/FR2005/051136
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Inventor
Zenon Zakrzewski
Dariusz Czykowski
Mariusz Jasinski
Michel Moisan
Daniel Guerin
Christian Larquet
Jean-Christophe Rostaing
Original Assignee
L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4622—Microwave discharges using waveguides
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/30—Capture or disposal of greenhouse gases of perfluorocarbons [PFC], hydrofluorocarbons [HFC] or sulfur hexafluoride [SF6]

Definitions

  • the invention relates to the field of atmospheric microwave plasma sources.
  • Such conditions are encountered in media such as gaseous effluents emitted by thin-film deposition and etching processes for the fabrication of semiconductors, when a plasma device is used to clean up these effluents.
  • the plasma source couples the microwave power to the discharge to maintain the discharge over long periods of time, minimizing the fraction of the power reflected back to the generator (and thus lost for application).
  • the power is supplied from the generator by a power transmission line, for example a hollow rectangular waveguide in one of the standard industrial sections.
  • the transmission line is physically described by a distributed characteristic impedance.
  • the incident microwave power flux entering the plasma source sees a localized complex impedance that characterizes the manner in which energy is stored and dissipated in the source (input impedance of the plasma source).
  • the condition for the reflected power to be zero is that the input impedance of the source is equal to the characteristic impedance of the line.
  • the plasma source is composed of different physical elements each characterized by its own complex impedance: the plasma itself, the dielectric enclosure that contains it if any, and conducting structures of appropriate geometries intermediate between the line of standard section transmission and plasma.
  • the input impedance of the source is the equivalent resultant of these different impedances.
  • the requirements are generally higher than obtaining a good impedance matching.
  • the impedance of the plasma depends on the operating conditions imposed by the application, which are not constant over time.
  • a method of manufacturing semiconductors comprises several multi-step recipes using gases of different types and flows so that the depollution plasma must operate in continuously variable conditions, and this sometimes very abruptly.
  • elements whose impedance is adjustable such as for example movable short-circuit pistons.
  • their adjustment can not be preprogrammed for each process recipe, because these are performed randomly and their characteristics are not generally transmitted through the control interface between the manufacturing equipment and the pollution control system. .
  • Motor driven impedance adjusters could also be installed on a reflected power measurement to permanently minimize the power.
  • the waveguide-supported axial injection torch (TIAGO) is used for the combined treatment of thin-film CVD deposition effluents and cleaning effluents of the CVD deposition reactors of these same thin layers.
  • the principle of these sources is to concentrate the microwave energy in a section of the rectangular waveguide thinned compared to the standard section.
  • This comprises two orifices facing each other in its two large faces crossed by a dielectric tube (surfaguide), or an orifice in one of its large faces traversed by a conductive nozzle, which determines in both case a circular gap.
  • the microwave power is extracted from the guide through this circular gap, either to launch a surface wave along a dielectric tube (surfaguide) or to guide the microwave power along a conductive torch nozzle to to generate a plasma flame at the end of said nozzle.
  • the characteristic impedance seen by the propagating wave is that of the thinned section guide, which is different from that of the standard guide.
  • This thinned section of guide is connected to the standard section guide by two gradual-thickness transitions: on the one hand, towards the generator from which the microwave power arrives, on the other, towards a short circuit of end waveguide which is a conductive plate following the transverse section, fixed or movable, closing the guide.
  • the impedance transformer is then simply taken into account by the ratio between the characteristic impedances of the waveguides in the two adjacent sections.
  • the geometric parameters that influence the impedances of the various elements are the thinning ratio of the waveguide, the diameter of the power extraction gap, the thickness of the wall of the guide at this level, or even the rounded edge of the orifice, and the position of the short-circuit end of the waveguide.
  • Plasma Abatement System are operated with a surge-shaped source with a fixed short-circuit positioned at the factory and generally have a reflected power in operation of less than 5% for all the operating conditions encountered.
  • the torch nozzle has many design details that need to be optimized during development: deflectors to control gaseous flows and residence times in the plasma flame, nitrogen injectors clean of tip inerting and ceramic covers to protect the metal parts of the high energy fluorinated species, internal water cooling pipes, etc.
  • deflectors to control gaseous flows and residence times in the plasma flame
  • nitrogen injectors clean of tip inerting and ceramic covers to protect the metal parts of the high energy fluorinated species, internal water cooling pipes, etc.
  • a window waveguide insulation to isolate the generator from pollution
  • a spacer in the gap of the torch to prevent the massive irruption of particles and acidic water vapor inside the guide section on which is the same torch.
  • optimization parameters specific to the thinned guide concept do not make it possible to find an acceptable solution of impedance matching for a complete system intended to form the central active element of a device for the removal of gaseous effluents from CVD.
  • the relative reflected power is less than 5% or 10% without the need, in use, to make adjustments to variable impedance matching devices.
  • the invention relates to a microwave plasma generating device, comprising:
  • a waveguide in which means are arranged for concentrating the microwaves
  • the means for concentrating the microwaves may comprise impedance transformation means between a first side, said generator side, and a second side, said short-circuit side.
  • the means for concentrating the microwaves, or the impedance transforming means constitute a distributed capacitive load having the effect of reducing the phase velocity and thus of decreasing the characteristic impedance of the guide, which increases its bandwidth by frequency.
  • the lower characteristic impedance makes it possible to achieve an optimal or easier impedance matching than the known devices, especially since the device according to the invention has different elements having additional adjustable dimensions (especially those means for concentrating the waves) that do not have the known devices, and in particular those already described above.
  • the impedance transformation means may comprise a gradual transition zone, or discrete transforming means of the double quarter wave type, or alternatively an abrupt transition zone between the first part and the second part.
  • a ridge extends along a longitudinal face of the guide.
  • An exemplary device comprises a waveguide with a rectangular section, with a peak.
  • the section of such a guide has an appendage or ridge (rectangular or parallelepiped), which may be continuous, extending from a large lateral face of the guide.
  • the guide has a width a, and the means for concentrating the microwaves a width s, then a> s, the ratio s / a is preferably between 0.3 and 0.6.
  • the waveguide has a generator side and a short-circuit side, and has a gradual termination on the side. generator and an abrupt termination in cross-section of the crest-side short circuit.
  • FIG. 2 represents a double peak configuration
  • FIGS. 3A-3C show various embodiments of a peak that can be used in the context of the invention
  • FIGS. 4A and 4B show a generic diagram of a field applicator of a peaked guide, as well as FIG. an equivalent electrical diagram
  • FIGS. 5A-5C show sectional and perspective views of a device according to
  • FIG. 6 represents a tuning characteristic of a device according to the invention
  • FIG. 7 represents an exemplary embodiment of tuning a device according to the invention.
  • FIGS. 1A-1C A guide 1 that can be used in the context of the invention is illustrated in FIGS. 1A-1C. It is a waveguide with a rectangular section (a x b) with a peak 2 of width s.
  • the section of such a guide comprises an appendix 2, for example with a rectangular section extending along a large lateral face 6 of the guide, and between a first transverse cross section of the guide 7 (seen in Figure IA) of a first end and a second transverse cross section of the guide 9 (Figure IB) of a second end.
  • Geometries, other than rectangular, of the section of the ridge can be realized.
  • a very thin ridge can be made with s "a.
  • the guide is intended to be connected at its two end straight sections 7 and 9, respectively on the generator side and the short-circuit side, to adjacent guide sections of standard hollow rectangular section.
  • the peak 2 may comprise a continuous parallelepipedic edge, distant from the large lateral face 10, opposite the face 6, of a variable distance between a value d (first face side 7) and a value of> d (second side 9).
  • the ridge 2 has an inclined portion and then a flat portion 3, the latter being located at a distance d substantially constant from the longitudinal face 10.
  • the peak constitutes, in the guide, a distributed capacitive load having the effect of reducing the phase velocity and thus reducing the characteristic impedance of the guide, which increases the frequency bandwidth. It turns out that this also has the effect of extending the range of values of the operational parameters for which optimized impedance matching can be obtained. This is particularly the case when a movable short-circuit piston is used at the end of the waveguide: the range of variation of the position of the movable piston is then extended.
  • a concentration of the microwave energy is effected in the free space determined between the flat upper face 3 of the ridge and the opposite face 10 of the guide.
  • a guide according to one of the embodiments described above in connection with FIGS. IA-IC comprises two additional geometrical parameters with respect to a hollow guide: the width s of the peak (s ⁇ a) and the distance d of its upper face 10 to the opposite planar face 3 of the guide.
  • FIG. 2 in front view, it is possible to use a guide in which are made 2 symmetrical or non-symmetrical ridges 12, 14, one on, or along, each of the longitudinal faces, each of these ridges may have the form illustrated in Figure IC.
