élémentaires intégrés

L'invention concerne un dispositif de production d'un plasma. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de production d'un plasma comprenant des générateurs élémentaires de plasma. Les générateurs élémentaires peuvent être utilisés de manière unitaire ou en association.

Les applications des générateurs de plasma élémentaires utilisés en association ou de manière unitaire concernent essentiellement les traitements de surface tels que le nettoyage, la stérilisation, la gravure, les dépôts, les faisceaux d'ions étendus pour les traitements de surface spécifiques tels que l'érosion ionique ou la pulvérisation par faisceaux d'ions, l'éclairage, les propulseurs ioniques et les sources d'ions.

Quel que soit le type d'application, il est indispensable, d'une part, de générer un plasma homogène quelle que soit l'étendue du plasma, et, d'autre part, de disposer d'un générateur de plasma élémentaire compact.

Différentes solutions sont proposées dans l'état de la technique pour améliorer l'homogénéité du plasma.

Le document FR 2671931 concerne un dispositif adapté pour assurer la propagation et la répartition de l'énergie micro-onde avec un minimum de pertes sur toute la longueur de la zone de résonance cyclotronique électronique, de manière à obtenir une puissance micro-onde maximale autorisant une densité de plasma pratiquement constante.

Ce dispositif de répartition de l'énergie micro-onde pour l'excitation d'un plasma à l'intérieur d'une enceinte comporte, d'une part, au moins un applicateur d'une énergie dans la domaine des micro-ondes, et, d'autre part, au moins un couple d'aimants permanents créant chacun une surface à champ magnétique constant et d'intensité correspondant à la résonance cyclotronique électronique, ces aimants de polarités opposées étant espacés pour définir une surface de confinement du plasma qui délimite, avec une partie de la paroi de l'enceinte, une zone inter-aimants.

Les applicateurs sont placés chacun à l'intérieur d'une zone inter-aimants en s'étendant en relation de distance de la surface de confinement et de la paroi de l'enceinte tout en étant positionnés en dehors de la surface à champ magnétique constant et d'intensité correspondant à la résonance cyclotronique électronique de manière à assurer le confinement et la propagation de l'énergie micro-onde entre la paroi et l'applicateur, en dehors de la surface. Le dispositif assure ainsi la propagation de l'énergie micro- onde dans une zone où les conditions d'excitation du plasma ne sont pas réunis. Dans un mode de réalisation, des applicateurs filaires sont positionnés à proximité de la surface à champ magnétique constant et d'intensité correspondant à la résonance cyclotronique électronique. La mise en œuvre des applicateurs filaires permet de coupler latéralement sur ceux-ci l'énergie micro-onde propagée par les applicateurs.

Ce mode de réalisation permet de découpler la fonction de propagation de l'énergie micro-onde assurée par les applicateurs et la fonction excitatrice du plasma à la résonance cyclotronique électronique assurée par les applicateurs filaires. Le dispositif de répartition de l'énergie micro-onde permet d'obtenir une excitation uniforme du plasma sur de grandes longueurs et permet l'injection de l'énergie micro-onde en tout point de l'applicateur.

L'inconvénient de ce dispositif est que les zones sur lesquelles le champ magnétique est maximum et les zones de résonance cyclotronique électronique ou RCE sont différentes. Pour exciter le plasma, il est nécessaire d'augmenter l'intensité du champ magnétique pour étendre la zone de résonance.

Le document FR 27021 19 propose une première amélioration. Il divulgue un dispositif de production de plasma visant à obtenir une intensité maximale du champ magnétique statique et du champ électrique micro-onde à la surface de l'applicateur. Le dispositif d'excitation d'un plasma comporte au moins un applicateur filaire conducteur électrique alimenté à une de ses extrémités par une source d'énergie dans le domaine des micro-ondes et des moyens pour créer au moins une surface à champ magnétique constant et d'intensité correspondant à la résonance cyclotronique, cette surface s'étendant sur au moins une partie de la longueur de l'applicateur. L'applicateur filaire comporte des moyens de création d'un champ magnétique à sa surface de manière à constituer à la fois un applicateur d'un champ électrique microonde et d'un champ magnétique statique.

Le document FR 2726729 présente une alternative au brevet FR 27021 19. Il concerne un dispositif de production de plasma adapté pour permettre une augmentation de la puissance micro-onde, sans limitation purement physique, permettant d'accroître simultanément la densité du plasma.

Le dispositif de distribution de puissance micro-onde comprend une source d'énergie micro-onde, au moins un premier applicateur d'une énergie microonde et au moins un excitateur du plasma placé à distance du premier applicateur micro-onde pour délimiter entre eux une zone d'absorption, les électrons étant accélérés par le champ électrique micro-ondes selon des trajectoires déterminées. Le dispositif de distribution comprend au moins un deuxième applicateur de l'énergie micro-onde pour former, avec un premier applicateur et un excitateur, au moins un triplet d'excitation dans lequel, d'une part, le premier applicateur et le deuxième applicateur sont écartés l'un de l'autre d'une mesure donnée pour délimiter entre eux une zone de propagation de l'énergie micro-onde, et, d'autre part, l'excitateur est placé par rapport au premier et au deuxième applicateur, afin que les trajectoires des électrons ne traversent pas la zone de propagation permettant d'obtenir une dissociation entre les zones de propagation et les zones d'absorption.

