WO2014009410A1 - Applicateur micro-onde coaxial pour la production de plasma - Google Patents

Applicateur micro-onde coaxial pour la production de plasma Download PDF

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WO2014009410A1
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applicator
annular
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magnetization
microwave
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PCT/EP2013/064574
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Ana Lacoste
Jacques Pelletier
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite Joseph Fourier - Grenoble 1
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Definitions

  • the present invention relates to a coaxial microwave applicator for plasma generation and a plasma generation method in a pressure range ranging from 10 "2 Pa to 10 3 Pa (that is to say the about 10 "4 torr to ten torr).
  • the production of plasmas from the electromagnetic microwave field can be carried out according to different mechanisms depending on the pressure range considered and the presence or absence of a static magnetic field (as opposed to the magnetic component of the electromagnetic microwave field ).
  • m e is the mass of the electron
  • e is the charge of the electron
  • B 0 is the intensity of the magnetic field corresponding to the electron cyclotron resonance (ECR) for the microwave frequency f 0 .
  • FIG. 1 illustrates a permanent magnet m1 whose direction of magnetization is shown schematically by the arrow.
  • FIG. 2 illustrates two permanent magnets m1 and m2 arranged parallel to each other and whose magnetization directions, schematized by the arrows, are opposite.
  • the field lines L connect the adjacent poles of the two magnets, the trajectory of an electron being schematized on one of them.
  • the plasma ie the electrons and the ions thus produced along the trajectories of fast electrons accelerated to the electron cyclotron resonance, then diffuse, by successive collisions, on either side of these trajectories, thus perpendicularly to the field lines.
  • these devices comprise magnetic structures with permanent magnets disposed at the output of a coaxial microwave applicator (microwave applicator).
  • These magnetic structures are such that all fast electrons accelerated to electron cyclotron resonance oscillate between two mirror points M without encountering material surfaces that can collect them.
  • the microwave power absorbed by the electrons for their acceleration is devoted entirely to the production of plasma by ionizing collisions, and not to the bombardment of the surfaces cutting their trajectory, resulting in an optimized efficiency in the production of plasma by the fast electrons.
  • the plasma produced by the fast electrons diffuses on either side fast electron trajectories, that is to say perpendicularly to the magnetic field lines. Since the probability of scattering either side of the fast electrons trajectory is the same, the probability of the plasma diffusing to the walls and the probability of diffusing away from the walls are statistically equal. It can then be considered that half of the plasma produced by the fast electrons will be lost directly on the walls without filling the useful volume of plasma located beyond the path away from the walls.
  • An object of the invention is therefore to design a coaxial microwave applicator to overcome these two disadvantages.
  • a coaxial microwave applicator for producing plasma comprising an electrically conductive coaxial tube formed of a central core and an outer conductor surrounding the central core and separated therefrom by an annular propagation volume microwaves.
  • said applicator comprises:
  • a cylindrical permanent magnet whose direction of magnetization is parallel to the axis of the applicator, arranged at the end of the central core and,
  • At least one annular permanent magnet whose direction of magnetization is parallel to the axis of the applicator and in the same direction as the magnetization of the central cylindrical magnet, arranged at the end of the external conductor,
  • the magnetization of said magnets being chosen so as to form a magnetic field capable of providing, in a zone distant from the end of the applicator, an electron cyclotron resonance coupling with the microwave electric field generated by said applicator, the outer radius and the magnetization of the annular magnet being further selected so that the magnetic field lines generated by said magnets pass through the electron cyclotron resonance coupling zone in a direction substantially parallel to the axis of the applicator .
  • This new applicator which leaves the space free, also makes it possible to produce the plasma, not only at low pressure by electronic cyclotron resonance, but also at higher pressure (where the magnetic field becomes much less efficient), in coupling conditions for example of collisional absorption type.
  • electron cyclotron resonance is meant the situation in which the intensity B 0 of the magnetic field produced by the permanent magnets arranged at the end of the applicator is such that the frequency of gyration of electrons of mass m e and charge - e in said magnetic field is equal to the frequency f 0 of the microwave electric field, that is:
  • the outer radius of the annular magnet is at least twice the outer radius of the annular volume of propagation of microwaves.
  • the applicator comprises, around the annular magnet, said first annular magnet, a second annular permanent magnet, with axial magnetization in the same direction as the magnetization of the central cylindrical magnet, said second annular magnet having a magnetic field strength greater than that of the first annular magnet.
  • Said first and second annular magnets may also be made of the same magnetic material, the length in the axial direction of the second annular magnet being greater than that of the first annular magnet.
  • said first and second annular magnets have the same length in the axial direction and the material of the second annular magnet has a greater magnetization than the first annular magnet.
  • the applicator comprises a shoulder covering an outer region of the end of the annular magnet, so as to limit radially the surface of the electron cyclotron resonance coupling zone.
  • the central core and / or the outer conductor of the coaxial tube may further comprise a circulation circuit of a cooling fluid.
  • the annular volume of propagation of the microwaves is closed at the end of the applicator by a window made of a dielectric material.
  • the annular volume of propagation of microwaves is closed, upstream of the end of the applicator, by a window made of a dielectric material.
  • said annular microwave propagation volume may be adapted for the circulation of a dielectric cooling fluid.
  • Another object relates to a plasma production device comprising an enclosure containing a plasma gas and at least one applicator as described above, whose end bearing the cylindrical and annular permanent magnets opens into said enclosure.
  • said device comprises a plurality of applicators distributed in the enclosure so as to form a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional network.
  • the permanent magnets of all of said applicators have the same sense of magnetization.
  • the applicator network is advantageously surrounded by a magnetic structure having a magnetization direction parallel to that of the applicators but in the opposite direction.
  • the applicator network is surrounded by a magnetron sputtering structure.
  • the permanent magnets of all of said applicators have alternating magnetizations from one applicator to another.
  • the absolute pressure in the chamber is between 10 -2 Pa and 10 3 Pa.
  • Another object relates to a process for producing microwave plasma in an enclosure containing a plasma-generating gas, comprising the propagation of microwaves in a coaxial microwave applicator as described above opening into said enclosure and the application to the end of said applicator, a magnetic field capable of providing an electronic cyclotron coupling with the microwave electric field in a zone distant from the end of the applicator, the lines of said magnetic field passing through the electron cyclotron resonance coupling zone in a direction substantially parallel to the axis of the applicator.
  • the absolute pressure in the chamber is between 10 -2 Pa and 10 3 Pa.
  • the absolute pressure in the chamber is less than 133 Pa, preferably less than 1 Pa, preferably less than 0.1 Pa.
  • the plasma is produced by means of a plurality of applicators distributed in the enclosure so as to form a one-dimensional, two-dimensional or three-dimensional network.
  • the applicator is cooled by circulating a cooling fluid in the central core of the applicator or in the microwaves propagation volume.
  • the annular volume of propagation of microwaves is sealed by a sealed dielectric window at the end or upstream of the end of the applicator.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an electronic trajectory in the presence of a single permanent magnet
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an electronic trajectory in the presence of two adjacent permanent magnets of opposite magnetizations
  • Figure 3 is a graph showing changes at a constant electric field, the power absorbed by electron 9a at different frequencies, for different values of the ratio between the collision frequency v and microwave pulsation ⁇ ,
  • FIG. 4 is a sectional diagram of a microwave applicator according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a sectional diagram of an applicator not according to the invention
  • FIG. 6 is a sectional diagram of a microwave applicator according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 7 is a sectional diagram of a microwave applicator according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a sectional diagram of a microwave applicator according to one embodiment of the invention incorporating the circulation of a cooling fluid
  • Figure 9A is a top view of an applicator network all having the same sense of magnetization and a magnetic structure for closing the magnetic field at the periphery of the network;
  • FIG. 9B is a sectional view of said grating and said magnetic structure,
  • Figure 10A is a top view of an applicator array all having the same sense of magnetization, surrounded by a magnetron sputtering structure;
  • Figure 10B is a sectional view of said array and said magnetron structure.
  • the invention proposes a coaxial microwave applicator comprising, at its end, a magnetic structure which leaves the space free at the exit of the applicator and which allows the production of plasma not only at low pressure, by electron cyclotron resonance, but also at higher pressure, when the magnetic field becomes less effective, for example by coupling of the collisional absorption type.
  • said magnetic structure is designed so that the magnetic field lines generated by this structure pass through the electron cyclotron resonance coupling zone in a direction substantially parallel to the axis of the applicator.
  • This coupling zone can be defined by the intersection of two zones:
  • the magnetic field zone located near the magnetic field surface of intensity equal to B 0 (B 0 being the intensity of the magnetic field fulfilling the resonance condition RCE for the frequency f 0 of the electric field microwave).
  • a zone in which the intensity of the magnetic field is between B 0-15 % and B 0 + 15% (or between B 0-10 % and B 0 + 10%) is typically considered because of the expansion of the magnetic field. the resonance due to collisions.
  • this area ranges from approximately 750 to 1000 gauss.
  • This curve shows that the resonance is strongly damped (resulting in the widening of the peak) when the frequency of collisions increases or when one deviates from the resonance.