  • the energy concentration is between the plane faces 3, 5 of the two peaks 12, 14.
  • FIG. 2 represents the view from the side face 19, where the two peaks have their thinnest portions.
  • the two peaks may have different values of s and / or of a.
  • one can have s ⁇ a for one of the peaks and s for the other: in other words, then there is only one true peak extending from a large faces of the guide, but in a section section already thinned thereof.
  • ⁇ is the wavelength in the free void space
  • ⁇ g depends on d / a and will therefore vary as the height of the peak varies along a transition. This effect had no equivalent in the case of the thinned guide, ⁇ g does not depend on the thickness of the latter.
  • guide generator side, intended to receive the microwave power injected into the guide
  • side 9 short-circuit side, making it possible to make a short-circuit at the other end of the guide
  • the equivalent input impedance resulting in particular from that of the plasma and the means for creating it at the level of the concentration zone
  • the equivalent input impedance resulting in particular from that of the plasma and the means for creating it at the level of the concentration zone
  • the generator side may be, for example by adjusting an impedance adjustable on the short-circuit side, made equal to the characteristic impedance of the hollow rectangular waveguide bringing power.
  • the invention relates to impedance transformation means, between a peak section where the microwaves will be able to be concentrated and a standard section, which can make it possible to produce a field applicator in order to achieve the efficient coupling. from microwave power to a plasma.
  • the impedance transforming means used then make it possible to reduce the peaked guide section to the section of a standard guide, for example a hollow rectangular guide, in particular so that the input of a plasma source can be connected to Microwave means of standard type (whose inputs and outputs are rather hollow rectangular guide and not continuous ridge guide).
  • FIG. 3A One possibility is to use a gradual transition 22, terminating at "corner” a peak section 24 inserted in a guide having upper and lower lateral faces 26 and 26.
  • the length of the transition is then preferably ⁇ g / 2, or one of its integer multiples, in order to avoid parasitic reflections of the wave.
  • the value of ⁇ g depends on the relative height of the peak d / a, and therefore ⁇ g varies along the transition 22. It is therefore preferable to take an average value of ⁇ g instead to calculate the actual length of this transition 22.
  • impedance transformation There are other possibilities for performing impedance transformation. '
  • 11, 21, 31, 41 designate orifices for the insertion of a device or means such as a torch, for generating a plasma
  • the references 15, 25, 35, 45 each designating an orifice in the wall of the guide to allow also the passage of such means.
  • the structure of a device according to the invention is not necessarily symmetrical and one can have a different impedance transformer solution on both sides of the ridge guide section. Some configurations can be preferable for their tuning performance and / or compactness.
  • the ridge internal to the guide determines a confined space between its upper face and the large opposite face of the waveguide, for concentrating the microwave energy to achieve an effective coupling for the maintenance of a plasma.
  • the equivalent input impedance of the generator-side plasma source resulting from these different impedances can be made substantially equal to the characteristic impedance of the standard hollow rectangular guide carrying the microwave power from the generator, particularly when a movable short circuit piston is used on the opposite side of the waveguide.
  • the impedance transformation and concentration zones of the microwave energy have no clear separation, that is to say that there is a gradual transition of height of the peak between input (generator side) of the waveguide section on which the plasma source, and the area where the microwaves will be coupled to the plasma.
  • the length of the transition zone is then chosen, as before, as a mean value to take into account the variation of the wavelength of the fundamental ⁇ g with the variable height of the peak.
  • the peak internal to the guide realizes a distributed capacitive load making it possible to reduce the phase velocity and therefore the characteristic impedance of the guide.
  • the structure of the ridge can take many forms that represent associations of elements whose impedance depends on their geometric characteristics.
  • Figs. 5A-5C show a guide equipped with two peak impedance transformers 23 of the type shown in Fig. 3A.
  • the wall guide 20, 26 is a conventional guide, whose inner walls are equipped with the two transformers 23. A more detailed description of this example will be given later.
  • the standard guide designates the hollow rectangular guide in one of the standardized dimensions for the industrial microwave equipment, not equipped with means forming peak or impedance matching as described above.
  • the quantities G or g, and B or b, real and imaginary parts of the complex admittances respectively represent the dispersion and the absorption in the different parts of the guide and the source of plasma, that is to say the storage or dissipation of microwave energy.
  • Figures 4A-4B schematically show different elements of a source according to the invention, seen from the electrical point of view.
  • Figure 4A shows the generic scheme of the ridge-guided field applicator.
  • FIG. 4B shows the equivalent electric circuit, which makes it possible to better illustrate the electrodynamic behavior of the various elements.
  • FIGS. 4A and 4B are given below:
  • Yp depends, in addition to the characteristics of the plasma itself, on the structure of the field at the level of the coupling zone. This, in turn, depends on the characteristics of the plasma generating means, for example the dielectric constituting the surface wave tube, the geometry of the same tube or that of the torch nozzle, and in both case of the geometry of the gap: ratio of thinning (thus height of the crest), diameter of the orifice (s) 11, 15, 21, 25, 31, 35, 41, 45, thickness of the wall 10, 20, 30, 40 of the guide at this level and even rounded edges of the orifices.
  • the plasma generating means for example the dielectric constituting the surface wave tube, the geometry of the same tube or that of the torch nozzle, and in both case of the geometry of the gap: ratio of thinning (thus height of the crest), diameter of the orifice (s) 11, 15, 21, 25, 31, 35, 41, 45, thickness of the wall 10, 20, 30, 40 of the guide at this level and even rounded edges of the orifices.
  • Yp is accessible experimentally, which makes it possible to orient the optimization by successive approximations by modifying geometrical parameters.
  • Y 0 and F 01 are, respectively, the characteristic admittance of a standard rectangular guide (without peak or without impedance matching means according to the invention) and crest.
  • Z 01 is therefore the characteristic impedance in the guide section where the concentration zone of the microwave energy is located, with a view to coupling this microwave energy to the plasma in an optimized manner by means of the microwaves. impedance matching, according to the invention.
  • Z 11 is the distance from the end of the input transformer 122 (in fact: the zone 22, 32, 42 of FIGS. 3A-3C) to the transverse plane of symmetry of the plasma generating means (surfaguide or torch, the plane 100 of Figure 3B, perpendicular to the plane of this figure, or the plane AA 'of Figure 5A), coinciding with the axis of the plasma generating means (eg tube or nozzle).
  • This axis is the place where the power is extracted from the guide to be coupled to the plasma.
  • I n is preferably an integer multiple of ⁇ g i / 4, which avoids phase differences that would be responsible for reflections of the wave.
  • ⁇ g i denotes the wavelength in the ridge guide (thus in the section where the energy is concentrated and transmitted to the plasma) to distinguish it from that, ⁇ g , in the guide standard, not provided with impedance matching means according to the invention).
  • I n is the distance from the transverse plane of symmetry indicated above, to the adjacent end of the second impedance transformer 124.
  • this impedance transformer 124 is constituted by the step of the ridge, which is located at the end 29, 39, 49.
  • This impedance transformer could have another shape, in particular the same as that of the transformer generator side, in gradual corner, or in double quarter wave However, it is conceivable that the abrupt termination of the ridge according to a right truncation, provided that it gives satisfaction on the electrodynamic plane, is the most compact.
  • I n is also preferably an integer multiple of ⁇ g i / 4 for the same reasons as those indicated above.
  • l s is the distance between the end plane of the transformer (in the exposed cases, the short circuit side step) and the plane of the waveguide end short circuit.
  • l s is adjustable by a movable short-circuit (e.g., a mobile plunger) that can be used during the development of the source and that can be rendered then fixed.
  • a movable short-circuit e.g., a mobile plunger
  • the input admittance (or impedance) of the surfaguide or the torch normalized with respect to the characteristic impedance of a standard power supply guide, for example a hollow rectangular section guide, is written:) .
  • P 1 ⁇ g also reflect the sensitivity of the agreement impedance to other parameters than Is, and in particular the admittance of the plasma.
  • the reduced input admittance of the source yi n can be expressed as a function of the admittances of the various elements which one chooses to assemble to constitute it.
  • Yi n will therefore depend on the resulting admittance of the coupling gap of the energy charged by the plasma, transformation ratios of the two impedance transformers and phase factors corresponding to the progression of the wave in the ridge section section of constant section, over distances I n and I n , which are actually +1, because of the multiple values of ⁇ g i / 4.
  • the generic type comprises for example two transformers (on the side of the arrival of the power from the generator and the side of the short-circuit). The values of I n and I n are also chosen.
  • P R / P I is less than a fixed value, for example 10%.
