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WO1994021096A1 - Dispositif de production d'un plasma - Google Patents

Dispositif de production d'un plasma Download PDF

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Publication number
WO1994021096A1
WO1994021096A1 PCT/FR1994/000243 FR9400243W WO9421096A1 WO 1994021096 A1 WO1994021096 A1 WO 1994021096A1 FR 9400243 W FR9400243 W FR 9400243W WO 9421096 A1 WO9421096 A1 WO 9421096A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cavity
antenna
plasma
discharge tube
wavelength
Prior art date
Application number
PCT/FR1994/000243
Other languages
English (en)
Inventor
Christian Maxime Dupret
Odile Madeleine Marie-Thérèse DESSAUX
Pierre Wolf Numa Goudmand
Christophe Hoyez
Original Assignee
Universite Des Sciences Et Technologies De Lille
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite Des Sciences Et Technologies De Lille filed Critical Universite Des Sciences Et Technologies De Lille
Publication of WO1994021096A1 publication Critical patent/WO1994021096A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32247—Resonators
    • H01J37/32256—Tuning means
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a device for producing a plasma of the type comprising a cavity delimited by a metallic external wall and traversed by a discharge tube in which a plasma gas (or plasma tube) circulates, a microwave generator and means of transporting microwaves between the generator outlet and the interior of the cavity.
  • This device constitutes a microwave / plasma coupler for producing a plasma by a method using the resonance of electromagnetic waves in the microwave range. Couplers of the above type are well known in the art of plasma production.
  • the resonant cavity most often has a cylindrical or parallelepiped shape and, in a first type of embodiment, the waves produced by the generator are transported towards the cavity by a waveguide sized according to the wavelength of the waves to transmit. Between the waveguide and the cavity is disposed an iris, that is to say an orifice equipped with a number of adjustment screws (STUB). The aim of this adjustment is to "tune" the coupler, that is to say to maximize the ratio of the energy transmitted to the plasma to the energy delivered by the generator.
  • STUB number of adjustment screws
  • the cavity is also dimensioned as a function of the wavelength, so that inside waves form standing waves.
  • the geometry of the system is studied so that the plasma gas circulates in the cavity, in a place where the electric field is maximum because the higher this field, the higher the energy communicated to the plasma gas.
  • These couplers of the prior art suffer from a limitation of the output power of the plasma. In the example of a nitrogen plasma, it seems impossible to exceed a transmitted power of 800 W, even with a 6 kW microwave generator. Consequently, for many applications requiring very energetic plasmas, it is essential to provide several couplers and several generators, which greatly complicates this application. In addition, in certain industrial processes requiring an energetic plasma, it is not possible to have several couplers for reasons of space. Finally, the iris and the adjustment device require numerous manipulations, so that they are not very suitable for use in an industrial process.
  • This device for producing a plasma comprises a cavity delimited by a metallic external wall and traversed by a discharge tube in which circulates in service a plasma gas, a microwave generator and microwave transport means between the generator outlet and the interior of the cavity.
  • the microwave transport means comprise a waveguide and a metal rod-shaped antenna extending between the interior of the waveguide and the interior of the cavity.
  • Microwave transport is therefore made possible by a waveguide / antenna arrangement, which has the advantage of great simplicity that the waveguide couplers of the prior art did not obtain because of the obligation to use an iris and an associated adjustment device.
  • this arrangement minimizes the power losses at the transition to the cavity, which makes it possible to achieve very high values of power transmitted to the plasma gas. This transition does not impose the presence of dielectric elements which, in known couplers with coaxial cable, considerably limit the possible incident powers.
  • the gas circulating in the plasma tube is exposed to the waves transmitted inside the cavity over a reduced length compared to the dimension of the cavity parallel to the direction of the plasma tube.
  • the preferred applications targeted by the invention are such that it is sought to obtain a large transmitted power.
  • Another aim, corollary of the first, is to increase the flow rate of the plasma generated.
  • a larger plasma tube diameter is used than those used in the known art.
  • the plasma flow generated can be increased.
  • the frequency of the microwaves used in the preferred fields of application targeted by the invention is generally in a high range, typically, without this being naturally limiting, at 2450 MHz, which constitutes a de facto standard. .
  • a first arrangement consists in providing the antenna with a capacitive bar so that the latter sees its effective length increased, the large diameter of the plasma tube limiting the penetration of the antenna into the cavity.
  • a second arrangement consists in placing a mode filter in the cavity.
  • the purpose of this filter is to avoid the development of the fundamental mode TE -,., Of the cavity, mode not desired in this application.
  • evanescent wave "traps" are further used to prevent microwave leakage.
  • the subject of the invention is therefore a device for producing a plasma comprising a resonant cavity delimited by a metallic external wall and traversed by a discharge tube in which circulates in service a plasma gas, a microwave generator and means microwave transport means, between the generator outlet and the interior of the cavity, these microwave transport means comprising a waveguide and a metal rod antenna extending in a determined direction between the inside of the waveguide and the inside of the cavity, characterized in that said discharge tube has an inside diameter greater than or equal to the half-wavelength of said microwaves, wavelength such that measured under isotropic propagation conditions, in that said metal rod-shaped antenna comprises means for increasing the effective length thereof and in that it comprises means arranged inside the resonant cavity to prevent the establishment within it of the fundamental TE 1 L resonance mode specific to this cavity.
  • the large diameter of the plasma tube allows a high flow.