  • the zone of application of the microwaves at the outlet of the coaxial applicator is the zone of application of the microwaves at the outlet of the coaxial applicator.
  • This microwave application zone includes the zone of strong microwave electric field located between the central core and the external conductor of the coaxial applicator.
  • This zone extends in practice on a radius of the order of twice the radius of the applicator (which corresponds to the inner radius of the outer conductor).
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of an applicator according to the invention, and whose magnetic structure makes it possible to fulfill the condition defined above.
  • said applicator is a coaxial microwave applicator which comprises an electrically conductive coaxial tube.
  • Said coaxial tube is formed of a central core 1 1 and an outer conductor 12 (generally concentric) surrounding the central core 1 1 and separated therefrom by an annular volume 13 of propagation of microwaves.
  • the coaxial tube January 1, 12 has a symmetry of revolution about an axis X, also designated as the axis of the applicator.
  • the ends of the central core 1 1 and the outer annular conductor 12 are here coplanar and constitute a plane called exit plane of the applicator
  • the applicator is supplied with microwaves by a microwave generator (not shown) which may be a magnetron source or a solid state source (transistors).
  • a microwave generator not shown
  • a magnetron source or a solid state source (transistors).
  • the microwave frequencies used can range from one hundred MHz to ten GHz, including ISM frequencies (industrial, scientific and medical) of 433 MHz, 2.45 GHz and 5.80 GHz.
  • the microwave power applied can range from one or a few watts (for example for lighting) to a few hundred watts or more (for example for the treatment of gaseous effluents).
  • Components such as a circulator (isolator), an impedance matching device, a device for measuring incident and reflected power, etc. can be inserted between the generator and the applicator.
  • said applicator further comprises a cylindrical permanent magnet 21, arranged at the end of the central core 1 1 and whose direction of magnetization (represented by an arrow) is parallel to the axis X.
  • Said magnet preferably has a radius substantially identical to that of the central core January 1.
  • the radius of the cylindrical magnet may be slightly less than that of the central core and the central core may comprise a cylindrical housing (not shown here) at its end to accommodate the cylindrical magnet.
  • the applicator also comprises an annular magnet 22, arranged at the end of the outer conductor 12 of the coaxial tube and whose direction of magnetization (represented by an arrow) is parallel to the axis X and in the same direction as that of the cylindrical magnet 21.
  • said annular magnet has an inner radius equal to that of the outer conductor 12, which corresponds to the outer radius of the annular volume 13 of propagation of microwaves, denoted R.
  • the inner radius of the annular magnet may be slightly greater than that of the outer conductor, while the outer radius of the annular magnet is smaller than that of the outer conductor, and the outer conductor may comprise an annular housing (not shown here) at its end to house the annular magnet.
  • the magnets can be made integral with the coaxial tube by any appropriate means.
  • all the magnets arranged at the end of the coaxial tube have the same direction of magnetization, so that the field lines produced by said magnets in the central application part of the micrometers
  • the waves i.e., in the region between the cylindrical magnet 21 and the annular magnet 22
  • the magnetization of the cylindrical magnet 21 and the annular magnet 22 is chosen so as to form a magnetic field capable of providing, in a zone Z RC E distant from the end of the applicator, a cyclotron resonance coupling. electronics with the microwave electric field generated by the applicator.
  • the magnetizations of the magnets 21 and 22 are of the same direction along the X axis.
  • zone Z RC E which corresponds to a zone where the magnetic field is between B 0 + 15% and B 0 -1 5%, has a good uniformity of the magnetic field.
  • annular volume 13 of microwave propagation located between the magnets 21 and 22, causes a local disturbance of the magnetic field, the latter decreasing substantially at this annular volume.
  • This disturbance tends to decrease as one moves away from the exit plane of the applicator, so that, from a certain distance, the iso-intensity zones of the magnetic field are substantially parallel to the output plane P of the applicator.
  • the width of the annular volume 13 (that is to say the difference Rr between the inner radius R of the outer conductor 12 and the radius r of the central core 1 1) is smaller than the radius r of the central core 1 1, for example of the order of half or less than half of the radius r.
  • Another way of minimizing the disturbing effect of the annular volume 13 is to increase the length of the magnets 21 and 22 (along the X axis).
  • the length of the magnets 21 and 22 (along the X axis) is, on the one hand, large compared with the difference Rr, and on the other hand, large in front of the radius r of the central core, for example of a length of the order of the diameter 2r of the central core.
  • another characteristic of the applicator according to the invention is the obtaining of magnetic field lines generated by the cylindrical magnet 21 and the annular magnet 22 which pass through the electronic cyclotron resonance coupling zone Z RC E in a direction substantially parallel to the axis X of the applicator.
  • zone Z RC E is delimited, in the radial direction, by the zone in which the microwave electric field is the strongest, the use of an annular magnet whose outside radius is much greater than the radius of this zone makes it possible to obtain a zone ZRC E substantially parallel to the output plane P of the applicator.
  • this zone of strong electric field extends over a radius of the order of twice the radius R of the applicator.
  • the zone Z RC E which corresponds to the intersection of the magnetic field zone situated near the magnetic field surface of intensity equal to B 0 and the microwave application zone, is substantially parallel to the exit plane of the applicator over its entire radius 2R range.
  • the annular magnet has the effect of "straightening" the field lines in the central part of the zone Z RC E of radius 2R.
  • the radius R of a microwave applicator is generally of the order of 1 cm, so that if an annular magnet is chosen whose external radius is of the order of 2 R to 3 R, the diameter of the applicator is a few cm.
  • FIG. 5 illustrates an applicator not in accordance with the invention, that is to say in which the magnetic field lines L generated by the magnetic structure do not pass through the electron cyclotron resonance coupling zone according to FIG. a direction substantially parallel to the axis X of the applicator.
  • a cylindrical permanent magnet 21 with axial magnetization (shown schematically by the arrow) is disposed in the central core 1 1 at the end of the microwave applicator of radius R.
  • the ECR coupling zone at the applicator output is located at the intersection of the zone of strong electric field (whose radius is equal to 2R) and of the zone whose magnetic field is close to B 0 , that is, to say, as previously stated, between B 0 -15% and Bo + 15%.
  • magnetic field lines L except for those located near the pole (ie the center of the applicator, which is assumed to have azimuth symmetry), do not cross the zone.
  • the applicator opens into an enclosure containing a plasma gas.
  • the applicator is arranged in a sealed manner through the wall of said enclosure, the outlet plane (end of the applicator) being flush with the inner surface of said wall.
  • the plasma gas may be any gas whose components make it possible to generate a plasma under the effect of the applied microwave electromagnetic wave.
  • the plasma gas may thus be conventionally constituted by one or more rare gases (in particular argon) and mercury.
  • gases such as nitrogen, oxygen, halogenated gases, or any other gas having physicochemical properties of interest for targeted application (effluent treatment, surface treatments) , can also be considered.
  • the electrons present which are supposed to be initially of low energy, are accelerated to the ECR in the coupling zone.
  • the mirror point corresponding to a speed having a zero parallel component is, for each electronic trajectory, on the field line which guides the trajectory, to a slightly higher magnetic field value than in the coupling zone.
  • ZRC E that is to say closer to the magnetic pole and the output plane P of the applicator.
  • the electron accelerated to the ECR in the coupling zone first goes to the mirror point M before reflecting on it and then move away from it.
  • the electron accelerated to the ECR continues to move away from the exit plane of the applicator, without reflecting on the point mirror M.
  • the intensity of the magnetic field decreases.
  • the ions Due to the space charge created by the fast electrons, the ions are in turn accelerated along the magnetic field lines to the magnetic fields of decreasing intensity (moving away from the mirror points M).
  • the plasma is mainly produced beyond the mirror points M of the fast electrons defined previously and the plasma diffusion is preferentially effected in the volume opposite the output plane P of the applicator. , not to the applicator.
  • the fact that the magnetic structure leaves free the half-space beyond the outlet plane P of the applicator makes it possible to obtain, at the applicator output, beyond a dielectric window (making it possible to separate the volume at reduced pressure beyond the exit plane of the applicator of the atmospheric pressure), a plasma disk.
  • Said window is in the form of a ring of a dielectric material arranged in a sealed manner inside the annular propagation volume.
  • the applicators in accordance with the invention therefore make it possible, on the one hand, to produce plasma under extended operating conditions (pressure, frequency, power), and, on the other hand, to considerably reduce the losses at low pressure under conditions RCE coupling.
  • FIG. 6 shows an embodiment making it possible to reduce the radial size of the applicator, by reducing the outer radius of the annular magnet with respect to the embodiment illustrated in FIG. 4.
  • the "straightening" of the field lines at the periphery of the zone Z RC E can also be obtained by the use of two concentric annular magnets, the one located outside of which provides, at the level of the output plane of the applicator, a magnetic field intensity higher than that provided by the magnet located inside; the radial size of the outer annular magnet being less than that of a single annular magnet as used in the embodiment of FIG. 4.
  • FIG. 6 shows the cylindrical magnet 21 placed at the end of the central core 1 1, which does not differ from the magnet described with reference to FIG. 4, and two annular magnets 22 and 23, the magnet 23 surrounding the magnet 22.