  • FIGS. 5A-5C An example of a surfaguide-type applicator according to the invention is shown in FIGS. 5A-5C, and is made from a configuration with two ridges 23 between which energy is concentrated to launch the surface wave. , which does not change the previous electrodynamic analysis.
  • the ridges 23 comprise orifices 25 for passage of the tube determining the shape of the launching gap.
  • the impedance compensation is obtained by truncating for a certain length, along a transverse plane of the waveguide, the end of the gradual wedge 22 of the two peaks 23
  • the length of the device has been reduced to the maximum, that is to say that the limits of the flanges 127, 129 for connecting the guide just coincide with the ends of the impedance transformers.
  • the gradual wedge 22 is truncated on the generator side and there is an abrupt termination in cross-section of the peak on the short-side 29.
  • the surfaguide crested applicator is easier to produce mechanically than the surfaguide applicator in a thinned guide.
  • the ridges not occupying the entire internal width of the guide (s ⁇ a), do not require continuous welding of the side surfaces as would have been the case for a surfaguide RHW applicator.
  • the general shape of the applicator according to the invention lends itself moreover to manufacturing methods making it possible to reduce the cost and the weight of the device. Thus it is possible to make a single piece machined in a light alloy block wire EDM.
  • FIG. 6 shows an example of impedance matching characteristics for an atmospheric surface wave plasma source constructed on a surge-shaped, guide-type applicator according to the invention.
  • the ratio P R / P I (power reflected on incident power) is given in ordinate, as a function of the ratio l s / ⁇ g .
  • the applicator is equipped with a fixed short circuit at the optimum position found for the movable short circuit, generally corresponding to the middle of the excursion zone of the s / ⁇ g where P R / P I is below a certain value, for example 5%.
  • This quality of the impedance agreement can be exploited in another way: in operation High-power industrial, the surface wave tube is highly stressed in the area of maximum energy density at the launch gap. To increase reliability in the long term, one can optimize the energy density distribution at this level by adapting the geometry of the launch gap.
  • the nozzle In the case of a waveguide-supported axial injection type torch (TIAGO) and a guide according to the invention, the nozzle extends from the top of the ridge through the region of concentration. energy before it comes to the outside of the guide through the hole in its large opposite face.
  • TIAGO waveguide-supported axial injection type torch
  • the nozzle with its feed channel is fixed to the ridge in a mechanical assembly ensuring electrical continuity, and allowing rational disassembly for maintenance.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of an applicator according to the invention is illustrated in FIG.
  • the structure of the end of the nozzle is not detailed.
  • the inductive compensation means comprise a conductive rod
  • the axis of the rod coincides substantially with the intersection of the vertical plane mediating the waveguide and the transverse plane containing the right end of the peak on the side of the short-circuit guide.
  • This rod is completed by a coaxial plunger 70, adjustable, screw, located in the body of the ridge.
  • a confined zone of concentration of the microwaves and a circular gap of coupling of the energy to a plasma are located in a section 24 of ridge guide of constant section, comprising either a tube surface wave plasma dielectric, ie a plasma torch conductive nozzle.
  • the section of constant peak section extends on either side of the axis of the gap on ⁇ multiple integer distances of - ⁇ -, quarter of the
  • the ridge guide section is connected on both sides to the standard hollow rectangular guide 20, 26 by two impedance transformers.
  • the torch shown has an inlet 110 for the gases and, on the other side of the wall 20, an outlet 116 at the tip of the nozzle which lets out the gas in which the plasma is maintained, this outlet comprising, for example a nozzle tip equipped with holes 120, the base of the portion of the torch situated in the wall 120 being able to be surrounded by a spacer 112 made of dielectric, teflon or ceramic material intended to mechanically close the gap to prevent contamination of the interior of the waveguide by the aggressive atmosphere prevailing at the nozzle during the treatment of dangerous gases, while allowing the passage of the microwave power.
  • a device according to the invention can indeed be implemented in the context of a gas treatment process, comprising impurities, in which the gas is subjected to atmospheric pressure, to a plasma discharge.
  • the treated gas is for example a rare gas to be purified containing a perfluorinated gas (PFC) or hydrocarbon or hydrofluorocarbon (HFC), or comprising gaseous effluents from a production process or growth or etching or cleaning or treatment semiconductors or thin semiconductor or conductive or dielectric layers or substrates, or comprising gaseous effluents from a process for the production or growth or etching or cleaning or treatment of silicon or alloy thin films of silicon.
  • PFC perfluorinated gas
  • HFC hydrocarbon or hydrofluorocarbon
  • a device according to the invention can also be implemented with a source as described in EP 874 537.
  • the concentration zone of the microwaves corresponds to a determined confined space between the top of the ridge and the large one. corresponding opposite side of the waveguide.
  • a section of ridge guide according to the invention has, with respect to the standard guide thinned of the previous case, better characteristics propagation and wider impedance matching conditions.
  • the thinned guide it is possible to connect a section of ridge guide of constant cross-section, where the concentration of the microwaves is carried out, to a hollow rectangular standard guide, by providing an intermediate structure of impedance transformation between the two. It is also possible to feed the plasma source by a constant section ridge guide from the generator, but it turns out that commercial microwave equipment and components are usually constructed on the standard hollow rectangular guide.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif excitateur à plasma micro-ondes, comportant : un guide d'ondes, dans lequel sont disposés des moyens (23) pour concentrer les micro-ondes ; des moyens (110, 120) pour engendrer un plasma, disposés dans une zone de concentration des micro-ondes.

Description

EXCITATEURS DE PLASMAS MICRO-ONDES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR L'invention concerne le domaine des sources de plasma micro-ondes atmosphériques.
En particulier, elle concerne un procédé et un dispositif plasma micro-ondes, bien adapté à des conditions de fonctionnement fortement et/ou rapidement variables.
On rencontre de telles conditions dans des milieux tels que les effluents gazeux émis par les procédés de dépôt et gravure de couches minces pour la fabrication des semi-conducteurs, lorsqu' un dispositif plasma est utilisé pour dépolluer ces effluents.
La source de plasma permet de coupler la puissance micro-ondes à la décharge pour entretenir cette dernière sur de longues périodes, en minimisant la fraction de la puissance réfléchie vers le générateur (et donc perdue pour l'application). La puissance est amenée depuis le générateur par une ligne de transmission de puissance, par exemple un guide d'onde rectangulaire creux dans une des sections industrielles standard. La ligne de transmission est décrite physiquement par une impédance caractéristique répartie.
Le flux de puissance micro-ondes incident entrant dans la source de plasma voit une impédance complexe localisée qui caractérise la manière dont l'énergie est stockée et dissipée dans la source (impédance d'entrée de la source de plasma) . La condition pour que la puissance réfléchie soit nulle est que l'impédance d'entrée de la source soit égale à l'impédance caractéristique de la ligne. La source de plasma se compose de différents éléments physiques caractérisés chacun par sa propre impédance complexe : le plasma lui-même, l'enceinte diélectrique qui le contient s'il y a lieu, et des structures conductrices de géométries appropriées intermédiaires entre la ligne de transmission de section standard et le plasma. L'impédance d'entrée de la source est la résultante équivalente de ces différentes impédances .
On cherche à associer des éléments d' impédances complexes appropriées pour que la condition d'adaptation susmentionnée soit réalisée pour la source assemblée.
Dans les faits, pour une application industrielle donnée, les exigences sont généralement plus élevées que l'obtention d'une bonne adaptation d' impédance .
En effet, l'impédance du plasma dépend des conditions de fonctionnement imposées par l'application, qui ne sont pas constantes dans le temps.
Par exemple, un procédé de fabrication des semiconducteurs comporte plusieurs recettes multi- étapes mettant en œuvre des gaz de différentes natures et débits de sorte que le plasma de dépollution doit fonctionner dans des conditions continuellement variables, et ce parfois de manière très abrupte. Afin de maintenir en permanence des conditions de fonctionnement optimales du plasma de dépollution, on pourrait ajouter des éléments dont l'impédance est réglable, comme par exemple des pistons de court-circuit mobiles. Cependant, concrètement, leur ajustement ne peut pas être préprogrammé pour chaque recette de procédé, car celles-ci sont exécutées aléatoirement et leurs caractéristiques ne sont généralement pas transmises à travers l'interface de contrôle entre l'équipement de fabrication et le système de dépollution.
On pourrait aussi installer des systèmes de réglage d'impédance motorisés asservis sur une mesure de la puissance réfléchie pour minimiser en permanence cette dernière.
Cela ajouterait néanmoins un encombrement, une complexité et un coût inacceptables au dispositif. De plus le temps de réponse de tels systèmes serait souvent trop long pour des variations très rapides de l'impédance imposées par l'application.