Le document FR 2726729 utilise des ondes stationnaires pour exciter des plasmas uniformes à la résonance cyclotronique électronique. Or, l'établissement des ondes stationnaires est contrôlé par l'adjonction de propagateurs filaires auprès de l'applicateur des micro-ondes disposés en dehors de la zone d'absorption des micro-ondes à la résonance cyclotronique électronique. La propagation des micro-ondes sous forme d'ondes stationnaires présentent la difficulté d'obtenir une amplitude constante, notamment pour une longueur relativement importante de l'applicateur micro-ondes.

Le document FR9910291 vise à proposer un procédé de production d'un plasma uniforme en relation d'une surface d'utilisation de forme plane ou courbe. Le procédé consiste à :

- constituer une série de dispositifs élémentaires d'excitation de plasma comprenant chacun un applicateur d'une énergie micro-onde dont une des extrémités est reliée à une source de production d'énergie micro-onde et l'autre extrémité est équipée d'au moins un dipôle magnétique en tant que moyen pour créer au moins une surface à champ magnétique constant et d'intensité correspondant à la résonance cyclotronique électronique,

- monter le dipôle magnétique à l'extrémité de l'applicateur micro-onde, de manière à assurer l'oscillation entre les pôles des électrons accélérés à la résonance cyclotronique électronique afin de créer une zone de diffusion de plasma située au moins à l'opposé de l'extrémité de l'applicateur par rapport au dipôle,

- répartir des dispositifs élémentaires d'excitation de plasma entre eux et en relation de proximité de la surface d'utilisation, de manière à obtenir au moins une juxtaposition entre les plasmas produits par chaque dispositif élémentaire afin de créer un plasma uniforme.

Les dispositifs élémentaires peuvent être utilisés de manière unitaire ou distribué selon des réseaux à une, deux voire trois dimensions pour la production de sources étendues linéaires, planes ou à trois dimensions pour la production de plasma en volume.

Plus récemment, le brevet FR 2938150 divulgue un dispositif permettant de confiner un plasma dense de grande dimension depuis des pressions de 10 ^"1 Pa jusqu'à des pressions de 10 ² Pa, pressions auxquelles le confinement magnétique devient inefficace. On peut ainsi opérer dans un large domaine de pression, soit avec un couplage RCE, soit avec un couplage par absorption collisionnelle lorsque le champ magnétique devient inopérant, c'est-à-dire lorsque la fréquence des collisions élastiques devient grande devant la pulsation du champ électrique micro-onde égale à la pulsation électronique cyclotronique.

Les deux dernières solutions proposées semblent être une bonne approche pour générer un plasma homogène sur une grande surface et sur une large gamme de conditions opératoires.

La figure 1 illustre un schéma de principe d'un générateur de plasma étendu tel que décrit dans l'état de l'art.

Le générateur de plasma 1 comprend un unique générateur 2 de microondes, un diviseur de puissance 3 distribuant la puissance micro-onde à une pluralité de générateurs élémentaires 1 a. Un générateur élémentaire 1 a comprend un circulateur 4 associé à une charge adaptée 5 incluant un dispositif de mesure de la puissance réfléchie, une ligne de transmission coaxiale 6, un adaptateur d'impédance 7 et un applicateur 8 permettant la propagation de l'onde électromagnétique et comprenant à son extrémité débouchant dans l'enceinte une fenêtre 9 étanche au vide. Le générateur de micro-onde 2 comprend un élément amplificateur 2a de micro-ondes et un circulateur 2b de puissance disposé entre la sortie de l'amplificateur 2a et le diviseur de puissance 3. Cette configuration nécessite l'utilisation de deux éléments de protection : un premier circulateur est nécessaire pour protéger le générateur de micro-ondes, dans le cas d'une mauvaise connexion de l'une des voies ou de la formation d'arcs électrique dans le diviseur, et un deuxième élément de protection pour chaque applicateur afin d'éviter le retour de la puissance réfléchie dans le diviseur en guide d'onde pouvant entraîner son disfonctionnement. On entend par « diviseur de puissance » 3 un dispositif possédant au moins trois accès, une entrée et au moins deux sorties qui distribue la puissance micro-onde produite par le générateur de micro-ondes 2 aux applicateurs de puissance micro-onde 8.

On entend par « isolateur » un composant permettant de transmettre parfaitement le signal dans un sens alors qu'il l'atténue infiniment dans l'autre sens. L'isolateur est un circulateur dont l'un des ports est chargé par une impédance égale à l'impédance caractéristique de la ligne coaxiale. Il protège le générateur contre la puissance réfléchie.

On entend par « adaptateur d'impédance » 7 un dispositif qui permet d'adapter l'impédance de sortie du générateur de micro-ondes 2 à l'impédance du plasma de manière à obtenir un transfert optimal de la puissance micro-onde.

On entend par « applicateur d'énergie micro-onde » 8 un dispositif visant à assurer la propagation de l'onde électromagnétique depuis le générateur de micro-ondes 2 jusqu'à l'intérieur de l'enceinte sous vide avec un minimum de perte de puissance. Un applicateur d'énergie micro-onde comprend une portion de ligne coaxiale.

En l'espèce, le générateur de plasma 1 est connecté à un générateur de courant continu ou alternatif, non représenté sur la figure 1 , via le générateur de micro-ondes 2. L'alimentation en courant continu peut être une pile ou une batterie. Alternativement, l'alimentation en courant alternatif est réalisée à partir d'un réseau électrique, le générateur de micro-ondes 2 est alors associé à un convertisseur de courant alternatif en courant continu.