  • the two annular magnets can be housed in an annular housing (not shown here) of suitable size provided at the end of the outer conductor.
  • the higher magnetic field intensity of the outer magnet 23 can be obtained, for a magnetic material identical to that of the inner magnet 22, by a length along the X axis greater for the outer magnet 23 than for the inner magnet 22 (as shown in Figure 6).
  • this magnetic intensity can be obtained with inner and outer magnets of the same length, but with a magnetic material having a higher magnetization for the outer magnet.
  • FIG. 7 shows another embodiment making it possible, in the context of a low-pressure operation at the ECR, to reduce the radial size of the applicator, by reducing the radius of the zone ZRC E of coupling relative to in the embodiment illustrated in Figure 4.
  • annular shoulder 14 partially covering the annular magnet 22 and having a height (in the X direction) at least equal to the distance between the zone Z RC E and the exit plane is arranged. P of the applicator.
  • Said shoulder may for example be constituted by a portion of the outer conductor 12.
  • Figure 8 illustrates an embodiment for cooling the applicator, which may be necessary when implementing a high microwave power.
  • a suitable fluid for example, water
  • the applicators as described above may be used in a unitary manner.
  • Another example is the use of the applicator as a point source of ions.
  • the applicators may be arranged in one-dimensional (that is to say aligned to form a linear source), two-dimensional (all the output planes are distributed on the same surface to form a plane source) or three-dimensional (the output planes of different applicators belonging to different planes surrounding a volume of plasma).
  • the arrangement of the applicators with respect to each other and the distance between applicators is defined by those skilled in the art according to the intended application. Moreover, depending on the case, two adjacent applicators may have magnetizations of the same direction (for example, in the case of an extended ion source) or alternating (in certain cases of confinement of the plasma by volume).
  • the magnetic structure 100a having an axial magnetization in the same direction as that of the single central magnet of each applicator 1 can fill the entire space between applicators, as illustrated in FIGS. 9A-9B. .
  • This embodiment can be applied very favorably to ion sources and in particular to ionic thrusters.
  • a linear magnetic magnetization structure 100b of axial magnetization but in the opposite direction to that of the single central magnet of each applicator 1 is disposed at the periphery of the applicator network 1 by closing on itself (see FIGS. 9A-9B) so as to form on the periphery of the applicator network a so-called "magnetron” type magnetic structure in which the electrons thus trapped in the peripheral magnetron structure 100a, 100b derive (magnetic drift ) along the magnetic structure and are therefore not lost on the walls.
  • a third option applicable to one and / or the other of the two embodiments presented above is, in the context of a magnetron sputtering device assisted by microwave plasma, to surround applicators by a magnetron structure sputtering (or conversely surrounding a magnetron sputtering structure by applicators) so as to combine magnetron sputtering and ionic assistance from the plasma created by microwave applicators.
  • FIGS. 10A-10B Such a device is illustrated in FIGS. 10A-10B where a line of three applicators 1 with the same magnetization direction is surrounded by a magnetron sputtering structure 100.
  • the magnetron structure 100 may be negatively polarized (continuously (DC), radiofrequency (RF) or pulsed) relative to the earth to which the microwave applicators 1 are generally connected.
  • a target 101 is disposed above the magnetron sputtering structure 100.
  • a magnetron structure with the magnetization directions 100a, 100b indicated in FIG. 10B that is to say with the structure 100a having the same direction of magnetization as the applicators 1 directly adjacent to said applicators, the structure 100b of opposite direction surrounding the structure 100a.
  • FIGS. 9A-9B and 10A-10B may be implemented, but the same principles as those described above may be applied to them while remaining within the scope of the invention.
  • Another advantage is the reduction of the power deposited on the surfaces of the applicator by the charged species of the plasma (fast electrons, thermal electrons, ions), hence a lower need for cooling the applicator.
  • the device Due to the production and injection of the plasma in front of the applicator, the device is extremely interesting either to improve the extraction of the ions in the ion sources (pre-acceleration of the ions), or to produce Neutralized ion beams in ionic propulsion applications.

Abstract

L'invention concerne un applicateur micro-onde coaxial (1) pour la production de plasma, comprenant un tube coaxial formé d'une âme centrale (11) et d'un conducteur externe (12) séparé de l'âme centrale par un volume annulaire (13) de propagation des micro-ondes, comprenant: -un aimant permanent cylindrique (21) agencé à l'extrémité de l'âme centrale (11), -au moins un aimant permanent annulaire (22) agencé à l'extrémité du conducteur externe (12), tous les aimants (21, 22) agencés à l'extrémité du tube coaxial (11, 12) présentant le même sens d'aimantation, l'aimantation desdits aimants (21, 22) formant un champ magnétique propre à procurer, dans une zone (ZRCE) distante de l'extrémité de l'applicateur, un couplage de résonance cyclotronique électronique avec le champ électrique micro-onde dudit applicateur (1), le rayon extérieur et l'aimantation de l'aimant annulaire étant choisis de sorte que les lignes (L) de champ magnétique générées par lesdits aimants traversent laditezone de couplage selon une direction sensiblement parallèle à l'axe (X) de l'applicateur (1).

Description

APPLICATEUR MICRO-ONDE COAXIAL POUR LA PRODUCTION DE PLASMA DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un applicateur micro-onde coaxial pour la production de plasma ainsi qu'un procédé de production de plasma dans un domaine de pression pouvant aller de 10"2 Pa à 103 Pa (c'est-à-dire de l'ordre de 10"4 torr à la dizaine de torr).
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
La production de plasmas à partir de champ électromagnétique micro-onde peut s'effectuer selon des mécanismes différents suivant le domaine de pression considéré et la présence ou non d'un champ magnétique statique (par opposition à la composante magnétique du champ électromagnétique micro-onde).
Au-dessous du torr (1 torr = 133 Pa), en présence d'un champ magnétique d'intensité suffisante, la production de plasma par micro-ondes peut être obtenue par un mode de couplage résonnant, appelé résonance cyclotronique électronique (RCE).
A la résonance cyclotronique électronique, les électrons sont accélérés très efficacement par le champ électrique micro-onde si l'intensité du champ magnétique (qui peut être produit par des bobines ou des aimants permanents) est telle que la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique est égale à la fréquence f0 du champ électrique micro-onde, soit :
fo = e B0 / 2 π me (1 )
où me est la masse de l'électron, -e est la charge de l'électron et B0 l'intensité du champ magnétique correspondant à la résonance cyclotronique électronique (RCE) pour la fréquence micro-onde f0.
En l'absence de collisions, la trajectoire des électrons dits rapides, ainsi accélérés à la résonance cyclotronique électronique dans le champ magnétique, s'enroule alors suivant un mouvement hélicoïdal autour d'une ligne de champ magnétique et chaque électron peut ainsi osciller entre deux points miroir où la vitesse de l'électron parallèle à la ligne de champ magnétique s'annule et change de signe.
En effet, lorsque l'intensité du champ magnétique augmente, en raison de la conservation du moment magnétique de l'électron sur sa trajectoire (invariant adiabatique du mouvement), la vitesse de l'électron parallèle à la ligne de champ diminue au profit de la vitesse de rotation autour de la ligne de champ magnétique (conservation de l'énergie cinétique de l'électron) jusqu'à s'annuler au premier point miroir, puis changer de sens en se dirigeant vers le second point miroir M, et ainsi de suite.
Ces points miroir M, où l'intensité du champ magnétique est identique, sont généralement situés face à deux pôles magnétiques opposés d'un même aimant (comme à la figure 1 ) ou de deux aimants adjacents (cf. figure 2). La figure 1 illustre un aimant permanent m1 dont le sens d'aimantation est schématisé par la flèche.
Deux lignes de champ L sont représentées et la trajectoire T d'un électron, qui est entraîné en rotation autour d'une ligne de champ L, est schématisée sur l'une d'elles.
La figure 2 illustre deux aimants permanents m1 et m2 disposés parallèlement l'un à l'autre et dont les sens d'aimantation, schématisés par les flèches, sont opposés.
Dans ce cas, les lignes de champ L relient les pôles adjacents des deux aimants, la trajectoire d'un électron étant schématisée sur l'une d'elles.
Le mouvement décrit ci-dessus se poursuit jusqu'à ce que l'électron rapide accéléré à la résonance cyclotronique électronique effectue des collisions, et en particulier des collisions ionisantes.
Le plasma, c'est-à-dire les électrons et les ions ainsi produits le long des trajectoires des électrons rapides accélérés à la résonance cyclotronique électronique, diffuse alors, par collisions successives, de part et d'autre de ces trajectoires, donc perpendiculairement aux lignes de champ.
Plusieurs dispositifs utilisant la résonance cyclotronique électronique sont décrits dans les documents FR 2 797 372, FR 2 838 020, FR 2 904 177, FR 2 904 178 et FR 2 938 150.
D'une manière générale, ces dispositifs comprennent des structures magnétiques à aimants permanents disposées en sortie d'un applicateur micro-onde coaxial (applicateur micro-onde).
Ces structures magnétiques sont telles que tous les électrons rapides accélérés à la résonance cyclotronique électronique oscillent entre deux points miroirs M sans rencontrer de surfaces matérielles pouvant les collecter.