Dans les documents de J. -C.Rostaing et al. Intitulé « A novel post-pump PFC Abatement Technology Based on Atmospheric surface-wave microwave plasmas, Future Fab International, Issue 14, February 2003 et de M. Moisan et al. Intitulé « Waveguide based single and multiple nozzle plasma torches : the TIAGO concept » paru dans Plasma Sources Science and Technology, vol.10, 2001, p.387-394, sont décrites deux types de sources de plasma micro-ondes pour le traitement des effluents des procédés de fabrication des semiconducteurs . Une de ces sources met en œuvre un applicateur de champ à onde de surface de type surfaguide.
Une autre de ces sources, la torche à injection axiale supportée en guide d' onde (TIAGO), est utilisée pour le traitement combiné des effluents de dépôt CVD de couches minces et des effluents de nettoyage des réacteurs CVD de dépôt de ces mêmes couches minces . Le principe de ces sources est de concentrer l'énergie micro-ondes dans une section du guide d' onde rectangulaire amincie par rapport à la section standard.
Celle-ci comporte, soit deux orifices en vis-à-vis dans ses deux grandes faces traversé (s) par un tube diélectrique (surfaguide) , soit un orifice dans une de ses grandes faces traversé par une buse conductrice, déterminant dans les deux cas un interstice circulaire. La puissance micro-ondes est extraite du guide à travers cet interstice circulaire, soit pour lancer une onde de surface le long d'un tube diélectrique (surfaguide) soit pour guider la puissance micro-ondes le long d'une buse de torche conductrice pour aller générer une flamme de plasma à l'extrémité de ladite buse.
Dans le tronçon de guide aminci comportant l'interstice, l'impédance caractéristique vue par l'onde qui se propage est celle du guide de section amincie, qui est différente de celle du guide standard. Ce tronçon de guide aminci est raccordé au guide de section standard par deux transitions d'épaisseur graduelle : d'un côté, vers le générateur d'où arrive la puissance micro-ondes, de l'autre, vers un court-circuit d'extrémité en guide d'ondes qui est une plaque conductrice suivant la section transverse, fixe ou mobile, fermant le guide.
Les transitions graduelles jouent le rôle de transformateurs d'impédance. La puissance micro- ondes passe alors d'une section de guide à une autre section, ces deux sections présentant des impédances caractéristiques distinctes, sans ressentir ce changement d'impédance caractéristique et donc sans encourir des réflexions multiples parasites indésirables qui écarteraient le système du comportement idéal prévu par la théorie.
Dans le calcul de l'impédance d'entrée équivalente de la source, le transformateur d'impédance est alors simplement pris en compte par le rapport entre les impédances caractéristiques des guides d'ondes dans les deux sections adjacentes.
Les paramètres géométriques qui influent sur les impédances des différents éléments sont le rapport d'amincissement du guide d'ondes, le diamètre de l'interstice d'extraction de la puissance, l'épaisseur de la paroi du guide à ce niveau, voire l'arrondi du bord de l'orifice, et la position du court-circuit d'extrémité du guide d'ondes.
Leur ajustement permet de réaliser un accord d'impédance optimisé. Ces sources construites sur le guide d'onde aminci présentent des caractéristiques d'accord d'impédance sensiblement meilleures que celles des réalisations pré-existantes. Notamment, les systèmes UPAS (Universal
Plasma Abatement System) exploités industriellement sont munis d'une source surfaguide avec un court- circuit fixe positionné en usine et présentent généralement une puissance réfléchie en exploitation inférieure à 5% pour toutes les conditions de fonctionnement rencontrées .
Toutefois, la gamme des conditions d'utilisation de l'UPAS ne cesse de s'étendre à mesure que les procédés deviennent plus complexes avec les progrès de la miniaturisation des circuits microélectroniques .
Ainsi on voit apparaître des recettes nouvelles mettant en œuvre des gaz adjuvants originaux qui ont un effet plus marqué que précédemment sur l'état physique du plasma micro-ondes de dépollution et sur son impédance.
En outre, dans certains cas, les conditions pratiques d'exploitation génèrent des situations transitoires particulièrement sévères qui peuvent faire sortir le système du domaine d'existence du plasma
(couplage d'une puissance suffisante pour l'entretenir), provoquant l'arrêt du système. C'est le cas par exemple lors du redémarrage d'une pompe à vide primaire, le débit et la pression instantanés pouvant alors prendre des valeurs très supérieures à la moyenne normale, ou du basculement de vannes d'arrêt et de dérivation sur les canalisations d'échappement.
En ce qui concerne la torche de type « TIAGO », sa structure est plus complexe que la source surfaguide . La buse de la torche comporte de nombreux détails de conception qui doivent être optimisés au cours du développement : déflecteurs pour maîtriser les écoulements gazeux et les temps de résidence dans la flamme de plasma, injecteurs d'azote propre d' inertage de la pointe de buse et capots en céramiques pour protéger les parties métalliques des espèces fluorées de haute énergie, canalisations interne de refroidissement par eau, etc.. De plus il faut ajouter à l' applicateur de champ des structures diélectriques assurant l'étanchéité aux gaz dangereux : une fenêtre d'isolation en guide d'ondes pour isoler le générateur des pollutions, et une entretoise dans l'interstice de la torche pour éviter l'irruption massive de particules et de vapeur d'eau acide à l'intérieur de la section de guide sur laquelle est construite cette même torche.
Tous ces aménagements modifient de manière imposée les caractéristiques électrodynamiques du dispositif complet. En général, on constate que les
- paramètres d'optimisation propres au concept de guide aminci ne permettent pas de trouver une solution acceptable d'accord d'impédance pour un système complet destiné à former l'élément actif central d'un dispositif de dépollution des effluents gazeux de CVD.
Il se pose donc le problème de disposer de sources de plasma dont l'accord d'impédance soit assez peu sensible aux variations des conditions d'entretien du plasma qui sont imposée par son utilisation industrielle .
De préférence, on cherche à ce que la puissance réfléchie relative soit inférieure à 5% ou à 10% sans avoir besoin, en cours d'utilisation, de procéder à des réglages de dispositifs variables d'accord d'impédance.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne un dispositif générateur de plasma micro-ondes, comportant :
- un guide d'ondes, dans lequel sont disposés des moyens, pour concentrer les micro-ondes,
- des moyens pour engendrer un plasma, lorsque de la puissance micro-ondes est couplée v à ces moyens, disposés dans une zone de concentration des micro-ondes .
Les moyens pour concentrer les micro-ondes peuvent comporter des moyens de transformation d'impédance entre un premier côté, dit côté générateur, et un deuxième côté, dit côté court-circuit.
Les moyens pour concentrer les micro-ondes, ou les moyens de transformation d'impédance, constituent une charge capacitive répartie ayant pour effet de réduire la vitesse de phase et donc de diminuer l'impédance caractéristique du guide, ce qui augmente sa bande passante en fréquence.
L'impédance caractéristique plus faible permet de réaliser un accord d'impédance optimal ou plus aisé que les dispositifs connus, d'autant plus que le dispositif selon l'invention présente différents éléments ayant des dimensions ajustables supplémentaires (notamment celles des moyens pour concentrer les ondes) que n'ont pas les dispositifs connus, et notamment ceux déjà exposées ci-dessus. Les moyens de transformation d' impédance peuvent comporter une zone à transition graduelle, ou des moyens transformateurs discrets de type double quart d'onde, ou encore une zone à transition abrupte entre la première partie et la deuxième partie. Selon un exemple une crête s'étend le long d'une face longitudinale du guide.
Deux crêtes symétriques ou non peuvent être réalisées, s' étendant depuis deux faces longitudinales opposées du guide. Un exemple de dispositif selon l'invention comporte un guide d'onde à section rectangulaire, à crête. La section d'un tel guide comporte un appendice ou une arête (rectangulaire ou parallélépipédique) , qui peut être continue, s' étendant depuis une grande face latérale du guide. Selon une variante, on peut utiliser un guide à deux crêtes symétriques ou non s 'étendant depuis des faces opposées du guide, avec les mêmes effets physiques.
Si le guide a une largeur a, et les moyens pour concentrer les micro-ondes une largeur s, alors a > s, le rapport s/a étant de préférence compris entre 0,3 et 0,6.