  • the increase in the effective length of the antenna allows good coupling, the large diameter of the plasma tube limiting the penetration of the antenna into the cavity.
  • the device of the invention fully retains the advantages offered by the device according to the French patent application FR-A-2 665 323 cited above.
  • the adjustment of the T.O.S. is obtained using a single organ, in this case thanks to a threaded wheel.
  • FIG. 1 is a sectional view, in a direction x-x ', of a device according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a partial sectional view, in a direction orthogonal to the direction x-x ', of the same device;
  • FIG. 3 schematically illustrates a filter used in the production of the device according to
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams relating to certain plasmagenic gases which can be used in the context of the invention.
  • the plasma gas is nitrogen and that the frequency of the microwaves used is 2450 MHz.
  • other gases can be used and that other frequencies can be selected. Examples will be given later.
  • the device according to the invention in addition to the provisions which are specific to it, incorporates the main characteristics taught by the aforementioned French patent application FR-A-2,665,323 and retains the advantages thereof. We can profitably refer to this patent application for a detailed description of this device.
  • the device of the invention will now be described with reference to Figures 1 and 2 which illustrate an exemplary embodiment according to a preferred embodiment.
  • the device according to the present invention comprises a resonant cavity 1 delimited by a metallic external wall 10.
  • the plasma gas flows in the tube 2 in the direction indicated by the arrows F. This direction could moreover be reversed without losing the effects sought by the invention.
  • the outer wall 10 of the cavity 1 has a cylindrical shape in the example illustrated. It defines, inside the cavity 1, a peripheral surface 11 of revolution around the axis xx 'of the discharge tube 2 and two transverse surfaces 12, comprising two orifices 14, 15, provided to let the tube pass. discharge 2. Conduits 18 opening into the peripheral surface 11 of the cavity are connected to a device, not shown, intended to circulate compressed air in the cavity 1 in order to cool the cavity 1 and the discharge tube 2 by operation.
  • the generator 3 can be a conventional magnetron generator.
  • a waveguide 4 and an antenna 5 comprising a rod 50 transport the microwaves between the output of the generator 3 and the interior of the cavity 1.
  • the waveguide 4 extends in a direction zz ' shown in phantom in Figure 2 and has a rectangular section defined by four surfaces. It is fixed to the generator 3 by screws (not shown) passing through holes 44 provided on a base 45.
  • the waveguide 4 is dimensioned, conventionally, as a function of the wavelength of the micro ⁇ waves to transmit.
  • One of the essential characteristics of the invention is to use a large diameter plasma tube 2.
  • This tube will allow a significant flow.
  • the outside diameter of the tube can be chosen equal to approximately 60 mm. More generally, the diameter of the tube must be of the order or greater than the half wavelength of the excitation microwaves. However, it should be clearly understood that this wavelength is not that which can be measured inside the cavity 1 but it will be defined as that measured under isotropic propagation conditions.
  • one of the usual frequencies used in microwave generators is the 2450 MHz frequency, which is a quasi-standard. This frequency is therefore relatively high. However, even if lower frequencies are used, as will be indicated later, the large diameter selected for the plasma tube then prevents optimum coupling because this arrangement limits the penetration of the antenna into the cavity 1.
  • the antenna 5 is provided with means making it possible to increase the effective length thereof.
  • a capacitive metal bar 6 is available on the end of the rod 50 of the antenna 5, close to the cavity 1, a capacitive metal bar 6.
  • This metal bar 6 is arranged at right angles to the rod 50 and s 'extends parallel to the x-x axis'.
  • the strip Under the conditions previously indicated (frequency equal to 2450 MHz in particular), the strip has typical dimensions of 10 mm wide, 3 mm thick and a length of approximately / 2. It is made of a metal which can be chosen from the following: copper, brass, etc.
  • the waveguide 4 and the cavity 1 are provided with orifices, respectively 46 and 16 to provide a coupling between these two members, via an intermediate tube 47, allowing the rod 50 of the antenna 5 to pass through.
  • a "trap" or mode 7 filter This can be constituted by a metal ring 70, for example brass. This in turn is surrounded, in the example illustrated, by a ring 71 made of insulating material, for example Teflon.
  • wedging tabs 72 also made of Teflon, can be used. In the example illustrated, three legs, regularly distributed, were used at 120 °.
  • Coupler according to the invention can be operated for powers equal to or greater than 6 KW.
  • traps can consist of metal cylinders surrounding the plasma tube.
  • the cavity 1 is extended along the axis x-x ', by two lateral sleeves surrounding the plasma tube 2, starting from the orifices 14 and 15.
  • the walls 12 and 13 ending the cavity 1 are an integral part of the parts constituting the lateral traps. But this is only a purely technological choice which in no way limits the scope of the invention.
  • the resonant cavity 1 will be constituted in this case by a simple tube 10 at the ends of which will be fixed, by any suitable means (screws, etc.), the walls 12 and 13 of the two lateral traps. These walls close the cavity 1.
  • the first possible improvement consists in browning all or part of the pieces carrying high frequency currents to limit losses by skin effect. These are in particular the internal surfaces of the cavity 1: 11 to 13; waveguide 4: 40 to 43; from tube 47: 470; the internal surface 48 of the antenna well 5 and the surface of the rod 50 thereof: 51.
  • the second possible improvement is to cool the body of the resonant cavity.