Le générateur 2 de micro-ondes est connecté à un diviseur de puissance 3 qui distribue la puissance micro-onde aux différents applicateurs micro- onde 8. Le circulateur 4 est associé à chaque applicateur 8, il permet de protéger le générateur de micro-ondes 2 en évitant le retour de la puissance réfléchie. Le circulateur 4 est ensuite connecté à un adaptateur d'impédance 7 via une ligne de transmission coaxiale 6. La succession de connexions entre le générateur de micro-ondes 2 et l'applicateur d'énergie micro-onde 8 ainsi que la longueur des lignes engendrent des pertes de puissances non négligeables.

En l'espèce, l'applicateur d'énergie micro-onde 8 comprend une fenêtre 9 RF étanche au vide comprenant un matériau diélectrique.

Une opération de maintenance à effectuer sur un générateur de plasma étendu 1 conçu selon cette technologie nécessite l'arrêt complet du générateur.

La figure 2 représente un schéma d'un adaptateur d'impédance 7, selon l'art connu.

En l'espèce, l'adaptateur 7 comprend deux coulisseaux d'adaptation 7a, chacun des coulisseaux étant mobile en translation et comprenant un matériau diélectrique tel que le polytétrafluoroéthylène ou PTFE. Les coulisseaux 7a ont une longueur de λ/4 avec λ = λ ₀ / (£R(PTFE)) ^1/2 , où £R(PTFE) est la permittivité relative du PTFE et λ ₀ la longueur d'onde dans le vide ou dans l'air des micro-ondes générées par le générateur de micro-ondes 2. Ces deux coulisseaux 7a coulissent sur une ligne de transmission de longueur supérieure à λ/2, dont le matériau diélectrique est de l'air. En l'espèce, l'adaptateur d'impédance 7 est connecté à un applicateur de puissance micro-onde 8 via une ligne de transmission coaxiale 6, l'applicateur de puissance micro-onde 8 débouchant à l'intérieur de l'enceinte 12 sous vide ou à pression réduite lorsque le plasma est allumé. L'extrémité de l'applicateur 8 comprenant un matériau diélectrique constituant une fenêtre étanche au vide 9 apportant une protection supplémentaire au générateur de micro-ondes.

Ce type d'adaptateur d'impédance est bien adapté pour des fréquences de micro-ondes élevées au-delà du gigahertz (GHz).

Dans ces domaines de fréquences, les dimensions des éléments d'adaptation en λ/4 restent acceptables. Par exemple à 2,45 GHz, la longueur d'un coulisseau en PTFE quart d'onde est de 2,1 cm. Par contre pour une fréquence de 300 MHz, la longueur du coulisseau quart d'onde en PTFE est de 17,1 cm.

Les applications de sources étendues de plasma nécessitent suivant la densité de plasma recherchée, de l'ordre de 50 à 100 générateurs élémentaires 1 a par mètre carré. L'utilisation de ces adaptateurs d'impédance génère donc des problèmes d'encombrement.

Pour résumer, un générateur de plasma étendu selon ce type de conception présente des problèmes de maintenance, de perte de puissance par insertion et d'encombrement liés au nombre élevé de composants mis en œuvre. Chacune des sources élémentaires est alimentée en micro-ondes, les puissances micro-onde pouvant varier de 1 W ou moins à plusieurs centaines de watts. La puissance micro-onde est générée par un générateur de micro-ondes 2 puis distribuée aux différentes sources élémentaires via un diviseur de puissance 3.

Il est possible de moduler la puissance micro-onde par désadaptation d'une ou plusieurs sources, ce qui engendre des pertes de puissance par insertion. Par ailleurs, le transport des micro-ondes nécessite l'utilisation de câbles coaxiaux semi-rigides qui pose rapidement des difficultés d'agencement et d'encombrement du générateur de plasma 1 . De plus, les longueurs de ligne engendrent des pertes de puissance en raison de la fréquence élevée des micro-ondes.

En outre, les connexions successives entre le générateur de micro-ondes et l'applicateur engendrent des pertes de puissance micro-onde non négligeables qui affectent la puissance effective transmise pour l'allumage d'un plasma.

Dans ce contexte l'invention propose une solution permettant de pallier les inconvénients cités.

Selon un aspect de l'invention, il est proposé un générateur d'un plasma dans une enceinte sous vide comprenant au moins un générateur élémentaire débouchant dans l'enceinte, le générateur élémentaire comprenant : un générateur de micro-ondes, un adaptateur d'impédance s'étendant selon une direction coaxiale, l'adaptateur étant configuré pour adapter l'impédance du plasma à l'impédance du générateur de micro-ondes et pour assurer la protection du générateur de micro-ondes, le générateur de micro-ondes étant situé dans le prolongement de l'adaptateur et connecté directement à l'adaptateur.

L'utilisation de générateurs élémentaires permet de générer un plasma étendu et homogène. Par ailleurs, ils permettent une miniaturisation des dispositifs, ce qui facilite la maintenance de tels générateurs de plasma.

Selon un premier mode de réalisation, l'adaptateur est connecté à une première extrémité au générateur de micro-ondes et à une deuxième extrémité à l'enceinte sous vide, l'adaptateur comprenant :

- un tronçon de ligne coaxiale s'étendant selon une direction coaxiale et un coulisseau conducteur mobile en translation selon la direction coaxiale à l'intérieur du tronçon de ligne coaxiale, une première distance entre le coulisseau et la deuxième extrémité permettant de faire varier la composante inductive de l'adaptateur d'impédance.