Selon un mode de réalisation, le guide d' ondes comporte un côté générateur et un côté court- circuit, et a une terminaison graduelle du côté générateur et une terminaison abrupte en section droite de la crête côté court-circuit.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
- Les figures IA - IC représentent la section générique d'un guide à crête,
- la figure 2 représente une configuration à double crête,
- les figures 3A - 3C représentent divers modes de réalisation d'une crête pouvant être utilisée dans le cadre de l'invention, les figures 4A et 4B représentent un schéma générique d'un applicateur de champ d'un guide à crête, ainsi qu'un schéma électrique équivalent,
- les figures 5A - 5C représentent des vues en coupe et en perspective d'un dispositif selon
1' invention,
- la figure 6 représente une caractéristique d'accord d'un dispositif selon 1' invention, - la figure 7 représente un exemple de réalisation d'accord d'un dispositif selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un guide 1 pouvant être utilisé dans le cadre de l'invention est illustré en figures 1A-1C. II s'agit d'un guide d'ondes à section rectangulaire (a x b) à crête 2 de largeur s.
La section d'un tel guide comporte un appendice 2, par exemple à section rectangulaire s'étendant le long d'une grande face 6 latérale du guide, et entre une première section droite transverse du guide 7 (vue sur la figure IA) d'une première extrémité et une deuxième section droite transverse du guide 9 (figure IB) d'une deuxième extrémité. Des géométries, autres que rectangulaires, de la section de la crête, peuvent être réalisées.
Selon un exemple on peut réaliser une crête très mince, avec s « a.
Le guide est destiné à être raccordé au niveau de ses deux sections droites d'extrémité 7 et 9, respectivement du côté générateur et du côté court- circuit, à des tronçons de guides adjacents de section rectangulaire creuse standard.
Comme illustré sur ces figures IA - IC, la crête 2 peut comporter une arête parallélépipédique continue, distante de la grande face latérale 10, opposée à la face 6, d'une distance variable entre une valeur d (côté première face 7) et une valeur d' > d (côté deuxième face 9) . Comme illustré sur la figure IC, la crête 2 comporte une partie inclinée puis une partie plane 3, celle-ci étant située à distance d sensiblement constante de la face longitudinale 10.
La crête constitue, dans le guide, une charge capacitive répartie ayant pour effet de réduire la vitesse de phase et donc de diminuer l'impédance caractéristique du guide, ce qui augmente la bande passante en fréquence. Il s'avère que ceci a également pour effet d'étendre la gamme de valeurs des paramètres opérationnels pour laquelle un accord d'impédance optimisé peut être obtenu. C'est en particulier le cas lorsqu'un piston mobile de court-circuit est utilisé à l'extrémité du guide d'ondes: la plage de variation de la position du piston mobile est alors étendue.
Une concentration de l'énergie micro-ondes s'effectue dans l'espace libre déterminé entre la face supérieure plane 3 de la crête et la face opposée 10 du guide.
Un guide selon l'un des modes de réalisation décrits ci-dessus en liaison avec les figures IA - IC comporte deux paramètres géométriques supplémentaires par rapport à un guide creux : la largeur s de la crête (s < a) et la distance d de sa face supérieure 10 à la face plane opposée 3 du guide.
Selon un autre mode de réalisation, illustré sur la figure 2 en vue de face, on peut utiliser un guide dans lequel sont réalisées 2 crêtes symétriques ou non 12, 14, une sur, ou le long de, chacune des faces longitudinales, chacune de ces crêtes pouvant avoir la forme illustrée en figure IC. Dans ce cas la concentration de l'énergie se fait entre les faces planes 3, 5 des deux crêtes 12, 14. La figure 2 représente la vue depuis la face latérale 19, où les deux crêtes ont leurs portions les plus minces.
Selon une variante de ce deuxième mode de réalisation, les deux crêtes peuvent avoir des valeurs différentes de s et/ou de a.
Selon encore une autre variante de ce deuxième mode de réalisation on peut avoir s < a pour l'une des crêtes et s = a pour l'autre : autrement dit on a alors une seule vraie crête s'étendant depuis une des grandes faces du guide, mais dans un tronçon de section déjà amincie de celui-ci.
A partir des dimensions du guide à crête on sait déterminer, à une fréquence donnée, la longueur d'onde de coupure λc et celles des modes de propagation permis λg, et en particulier du mode fondamental.
Les relations donnant ces valeurs sont plus complexes que dans le cas du guide rectangulaire creux, ne comportant pas de moyens d' optimisation de l'adaptation d'impédance tels que les crêtes. Elles ne se présentent pas sous une forme analytique simple mais peuvent être obtenues par le calcul numérique et/ou 1' expérience.
L'impédance caractéristique d'un guide à crête peut être trouvée à partir des relations suivantes :
Figure imgf000015_0001
où λ est la longueur d'onde dans l'espace vide libre,
— K est donné par des courbes paramétrées extraites de
la littérature, par exemple dans l'ouvrage de J. Helszajn, « Ridge waveguides and Passive Microwave Components » the IEE, London, ainsi que la longueur d' onde de coupure λc et
Z 7 0»_7°
Figure imgf000015_0002
avec r|o = 120π (Ω) , impédance caractéristique de l'espace libre vide, (a-s)π
K m
En général, pour des valeurs modérées
de — (-0.3-^0.6), les propriétés du guide à crête a
dépendent peu de — ce qui offre de la souplesse dans a le choix de la largeur (différence a - s) de la crête pour la réalisation pratique d'un applicateur de champ. Cependant, λg dépend de d/a et va donc varier lorsque la hauteur de la crête varie le long d'une transition. Cet effet n'avait pas d'équivalent dans le cas du guide aminci, λg ne dépendant pas de l'épaisseur de ce dernier.
Le mode de réalisation décrit ci-dessus permet, comme on l'a déjà indiqué, de réaliser une adaptation des impédances réparties et localisées entre les différents éléments qui vont constituer une source de plasma construite sur le guide d'ondes entre un côté 7 du guide (côté générateur, destiné à recevoir la puissance micro-onde injectée dans le guide) et un côté 9 (côté court-circuit, permettant de réaliser un court- circuit d'accord à l'autre extrémité du guide), de manière à ce que l'impédance d'entrée équivalente (résultant notamment de celle du plasma et des moyens pour le créer au niveau de la zone de concentration) vue du côté générateur puisse être, en ajustant par exemple une impédance réglable du côté court-circuit, rendue égale à l'impédance caractéristique du guide d'ondes rectangulaire creux amenant la puissance.
Selon un autre aspect, l'invention concerne des moyens de transformation d'impédance, entre une section à crête où les micro-ondes vont pouvoir être concentrées et une section standard, pouvant permettre de réaliser un applicateur de champ afin de réaliser le couplage efficace de la puissance micro-ondes à un plasma. Les moyens transformateurs d'impédance utilisés permettent alors de ramener la section de guide à crête à la section d'un guide standard, par exemple un guide rectangulaire creux, afin notamment que l'entrée d'une source de plasma puisse se raccorder sur des moyens micro-ondes de type standard (dont les entrées et sorties sont plutôt en guide rectangulaire creux et non en guide à crête continue) .
Une possibilité (figure 3A) est d'utiliser une transition graduelle 22, terminant en « coin » un tronçon de crête 24 inséré dans un guide présentant des faces latérales supérieure 20 et inférieure 26.
La longueur lu de la transition est alors de préférence λg/2, ou un de ses multiples entiers, afin d'éviter les réflexions parasites de l'onde. Toutefois, la valeur de λg dépend de la hauteur relative de la crête d/a, et donc λg varie le long de la transition 22. Il est par conséquent préférable de prendre plutôt en compte une valeur moyenne de λg pour calculer la longueur réelle de cette transition 22. II existe d'autres possibilités pour réaliser la transformation d'impédance.'
Par exemple on peut réaliser un transformateur discret double quart d'onde 32, 34 comme illustré en figure 3B, ou de transitions abruptes du guide à crête au guide standard, c'est-à-dire que la crête de hauteur constante se termine sur une troncature selon une section droite ou encore réaliser une transition à surface courbe 42 vers une surface 44 plane ou proche d'une surface plane (figure 3C); un cas intéressant est celui où le profil de hauteur de la crête obéit à dY/dz = constante où Y est la valeur locale de l'impédance et z la distance le long de l'axe du guide . Sur les figures IC, 3A - 3C, les références
11, 21, 31, 41 désignent des orifices en vue de l'insertion d'un dispositif ou de moyens tels qu'une torche, permettant de générer un plasma, les références 15, 25, 35, 45 désignant chacune un orifice dans la paroi du guide pour permettre également le passage de tels moyens. On peut également utiliser des moyens de type applicateur de champ à onde de surface traversés par un tube creux diélectrique à l'intérieur duquel est entretenu le plasma, et prévoir les adaptations correspondantes dans la ou les crêtes et la ou les faces du guide.
La structure d'un dispositif selon l'invention n'est pas nécessairement symétrique et l'on peut avoir une solution de transformateur d'impédance différente de part et d'autre du tronçon de guide à crête. Certaines configurations peuvent être préférables pour leurs performances d' accord et/ou leur compacité.