  • Various methods are commonly used in the known art, in particular it can be provided with external cooling fins, circulating coolant on the external wall 17 of the cavity 1, to evacuate the calories, etc., in particular if one targets high powers continuously.
  • the device of the invention in its preferred embodiment, also has the advantage of being able to adjust the TOS using a single means, namely a threaded button 9.
  • This member is similar to that described in the aforementioned patent application and there is no need to detail it again.
  • the reflected power is the power which is not transmitted to the plasma.
  • the sliding of the antenna 5 modifies the geometry of the field lines inside the cavity 1, because it modifies the penetration length of the antenna 5 in this cavity. An optimal position exists to minimize the TOS; the agreement is to seek that position.
  • the tuning of the coupler by the thumb wheel 9 is of course optional in the context of the present invention.
  • the coupler is intended for a single application, with a single plasma gas, it may be advantageous to remove the adjustment button 9.
  • the coupler is, in this case, tuned once and for all and the adjustment cannot be lost.
  • the waveguide 1 is dimensioned, in a conventional manner, as a function of the wavelength of the microwaves to be transmitted. As indicated, the wavelength chorusof the microwaves in the waveguide 1 differs from the wavelength v of the same microwaves in vacuum.
  • the length of the waveguide 1, between walls 12 and 13 is equal to.
  • the mode filter 7 is arranged at
  • the quartz tube 2 has an outside diameter of 60 mm and a wall thickness of 1.5 mm.
  • the metal ring 70 has a thickness of 5 mm. It is substantially the same for the ring 71 and the retaining tabs 72.
  • the lateral "traps" have a length at least equal to ⁇ / 4, between the respective side walls 12 and 13 of the resonant cavity 1 and their ends.
  • the end of the antenna 5, close to the adjustment wheel 9, is arranged in a well of height v / 4, to obtain an infinite impedance and therefore create a wall fictitious at the outlet of the antenna 5 in the guide 4.
  • the plasma gas is nitrogen.
  • various plasmagenic gases can be used: among these, in addition to nitrogen, it is possible to use, without being limiting, air, helium, argon, oxygen, hydrogen, ammonia , sulfur oxide or any gaseous mixture.
  • the Applicant has carried out experiments with a device in accordance with the invention.
  • this cavity is particularly suitable for nitrogen or air for any pressure less than or equal to atmospheric pressure, and for mono-atomic gases for pressures greater than lOhPa.
  • the present invention is not limited to the examples described above with reference to the drawings.
  • the discharge produced by the coupler according to the invention can be used to form a plasma of any chemical composition.
  • the preferred applications of the invention are those requiring very energetic plasmas, such as those in which the properties of post-discharge plasmas are exploited with a large useful volume.
  • the device of the invention it is possible to cite the generation of plasma for surface treatment, the plasma generated being continuously pumped into a large enclosure or reactor, this- ci containing parts to be treated.
  • the device of the invention allowing high speed and the production of a stable and homogeneous plasma, is therefore particularly well suited for this application.

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Abstract

Le dispositif comprend une cavité (1) délimitée par une paroi extérieure métallique (10) et traversée par un tube de décharge (2) dans lequel circule un gaz plasmagène, un générateur de micro-ondes et des moyens de transport (4, 5) des micro-ondes entre la sortie du générateur et l'intérieur de la cavité (1), comprenant un guide d'ondes (4) et une antenne (5) en forme de tige métallique (50) s'étendant entre l'intérieur du guide d'ondes (4) et l'intérieur de la cavité (1). Selon l'invention, le tube de décharge (2) est doté d'un grand diamètre et l'antenne (5) est munie d'une barre capacitive (6) pour en augmenter la hauteur effective. Il est également prévu un filtre (7) empêchant l'établissement du mode fondamental (TE11) dans la cavité (1) et des filtres latéraux (8, 8') évitant les fuites d'ondes évanescentes. Utilisation dans les applications des plasmas de forte puissance.

Description

"Dispositif de production d'un plasma"
La présente invention concerne un dispositif de production d'un plasma du type comprenant une cavité délimitée par une paroi extérieure métallique et traversée par un tube de décharge dans lequel circule un gaz plasmagene (ou tube plasmagene) , un générateur de micro-ondes et des moyens de transport des micro-ondes entre la sortie du générateur et 1 ' intérieur de la cavité.
Ce dispositif constitue un coupleur micro¬ ondes/plasma pour produire un plasma par une méthode utilisant la résonance d'ondes électromagnétiques dans la gamme des hyperfréquences. Des coupleurs du type ci-dessus sont bien connus dans la technique de la production de plasma. La cavité résonante a le plus souvent une forme cylindrique ou parallélépipédique et, dans un premier type de réalisation, les ondes produites par le générateur sont transportées vers la cavité par un guide d'ondes dimensionné en fonction de la longueur d'onde des ondes à transmettre. Entre le guide d'ondes et la cavité est disposé un iris, c'est-à-dire un orifice équipé d'un certain nombre de vis de réglage (STUB) . Ce réglage a pour but d' "accorder" le coupleur, c'est-à-dire de maximiser le rapport de l'énergie transmise au plasma à l'énergie délivrée par le générateur. La cavité est également dimensionnée en fonction de la longueur d'onde, de façon à ce qu'il se forme, à l'intérieur, des ondes stationnaires. En général, la géométrie du système est étudiée de telle sorte que le gaz plasmagene circule dans la cavité, en un endroit où le champ électrique est maximum car plus ce champ est élevé, plus l'énergie communiquée au gaz plasmagene est importante. Ces coupleurs de la technique antérieure souffrent d'une limitation de la puissance de sortie du plasma. Dans l'exemple d'un plasma d'azote, il semble impossible de dépasser une puissance transmise de 800 W, même avec un générateur de micro-ondes de 6 kW. En conséquence, pour de nombreuses applications requérant des plasmas très énergétiques, il est indispensable de prévoir plusieurs coupleurs et plusieurs générateurs, ce qui complique beaucoup cette application. En outre, dans certains procédés industriels nécessitant un plasma énergétique, il n'est pas possible de disposer plusieurs coupleurs pour des raisons d'encombrement. Enfin, l'iris et le dispositif de réglage nécessitent de nombreuses manipulations, de sorte qu'ils sont assez mal adaptés à une utilisation dans un procédé industriel.