Les générateurs élémentaires selon l'invention ne nécessitent qu'un seul élément de protection puisque l'adaptateur d'impédance intégré au générateur élémentaire garantit pour chaque générateur élémentaire un fonctionnement à l'impédance de travail du générateur. L'utilisation de ce type d'adaptateur d'impédance permet une miniaturisation des générateurs élémentaires. Cette configuration permet un gain de coût par rapport à l'art antérieur mais surtout un gain de compacité.

Éventuellement, l'adaptateur comprend en outre une fenêtre isolante disposée à proximité de la deuxième extrémité. Cette fenêtre permet d'isoler l'enceinte sous vide ou sous pression réduite. Avantageusement, le tronçon de ligne coaxiale comprend une âme centrale conductrice s'étendant selon la direction coaxiale, un premier milieu électriquement isolant entourant l'âme centrale et un blindage conducteur externe entourant le premier milieu électriquement isolant, une deuxième distance selon une direction transverse à la direction coaxiale entre une paroi externe de l'âme centrale et une paroi interne du blindage étant variable entre les deux extrémités du tronçon de ligne coaxiale. En variante, le blindage comprend au moins une portion tronconique s'étendant selon la direction coaxiale. Ce mode de réalisation permet de moduler une composante capacitive de l'adaptateur.

Avantageusement, une longueur du coulisseau selon la direction coaxiale est inférieure à λ/4 avec λ = λ ₀ / (£R(I ₆ )) ^1/2 , où £R(I ₆ ) est la permittivité relative du premier milieu électriquement isolant et λ ₀ la longueur d'onde dans le vide ou dans l'air des micro-ondes générées par le générateur de micro-ondes. Avantageusement, la longueur de la fenêtre isolante selon la direction coaxiale est inférieure à λ/4 avec λ = λ ₀ / (£R( ₉ )) ^1/2 , où £R( ₉ ) est la permittivité relative du matériau de la fenêtre isolante et λ ₀ la longueur d'onde dans le vide ou dans l'air des micro-ondes générées par le générateur de microondes. Les faibles longueurs du coulisseau et de la fenêtre permettent de réaliser un générateur élémentaire compact.

Le premier milieu électriquement isolant est un fluide diélectrique ce qui permet avantageusement le refroidissement de l'adaptateur. Eventuellement, le fluide diélectrique facilite par lubrification le déplacement en translation selon la direction coaxiale du coulisseau.

Avantageusement, le coulisseau est relié à un doigt de manœuvre isolant débouchant dans une rainure de la paroi du blindage, la rainure s'étendant selon la direction coaxiale, le doigt de manœuvre étant destiné à être connecté à un système de déplacement selon la direction coaxiale. La fenêtre qui permet d'assurer l'étanchéité au vide, comprend un matériau diélectrique de permittivité diélectrique relative supérieure à la permittivité relative du premier milieu électriquement isolant.

Selon un autre mode de réalisation, l'adaptateur d'impédance comprend un tronçon de ligne coaxiale comprenant une âme centrale conductrice d'un premier diamètre, un premier milieu électriquement isolant de permittivité relative £R entourant l'âme centrale et un blindage conducteur d'un deuxième diamètre interne D entourant le premier milieu électriquement isolant, l'impédance de l'adaptateur dépendant du rapport de D par d et de £R( ₂ 3)- Le tronçon de l'adaptateur, qui permet d'assurer l'adaptation d'impédance, présente une longueur selon la direction coaxiale de λ/4, avec λ = λ ₀ / ( R(23)) ^{1 /2} , où £R(23) est la permittivité relative du premier milieu électriquement isolant et λ ₀ la longueur d'onde dans le vide ou dans l'air de l'onde produite par le générateur de micro-ondes. Ce mode de réalisation est privilégié lorsque l'adaptation d'impédance est constante. Il permet de réaliser un générateur élémentaire de plus petites dimensions.

Éventuellement, le générateur élémentaire comprend en outre un applicateur micro-onde disposé dans le prolongement du tronçon de ligne coaxiale de l'adaptateur selon la direction coaxiale et connecté directement au tronçon.

Avantageusement, l'applicateur micro-onde possède une extrémité débouchant à l'intérieur de l'enceinte et comprend une âme centrale, un deuxième matériau diélectrique entourant l'âme centrale et un blindage conducteur entourant le deuxième diélectrique. L'extrémité débouchant à l'intérieur de l'enceinte comprend des aimants annulaires ou cylindriques permanents de directions d'aimantation axiales ou radiales centrés sur l'âme centrale, les aimants annulaires ou cylindriques étant disposés de manière à générer un champ magnétique statique à symétrie azimutale par rapport à l'âme centrale. Éventuellement, un circulateur est disposé selon la direction coaxiale et connecté entre le générateur de micro-ondes et le tronçon de manière à protéger le générateur de micro-ondes.

Éventuellement, le générateur élémentaire comprend en outre des moyens de modulation de la puissance micro-onde. Avantageusement, les moyens de modulation sont asservis par un détecteur de présence de plasma, le détecteur étant situé sur l'extrémité de l'applicateur coaxial débouchant à l'intérieur de l'enceinte et permettant de contrôler l'allumage du plasma. Alternativement, les moyens de modulation sont asservis par un détecteur de puissance réfléchie situé entre le générateur de micro-ondes et l'applicateur coaxial.

Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un générateur de plasma comprenant une pluralité de générateurs élémentaires tels que décrit précédemment, chacun des générateurs élémentaires comprenant une alimentation en courant continu disposée selon la direction coaxiale et connectée directement au générateur de micro-ondes. Alternativement, chacun des générateurs élémentaires est connecté à un réseau électrique d'alimentation et comprend un convertisseur de courant alternatif en courant continu disposé dans le prolongement du générateur de micro-ondes et connecté directement au générateur de micro-ondes.