Selon l'invention, la crête interne au guide détermine un espace confiné entre sa face supérieure et la grande face opposée du guide d'ondes, permettant de concentrer l'énergie micro-ondes pour réaliser un couplage efficace pour l'entretien d'un plasma .
Elle permet aussi d'adapter les impédances localisées et réparties des différents éléments de la source de plasma : transitions entre différentes sections de guide d'ondes, zone de couplage de l'énergie micro-ondes au niveau des interstices circulaires, buse de torche ou tube diélectrique à onde de surface chargés par le plasma, court-circuit mobile d'accord du côté opposé à l'arrivée de puissance depuis le générateur.
Ainsi l'impédance d'entrée équivalente de la source de plasma côté générateur, résultant de ces différentes impédances, peut être rendue sensiblement égale à l'impédance caractéristique du guide rectangulaire creux standard acheminant la puissance micro-ondes depuis le générateur, notamment lorsqu'un piston de court-circuit mobile est utilisé du côté opposé du guide d'ondes.
Dans une variante les zones de transformation d'impédance et de concentration de l'énergie micro -ondes n'ont pas de séparation nette, c'est-à-dire que l'on a une transition graduelle de hauteur de la crête entre l'entrée (côté générateur) du tronçon de guide d'ondes sur lequel est construit la source de plasma, et la zone où les micro-ondes vont être couplées au plasma. La longueur de la zone de transition est alors choisie, comme précédemment, comme une valeur moyenne pour tenir compte de la variation de la longueur d' onde du fondamental λg avec la hauteur variable de la crête.
En outre la crête interne au guide réalise une charge capacitive répartie permettant de réduire la vitesse de phase et donc l'impédance caractéristique du guide.
En plus de l'accroissement de la bande passante en fréquence du guide, on constate une extension de la gamme de conditions de fonctionnement
(c'est-à-dire de la plage de variation de l'impédance du plasma) pour laquelle l'accord d'impédance est optimal, sans avoir à modifier le réglage d'un court circuit mobile d'accord au cours du fonctionnement.
La structure de la crête peut prendre de nombreuses formes qui représentent des associations d'éléments dont l'impédance dépend de leurs caractéristiques géométriques.
Les modifications mécaniques correspondantes peuvent être réalisées en remplaçant une crête par une autre usinée différemment. La présence de la crête permet de réaliser une adaptation optimisée de l'impédance équivalente pour le tronçon de guide supportant la source de plasma, compris entre un côté 7, 27, 37, 47 (côté générateur, destiné à recevoir la puissance micro-ondes injectée dans la source de plasma) et un côté 9, 19, 29, 39, 49 (côté court- circuit) . L'accord d'impédance peut être encore amélioré grâce à un court-circuit mobile situé à l'extrémité du guide d'ondes opposée au côté générateur. Les figures 5A - 5C représentent un guide équipé de deux transformateurs d'impédance en crête 23 du type de celui illustré sur la figure 3A. Le guide à parois 20, 26 est un guide classique, dont les parois internes sont équipées des deux transformateurs 23. Une description plus détaillée de cet exemple sera donnée plus loin.
Dans la suite, par commodité, on utilise, selon le cas, les impédances (notation Z) ou leurs inverses, les admittances (notations Y) , par exemple Y0=Z0 pour les grandeurs caractéristiques du guide d'ondes standard.
On désigne par guide standard le guide rectangulaire creux dans une des dimensions normalisées pour le matériel industriel micro-ondes, non équipé des moyens formant crête ou formant adaptation d'impédance comme décrit ci-dessus.
On utilise également une grandeur normalisée à l'impédance Z0 ou à l'admittance Y0 caractéristique du guide d'onde standard, notée en minuscules :
y=^ = YZ0=z-ι=g + jb = (r +jx)-1
Dans cette expression, comme dans la suite, les grandeurs G ou g, et B ou b, parties réelles et imaginaires des admittances complexes, représentent respectivement la dispersion et l'absorption dans les différentes parties du guide et de la source de plasma, c'est-à-dire le stockage ou la dissipation de l'énergie micro-ondes .
Les figures 4A - 4B représentent schématiquement différents éléments d'une source selon l'invention, vus du point de vue électrique.
La figure 4A représente le schéma générique de l' applicateur de champ en guide à crête.
La figure 4B en représente le circuit électrique équivalent, qui permet de mieux illustrer le comportement électrodynamique des différents éléments .
Les significations des notations des figures 4A et 4B sont données ci-après :
Yp=Gp+jBp est l'admittance résultante de l'interstice chargé par les moyens de génération de plasma et ce plasma, par exemple un tube diélectrique et le plasma ou une buse de torche et la flamme plasma, admittance référencée au plan transverse de symétrie coïncidant avec l'axe du tube ou de la buse (sur la figure 3B : il s'agit du plan 100) .
Yp dépend, en plus des caractéristiques du plasma lui-même, de la structure du champ au niveau de la zone de couplage. Celle-ci dépend, à son tour, des caractéristiques des moyens de génération du plasma, par exemple du diélectrique constituant le tube à onde de surface, de la géométrie de ce même tube ou de celle de la buse de torche, et dans les deux cas de la géométrie de l'interstice : rapport d'amincissement (donc hauteur de la crête) , diamètre du ou des orifices 11, 15, 21, 25, 31, 35, 41, 45, épaisseur de la paroi 10, 20, 30, 40 du guide à ce niveau et même arrondi des bords des orifices.
Yp est accessible expérimentalement, ce qui permet d'orienter l'optimisation par approximations successives en modifiant des paramètres géométriques.
Y0 et F01 sont, respectivement, l'admittance caractéristique d'un guide rectangulaire standard (sans crête ou sans moyens d'adaptation d'impédance selon l'invention) et à crête.
Z01 est donc l'impédance caractéristique dans le tronçon de guide où se trouve la zone de concentration de l'énergie micro-ondes, en vue de coupler cette énergie micro-ondes au plasma de manière optimisée à l'aide des moyens d'adaptation d'impédance, selon l'invention.
Y kτ =—— est, par définition, le facteur de
transformation du transformateur d'entrée (côté arrivée de la puissance) . Z11 est la distance de l'extrémité du transformateur d'entrée 122 (en fait : la zone 22, 32, 42 des figures 3A - 3C) au plan transverse de symétrie des moyens générateurs de plasma (surfaguide ou torche, le plan 100 de la figure 3B, perpendiculaire au plan de cette figure, ou le plan AA' de la figure 5A) , coïncidant avec l'axe des moyens de génération de plasma (par exemple tube ou buse) . Cet axe est le lieu où la puissance est extraite du guide pour être couplée au plasma. In est de préférence un multiple entier de λgi/4, ce qui permet d'éviter les différences de phase qui seraient responsables de réflexions de l'onde.
Ici, et dans toute la suite, λgi désigne la longueur d'onde dans le guide à crête (donc dans le tronçon où l'énergie est concentrée et transmise au plasma) pour la distinguer de celle, λg, dans le guide standard, non muni de moyens d'adaptation d'impédance selon l'invention) .
In est la distance du plan transverse de symétrie indiqué ci-dessus, à l'extrémité adjacente du second transformateur d'impédance 124. En fait, sur les figures 3A - 3C, ce transformateur d'impédance 124 est constitué de la marche de la crête, marche qui est située à l'extrémité 29, 39, 49. Ce transformateur d'impédance pourrait avoir une autre forme, en particulier la même que celle du transformateur côté générateur, en coin graduel, ou en double quart d'ondes discret, etc.. Toutefois, on conçoit que la terminaison abrupte de la crête selon une troncature droite, sous- réserve qu'elle donne satisfaction sur le plan électrodynamique, soit la plus compacte.
In est également de préférence un multiple entier de λgi/4 pour les mêmes raisons que celles indiquées ci-dessus. ks=kγ ] ou ks =1 est le facteur de transformation du second transformateur d'impédance
(côté court-circuit) , pour la configuration en coin graduel ou en marche abrupte (crête se terminant sur une section transverse droite, ce qui est le cas des figures IC, 3A - 3C), respectivement. ls est la distance entre le plan d'extrémité du transformateur (dans les cas exposés, la marche côté court circuit) et le plan du court-circuit d'extrémité en guide d'ondes. ls est réglable par un court-circuit mobile (par exemple un plongeur mobile) , que l'on peut utiliser lors de la mise au point de la source et que l'on peut rendre fixe ensuite.
est la susceptance
Figure imgf000025_0001
introduite par le court-circuit, référencée au plan d'extrémité du second transformateur.
Elle peut être ajustée en faisant varier I8, c'est-à-dire en déplaçant le court-circuit.