Dans un second type de réalisation, connu par exemple d'après la demande de brevet français FR-A-2 074 715, les micro-ondes sont transportées entre le générateur et la cavité au moyen d'un câble coaxial. Néanmoins, dans l'état actuel de la technologie de ces câbles coaxiaux, ils ne permettent pas de véhiculer des densités d'énergie importantes en raison de la tenue insuffisante du diélectrique intercalaire lorsqu'on le soumet à un champ électrique intense. En pratique, les coupleurs décrits dans cette demande de brevet sont actuellement limités à une puissance incidente de l'ordre de 800 W. Ces limitations rendent les coupleurs à câbles coaxiaux peu appropriés pour la production de plasmas très énergétiques (typiquement plus de 1 kW) .
Pour remédier aux inconvénients- des coupleurs connus, la Demanderesse a proposé dans la demande de brevet français FR-A-2 665 323, un dispositif plus simple et permettant surtout d'engendrer un plasma très énergétique en optimisant le rapport de la puissance transmise au plasma à la puissance de sortie du générateur. Ce dispositif de production d'un plasma comprend une cavité délimitée par une paroi extérieure métallique et traversée par un tube de décharge dans lequel circule en service un gaz plasmagene, un générateur de micro-ondes et des moyens de transport des micro-ondes entre la sortie du générateur et l'intérieur de la cavité. Dans ce dispositif, les moyens de transport des micro-ondes comprennent un guide d'ondes et une antenne en forme de tige métallique s'étendant entre l'intérieur du guide d'ondes et l'intérieur de la cavité.
Le transport des micro-ondes est donc rendu possible par un agencement guide d'ondes/antenne, ce qui présente l'avantage d'une grande simplicité que les coupleurs à guide d'ondes de la technique antérieure n'obtenaient pas à cause de l'obligation d'utiliser un iris et un dispositif de réglage associé. En outre, cet agencement minimise les pertes de puissance au niveau de la transition vers la cavité, ce qui permet d'atteindre de très fortes valeurs de puissance transmise au gaz plasmagene. Cette transition n'impose pas la présence d'éléments diélectriques qui, dans les coupleurs connus à câble coaxial, limitent considérablement les puissances incidentes possibles.
Enfin, dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le gaz circulant dans le tube plasmagene est exposé aux ondes transmises à l'intérieur de la cavité sur une longueur réduite par rapport à la dimension de la cavité parallèlement à la direction du tube plasmagene.
Grâce à un tel dispositif, la Demanderesse a pu observer des puissances transmises au plasma largement supérieures à celles rencontrées avec les coupleurs classiques. Dans l'exemple d'un plasma d'azote, on parvient ainsi à des puissances transmises de plusieurs kilowatts alors qu'un coupleur classique est limité à environ 800 W. Cependant l'expérience a montré, du fait précisément des puissances importantes que permet d'atteindre ce dispositif, que des surchauffes locales du tube plasmagene pouvaient se produire. Dans des cas très défavorables, par exemple en production continue de plasma, il est arrivé que ce tube, réalisé en quartz, fonde. On ne peut donc exploiter entièrement les potentialités offertes.
Or les applications préférentielles visées par l'invention sont telles que l'on cherche à obtenir une puissance transmise importante.
C'est donc un des buts principaux que se fixe l'invention, à savoir transmettre le maximum d'énergie possible au gaz circulant dans le tube plasmagene.
Un autre but, corollaire du premier, est d'augmenter le débit du plasma généré.
On pourrait penser que, pour résoudre le problème de surchauffes locales, on puisse utiliser un tube à double enveloppe et faire circuler entre les deux enveloppes un fluide de refroidissement. Cependant, cela entraîne automatiquement une diminution du rendement car le tube intérieur, dans lequel circule le gaz, se trouve trop éloigné de la région où le champ est maximal. Cette disposition va donc à 1'encontre du but recherché.
Selon l'invention, on utilise un diamètre de tube plasmagene plus important que ceux utilisés dans l'Art Connu. Par cette disposition, on peut augmenter le débit de plasma généré. Cependant, la fréquence des micro-ondes utilisées dans les domaines d'application préférés visés par l'invention, se situe généralement dans une gamme élevée, typiquement, sans que cela soit naturellement limitatif, à 2450 MHz, ce qui constitue un standard de fait.
Augmenter le diamètre du tube dans lequel circule le gaz est alors incompatible avec les choix de fréquence qui viennent d'être rappelés, du moins pour que le dispositif selon l'invention atteigne pleinement les buts fixés.