L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 , déjà décrite, représente un schéma de principe d'un générateur de plasma comprenant une pluralité de sources élémentaires, selon l'art connu, la figure 2, déjà décrite, représente un adaptateur d'impédance, selon l'art connu, la figure 3 représente un synoptique du générateur de plasma intégré, selon un aspect de l'invention,

- la figure 4 représente un tronçon de ligne coaxiale assurant l'adaptation de l'impédance de sortie du générateur de micro-ondes à l'impédance du plasma et la protection du générateur de micro-ondes, selon un aspect de l'invention,

- la figure 5 représente un tronçon de ligne coaxiale assurant l'adaptation de l'impédance de sortie du générateur de micro-ondes à l'impédance du plasma et la protection du générateur de micro-ondes, selon un autre aspect de l'invention,

- la figure 6 représente un générateur élémentaire, selon un aspect de l'invention.

La figure 3 représente un synoptique d'un générateur élémentaire 1 a de plasma selon l'invention. Il peut être subdivisé en quatre blocs fonctionnels A, B, C et D et deux blocs optionnels E et F.

Le premier bloc A correspond au système d'alimentation du générateur de plasma. Le bloc A d'alimentation comprend une source de courant alternatif associé à un convertisseur de courant alternatif en courant continu. Alternativement, le bloc A d'alimentation comprend une source de courant continu telle qu'une pile ou une batterie.

Le bloc B forme un générateur de micro-ondes 2 comprenant un oscillateur, un préamplificateur et un amplificateur. Un oscillateur est un système auto- entretenu capable de générer un signal temporellement périodique. Ce signal est caractérisé par une fréquence centrale exprimée en hertz (Hz). L'amplificateur est un quadripôle à la sortie duquel on recueille une puissance de sortie supérieure à celle d'entrée. La puissance délivrée par l'oscillateur est liée à la source d'alimentation continue et aux caractéristiques intrinsèques d'un cristal oscillateur. Le bloc C comprend un circulateur 4 protégeant le bloc B générateur de micro-ondes de la puissance réfléchie, notamment lorsque le plasma n'est pas amorcé.

Le bloc D comprend un adaptateur d'impédance comprenant un tronçon coaxial 7 assurant l'adaptation de l'impédance de sortie du générateur de micro-ondes 2 à l'impédance du plasma et un applicateur coaxial.

L'applicateur micro-onde 8 permet d'amener l'énergie micro-onde à l'intérieur de l'enceinte. Avantageusement, l'applicateur micro-onde 8 comprend à son extrémité des aimants permanents arrangés de manière à permettre différents types de couplage.

Avantageusement, le générateur élémentaire 1 a de plasma comprend un bloc E comprenant des moyens de moduler la puissance micro-onde. Les moyens de modulation de la puissance micro-onde peuvent intervenir à différents niveaux. Le courant délivré par le bloc A d'alimentation est transmis au bloc B générateur d'énergie 2 dans le domaine des micro-ondes. La puissance micro-onde générée par le bloc B générateur de micro-ondes 2 est transmise au bloc D via le bloc C comprenant un circulateur qui protège le générateur contre la puissance micro-onde réfléchie. Avantageusement, des moyens de modulation du bloc E de la puissance micro-onde sont asservis par une cellule photoélectrique, située dans un bloc F, permettant de contrôler l'allumage du plasma.

Le générateur de plasma 1 , non représenté sur la figure 3, comprenant au moins un générateur élémentaire 1 a tel que décrit précédemment présente l'avantage de ne pas utiliser de diviseur de puissance ce qui permet de moduler aisément la puissance micro-onde de chacun des générateurs élémentaires 1 a. De plus, l'intégration des différents éléments constitutifs d'un générateur de plasma limite l'encombrement et réduit les pertes de puissance engendrées par les différentes connexions et la longueur de ligne. La figure 4 représente un premier mode de réalisation d'un adaptateur d'impédance, selon un aspect de l'invention.

L'adaptateur d'impédance 10, selon l'invention, est destiné à être connecté en une première extrémité 1 1 a à un générateur de micro-ondes 2 et en sa deuxième extrémité 1 1 b à une enceinte sous vide 12, le générateur de micro-ondes 2 et l'enceinte 12 n'étant pas représentés sur la figure 4.

L'adaptateur d'impédance 1 0 comprend un tronçon de ligne coaxiale 13, s'étendant selon une direction coaxiale dcoax, à l'intérieur duquel un coulisseau conducteur 14 est mobile en translation. Le tronçon de ligne coaxiale 13 comprend une âme centrale conductrice 15, un premier milieu électriquement isolant 16, par exemple de l'air, entourant l'âme centrale 15 et un blindage conducteur 17 entourant le premier milieu électriquement isolant 16.

L'adaptation à réaliser est fonction de la puissance du générateur de micro- ondes 2, de la nature du gaz utilisé pour générer le plasma ou de la pression à l'intérieur de l'enceinte 12.

Une paroi interne 17a et une paroi externe 17b du blindage conducteur 17 présentent au moins une rainure 18, non visible sur la figure 4, de direction parallèle à la direction coaxiale dcoax permettant la manipulation du coulisseau 14.