Ainsi, la puissance micro-onde absorbée par les électrons pour leur accélération est consacrée entièrement à la production du plasma par collisions ionisantes, et non au bombardement des surfaces coupant leur trajectoire, d'où un rendement optimisé au niveau de la production du plasma par les électrons rapides.
Tous ces dispositifs ont permis de produire des plasmas micro-onde avec d'excellentes performances.
A plus haute pression, au-delà du dixième de torr (13,3 Pa) ou du torr (133 Pa), c'est-à-dire lorsque la fréquence de collisions v des électrons dans le plasma devient de l'ordre de grandeur de la pulsation micro-onde ω (v « ω), la résonance cyclotronique électronique devient moins efficace et le chauffage des électrons, c'est-à-dire leur accélération progressive dans le champ électrique micro-onde s'effectue par exemple par absorption collisionnelle immédiatement en sortie d'applicateur.
Dans ce mode de fonctionnement à plus haute pression, au-dessus de quelques Pa, il faut alors éviter la production de plasma au sein de l'applicateur coaxial en séparant le volume sous pression réduite au-delà du plan de sortie de l'applicateur de la pression atmosphérique par une fenêtre diélectrique étanche en sortie immédiate d'applicateur.
On pourra à cet égard se référer au document FR 2 840 451 .
Malgré les améliorations apportées aux applicateurs micro-onde par les documents cités plus haut, tous ces applicateurs présentent deux inconvénients majeurs, à savoir :
- d'une part, les électrons rapides accélérés à la résonance cyclotronique électronique restent piégés près des parois par le champ magnétique entre deux points miroir situés près des pôles : la production du plasma reste donc localisée en sortie d'applicateur, c'est-à-dire près des parois ;
- d'autre part, le plasma produit par les électrons rapides diffuse de part et d'autre des trajectoires des électrons rapides, c'est-à-dire perpendiculairement aux lignes de champ magnétique. Comme la probabilité de diffuser d'un côté ou de l'autre de la trajectoire des électrons rapides est la même, la probabilité pour le plasma de diffuser vers les parois et celle de diffuser en s'éloignant des parois sont statistiquement égales. On peut alors considérer que la moitié du plasma produit par les électrons rapides va se perdre directement sur les parois sans remplir le volume utile de plasma situé au-delà de la trajectoire en s'éloignant des parois.
Un but de l'invention est donc de concevoir un applicateur micro-onde coaxial permettant de remédier à ces deux inconvénients.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Il est proposé un applicateur micro-onde coaxial pour la production de plasma, comprenant un tube coaxial électriquement conducteur formé d'une âme centrale et d'un conducteur externe entourant l'âme centrale et séparé de celle-ci par un volume annulaire de propagation des micro-ondes.
Conformément à l'invention, ledit applicateur comprend :
- un aimant permanent cylindrique dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur, agencé à l'extrémité de l'âme centrale et,
- au moins un aimant permanent annulaire dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe de l'applicateur et de même sens que l'aimantation de l'aimant cylindrique central, agencé à l'extrémité du conducteur externe,
tous les aimants agencés à l'extrémité du tube coaxial présentant le même sens d'aimantation,
l'aimantation desdits aimants étant choisie de sorte à former un champ magnétique propre à procurer, dans une zone distante de l'extrémité de l'applicateur, un couplage de résonance cyclotronique électronique avec le champ électrique microonde généré par ledit applicateur, le rayon extérieur et l'aimantation de l'aimant annulaire étant en outre choisis de sorte que les lignes de champ magnétique générées par lesdits aimants traversent la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'applicateur.
Ce nouvel applicateur, qui laisse libre l'espace en sortie, permet en outre de produire le plasma, non seulement à basse pression par résonance cyclotronique électronique, mais aussi à plus haute pression (où le champ magnétique devient beaucoup moins efficace), dans des conditions de couplage par exemple de type absorption collisionnelle.
Par résonance cyclotronique électronique, on entend la situation dans laquelle l'intensité B0 du champ magnétique produit par les aimants permanents agencés à l'extrémité de l'applicateur est telle que la fréquence de giration des électrons de masse me et de charge -e dans ledit champ magnétique est égale à la fréquence f0 du champ électrique micro-onde, soit :
f0 = e Bo / 2 TT me (1 )
Selon un mode de réalisation, le rayon extérieur de l'aimant annulaire est au moins le double du rayon extérieur du volume annulaire de propagation des micro-ondes.
Selon un mode de réalisation, l'applicateur comprend, autour de l'aimant annulaire, dit premier aimant annulaire, un second aimant permanent annulaire, à aimantation axiale de même sens que l'aimantation de l'aimant cylindrique central, ledit second aimant annulaire présentant une intensité de champ magnétique supérieure à celle du premier aimant annulaire.
Lesdits premier et second aimants annulaires peuvent aussi être constitués du même matériau magnétique, la longueur dans la direction axiale du second aimant annulaire étant supérieure à celle du premier aimant annulaire.
De manière alternative, lesdits premier et second aimants annulaires présentent la même longueur dans la direction axiale et le matériau du second aimant annulaire présente une aimantation supérieure à celle du premier aimant annulaire.
Selon un mode de réalisation, l'applicateur comprend un épaulement recouvrant une région externe de l'extrémité de l'aimant annulaire, de sorte à limiter radialement la surface de la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique.
L'âme centrale et/ou le conducteur externe du tube coaxial peuvent en outre comprendre un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation, le volume annulaire de propagation des micro-ondes est obturé à l'extrémité de l'applicateur par une fenêtre en un matériau diélectrique.
Selon un autre mode de réalisation, le volume annulaire de propagation des microondes est obturé, en amont de l'extrémité de l'applicateur, par une fenêtre en un matériau diélectrique. De manière avantageuse, ledit volume annulaire de propagation des micro-ondes peut être adapté pour la circulation d'un fluide diélectrique de refroidissement.
Un autre objet concerne un dispositif de production de plasma comprenant une enceinte contenant un gaz plasmagène et au moins un applicateur tel que décrit ci- dessus, dont l'extrémité portant les aimants permanents cylindrique et annulaire débouche dans ladite enceinte.
Selon un mode de réalisation, ledit dispositif comprend une pluralité d'applicateurs répartis dans l'enceinte de sorte à former un réseau unidimensionnel, bidimensionnel ou tridimensionnel.
Selon une forme d'exécution, les aimants permanents de l'ensemble desdits applicateurs présentent le même sens d'aimantation.
Dans ce cas, le réseau d'applicateurs est avantageusement entouré par une structure magnétique présentant une direction d'aimantation parallèle à celui des applicateurs mais de sens opposé.
De manière alternative, le réseau d'applicateurs est entouré par une structure magnétron de pulvérisation.
Selon une autre forme d'exécution, les aimants permanents de l'ensemble desdits applicateurs présentent des aimantations alternées d'un applicateur à l'autre.
De préférence, la pression absolue dans l'enceinte est comprise entre 10"2 Pa et 103 Pa.
Un autre objet concerne un procédé de production de plasma par micro-ondes dans une enceinte contenant un gaz plasmagène, comprenant la propagation de micro-ondes dans un applicateur micro-onde coaxial tel que décrit précédemment débouchant dans ladite enceinte et l'application, à l'extrémité dudit applicateur, d'un champ magnétique propre à procurer un couplage cyclotronique électronique avec le champ électrique microonde dans une zone distante de l'extrémité de l'applicateur, les lignes dudit champ magnétique traversant la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'applicateur.
De préférence, la pression absolue dans l'enceinte est comprise entre 10"2 Pa et 103 Pa.
Selon un mode de réalisation, la pression absolue dans l'enceinte est inférieure à 133 Pa, de préférence inférieure à 1 Pa, de manière préférée inférieure à 0,1 Pa.
Selon une forme d'exécution de l'invention, on produit le plasma au moyen d'une pluralité d'applicateurs répartis dans l'enceinte de sorte à former un réseau unidimensionnel, bidimensionnel ou tridimensionnel.