Pour ce faire, selon l'invention, on recourt à des dispositions qui autorisent simultanément un fort débit, ce que permet un tube de diamètre important, et un couplage optimal, c'est-à-dire un T.O.S. (Taux d'Ondes Stationnaires) peu différent de l'unité.
Une première disposition consiste à munir l'antenne d'une barre capacitive de sorte que celle-ci voit sa longueur effective augmentée, le diamètre important du tube plasmagene limitant la pénétration de l'antenne dans la cavité.
Une deuxième disposition consiste à placer un filtre de mode dans la cavité. Le but de ce filtre est d'éviter le développement du mode fondamental TE-,., de la cavité, mode non désiré dans cette application.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on utilise en outre des "pièges" à ondes évanescentes pour éviter les fuites de micro-ondes.
L'invention a donc pour objet un dispositif de production d'un plasma comprenant une cavité résonante délimitée par une paroi extérieure métallique et traversée par un tube de décharge dans lequel circule en service un gaz plasmagene, un générateur de micro-ondes et des moyens de transport des micro-ondes, entre la sortie du générateur et l'intérieur de la cavité, ces moyens de transport des micro-ondes comprenant un guide d'ondes et une antenne en forme de tige métallique s'étendant suivant une direction déterminée entre l'intérieur du guide d'ondes et l'intérieur de la cavité, caractérisé en ce que ledit tube à décharge a un diamètre intérieur supérieur ou égal à la demi-longueur d'onde desdites micro-ondes, longueur d'onde telle que mesurée dans des conditions de propagation isotrope, en ce que ladite antenne en forme de tige métallique comporte des moyens pour en augmenter la longueur effective et en ce qu'il comprend des moyens disposés à l'intérieur de la cavité résonante pour empêcher l'établissement en son sein, du mode fondamental de résonance TE1 L propre à cette cavité. Par les dispositions adoptées, l'invention présente de nombreux avantages dont quelques-uns ont déjà été évoqués.
Le diamètre important du tube plasmagene permet un fort débit.
Ces dispositions permettent également un grand volume de génération du plasma, donnant un temps de contact [espèce-champ électromagnétique] élevé.
L'augmentation de la longueur effective de l'antenne permet un bon couplage, le diamètre important du tube plasmagene limitant la pénétration de l'antenne dans la cavité.
En outre, le dispositif de l'invention conserve intégralement les avantages offerts par le dispositif selon la demande de brevet français FR-A-2 665 323 précité. Notamment le réglage du T.O.S. est obtenu à l'aide d'un organe unique, en l'occurrence grâce à une molette filetée.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui suit en regard des figures annexées et parmi lesquelles:
- la figure 1 est une vue en coupe, suivant une direction x-x', d'un dispositif selon une variante préférée de l'invention;
- la figure 2 est une vue en coupe partielle, suivant une direction orthogonale à la direction x-x', du même dispositif;
- la figure 3 illustre schématiquement un filtre entrant dans la réalisation du dispositif selon
1 ' invention;
- les figures 4 et 5 sont des diagrammes relatifs à certains gaz plasmagenes pouvant être utilisés dans le cadre de l'invention. Dans ce qui suit, pour fixer les idées, il sera supposé, dans un premier temps, que le gaz plasmagene est de l'azote et que la fréquence des micro-ondes utilisées est de 2450 MHz. Il va de soi que d'autres gaz sont utilisables et que l'on peut sélectionner d'autres fréquences. Des exemples en seront donnés ultérieurement. Comme il a été précédemment indiqué, le dispositif selon l'invention, outre les dispositions qui lui sont propres, reprend les principales caractéristiques enseignées par la demande de brevet français FR-A-2 665 323 précitée et en conserve les avantages. On pourra se reporter avec profit à cette demande de brevet pour une description détaillée de ce dispositif.
Le dispositif de l'invention va maintenant être décrit par référence aux figures 1 et 2 qui illustrent un exemple de réalisation selon un mode préféré. Le dispositif conforme à la présente invention comporte une cavité résonante 1 délimitée par une paroi extérieure métallique 10. Un tube cylindrique en quartz 2, dit tube de décharge, traverse la cavité 1 selon un axe x-x'. Le gaz plasmagene s'écoule dans le tube 2 dans le sens indiqué par les flèches F. Ce sens pourrait d'ailleurs être inversé sans perdre les effets recherchés par l'invention.
La paroi extérieure 10 de la cavité 1 a une forme cylindrique dans l'exemple illustré. Elle définit, à l'intérieur de la cavité 1, une surface périphérique 11 de révolution autour de l'axe x-x' du tube de décharge 2 et deux surfaces transversales 12 , comportant deux orifices 14, 15, prévus pour laisser passer le tube de décharge 2. Des conduits 18 débouchant dans la surface périphérique 11 de la cavité sont reliés à un dispositif, non représenté, destiné à faire circuler de l'air comprimé dans la cavité 1 afin de refroidir la cavité 1 et le tube de décharge 2 en fonctionnement. Un générateur de micro-ondes 3 délivre des micro-ondes de fréquence prédéterminée, par exemple de fréquence f = 2450 MHz. Le générateur 3 peut être un générateur usuel à magnétron.