L'admittance (ou l'impédance) d'entrée du surfaguide ou de la torche, normalisée par rapport à l'impédance caractéristique d'un guide d'alimentation standard, par exemple un guide à section rectangulaire creuse, s'écrit : ) .
Figure imgf000025_0002
Elle détermine la fraction de la puissance incidente réfléchie à l'entrée de l' applicateur :
Figure imgf000025_0003
On définit les caractéristiques d'accord
P I comme — en fonction de -^- . Ces caractéristiques
P1 λg rendent également compte de la sensibilité de l'accord d'impédance à d'autres paramètres que Is, et en particulier de l'admittance du plasma.
L' admittance d'entrée réduite de la source yin peut être exprimée en fonction des admittances des différents éléments que l'on choisit d'assembler pour la constituer.
Yin va donc dépendre de l'admittance résultante de l'interstice de couplage de l'énergie chargé par le plasma, des rapports de transformation des deux transformateurs d'impédance et de facteurs de phase correspondant à la progression de l'onde dans le tronçon de guide à crête de section constante, sur des distances In et In, qui vont en fait valoir +1, du fait des valeurs multiples de λgi/4. Pour concevoir un applicateur, on choisit une configuration de base : le type générique comporte par exemple deux transformateurs (du côté de l'arrivée de la puissance depuis le générateur et du côté du court-circuit) . On choisit également les valeurs de In et In . On peut alors tracer des caractéristiques d'accord d'impédance théoriques à partir de différentes valeurs des paramètres gp, bp (conductance et susceptance normalisées de l'interstice chargé par le plasma) et kτ pour étudier leur effet sur la forme des courbes, et notamment la valeur du minimum et la largeur de la plage de variation de ls pour laquelle
PR/PI est inférieure à une valeur fixée, de 10% par exemple. On établit alors une conjecture initiale des paramètres dimensionnels d'un applicateur à partir de données de la littérature sur des structures référencées dont on connaît les caractéristiques (guides de section standard, guides amincis, guides à crête, transformateurs...)- et de calculs. On se référera utilement à l'ouvrage de J. Helszajn déjà cité. Une fois l' applicateur construit, en ajustant les paramètres des caractéristiques calculées sur les courbes expérimentales, on extrait des valeurs de gp, bp et kτ .
On obtient ainsi une indication sur la manière dont il faut modifier les cotes du dispositif pour que la caractéristique se rapproche, lors de l'essai suivant, de l'allure optimale souhaitée. On peut en outre comparer la valeur mesurée de k τ à sa valeur théorique pour juger de l'adéquation et de la cohérence de la méthode.
En fait, on dispose encore de degrés de liberté supplémentaires pour réaliser cette optimisation. Les transformateurs d'impédance réels sont généralement imparfaits et introduisent des discontinuités d'admittance résiduelles de sorte que leur effet n'est pas décrit simplement par le rapport de transformation kτ ou ks . Un terme capacitif jBτ est ajouté, dont l'effet est de déformer les caractéristiques d'accord. Au lieu de présenter une valeur relativement constante du minimum de PR/PI sur une plage de variation d'une certaine largeur, la courbe présente un fond incliné. On peut cependant compenser cet effet indésirable en ajoutant des éléments compensateurs inductifs jBc- Ces éléments sont présents sur les figures
4A et 4B. Physiquement, ils peuvent prendre différentes formes. On ne trouve pas l'équivalent de ces éléments dans la technologie d' applicateur à guide aminci telle que connue actuellement. Un exemple de réalisation est le suivant.
Après essais il a été trouvé que la combinaison suivante offrait un bon compromis entre la qualité de l'accord d'impédance et la compacité (longueur totale du tronçon de guide à crête) :
(i.e. la crête se
Figure imgf000028_0001
termine de manière abrupte du côté court-circuit) . Le transformateur côté générateur est un coin graduel. De manière surprenante, on peut se passer d'une structure graduelle du côté du court-circuit, sans altérer 1' électrodynamique du dispositif. Cela permet de réaliser un gain substantiel dans l'encombrement en longueur du dispositif, pour lequel on a déjà pris les valeurs minimales possibles de lu et I12.
En appliquant les lois classiques d'association des admittances entre le plasma et le guide standard d'entrée (supposant que les transformateurs d'impédance sont parfaits, c'est-à-dire qu'ils suppriment toute discontinuité « apparente » d'impédance pour les micro-ondes et donc qu'il ne se produit pas de réflexion à la transition) , on a alors
Zin = kτgp+jkτ\bp—t~) d'où l'expression explicitée de la caractéristique d'accord :
Figure imgf000029_0001
La puissance réfléchie minimum est alors
Figure imgf000029_0002
et elle se produit pour la position normalisée du piston de court-circuit :
Figure imgf000029_0003
Un exemple d' applicateur de type surfaguide, selon l'invention, est représenté sur les figures 5A-5C, et est réalisé à partir d'une configuration à deux crêtes 23 entre lesquelles est concentrée l'énergie pour lancer l'onde de surface, ce qui ne change rien à l'analyse électrodynamique précédente.
Cet arrangement permet de positionner verticalement la zone de concentration de l'énergie par rapport au plan médiateur du guide d'ondes standard, pour garder la même géométrie externe qu'avec 1' applicateur classique à guide d'ondes aminci d'unités commerciales d'abattement à plasma (UPAS, pour « Universal Plasma Abatement System ») et permettre la remise à niveau des systèmes sans autre modification.
Les crêtes 23 comportent des orifices 25 de passage du tube déterminant la forme de l' interstice de lancement.
La compensation d'impédance est obtenue en tronquant sur une certaine longueur, selon un plan transverse du guide d'ondes, l'extrémité du coin graduel 22 des deux crêtes 23 Dans la configuration présentée, la longueur du dispositif a été réduite au maximum, c'est- à-dire que les limite des brides 127, 129 de raccordement du guide coïncident juste avec les extrémités des transformateurs d'impédance. Le coin graduel 22 est tronqué du côté générateur et il y a une terminaison abrupte en section droite de la crête sur le côté 29 court-circuit.
On constate que l' applicateur surfaguide à crête est plus facile à réaliser mécaniquement que 1' applicateur surfaguide en guide aminci.
Il suffit en effet de rapporter sur un tronçon de guide standard les deux crêtes 23 qui sont des pièces simples à usiner et de les fixer sur les grandes faces 20, 26 en vis-à-vis du guide par des vis ou par une soudure, assurant facilement un bon contact électrique. Les orifices 25 de passage du tube à onde de surface sont ménagés dans les crêtes.
Les crêtes, n'occupant pas toute la largeur interne du guide (s<a) , ne nécessitent pas de réaliser une soudure continue des surfaces latérales comme cela aurait été le cas pour un applicateur RHW surfaguide. La forme générale de l' applicateur selon l'invention se prête d'ailleurs à des modes de fabrication permettant de réduire le coût et le poids du dispositif. C'est ainsi qu'il est possible de réaliser une pièce d'un seul tenant usinée dans un bloc d'alliage léger par électro-érosion au fil.
La figure 6 montre un exemple de caractéristiques d'accord d'impédance pour une source de plasma d'onde de surface atmosphérique construite sur un applicateur surfaguide, à guide selon 1' invention .
Plus précisément, le rapport PR/PI (puissance réfléchie sur puissance incidente) est donné en ordonnée, en fonction du rapport ls/λg. Ces caractéristiques sont remarquables par la valeur minimale, proche de 0, du rapport PR/PI et par la largeur de cette zone où la puissance réfléchie est quasi nulle.
On constate la très nette progression, représentée par les carrés noirs, par rapport à la caractéristique d'un applicateur à guide d'onde aminci et surfaguide classique, montrée en référence (points noirs) .
Une fois la mise au point terminée, 1' applicateur est équipé d'un court-circuit fixe à la position optimale trouvée pour le court-circuit mobile, correspondant en général au milieu de la zone d'excursion de ls/λg où PR/PI est inférieure à une certaine valeur, par exemple 5%. Cette qualité de l'accord d'impédance peut être exploitée d'une autre manière : en exploitation industrielle à haute puissance, le tube à onde de surface est fortement sollicité dans la zone de densité énergétique maximale au niveau de l'interstice de lancement. Pour augmenter la fiabilité à long terme, on peut optimiser la répartition de densité d'énergie à ce niveau en adaptant la géométrie de l'interstice de lancement .
Cela n' était pas envisageable dans le cas de l' applicateur surfaguide classique car la qualité du couplage énergétique se dégradait très rapidement dès lors que l'on modifiait le diamètre des orifices, le rapport d'amincissement, l'épaisseur de paroi à l'interstice voire l'arrondi de son bord. Dans le cas de l' applicateur selon l'invention, l'accord étant beaucoup moins pointu, il est possible de trouver un compromis raisonnable avec la qualité du couplage énergétique.