De manière avantageuse, on refroidit l'applicateur en faisant circuler un fluide de refroidissement dans l'âme centrale de l'applicateur ou dans le volume de propagation des micro-ondes. De manière préférée, on obture le volume annulaire de propagation des microondes par une fenêtre diélectrique étanche à l'extrémité ou en amont de l'extrémité de l'applicateur. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est un schéma de principe illustrant une trajectoire électronique en présence d'un unique aimant permanent,
- la figure 2 est un schéma de principe illustrant une trajectoire électronique en présence de deux aimants permanents adjacents d'aimantations opposées,
la figure 3 est un graphique présentant l'évolution, à champ électrique constant, de la puissance 9a absorbée par électron à différentes fréquences, pour différentes valeurs du rapport entre la fréquence de collision v et la pulsation micro-onde ω,
- la figure 4 est un schéma en coupe d'un applicateur micro-onde selon un premier mode de réalisation de l'invention,
la figure 5 est un schéma en coupe d'un applicateur non conforme à l'invention, la figure 6 est un schéma en coupe d'un applicateur micro-onde selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 7 est un schéma en coupe d'un applicateur micro-onde selon un troisième mode de réalisation de l'invention,
la figure 8 est un schéma en coupe d'un applicateur micro-onde selon un mode de réalisation de l'invention incorporant la circulation d'un fluide de refroidissement,
la figure 9A est une vue de dessus d'un réseau d'applicateurs présentant tous le même sens d'aimantation et d'une structure magnétique permettant de refermer le champ magnétique à la périphérie du réseau ; la figure 9B est une vue en coupe dudit réseau et de ladite structure magnétique,
la figure 10A est une vue de dessus d'un réseau d'applicateurs présentant tous le même sens d'aimantation, entouré d'une structure magnétron de pulvérisation ; la figure 10B est une vue en coupe dudit réseau et de ladite structure magnétron.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention propose un applicateur micro-onde coaxial comprenant, à son extrémité, une structure magnétique qui laisse libre l'espace à la sortie de l'applicateur et qui permet la production de plasma non seulement à basse pression, par résonance cyclotronique électronique, mais aussi à plus haute pression, lorsque le champ magnétique devient moins efficace, par couplage par exemple de type absorption collisionnelle. D'une manière générale, ladite structure magnétique est conçue de sorte que les lignes de champ magnétique générées par cette structure traversent la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'applicateur.
Cette zone de couplage peut être définie par l'intersection de deux zones :
- d'une part, la zone de champ magnétique située près de la surface de champ magnétique d'intensité égale à B0 (B0 étant l'intensité du champ magnétique remplissant la condition de résonance RCE pour la fréquence f0 du champ électrique micro-onde).
On considère typiquement une zone dans laquelle l'intensité du champ magnétique est comprise entre B0 - 15% et B0 + 15% (voire entre B0 - 10% et B0 + 10%), en raison de l'élargissement de la résonance due aux collisions.
A titre d'exemple, à 2,45 GHz, où B0 = 875 gauss (1 gauss = 10"4 tesla), cette zone s'étend approximativement de 750 à 1000 gauss.
La figure 3, qui est issue de l'ouvrage de M. Moisan et J. Pelletier, Physique des plasmas collisionnels - Application aux décharges haute fréquence, EDP Sciences, Collection Grenoble Sciences, Les Ulis, France (2006), page 215, illustre l'évolution, pour un champ électrique constant, de la puissance 9a absorbée par électron depuis ooce = 0, jusqu'à la condition de résonance ooce = ω, et ensuite au-delà, pour différentes valeurs du rapport ν/ω (ce rapport pouvant être considéré comme proportionnel à la pression).
Cette courbe montre que la résonance est fortement amortie (se traduisant par l'élargissement du pic) lorsque la fréquence de collisions augmente ou lorsque l'on s'écarte de la résonance.
- d'autre part, la zone d'application des micro-ondes en sortie de l'applicateur coaxial.
Cette zone d'application des micro-ondes englobe la zone de fort champ électrique micro-onde située entre l'âme centrale et le conducteur externe de l'applicateur coaxial.
Cette zone s'étend en pratique sur un rayon de l'ordre de deux fois le rayon de l'applicateur (lequel correspond au rayon intérieur du conducteur externe).
La figure 4 illustre un mode de réalisation d'un applicateur conforme à l'invention, et dont la structure magnétique permet de remplir la condition définie ci-dessus.
De manière connue en elle-même, ledit applicateur est un applicateur micro-onde coaxial qui comprend un tube coaxial électriquement conducteur.
Ledit tube coaxial est formé d'une âme centrale 1 1 et d'un conducteur externe 12 (généralement concentrique) entourant l'âme centrale 1 1 et séparé de celle-ci par un volume annulaire 13 de propagation des micro-ondes.
Le tube coaxial 1 1 , 12 présente une symétrie de révolution autour d'un axe X, également désigné comme axe de l'applicateur. Les extrémités de l'âme centrale 1 1 et du conducteur externe annulaire 12 sont ici coplanaires et constituent un plan dit plan de sortie de l'applicateur
De manière conventionnelle, l'applicateur est alimenté en micro-ondes par un générateur de micro-ondes (non illustré) qui peut être une source magnétron ou une source à état solide (transistors).
Les fréquences micro-onde employées peuvent aller de la centaine de MHz jusqu'à la dizaine de GHz, domaine incluant les fréquences ISM (industrielles, scientifiques et médicales) de 433 MHz, 2,45 GHz et 5,80 GHz.
Selon les applications, la puissance micro-onde appliquée peut aller de un ou quelques watts (par exemple pour l'éclairage) à quelques centaines de watts ou davantage (par exemple pour le traitement des effluents gazeux).
Des composants tels qu'un circulateur (isolateur), un dispositif d'adaptation d'impédance, un dispositif de mesure des puissances incidente et réfléchie, etc. peuvent être intercalés entre le générateur et l'applicateur.
La conception et l'agencement de ces différents composants sont à la portée de l'homme du métier.
Conformément à l'invention, ledit applicateur comprend en outre un aimant permanent cylindrique 21 , agencé à l'extrémité de l'âme centrale 1 1 et dont la direction d'aimantation (schématisée par une flèche) est parallèle à l'axe X.
Ledit aimant présente de préférence un rayon sensiblement identique à celui de l'âme centrale 1 1 .
Concrètement, le rayon de l'aimant cylindrique peut être légèrement inférieur à celui de l'âme centrale et l'âme centrale peut comprendre un logement cylindrique (non illustré ici) à son extrémité pour loger l'aimant cylindrique.
Par ailleurs, l'applicateur comprend également un aimant annulaire 22, agencé à l'extrémité du conducteur externe 12 du tube coaxial et dont la direction d'aimantation (schématisée par une flèche) est parallèle à l'axe X et de même sens que celle de l'aimant cylindrique 21 .
De préférence, ledit aimant annulaire présente un rayon intérieur égal à celui du conducteur externe 12, qui correspond au rayon extérieur du volume annulaire 13 de propagation des micro-ondes, noté R.
Concrètement, le rayon intérieur de l'aimant annulaire peut être légèrement supérieur à celui du conducteur externe, tandis que le rayon extérieur de l'aimant annulaire est inférieur à celui du conducteur externe, et le conducteur externe peut comprendre un logement annulaire (non illustré ici) à son extrémité pour loger l'aimant annulaire.
Les aimants peuvent être rendus solidaires du tube coaxial par tout moyen approprié. Dans l'applicateur conforme à l'invention, tous les aimants agencés à l'extrémité du tube coaxial présentent le même sens d'aimantation, de sorte que les lignes de champ produites par lesdits aimants dans la partie centrale d'application des micro-ondes (c'est- à-dire dans la région située entre l'aimant cylindrique 21 et l'aimant annulaire 22) ont une direction sensiblement axiale.
L'aimantation de l'aimant cylindrique 21 et de l'aimant annulaire 22 est choisie de sorte à former un champ magnétique propre à procurer, dans une zone ZRCE distante de l'extrémité de l'applicateur, un couplage de résonance cyclotronique électronique avec le champ électrique micro-onde généré par l'applicateur.
Ceci suppose que l'aimantation desdits aimants 21 et 22 soit suffisante pour générer, à distance du plan de sortie P de l'applicateur, un champ magnétique présentant l'intensité B0 permettant la résonance cyclotronique électronique en fonction de la fréquence micro-onde prévue, selon la formule (1 ) présentée en introduction.
En particulier, comme déjà indiqué plus haut, les aimantations des aimants 21 et 22 sont de même sens selon l'axe X.
L'homme du métier est à même de sélectionner, parmi les aimants permanents disponibles commercialement, ceux qui présentent une aimantation adéquate.
A titre purement indicatif, pour une excitation du plasma à la résonance cyclotronique électronique par des micro-ondes à 2,45 GHz, la condition de résonance (B0 = 875 gauss) requiert des aimants capables de fournir dans le plan de sortie de l'applicateur un champ magnétique dont l'intensité peut dépasser 1000 gauss, par exemple 1500 à 2000 gauss, valeur qui peut être facilement fournie par des aimants permanents conventionnels en samarium-cobalt.
La distance entre le plan de sortie P de l'applicateur et la région dans laquelle on obtient le champ magnétique d'intensité B0 doit être suffisante pour que la zone ZRCE, qui correspond à une zone où le champ magnétique est compris entre B0+ 15% et B0-1 5%, présente une bonne uniformité du champ magnétique.
En effet, le volume annulaire 1 3 de propagation de micro-ondes, situé entre les aimants 21 et 22, provoque une perturbation locale du champ magnétique, celui-ci décroissant sensiblement au niveau de ce volume annulaire.
Cette perturbation tend à diminuer au fur et à mesure que l'on s'éloigne du plan de sortie de l'applicateur, de sorte que, à partir d'une certaine distance, les zones d'iso- intensité du champ magnétique sont sensiblement parallèles au plan de sortie P de l'applicateur.
L'homme du métier est en mesure de simuler la variation dans l'espace de l'intensité du champ magnétique généré par les aimants 21 et 22 et d'en déduire l'aimantation requise pour que la région dans laquelle le champ magnétique est égal à B0+ 15% soit distante du plan P de sortie de l'applicateur et sensiblement parallèle à celui-ci. Il est par ailleurs possible de minimiser l'effet perturbateur du volume annulaire 13 en minimisant la largeur de celui-ci.