Un guide d'ondes 4 et une antenne 5 comprenant une tige 50 assurent le transport des micro-ondes entre la sortie du générateur 3 et l'intérieur de la cavité 1. Le guide d'ondes 4 s'étend dans une direction z-z ' représentée en traits mixtes à la figure 2 et présente une section rectangulaire définie par quatre surfaces. Il est fixé au générateur 3 par des vis (non représentées) traversant des trous 44 prévus sur une embase 45. Bien entendu, le guide d'ondes 4 est dimensionné, de façon classique, en fonction de la longueur d'onde des micro¬ ondes à transmettre.
Ces dispositions d'ordre constructionnel sont, en grande partie, semblables à celles enseignées par la demande de brevet précitée.
Les dispositions propres à 1'invention vont maintenant être décrites.
Une des caractéristiques essentielles de l'invention est de mettre en oeuvre un tube plasmagene 2 de fort diamètre. Ce tube va permettre un débit important. A titre d'exemple non limitatif, le diamètre extérieur du tube pourra être choisi égal à 60 mm environ. De façon plus générale, le diamètre du tube doit être de l'ordre ou supérieur à la demi-longueur d'onde des micro-ondes excitatrices. Cependant, il doit bien être entendu que cette longueur d'onde n'est pas celle que l'on peut mesurer à l'intérieur de la cavité 1 mais elle sera définie comme celle mesurée dans des conditions de propagation isotrope.
Comme il a été signalé auparavant, une des fréquences usuelles utilisées dans les générateurs de micro-ondes est la fréquence 2450 MHz, ce qui constitue un quasi-standard. Cette fréquence est donc relativement élevée. Cependant, même si l'on utilise des fréquences plus basses, comme il sera indiqué ultérieurement, le diamètre important sélectionné pour le tube plasmagene interdit alors un couplage optimum car cette disposition limite la pénétration de l'antenne dans la cavité 1.
Selon une autre caractéristique importante, on munit 1 'antenne 5 de moyens permettant d'en augmenter la longueur effective. Dans une variante préférée de réalisation, on dispose sur l'extrémité de la tige 50 de l'antenne 5, proche de la cavité 1, une barrette métallique capacitive 6. Cette barrette métallique 6 est disposée à angle droit avec la tige 50 et s'étend parallèlement à l'axe x-x'. Dans les conditions précédemment indiquées (fréquence égale à 2450 MHz notamment) , la barrette à des dimensions typiques de 10 mm de large, 3 mm d'épaisseur et une longueur d'environ /2. Elle est réalisée en un métal qui peut être choisi parmi les suivants: cuivre, laiton, etc.
Cette disposition augmente artificiellement la hauteur de l'antenne 5. Celle-ci n'a donc plus besoin de pénétrer profondément dans la cavité pour assurer un bon couplage énergétique.
Le guide d'onde 4 et la cavité 1 sont munis d'orifices, respectivement 46 et 16 pour aménager un couplage entre ces deux organes, via un tube intermédiaire 47, laissant passer la tige 50 de l'antenne 5.
On doit veiller également à ce que ne se développe pas au sein de la cavité 1 le mode fondamental de résonance TE***^ visé. Pour ce faire, selon une autre disposition adoptée par l'invention, on insère un élément dans la cavité évitant l'établissement de ce mode. Dans une variante de réalisation préférée, on dispose un "piège" ou filtre de mode 7. Celui-ci peut être constitué par une bague en métal 70, par exemple du laiton. Celle- ci est à son tour entourée, dans l'exemple illustré, par une bague 71 en matériau isolant, par exemple du Téflon. Pour maintenir cet ensemble au centre de la cavité résonante 1, par rapport aux parois latérales 12 et 13, on peut utiliser des pattes de calage 72, également en Téflon. Dans l'exemple illustré, on a utilisé trois pattes, régulièrement réparties, à 120°.
Ces dispositions permettent en combinaison, d'assurer à la fois un grand volume de génération du plasma, donnant un temps de contact [espèce-champ électromagnétique] élevé. Elles assurent par ailleurs une bonne homogénéisation. Le non-confinement du plasma permet d'éviter les problèmes de fusion du tube plasmagene sous puissance importante.
Des tests ont montré que l'on pouvait faire fonctionner le coupleur selon 1 ' invention pour des puissances égales ou supérieures à 6 KW.
On peut encore améliorer le couplage et parfaire le fonctionnement du dispositif selon l'invention en adoptant une disposition supplémentaire. On place, de part et d'autre du "piège" central 7 éliminant le mode fondamental, des "pièges" latéraux 8 et 8' à ondes évanescentes ; évitant ainsi l'évasion des micro-ondes.
Ces "pièges" peuvent être constitués par des cylindres en métal entourant le tube plasmagene. Dans l'exemple illustré par la figure 1, la cavité 1 est prolongée selon l'axe x-x', par deux manchons latéraux entourant le tube plasmagene 2, à partir des orifices 14 et 15.
En réalité, toujours dans l'exemple illustré, les parois 12 et 13 terminant la cavité 1 font partie intégrante des pièces constituant les pièges latéraux. Mais ce n'est là qu'un choix purement technologique qui ne limite en rien la portée de l'invention. La cavité résonante 1 va être constitué dans ce cas par un simple tube 10 aux extrémités duquel vont être fixées, par tout moyen convenable (vis, etc.), les parois 12 et 13 des deux pièges latéraux. Ces parois ferment la cavité 1.