Le milieu électriquement isolant 16 est un fluide diélectrique, pouvant être de l'air, un gaz, ou du vide, autrement dit, un gaz à une pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique. Alternativement, le matériau électriquement isolant 16 peut être un fluide diélectrique relativement visqueux permettant le refroidissement ou une lubrification des zones de frottement du coulisseau 14 avec l'âme centrale 15 ou le blindage 1 7 du tronçon de ligne coaxiale 13 ce qui facilite le déplacement du coulisseau 14 à l'intérieur du tronçon de ligne coaxiale 13. Le coulisseau 14 est un élément comprenant un matériau conducteur, de symétrie de révolution autour de l'âme centrale 15. Il est mobile en translation selon la direction coaxiale. Avantageusement, la longueur du coulisseau 14 selon la direction coaxiale est inférieure à un quart d'onde. En d'autres termes, la longueur du coulisseau 14 est inférieure à λ/4, avec λ = λ o / ( R(16)) ^{1 /2} , où £R(16) est la permittivité relative du premier milieu électriquement isolant 16 et λ ₀ la longueur d'onde dans le vide ou dans l'air de l'onde produite par le générateur de micro-ondes.

Une première distance d1 entre la deuxième extrémité 1 1 b du tronçon de ligne coaxiale 13 et le coulisseau 14 permet de régler une composante inductive L1 de l'adaptateur d'impédance 10.

Avantageusement, le coulisseau 14 est relié à un doigt de manœuvre isolant 19 débouchant dans la rainure 18 des parois 17a et 17b du blindage conducteur 17 et permettant le déplacement du coulisseau 14. Avantageusement, le doigt de manœuvre 19 est relié à un anneau isolant 19b entourant le coulisseau 14 et permettant de garantir une isolation entre le coulisseau 14 et le blindage conducteur 17 sur toute la longueur du tronçon de ligne 13. Une troisième distance d3 selon une direction transverse à la direction coaxiale dcoax entre la paroi externe 14b du coulisseau 14 et la paroi interne 17a du blindage conducteur externe 17 est supérieure à une valeur de seuil d3 _SEU N permettant ainsi d'isoler électriquement l'âme centrale conductrice 15 du blindage conducteur 17.

Dans le mode de réalisation décrit sur la figure 4, au moins une portion du tronçon de ligne coaxiale 13 présente des parois interne 17a et externe 17b du blindage conducteur 17 de forme tronconique. Bien évidemment, les parois 17a et 17b du blindage conducteur 17 peuvent présenter une forme tronconique sur toute la longueur du tronçon 13 selon la direction coaxiale dcoax. Alternativement, seule la paroi interne 17a du blindage conducteur 17 peut présenter au moins une portion de forme tronconique. La troisième distance d3 entre les parois externe 14b du coulisseau 14 et interne 17a du blindage conducteur 17, selon la direction transverse dtrans, dépend de la première distance d1 entre le coulisseau 14 et la deuxième extrémité 1 1 b du tronçon de ligne coaxiale 13. Selon une variante de ce premier mode de réalisation, non représentée sur les figures, le blindage conducteur 17 du tronçon de ligne coaxiale 13 présente au moins deux parties cylindriques, s'étendant selon la direction coaxiale dcoax, les au moins deux parties cylindriques ayant des diamètres différents et étant connectées entre elles par au moins un épaulement. La troisième distance d3 peut varier entre deux valeurs.

La troisième distance d3 entre les parois externes 14b du coulisseau 14 et les parois internes 17a du blindage conducteur externe 17 permet de régler une première composante capacitive C1 de l'adaptateur d'impédance 10 selon l'invention. Avantageusement, le tronçon de ligne coaxiale 13 comprend une fenêtre isolante 9 au niveau de la deuxième extrémité 1 1 b. La fenêtre est située entre les parois de l'âme centrale 15 et interne 17a du blindage conducteur 17. Avantageusement, la longueur de la fenêtre isolante 9, selon la direction coaxiale dcoax, est inférieure à un quart d'onde soit λ/4, avec λ = λ ₀ / (£R(9)) ^{1 /2} , où £R( ₉ ) est la permittivité relative du matériau de la fenêtre isolante 9 et λ ₀ la longueur d'onde dans le vide ou dans l'air de l'onde produite par le générateur de micro-ondes 2. Avantageusement, la permittivité diélectrique relative du matériau de la fenêtre isolante 9 est supérieure à la permittivité diélectrique relative du matériau diélectrique 16. La fenêtre isolante 9 correspond à une capacité fixe C2 de l'adaptateur d'impédance 10, cette capacité fixe C2 étant non réglable.

La fenêtre isolante 9 joue avantageusement le rôle de fenêtre étanche au vide lorsque l'adaptateur d'impédance 10 est utilisé entre un générateur de micro-ondes 2 et une enceinte à plasma 12. Le générateur de plasma 1 a utilisant un adaptateur d'impédance 10 selon l'invention peut être modélisé à l'aide d'un circuit électrique comprenant une composante inductive variable L1 , une composante capacitive variable C1 et une capacité fixe C2. Dans l'exemple décrit en figure 4, le tronçon de ligne coaxiale 13 comprend un partie cylindrique et une partie tronconique selon la direction coaxiale dcoax. La composante inductive variable L1 dépend de la première distance d1 selon la direction coaxiale dcoax entre le coulisseau 14 et la deuxième extrémité 1 1 b, la composante capacitive variable C2 dépend de la troisième distance d3 entre la paroi externe 14b du coulisseau 14 selon la direction transverse dtrans et la paroi interne 17a du blindage conducteur 17, la capacité fixe C2 correspondant à la capacité induite par la présence de la fenêtre isolante 9.