Ainsi, de manière préférée, la largeur du volume annulaire 13 (c'est-à-dire la différence R-r entre le rayon intérieur R du conducteur externe 12 et le rayon r de l'âme centrale 1 1 ) est inférieure au rayon r de l'âme centrale 1 1 , par exemple de l'ordre de la moitié ou moins de la moitié du rayon r.
Une autre manière de minimiser l'effet perturbateur du volume annulaire 13 est d'augmenter la longueur des aimants 21 et 22 (selon l'axe X).
D'une manière générale, il est souhaitable, pour minimiser l'effet perturbateur du volume annuaire 13, que la longueur des aimants 21 et 22 (selon l'axe X) soit, d'une part, grande devant la différence R-r, et, d'autre part, grande devant le rayon r de l'âme centrale, par exemple d'une longueur de l'ordre du diamètre 2r de l'âme centrale.
D'autre part, une autre caractéristique de l'applicateur selon l'invention est l'obtention de lignes de champ magnétique générées par l'aimant cylindrique 21 et l'aimant annulaire 22 qui traversent la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique ZRCE selon une direction sensiblement parallèle à l'axe X de l'applicateur.
Cet effet peut être obtenu par un choix judicieux du rayon extérieur et de l'aimantation de l'aimant annulaire 22.
En effet, plus l'aimant annulaire 22 présente un rayon extérieur important, plus les lignes d'iso-intensité du champ magnétique généré à distance de l'applicateur restent parallèles au plan de sortie P de l'applicateur sur un rayon important.
Par conséquent, la zone ZRCE étant délimitée, dans la direction radiale, par la zone dans laquelle le champ électrique micro-onde est le plus fort, l'utilisation d'un aimant annulaire dont le rayon extérieur est bien supérieur au rayon de cette zone permet l'obtention d'une zone ZRCE sensiblement parallèle au plan de sortie P de l'applicateur.
Comme indiqué plus haut, on considère que cette zone de champ électrique fort s'étend sur un rayon de l'ordre du double du rayon R de l'applicateur.
Par conséquent, si l'aimant annulaire 22 présente un rayon extérieur supérieur à 2R (cf. figure 4), la zone ZRCE, qui correspond à l'intersection de la zone de champ magnétique située près de la surface de champ magnétique d'intensité égale à B0 et de la zone d'application des micro-ondes, est sensiblement parallèle au plan de sortie de l'applicateur sur toute son étendue de rayon 2R.
D'autre part, du fait de la présence de l'aimant annulaire 22 ayant un rayon extérieur supérieur à 2R, les lignes de champ qui partent du pôle situé au niveau du plan de sortie de l'applicateur restent sensiblement parallèles à l'axe X de l'applicateur pendant leur traversée de la zone ZRCE de rayon 2R, jusqu'à la périphérie de cette zone.
En d'autres termes, l'aimant annulaire a pour effet de « redresser » les lignes de champ dans la partie centrale de la zone ZRCE de rayon 2R. A titre purement indicatif, le rayon R d'un applicateur micro-onde est généralement de l'ordre du cm, de sorte que si l'on choisit un aimant annulaire dont le rayon extérieur est de l'ordre de 2R à 3R, le diamètre de l'applicateur est de quelques cm.
On notera cependant que cette condition dimensionnelle s'appliquant à l'aimant permanent annulaire ne correspond qu'à un mode de réalisation particulier et il est possible, selon d'autres modes de réalisation décrits plus bas, d'obtenir des lignes de champ magnétique parallèles à l'axe X dans la zone ZRCE avec un aimant annulaire de plus faible rayon extérieur.
A titre de comparaison, la figure 5 illustre un applicateur non conforme à l'invention, c'est-à-dire dans lequel les lignes de champ magnétique L générées par la structure magnétique ne traversent pas la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique selon une direction sensiblement parallèle à l'axe X de l'applicateur.
Dans cet exemple, un aimant permanent cylindrique 21 à aimantation axiale (schématisée par la flèche) est disposé dans l'âme centrale 1 1 à l'extrémité de l'applicateur micro-onde de rayon R.
La zone de couplage RCE en sortie d'applicateur est située à l'intersection de la zone de champ électrique fort (dont le rayon est égal à 2R) et de la zone dont le champ magnétique est voisin de B0, c'est-à-dire, comme indiqué précédemment, entre B0-15% et Bo+15%.
On peut observer clairement que les lignes L de champ magnétique, à l'exception de celles situées près du pôle (c'est-à-dire le centre de l'applicateur, qui est supposé de symétrie azimutale), ne traversent pas la zone de couplage RCE selon une direction sensiblement parallèle à l'axe X de l'applicateur micro-onde et se rebouclent immédiatement sur le pôle opposé de l'aimant.
II en résulte en particulier que les électrons rapides dont les trajectoires s'enroulent sur ces lignes de champ magnétique (c'est-à-dire qui ne traversent pas la zone de couplage selon une direction sensiblement parallèle à l'axe de l'applicateur micro-onde) vont être collectés par l'applicateur au niveau du plan de sortie.
La puissance absorbée par ces électrons sera donc perdue dans le bombardement de la surface matérielle traversée par les lignes de champ et non dissipée dans la production de plasma.
Revenant maintenant à l'invention, on va décrire l'effet de l'applicateur sur les électrons et la génération du plasma.
En fonctionnement, l'applicateur débouche dans une enceinte contenant un gaz plasmagène.
Par exemple, l'applicateur est agencé de manière étanche à travers la paroi de ladite enceinte, le plan de sortie (extrémité de l'applicateur) étant affleurant avec la surface intérieure de ladite paroi. Le gaz plasmagène peut être n'importe quel gaz dont les composants permettent de générer un plasma sous l'effet de l'onde électromagnétique micro-onde appliquée.
Dans les applications relatives à l'éclairage, le gaz plasmagène peut ainsi être constitué, de manière conventionnelle, d'un ou plusieurs gaz rares (notamment, de l'argon) et de mercure.
A titre d'exemples non limitatifs, des gaz comme l'azote, l'oxygène, les gaz halogénés, ou tout autre gaz présentant des propriétés physico-chimiques intéressantes en vue d'une application ciblée (traitement des effluents, traitements de surface), peuvent aussi être envisagés.
Les électrons présents, qui sont supposés être initialement de faible énergie, sont accélérés à la RCE dans la zone de couplage.
Ces électrons acquièrent donc une vitesse de rotation, et par conséquent une énergie de rotation grande devant l'énergie de translation initiale parallèle à la ligne de champ magnétique.
On peut donc considérer que le point miroir correspondant à une vitesse possédant une composante parallèle nulle se situe, pour chaque trajectoire électronique, sur la ligne de champ qui guide la trajectoire, à une valeur de champ magnétique légèrement plus élevée que dans la zone de couplage ZRCE, c'est-à-dire plus près du pôle magnétique et du plan de sortie P de l'applicateur.
Si le sens de la vitesse parallèle initiale est orienté vers le plan de sortie P de l'applicateur, l'électron accéléré à la RCE dans la zone de couplage se dirige d'abord vers le point miroir M avant de s'y réfléchir et ensuite de s'en éloigner.
Si le sens de la vitesse parallèle initiale est orienté en direction opposée du plan de sortie P de l'applicateur, l'électron accéléré à la RCE continue à s'éloigner du plan de sortie de l'applicateur, sans se réfléchir sur le point miroir M.
Du fait que, comme indiqué précédemment, la zone de couplage RCE a été choisie suffisamment éloignée du plan de sortie de l'applicateur, tous les électrons rapides accélérés à la RCE finissent (sans réflexion ou après une réflexion sur le point miroir M) par s'éloigner du plan de sortie de l'applicateur et aucun des électrons rapides ne sera collecté par les différentes surfaces matérielles de l'applicateur.
Lorsque les électrons rapides s'éloignent du plan de sortie de l'applicateur, c'est-à- dire lorsqu'ils s'éloignent de la surface polaire des aimants permanents, l'intensité du champ magnétique diminue.
Dans leur mouvement hélicoïdal autour d'une ligne de champ, l'énergie cinétique de rotation des électrons rapides se transforme alors progressivement en énergie cinétique de translation parallèle aux lignes de champ, d'où l'apparition d'une accélération du mouvement le long des lignes de champ. Naturellement, le long de leurs trajectoires, ces électrons rapides créent par collisions ionisantes du plasma, c'est-à-dire des électrons lents et des ions.
En raison de la charge d'espace créée par les électrons rapides, les ions sont à leur tour accélérés le long des lignes de champ magnétique vers les champs magnétiques d'intensité décroissante (en s'éloignant des points miroir M).
Il résulte de l'ensemble de ces mécanismes que le plasma est principalement produit au-delà des points miroirs M des électrons rapides définis précédemment et que la diffusion du plasma s'effectue préférentiellement dans le volume face au plan de sortie P de l'applicateur, et non vers l'applicateur.