Des améliorations supplémentaires peuvent être apportées au dispositif de l'invention. La première amélioration possible consiste à dorer tout ou partie des pièces véhiculant des courants haute fréquence pour limiter les pertes par effet de peau. Ce sont notamment les surfaces internes de la cavité 1: 11 à 13; du guide d'onde 4: 40 à 43; du tube 47: 470; la surface interne 48 du puits de l'antenne 5 et la surface de la tige 50 de celle-ci: 51.
La seconde amélioration possible consiste à refroidir le corps de la cavité résonante. Diverses méthodes sont communément utilisées dans l'Art Connu, en particulier on peut la munir d'ailettes extérieures de refroidissement, faire circuler du fluide réfrigérant sur la paroi externe 17 de la cavité 1, pour évacuer les calories, etc., notamment si on vise de fortes puissances en continu.
Enfin, le dispositif de l'invention, dans sa version de réalisation préférée, présente également l'avantage de pouvoir régler le TOS à l'aide d'un moyen unique, à savoir un bouton fileté 9. Cet organe est analogue à celui décrit dans la demande de brevet précitée et il est inutile de le redétailler. Pour éviter la rotation de la barrette 6 lors du réglage de l'accord par la vis 9, on prévoit avantageusement un système de transmission du mouvement rotatif en mouvement de translation.
Le réglage de l'antenne 5 par coulissement le long de son axe y-y' permet d'accorder la cavité résonante. Cet accord consiste à minimiser le taux d'ondes stationnaires TOS, défini par la formule:
PR [TOS - 1]2 (1)
Pj [TOS + l]2 formule dans laquelle PR désigne la puissance réfléchie par le plasma et Pj la puissance incidente de sortie du générateur. La puissance réfléchie est la puissance qui n'est pas transmise au plasma. Dans la présente invention, le coulissement de l'antenne 5 modifie la géométrie des lignes de champ à l'intérieur de la cavité 1, car il modifie la longueur de pénétration de l'antenne 5 dans cette cavité. Une position optimale existe pour minimiser le TOS; l'accord consiste à rechercher cette position.
L'accord du coupleur par la molette 9 a bien entendu un caractère optionnel dans le cadre de la présente invention. Notamment, si le coupleur est destiné à une application unique, avec un seul gaz plasmagene, il peut être intéressant de supprimer le bouton de réglage 9. Le coupleur est, dans ce cas, accordé une fois pour toutes et le réglage ne peut pas être perdu.
Pour fixer les idées, on va indiquer à présent, sans que cela soit limitatif de la portée de l'invention, quelques-unes des valeurs numériques typiques importantes.
Bien entendu, le guide d'ondes 1 est dimensionné, de façon classique, en fonction de la longueur d'onde des micro-ondes à transmettre. Comme il a été indiqué, la longueur d'onde „ des micro-ondes dans le guide d'ondes 1 diffère de la longueur d'onde v des mêmes micro-ondes dans le vide.
La longueur du guide d'ondes 1, entre parois 12 et 13 est égale à . Le filtre de mode 7 est disposé à
/2 et l'axe y-y' de l'antenne 5 (perpendiculaire à x- g x') est situé à _/4 de la paroi 13 (dans l'exemple illustré) . Naturellement, il pourrait également s'agir de la paroi opposée 12. On suppose que le tube en quartz 2 a un diamètre extérieur de 60 mm et une épaisseur de paroi de 1,5 mm. La bague métallique 70 a une épaisseur de 5 mm. Il en est sensiblement de même pour la bague 71 et les pattes de maintien 72. Les "pièges" latéraux ont une longueur au moins égale à σ/4, entre les parois latérales respectives 12 et 13 de la cavité résonante 1 et leurs extrémités. Enfin, comme dans la demande de brevet français précité, l'extrémité de l'antenne 5, proche de la- molette de réglage 9, est disposée dans un puits de hauteur v/4, pour obtenir une impédance infinie et donc créer une paroi fictive au débouché de l'antenne 5 dans le guide 4.
Jusqu'à présent, il a été admis que le gaz plasmagene était de l'azote. Cependant divers gaz plasmagenes sont utilisables: parmi ceux-ci, outre l'azote, on peut utiliser, sans que cela soit limitatif, l'air, l'hélium, l'argon, l'oxygène, l'hydrogène, l'ammoniaque, l'oxyde de soufre ou tout mélange gazeux.
La Demanderesse a procédé à des expériences avec un dispositif conforme à l'invention.
Les résultats obtenus avec l'azote, l'hélium, l'argon et l'air sont indiqués dans ce qui suit, dans diverses conditions de pressions et de puissances incidentes.
1. Pour l'azote et l'air: a) A 10 hPa, quelle que soit la puissance incidente comprise entre 1 et 6 kW, la puissance réfléchie est constante et sensiblement égale à 50 W. b) A la pression atmosphérique (#1013 hPa) , quelle que soit la puissance incidente comprise entre 1 et 6 kW, la puissance réfléchie n'excède pas 650 W. 2. Pour l'hélium et l'argon, les résultats sont plus complexes et sont donnés par les courbes des figures 4 et 5, respectivement.
On constate, pour des puissances incidentes supérieures à 1 à 2 kW, que la puissance réfléchie augmente très vite, ce d'autant plus que la pression est faible. En outre, cet effet est plus marqué pour l'hélium. En conclusion, cette cavité est particulièrement adaptée pour l'azote ou l'air pour toute pression inférieure ou égale à la pression atmosphérique, et pour les gaz mono-atomique pour des pression supérieures à lOhPa. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus en référence aux dessins.