La structure générale d'un applicateur selon l'invention, pour une torche de type à injection axiale supportée en guide d'onde (TIAGO) se déduit de la même manière de la structure générique.
En général, pour ce type de torche, on utilise un applicateur dissymétrique à une seule crête, puisque la puissance n'est extraite par la buse de torche que d'un seul côté du guide.
Dans le cas d'une torche de type à injection axiale supportée en guide d'onde (TIAGO) et d'un guide selon l'invention, la buse s'étend à partir du haut de la crête à travers la région de concentration de l'énergie avant de déboucher à l'extérieur du guide à travers l'orifice pratiqué dans sa grande face en regard.
La buse avec son canal d' alimentation est fixée à la crête selon un montage mécanique assurant la continuité électrique, et permettant un démontage rationnel pour la maintenance.
Un exemple de réalisation d'un applicateur selon l'invention est illustré sur la figure 7.
La structure de l'extrémité de la buse n'est pas détaillée.
Dans cet exemple, les moyens de compensation inductives comportent une tige conductrice
60 s' étendant depuis la face supérieure 24 de la crête jusqu'au contact galvanique avec la grande face 26 du guide en regard.
L'axe de la tige coïncide sensiblement avec l'intersection du plan vertical médiateur du guide d'ondes et du plan transverse contenant l'extrémité droite de la crête du côté du court-circuit en guide. Cette tige est complétée par un plongeur 70 coaxial, réglable, à vis, situé dans le corps de la crête.
Une fois la configuration optimale de réglage établie, la position du piston ou de la vis peut être rendue fixe.
Toute autre configuration que celle illustrée précédemment est a priori possible. Une zone confinée de concentration des micro-ondes et un interstice circulaire de couplage de l'énergie à un plasma sont situés dans un tronçon 24 de guide à crête de section constante, comportant soit un tube diélectrique à plasma d'onde de surface, soit une buse conductrice de torche à plasma.
Le tronçon de section à crête constante s'étend de part et d'autre de l'axe de l'interstice sur λ des distances multiples entières de -^- , quart de la
4 longueur de propagation dans le guide à crête de la section considérée.
Le tronçon de guide à crête est raccordé de part et d'autre au guide rectangulaire creux standard 20, 26 par deux transformateurs d'impédance.
La torche représentée comporte une entrée 110 pour les gaz et, de l'autre côté de la paroi 20, une sortie 116 au niveau de la pointe de la buse qui laisse échapper le gaz dans lequel est entretenu le plasma, cette sortie comportant par exemple une pointe de buse équipée de trous 120, la base de la partie de la torche située dans la paroi 120 pouvant être entourée d'une entretoise 112 en matériau diélectrique, téflon ou céramique destinée a obturer mécaniquement l'interstice pour éviter la contamination de l'intérieur du guide d'onde par l'ambiance agressive régnant au niveau de la buse lors du traitement de gaz dangereux, tout en permettant le passage de la puissance micro-ondes. Un dispositif selon l'invention peut être en effet mis en oeuvre dans le cadre d'un procédé de traitement de gaz, comportant des impuretés, dans lequel on soumet le gaz à pression sensiblement atmosphérique, à une décharge plasma. Le gaz traité est par exemple un gaz rare à épurer contenant un gaz perfluoré (PFC) ou hydrocarboné ou hydrofluorocarboné (HFC) , ou comportant des effluents gazeux issus d'un procédé de production ou de croissance ou de gravure ou de nettoyage ou de traitement de semi-conducteurs ou de couches minces semi-conductrices ou conductrices ou diélectriques ou de substrats, ou comportant des effluents gazeux issus d'un procédé de production ou de croissance ou de gravure ou de nettoyage ou de traitement de couches minces en silicium ou alliages de silicium.
Un dispositif selon l'invention peut également être mis en oeuvre avec une source comme décrite dans EP 874 537. Selon l'invention, la zone de concentration des micro-ondes correspond à un espace confiné déterminé entre le haut de la crête et la grande face opposée correspondante du guide d' ondes .
Dans une variante, illustrée notamment en figure 2, il y a deux crêtes s 'étendant chacune à partir d'un des grandes faces du guide et la zone de concentration des micro-ondes se trouve entre les deux crêtes. Cette configuration permet de placer à une cote différente l'interstice de lancement et donc d'ajuster le placement du tube à décharge par rapport au guide pour s'adapter à des contraintes d'encombrement externes .
Un tronçon de guide à crête selon l'invention présente, par rapport au guide standard aminci du cas précédent, de meilleures caractéristiques de propagation et des conditions d'accord d'impédance plus larges .
Tout comme dans le cas du guide aminci, on peut raccorder un tronçon de guide à crête de section constante, où s'effectue la concentration des microondes, à un guide standard rectangulaire creux, en prévoyant une structure intermédiaire de transformation d'impédance entre les deux. Il est aussi possible d'alimenter la source de plasma par un guide à crête de section constante depuis le générateur, mais il se trouve que les matériels et composants micro-ondes commerciaux sont en général construits sur le guide rectangulaire creux standard.
A la différence des dispositifs connus il n'est pas nécessaire de prévoir une transition graduelle du côté du court-circuit d'accord d'impédance. On peut donc terminer la crête en marche abrupte sur une section transverse, comme illustré ci- dessus. Cela permet de simplifier et raccourcir la structure. Ceci ne fonctionnerait pas dans le cas d'un guide aminci où l'on a obligatoirement besoin des deux transitions graduelles .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) excitateur à plasma micro-ondes, comportant : - un guide d'ondes, dans lequel sont disposés des moyens (2, 12, 14, 22, 24, 32, 34, 42, 44), pour concentrer les micro-ondes,
- des moyens (110, 112, 120, 114) de couplage de la puissance micro-ondes pour engendrer un plasma, disposés dans une zone de concentration des micro-ondes .
2. Dispositif selon la revendication 1, les moyens pour concentrer les micro-ondes comportant des moyens de transformation d'impédance entre un premier côté (7, 27, 37, 47), dit côté générateur, et un deuxième côté (9, 29, 39, 49), dit côté court- circuit.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou
2, les moyens pour concentrer les micro-ondes comportant une zone (22, 42) à transition d'épaisseur graduelle .
4. Dispositif selon la revendication 1 ou
2, les moyens pour concentrer les micro-ondes comportant des moyens transformateurs discrets (32) de type double quart d'onde.
5. Dispositif selon la revendication 1 ou
2, les moyens pour concentrer les micro-ondes comportant une zone à transition abrupte entre la première partie et la deuxième partie.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, comportant au moins une crête (2,
23) s' étendant le long d'une face longitudinale du guide .
7. Dispositif selon la revendication 6, comportant deux crêtes s' étendant depuis deux faces longitudinales opposées (6, 10, 20, 26, 30, 36, 40, 46) du guide .
8. Dispositif selon la revendication 7, les deux crêtes étant symétriques l'une de l'autre.
9. Dispositif selon la revendication 7, les deux crêtes n'étant pas symétriques l'une de l'autre.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, le guide ayant une largeur (a) , les moyens pour concentrer les micro-ondes une largeur (s) , avec a > s .
11. Dispositif selon la revendication 10, le rapport s/a étant compris entre 0,3 et 0,6.
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, le guide d'ondes comportant un côté générateur (7, 27, 37, 47) et un côté court- circuit (9, 29, 39, 49), et les moyens pour concentrer les micro-ondes ayant une terminaison graduelle du côté générateur et une terminaison abrupte, en section droite de la crête côté court-circuit.
13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, les moyens pour engendrer un plasma comportant une source de plasma de type torche micro-ondes à injection axiale ou une source de plasma de type à onde de surface .
14. Procédé de traitement de gaz, comportant des impuretés, dans lequel on soumet le gaz à pression sensiblement atmosphérique, à une décharge d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 13.
15. Procédé selon la revendication 14, le gaz traité étant un gaz rare contenant un gaz perfluoré (PFC) ou hydrocarboné ou hydrofluorocarboné (HFC) .
16. Procédé selon l'une des revendications
14 ou 15, le gaz traité comportant des effluents gazeux issus d'un procédé de production ou de croissance ou de gravure ou de nettoyage ou de traitement de semiconducteurs ou de couches minces semi-conductrices ou conductrices ou diélectriques ou de substrats.
17. Procédé selon la revendication 16, le gaz traité comportant des effluents gazeux issus d'un procédé de production ou de croissance ou de gravure ou de nettoyage ou de traitement de couches minces en silicium ou alliage de silicium.
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