Compte tenu des mécanismes de production et de diffusion du plasma, les pertes en électrons rapides et en plasma vers l'applicateur sont considérablement réduites, d'où une grande efficacité des applicateurs conformes à l'invention par rapport aux autres types d'applicateurs micro-onde.
Aux pressions plus élevées, où le champ magnétique n'est plus efficace, c'est-à-dire lorsque la pulsation micro-onde ω = 2π f0 est du même ordre que la fréquence de collisions v des électrons (v « ω), le couplage de la puissance micro-onde avec les électrons par exemple par absorption collisionnelle se substitue au couplage résonnant RCE.
Dans ce cas, le fait que la structure magnétique laisse libre le demi-espace au-delà du plan de sortie P de l'applicateur permet d'obtenir en sortie d'applicateur, au-delà d'une fenêtre diélectrique (permettant de séparer le volume à pression réduite au-delà du plan de sortie de l'applicateur de la pression atmosphérique), un disque de plasma.
Ladite fenêtre se présente sous la forme d'un anneau d'un matériau diélectrique agencé de manière étanche à l'intérieur du volume annulaire de propagation.
A basse pression (c'est-à-dire au-dessous d'une pression de l'ordre du Pa), l'allumage du plasma au sein de l'applicateur coaxial dans un espace de quelques mm entre l'âme centrale et le conducteur externe ne peut se produire (loi de Paschen), d'où la possibilité, dans ce cas, de positionner la fenêtre étanche en retrait (c'est-à-dire en amont sur le trajet des micro-ondes) du plan de sortie de l'applicateur.
Les applicateurs conformes à l'invention permettent donc, d'une part, de produire du plasma selon des conditions opératoires étendues (pression, fréquence, puissance), et, d'autre part, de réduire considérablement les pertes à basse pression dans des conditions de couplage RCE.
On va maintenant décrire, en référence aux figures 6 à 8, des modes de réalisation avantageux de l'invention.
La figure 6 présente un mode de réalisation permettant de réduire l'encombrement radial de l'applicateur, en réduisant le rayon extérieur de l'aimant annulaire par rapport au mode de réalisation illustré à la figure 4. En effet, le « redressement » des lignes de champ à la périphérie de la zone ZRCE peut également être obtenue par l'utilisation de deux aimants annulaires concentriques dont celui situé à l'extérieur procure, au niveau du plan de sortie de l'applicateur, une intensité de champ magnétique supérieure à celle procurée par l'aimant situé à l'intérieur ; l'encombrement radial de l'aimant annulaire externe étant moindre que celui d'un aimant annulaire unique tel qu'utilisé dans le mode de réalisation de la figure 4.
Sur la figure 6, on a représenté l'aimant cylindrique 21 placé à l'extrémité de l'âme centrale 1 1 , qui ne diffère pas de l'aimant décrit en référence à la figure 4, et deux aimants annulaires 22 et 23, l'aimant 23 entourant l'aimant 22.
Comme mentionné plus haut, les deux aimants annulaires peuvent être logés dans un logement annulaire (non illustré ici) de dimension adaptée prévu à l'extrémité du conducteur externe.
L'intensité de champ magnétique plus élevée de l'aimant extérieur 23 peut être obtenue, pour un matériau magnétique identique à celui de l'aimant intérieur 22, par une longueur selon l'axe X plus grande pour l'aimant extérieur 23 que pour l'aimant intérieur 22 (cas illustré à la figure 6).
De manière alternative (non illustrée), cette intensité magnétique peut être obtenue avec des aimants intérieur et extérieur de même longueur, mais avec un matériau magnétique présentant une aimantation plus élevée pour l'aimant extérieur.
L'utilisation de ces deux aimants annulaires permet ainsi de procurer un applicateur plus compact, son rayon total étant réduit.
La figure 7 présente un autre mode de réalisation permettant, dans le cadre d'un fonctionnement à basse pression à la RCE, de réduire l'encombrement radial de l'applicateur, en réduisant le rayon de la zone ZRCE de couplage par rapport au mode de réalisation illustré à la figure 4.
On peut en effet délimiter la zone de couplage ZRCE au moyen de surfaces matérielles.
Par exemple, comme illustré à la figure 7, on arrange un épaulement annulaire 14 recouvrant partiellement l'aimant annulaire 22 et présentant une hauteur (dans la direction X) au moins égale à la distance entre la zone ZRCE et le plan de sortie P de l'applicateur.
Ledit épaulement peut par exemple être constitué par une portion du conducteur externe 12.
La zone de couplage ZRCE dans laquelle les lignes de champ magnétique doivent être parallèles à l'axe X est donc plus restreinte dans la direction radiale, et, même si l'aimant annulaire présente un encombrement moins important, les lignes de champ situées à la périphérie de la zone ZRCE restent parallèles à l'axe X.
A haute pression, il est en revanche préférable de laisser libre l'espace à l'avant de l'applicateur ; on évitera donc un tel épaulement. La figure 8 illustre un mode de réalisation permettant le refroidissement de l'applicateur, qui peut être nécessaire lorsque l'on met en œuvre une forte puissance micro-onde.
Ainsi, on peut faire circuler un fluide diélectrique à l'intérieur du volume annulaire 13 de propagation des micro-ondes, en ayant au préalable obturé ce volume de manière étanche du côté du plan de sortie de l'applicateur, par exemple par une fenêtre 15 en un matériau diélectrique.
De manière alternative (non illustrée), il est possible de refroidir l'âme centrale et/ou du conducteur externe par la circulation d'un fluide adéquat (par exemple, de l'eau) à l'intérieur de l'âme centrale et/ou du conducteur externe.
La définition et la réalisation des canaux permettant cette circulation est connue en elle-même et à la portée de l'homme du métier selon les contraintes techniques rencontrées.
Naturellement, ces différents modes de réalisation peuvent éventuellement combinés par l'homme du métier en fonction des contraintes techniques rencontrées, notamment en termes de puissance, d'encombrement requis, etc.
Parmi les applications des applicateurs conformes à l'invention, on peut citer l'éclairage, les sources plasma étendues pour traitements de surface, les applications à la gravure (microélectronique et nanotechnologies), le traitement des effluents gazeux, la stérilisation plasma, les sources d'ions, la propulsion ionique (liste non limitative).
Selon les applications, les applicateurs tels que décrits ci-dessus peuvent être employés de manière unitaire.
Tel est le cas par exemple dans l'éclairage, où un applicateur est inséré dans une ampoule contenant un gaz plasmagène permettant d'émettre des UV ou du rayonnement visible.
Un autre exemple est l'utilisation de l'applicateur en tant que source d'ions ponctuelle.
D'autres applications, telles que le traitement de grandes surfaces, la formation de sources d'ions étendues, la réalisation de volumes de plasma uniformes, peuvent en revanche nécessiter une pluralité d'applicateurs pour former une source de plasma étendue.
Dans ce cas, les applicateurs peuvent être agencés selon des réseaux à une dimension (c'est-à-dire alignés pour former une source linéaire), à deux dimensions (l'ensemble des plans de sortie étant répartis sur une même surface pour former une source plane) ou à trois dimensions (les plans de sortie des différents applicateurs appartenant à des plans différents entourant un volume de plasma).
La disposition des applicateurs les uns par rapport aux autres et la distance entre applicateurs est définie par l'homme du métier en fonction de l'application visée. Par ailleurs, selon les cas, deux applicateurs adjacents peuvent présenter des aimantations de même sens (par exemple, dans le cas d'une source d'ions étendue) ou bien alternées (dans certains cas de confinement du plasma en volume).
Dans les cas de distributions d'applicateurs suivant un réseau unidimensionnel (ligne), bidimensionnel (surface plane) ou tridimensionnel (surface enfermant un volume) pour réaliser des lignes, des surfaces ou de grands volumes de plasma, le cas des distributions d'applicateurs avec des champs magnétiques alternés d'un applicateur vis-à- vis de son ou de ses voisins ne pose pas de réel problème au niveau de la fermeture du champ magnétique aux limites du réseau.
Par contre, dans le cas des distributions d'applicateurs présentant des applicateurs avec des aimantations axiales toutes de même sens, la fermeture du champ magnétique en périphérie du réseau peut être obtenue, en fonction de l'application, selon l'un des modes de réalisation décrits ci-dessous.
Selon une première option, on fait en sorte que la structure magnétique 100a présentant une aimantation axiale de même sens que celle de l'aimant central unique de chaque applicateur 1 puisse remplir tout l'espace entre applicateurs, comme illustré sur les figures 9A-9B.
Ce mode de réalisation peut être appliqué très favorablement aux sources d'ions et en particulier aux propulseurs ioniques.
Selon une seconde option, éventuellement combinée à la première, une structure magnétique linéaire 100b d'aimantation axiale mais de sens opposé à celle de l'aimant central unique de chaque applicateur 1 est disposée à la périphérie du réseau d'applicateurs 1 en se refermant sur elle-même (cf. figures 9A-9B) de manière à former à la périphérie du réseau d'applicateurs une structure magnétique dite de type "magnétron" où les électrons ainsi piégés dans la structure magnétron périphérique 100a, 100b dérivent (dérive magnétique) le long de la structure magnétique et ne sont donc pas perdus sur les parois.