Sur la partie tronconique du tronçon de ligne coaxial 13, la deuxième distance d2 entre la paroi externe 14b du coulisseau 14 et interne 17a du blindage conducteur 17 selon la direction transverse dtrans est dépendante de la première distance d1 entre le coulisseau 14 et la deuxième extrémité 1 1 b du tronçon de ligne coaxiale 13. En d'autres termes, la composante capacitive C1 et la composante inductive L1 sont des paramètres variables, la capacité C1 étant dépendante de l'inductance L1 .

Sur la partie cylindrique du tronçon de ligne coaxiale 13, la troisième distance d3 est indépendante de la première distance d1 . En d'autres termes, il est possible de faire varier uniquement la valeur de la composante inductive L1 sans modifier la valeur de la composante capacitive variable C1 . Selon une variante, la paroi interne 17a et externe 17b du blindage sont cylindriques sur toute la longueur du tronçon de ligne 13 selon la direction coaxiale dcoax. Par contre, au moins une portion des parois de l'âme centrale 15 est de forme tronconique selon la direction coaxiale dcoax.

En variante, toute la longueur des parois de l'âme centrale 15 selon la direction coaxiale dcoax est de forme tronconique.

Le coulisseau 14 est de symétrie de révolution, il est avantageusement disposé à proximité de la paroi 17a interne du blindage 17. Comme précédemment, la première distance d1 entre le coulisseau 14 et la deuxième extrémité 1 1 b correspond à la composante inductive variable L1 de l'adaptateur d'impédance 10, la fenêtre isolante 9 constituant la capacité fixe C2. En l'espèce, la troisième distance d3 est comprise entre la paroi 14a interne selon la direction transverse dtrans du coulisseau 14 et la paroi de l'âme centrale 15.

Selon une autre variante, l'âme centrale 15 du tronçon de ligne coaxiale 13 présente au moins deux parties cylindriques, s'étendant selon la direction coaxiale dcoax, les au moins deux parties cylindriques ayant des diamètres différents. Les au moins deux parties cylindriques sont connectées entre elles par au moins un épaulement. La troisième distance d3 peut varier entre deux valeurs.

Le déplacement du coulisseau 14 peut être effectué manuellement ou automatiquement. Le déplacement automatique du coulisseau 14 peut être réalisé à l'aide d'un micromoteur, non représenté sur la figure 4. Avantageusement, le micromoteur est asservi en position permettant un déplacement rapide du coulisseau 14, et, par voie de conséquence, une adaptation rapide, typiquement de l'ordre de 50 à 100 ms.

Préférentiellement, le moteur mécanique asservi en position peut être remplacé par un dispositif électronique beaucoup plus rapide permettant un déplacement quasiment en temps réel, la vitesse de déplacement étant inférieure à la milliseconde.

Si les générateurs élémentaires 1 a sont disposés de manière linéaire ou matricielle, le micromoteur peut déplacer les coulisseaux de plusieurs tronçons de ligne coaxiale 13 simultanément.

Selon ces modes de réalisation, le dispositif d'adaptation 7 de l'impédance et la fenêtre diélectrique 9 étanche au vide sont rassemblés dans une pièce unique selon un tronçon de ligne coaxiale 13 de longueur λ/2, ce qui permet une miniaturisation du générateur élémentaire 1 a. Dans un autre mode de réalisation représenté en figure 5, l'adaptation est réalisée par un tronçon de ligne coaxiale 21 comprenant uniquement une partie fixe. Le tronçon comprend une âme centrale conductrice 22 d'un premier diamètre d, un milieu diélectrique 23 de permittivité diélectrique relative £R( ₂ 3) entourant l'âme centrale 22 et un blindage conducteur extérieur 24 d'un deuxième diamètre D entourant le matériau diélectrique 23. La longueur du tronçon 21 est un quart de longueur d'onde λ/4 avec λ = λ o / ( R(23)) ^{1 /2} , où £R(23) est la permittivité relative du matériau diélectrique 23 et λ ₀ la longueur d'onde dans le vide ou dans l'air de l'onde produite par le générateur de micro-ondes 2.

L'impédance caractéristique d'une ligne coaxiale dépend du rapport de D par d, et de £R( ₂ 3), selon la relation suivante :

Za = (138 / (£ _R(23 )) ^1/2 ) x log(D/d).

Le tronçon de ligne coaxiale 21 est donc configuré pour adapter l'impédance du plasma à l'impédance de sortie du générateur selon la relation suivante :

Za = (Zg x Zp) ^1/2 .

Selon une variante de l'invention, le milieu diélectrique 23 peut comprendre deux matériaux différents : Une première partie correspondant à l'extrémité de l'adaptateur d'impédance 10 pouvant comprendre de l'air ou du vide et une deuxième partie comprenant avantageusement un matériau diélectrique de constante diélectrique élevée tel que l'alumine permettant ainsi de réduire la longueur de l'adaptateur 10 à basse fréquence.

Selon ce deuxième mode de réalisation, le dispositif d'adaptation 7 de l'impédance et la fenêtre diélectrique 9 étanche au vide sont rassemblés dans le tronçon de ligne coaxiale 21 de longueur λ/4 constitué d'une pièce unique ce qui permet de miniaturiser davantage le générateur élémentaire 1 a. En effet, pour une fréquence de 300 MHz et selon cet aspect de l'invention, la longueur du tronçon est de 8 cm pour un matériau diélectrique comprenant de l'alumine de permittivité relative ε _Γ =9,6 alors que pour cette même fréquence selon l'état de l'art, l'adaptateur d'impédance a une longueur de 25 cm.