On a fait référence à la valeur de fréquence de 2450 MHz pour les micro-ondes utilisées. Cette fréquence correspond à une norme imposée dans un certain nombre de pays. Il va de soi que l'invention peut être mise en oeuvre pour d'autres valeurs normatives (comme par exemple 915 MHz, 896 MHz ou 433 MHz) ou pour toute valeur dans la gamme des hyperfréquences. Le dimensionnement des composants du dispositif est proportionnel à la longueur d'onde du rayonnement micro-ondes et constitue une opération d'exécution habituelle pour l'homme du métier de la technique concernée.
Il est bien entendu que la décharge produite par le coupleur selon l'invention peut servir à former un plasma de composition chimique quelconque. Les applications préférées de l'invention sont celles nécessitant des plasmas très énergétiques, telles que celles où on exploite les propriétés des plasmas de post- décharge avec un volume utile important.
A titre d'exemple non limitatif, on peut citer comme application particulièrement intéressante du dispositif de l'invention, la génération de plasma pour le traitement de surface, le plasma généré étant pompé en permanence dans une enceinte de grande dimension ou réacteur, celle-ci contenant des pièces à traiter. Le dispositif de l'invention permettant un haut débit et la production d'un plasma stable et homogène, est donc particulièrement bien adapté pour cette application. On peut également citer les dépôts ou polymérisation assistés par plasma par adjonction de tout gaz en aval de la décharge : méthode dite P.D.P.E.C.V.D (de l'anglo-saxon "Poεt Décharge Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition") .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de production d'un plasma comprenant une cavité résonante (1) délimitée par une paroi métallique (11, 12, 13) et traversée par un tube de décharge (2) dans lequel circule en service un gaz plasmagene, un générateur de micro-ondes (3) et des moyens de transport des micro-ondes (4, 5) , entre la sortie du générateur (3) et l'intérieur de la cavité (1) , ces moyens de transport des micro-ondes comprenant un guide d'ondes (4) et une antenne (5) en forme de tige métallique (50) s'étendant suivant une direction déterminée (y-y1) entre l'intérieur du guide d'ondes (4) et l'intérieur de la cavité (l) , caractérisé en ce que ledit tube à décharge (2) a un diamètre intérieur supérieur ou égal à la demi-longueur d'onde desdites micro-ondes, longueur d'onde telle que mesurée dans des conditions de propagation isotrope, en ce que ladite antenne (5) en forme de tige métallique (50) comporte des moyens (6) pour en augmenter la longueur effective et en ce qu'il comprend des moyens (7) disposés à l'intérieur de la cavité résonante (1) pour empêcher l'établissement, en son sein, du mode fondamental de résonance TE1;L propre à cette cavité (1) .
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite cavité résonante (1) a une forme cylindrique, limitée par deux parois latérales
(12, 13) distantes d'une longueur d'onde ( ) telle que mesurée à l'intérieur de cette cavité (1) , d'axe de symétrie (x-x') orthogonal à ladite direction déterminée (y-y1) et en ce que cette direction déterminée est distante d'un quart de longueur d'onde
( ) d'une des parois (13) de la cavité (1) , telle que y mesurée à l'intérieur de celle-ci.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesditε moyens pour augmenter la hauteur effective de l'antenne (5) comprennent une barre capacitive (6) disposée suivant une direction (x- x') orthogonale à ladite direction déterminée (y-y1) de la tige (50) de l'antenne.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite barre (6) est un barreau métallique parallelepipedique dont la grande dimension est orthogonale à ladite direction déterminée (y-y') de la tige (50) de l'antenne (5).
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (7) pour empêcher l'établissement du mode fondamental de résonance (TE1;L) comprennent un anneau métallique (70) entourant le tube de décharge (2) et disposé au centre de la cavité résonante (1) .
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (8, 8') disposés de part et d'autre de la cavité résonante (1) , pour éviter la fuite d'ondes évanescentes.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour éviter la fuite d'ondes évanescentes comprennent deux manchons métalliques (8, 8') , chaque manchon étant enfilé sur le tube à décharge (2) , de part et d'autre de la cavité résonante (1) et la prolongeant d'une distance au moins égale au quart de la longueur d'onde ( ) telle que mesurée à l'intérieur de la cavité (1).
8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite antenne (5) est montée coulissante suivant ladite direction déterminée (y-y') pour permettre de régler sa longueur de pénétration à l'intérieur de la cavité (1) .
9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ledit coulissement est obtenu à l'aide de moyens unique de réglage comprenant une molette filetée (9) .
10. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au moins une des surfaces (11, 12, 13, 40 à 43, 470, 51, 48) en contact avec les micro-ondes, lorsque le dispositif est en fonctionnement, comporte une dorure.
11. Dispositif selon l'une des quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (16) pour refroidir la cavité (1) et/ou le tube de décharge (2) en fonctionnement.
12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens pour refroidir la cavité (1) comprennent un circuit de refroidissement destiné à la circulation d'un fluide réfrigérant.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement est en contact avec la paroi extérieure (17) de la cavité (1) .
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 , caractérisé en ce que le gaz plasmagene est choisi parmi les suivants: mono, di ou polyatomiques.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la fréquence des micro-ondes est choisie égale à l'une des fréquences microondes industrielles 2450 MHz, 915 MHz et 896 MHz.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que le diamètre externe du tube de décharge (2) est choisi sensiblement égal à 60 mm.
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