Une troisième option applicable à l'un et/ou l'autre des deux modes de réalisation présentés ci-dessus consiste, dans le cadre d'un dispositif de pulvérisation magnétron assistée par plasma micro-onde, à entourer des applicateurs par une structure magnétron de pulvérisation (ou inversement entourer une structure magnétron de pulvérisation par des applicateurs) de manière à combiner pulvérisation magnétron et assistance ionique à partir du plasma créé par des applicateurs micro-onde.
Un tel dispositif est illustré sur les figures 10A-10B où une ligne de trois applicateurs 1 de même sens d'aimantation est entourée par une structure magnétron de pulvérisation 100. Dans ce cas, la structure magnétron 100 peut être polarisée négativement (en continu (DC), radiofréquence (RF) ou en régime puisé) par rapport à la terre à laquelle les applicateurs micro-onde 1 sont généralement reliés.
Une cible 101 est disposée au-dessus de la structure magnétron de pulvérisation 100.
En outre, si une interaction modérée est souhaitée entre le plasma produit par les applicateurs 1 et celui produit par la structure magnétron 100, il est préférable de mettre en œuvre une structure magnétron avec les sens d'aimantation 100a, 100b indiqués sur la figure 10B, c'est-à-dire avec la structure 100a présentant le même sens d'aimantation que les applicateurs 1 directement adjacente auxdits applicateurs, la structure 100b de sens opposé entourant la structure 100a.
Au contraire, si une très forte interaction est souhaitée, il faut inverser les sens d'aimantation des aimants 100a, 100b de la structure magnétron 100 de façon à mettre en commun les électrons issus des plasmas produits par la structure magnétron 100 et par les applicateurs micro-onde 1.
Suivant l'application, des configurations différentes ou plus complexes que celles indiquées sur les figures 9A-9B et 10A-10B peuvent être mises en œuvre, mais les mêmes principes que ceux décrits ci-dessus peuvent leur être appliqués tout en restant dans le cadre de l'invention.
Parmi les avantages procurés par l'invention, on notera en premier lieu l'efficacité énergétique du plasma produit, en raison à la fois de la réduction des pertes en électrons rapides sur les surfaces de l'applicateur et de la réduction des pertes par diffusion du plasma produit vers les surfaces de l'applicateur.
Un avantage qui résulte directement du précédent est la réduction de la contamination issue des surfaces de l'applicateur.
Un autre avantage est la réduction de la puissance déposée sur les surfaces de l'applicateur par les espèces chargées du plasma (électrons rapides, électrons thermiques, ions), d'où un besoin moindre du refroidissement de l'applicateur.
En raison de la production et de l'injection du plasma en avant de l'applicateur, le dispositif est extrêmement intéressant soit pour améliorer l'extraction des ions dans les sources d'ions (pré-accélération des ions), soit pour produire des faisceaux d'ions neutralisés dans les applications à la propulsion ionique.
Enfin, le fait d'avoir une déplétion de plasma entre l'applicateur et le plan de sortie de l'applicateur favorise, à basse pression, la propagation des micro-ondes jusqu'à la zone de couplage RCE, d'où une réduction de la puissance réfléchie et une amélioration corrélative du rendement énergétique. REFERENCES
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Claims

REVENDICATIONS
1 . Applicateur micro-onde coaxial (1 ) pour la production de plasma, comprenant un tube coaxial électriquement conducteur formé d'une âme centrale (1 1 ) et d'un conducteur externe (12) entourant l'âme centrale (1 1 ) et séparé de celle-ci par un volume annulaire (13) de propagation des micro-ondes, ledit applicateur étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- un aimant permanent cylindrique (21 ) dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe (X) de l'applicateur (1 ), agencé à l'extrémité de l'âme centrale (1 1 ) et,
- au moins un aimant permanent annulaire (22) dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe (X) de l'applicateur (1 ) et de même sens que l'aimantation de l'aimant cylindrique central (21 ), agencé à l'extrémité du conducteur externe (12), tous les aimants (21 , 22) agencés à l'extrémité du tube coaxial (1 1 , 12) présentant le même sens d'aimantation,
l'aimantation desdits aimants (21 , 22) étant choisie de sorte à former un champ magnétique propre à procurer, dans une zone (ZRCE) distante de l'extrémité de l'applicateur, un couplage de résonance cyclotronique électronique avec le champ électrique micro-onde généré par ledit applicateur (1 ),
le rayon extérieur et l'aimantation de l'aimant annulaire (22) étant en outre choisis de sorte que les lignes (L) de champ magnétique générées par lesdits aimants (21 ,
22) traversent la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique (ZRCE) selon une direction sensiblement parallèle à l'axe (X) de l'applicateur (1 ).
2. Applicateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rayon extérieur de l'aimant annulaire (22) est au moins le double du rayon extérieur (R) du volume annulaire (13) de propagation des micro-ondes.
3. Applicateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend, autour de l'aimant annulaire (22), dit premier aimant annulaire, un second aimant permanent annulaire (23), à aimantation axiale de même sens que l'aimantation de l'aimant cylindrique central (21 ), ledit second aimant annulaire (23) présentant une intensité de champ magnétique supérieure à celle du premier aimant annulaire (22).
4. Applicateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et second aimants annulaires (22, 23) sont constitués du même matériau magnétique et en ce que la longueur dans la direction axiale du second aimant annulaire (23) est supérieure à celle du premier aimant annulaire (22).
5. Applicateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premier et second aimants annulaires (22, 23) présentent la même longueur dans la direction axiale et en ce que le matériau du second aimant annulaire (23) présente une aimantation supérieure à celle du premier aimant annulaire (23).
6. Applicateur selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comprend un épaulement (14) recouvrant une région externe de l'extrémité de l'aimant annulaire (22), de sorte à limiter radialement la surface de la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique (ZRCE)-
7. Applicateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'âme centrale (1 1 ) et/ou le conducteur externe (12) du tube coaxial comprend un circuit de circulation d'un fluide de refroidissement.
8. Applicateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le volume annulaire de propagation des micro-ondes est obturé à l'extrémité de l'applicateur par une fenêtre en un matériau diélectrique.
9. Applicateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le volume annulaire de propagation des micro-ondes est obturé, en amont de l'extrémité de l'applicateur, par une fenêtre en un matériau diélectrique.
10. Applicateur selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que ledit volume annulaire de propagation des micro-ondes est adapté pour la circulation d'un fluide diélectrique de refroidissement.
1 1 . Dispositif de production de plasma, comprenant une enceinte contenant un gaz plasmagène et au moins un applicateur (1 ) selon l'une des revendications 1 à 10 dont l'extrémité portant les aimants permanents cylindrique et annulaire (21 , 22) débouche dans ladite enceinte.
12. Dispositif selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'applicateurs (1 ) répartis dans l'enceinte de sorte à former un réseau unidimensionnel, bidimensionnel ou tridimensionnel.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les aimants permanents de l'ensemble des applicateurs présentent le même sens d'aimantation.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le réseau d'applicateurs est entouré par une structure magnétique (100b) présentant une direction d'aimantation parallèle à celui des applicateurs mais de sens opposé.
15. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le réseau d'applicateurs est entouré par une structure magnétron de pulvérisation (100).
16. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les aimants permanents de l'ensemble des applicateurs présentent des aimantations alternées.
17. Dispositif selon l'une des revendications 1 1 à 16, caractérisé en ce que la pression absolue dans l'enceinte est comprise entre 10"2 Pa et 103 Pa.
18. Procédé de production de plasma par micro-onde dans une enceinte contenant un gaz plasmagène, comprenant la propagation de micro-ondes dans un applicateur micro-onde coaxial selon l'une des revendications 1 à 10 débouchant dans ladite enceinte et l'application, à l'extrémité dudit applicateur, d'un champ magnétique propre à procurer un couplage cyclotronique électronique avec le champ électrique microonde dans une zone (ZRCE) distante de l'extrémité de l'applicateur, les lignes (L) dudit champ magnétique traversant la zone de couplage de résonance cyclotronique électronique (ZRCE) selon une direction sensiblement parallèle à l'axe (X) de l'applicateur
(1 )-
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que la pression absolue dans l'enceinte est comprise entre 10"2 Pa et 103 Pa.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que la pression absolue dans l'enceinte est inférieure à 133 Pa, de préférence inférieure à 1 Pa, de manière préférée inférieure à 0,1 Pa.
21 . Procédé selon l'une des revendications 18 à 20, caractérisé en ce que l'on produit le plasma au moyen d'une pluralité d'applicateurs répartis dans l'enceinte de sorte à former un réseau unidimensionnel, bidimensionnel ou tridimensionnel.
22. Procédé selon l'une des revendications 18 à 21 , caractérisé en ce que l'on refroidit l'applicateur en faisant circuler un fluide de refroidissement dans l'âme centrale de l'applicateur ou dans le volume de propagation des micro-ondes.
23. Procédé selon l'une des revendications 18 à 22, caractérisé en ce que l'on obture le volume annulaire de propagation des micro-ondes par une fenêtre diélectrique étanche à l'extrémité ou en amont de l'extrémité de l'applicateur.
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