La figure 6 représente le schéma de principe d'un générateur élémentaire 1 a selon l'invention.

La figure 6 représente un générateur élémentaire 1 a, le générateur de plasma 1 comprenant au moins un générateur élémentaire 1 a. Le générateur élémentaire 1 a comprend un générateur de micro-ondes 2. En l'espèce le générateur de micro-ondes 2 est un composant à état solide. Il comprend un cristal oscillateur, un préamplificateur et un amplificateur final.

Un oscillateur est un système auto-entretenu capable de générer un signal temporellement périodique. Ce signal est caractérisé par une fréquence centrale exprimée en hertz (Hz).

Un amplificateur hyperfréquence est un quadripôle à la sortie duquel on recueille une puissance de sortie supérieure à celle d'entrée.

En l'espèce, le générateur de micro-ondes 2 est alimenté en courant alternatif par un réseau électrique extérieur, le générateur de micro-ondes 2 étant connecté à un convertisseur de courant alternatif en courant continu disposé dans le générateur élémentaire 1 a.

La puissance délivrée par le générateur de micro-ondes 2 est liée à la source d'alimentation continue et aux caractéristiques intrinsèques du cristal oscillateur. Le contrôle de la puissance peut être réalisé par des moyens de contrôle 24 à différents niveaux du générateur élémentaire 1 a, et notamment au niveau du générateur de micro-ondes 2 comme indiqué sur la figure 6 Le générateur de micro-ondes 2 est directement connecté à l'adaptateur d'impédance 10, selon l'invention. Eventuellement, l'adaptateur d'impédance 10 est associé à un dispositif de refroidissement 25. L'adaptateur d'impédance 10 réalisé selon l'invention assure l'adaptation de l'impédance de sortie du générateur de micro-ondes 2 à l'impédance du plasma dans l'enceinte 12.

L'adaptateur d'impédance 1 a est réalisé selon le premier mode de réalisation décrit en figure 4 ou selon le deuxième mode de réalisation décrit en figure 5. Avantageusement, le générateur de micro-ondes 2 peut être associé à des moyens de modulation 25 de la puissance micro-onde générée, non représentés sur les figures 1 à 6. La modulation peut être obtenue en modulant le courant à l'aide d'un variateur d'alimentation ou par commande directe ou indirecte au niveau du préamplificateur ou de l'amplificateur. Avantageusement, les moyens de modulation 25 de la puissance micro-onde peuvent être asservis à partir d'une cellule photoélectrique.

Un circulateur 4 peut être introduit entre le l'adaptateur 10 et le générateur de micro-ondes 2 selon la direction coaxiale dcoax. Le circulateur 4 permet d'éviter le retour de la puissance réfléchie vers le générateur de micro- ondes 2.

Avantageusement, le circulateur 4 peut comprendre un dispositif de mesure des puissances incidentes ou réfléchies. La présence du circulateur n'est pas nécessaire notamment lorsque le générateur de micro-ondes 2 est associé à des moyens de modulation 25 de la puissance micro-onde et que ces moyens sont asservis à partir de dispositifs de mesure de la puissance réfléchie ou d'une cellule photoélectrique permettant de détecter l'allumage ou l'extinction du plasma.

Le générateur élémentaire 1 a peut comprendre en outre un applicateur micro-onde 8 connecté au tronçon de ligne coaxial 13 de l'adaptateur 10, et débouchant à l'intérieur de l'enceinte 12. L'applicateur micro-onde 8 permet le couplage du plasma en sortie immédiate de la ligne coaxiale. Avantageusement, des aimants annulaires ou cylindriques permanents sont disposés à l'extrémité de l'applicateur micro-onde générant un champ magnétique à symétrie azimutale de telle sorte que la configuration magnétique obtenue permet différents modes de couplage simultanés. Avantageusement, l'applicateur micro-onde 8 comprend en outre une fenêtre diélectrique 9 étanche au vide.

Un générateur élémentaire 1 a selon l'invention est un dispositif de production de plasma d'une grande compacité. En effet, les adaptateurs d'impédance intégrés aux générateurs élémentaires sont très compacts et les différents éléments sont connectés directement les uns aux autres. Les différents éléments peuvent être connectés dans le prolongement de l'adaptateur selon la direction coaxiale dcoax. Alternativement, ils peuvent être prolongés suivant une direction radiale.

Par ailleurs, chacun des générateurs élémentaires 1 a comprend une alimentation en courant et un générateur de micro-ondes 2. Le générateur de micro-ondes 1 ne nécessite plus de câbles de transmission rigides ou semi- rigides ce qui facilite la mise en œuvre de dispositifs de production d'un plasma étendu et la modulation de la puissance micro-onde.

En outre, le générateur élémentaire 1 a limite le nombre de connexions et les longueurs des lignes ce qui permet de réduire les pertes de puissance.

De plus, l'agencement des aimants permanents permet d'amorcer le plasma sur une large gamme de conditions opératoires par différents modes de couplage, par exemple par RCE ou absorption collisionnelle.

Le générateur de plasma étendu selon l'invention facilite la maintenance. En effet, soit chacun des générateurs élémentaires 1 a possède sa propre alimentation de courant continu, soit chacun de générateurs élémentaires 1 a est connecté à un réseau électrique en courant continu. Lors d'une opération de maintenance de l'un des générateurs élémentaires 1 a, il suffit de déconnecter le générateur élémentaire 1 mis en cause. Il n'est plus nécessaire d'arrêter le générateur 1 de plasma pendant toute la durée de l'opération de maintenance.