WO2003103003A1 - Dispositif de production d'une nappe de plasma - Google Patents

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WO2003103003A1
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Thierry Léon LAGARDE
Ana Lacoste
Jacques Pelletier
Yves Alban-Marie Arnal
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • 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 the general technical field of the production of plasmas at intermediate pressure excited by microwave power.
  • the invention relates to the production of dense plasma sheets, of large dimensions compared to the thickness of the plasma, in the field of medium pressures or intermediate pressures, that is to say of the order of a few tenths of Pa at a few thousand Pa, or of the order of a few millitorr to a few tens of torf. (Remember that 1 torr is approximately 133 Pa)
  • the present invention relates to very diverse applications, such as surface treatments, for example the cleaning of surfaces traveling at high speed, and especially the deposit of diamonds by chemical vapor deposition assisted by plasma (CVD plasma - “Chemical Vapor Deposition »Plasma according to Anglo-Saxon terminology generally used).
  • CVD plasma chemical vapor deposition assisted by plasma
  • the invention is of interest for applications requiring methods using uniform plasmas at intermediate pressures over large areas.
  • a plasma is a gaseous, conductive medium, made up of electrons, ions and neutral particles, macroscopically electrically neutral.
  • a plasma is obtained in particular by ionization of a gas by electrons.
  • diamond deposits by CVD plasma are carried out in hydrogen plasmas, containing a small percentage of methane at a total pressure of a few tens of torr, and a substrate temperature of the order of 600 to 800 ° C., or even more.
  • the mixture may also contain precursor gases for doping the diamond, or impurities which modify the growth of the diamond.
  • the plasmas used for diamond deposits by CVD plasma are generally excited by microwaves. Two types of excitation processes in reactors are possible.
  • the plasma can be excited by a surface wave.
  • the schematic diagram of this type of exciter is shown in Figure 1.
  • the plasma exciter includes a microwave applicator 1 in the extension of which is fixed a dielectric tube 2 directly in contact with the plasma 3 to be excited.
  • the dielectric tube 2 has a flare 5, which directs the microwaves and the plasma to the substrate 4, which is immersed in the plasma 3. 2 /
  • a microwave type cavity applicator can be used.
  • the block diagram of this type of applicator is shown in Figure 2.
  • the plasma 3 is produced in response to an excitation from an antenna 2 allowing the coupling of microwaves to the cavity .
  • the plasma 3 is excited under a quartz dome 5.
  • the deposition is carried out on a substrate 4 also placed under the dome 5 and immersed in the plasma 3.
  • the two types of excitation presented make it possible to produce dense plasmas (typically 10 12 / cm 3 ) making it possible to deposit diamond, in particular at a speed of a few micrometers per hour, on substrates of a few centimeters in diameter.
  • the useful plasma diameter can be increased by flaring the silica tube 5 used beyond the microwave applicator 1.
  • microwave power densities are necessary such that the use of a coolant without dielectric loss is imperative.
  • the circulation of this fluid takes place in the applicator, in a double-walled distribution circuit which is very expensive.
  • the extension of scale of this type of reactor presents technological limitations in terms of maximum achievable diameter. Indeed, the microwave power delivered by a unit generator cannot be significantly increased. The microwave generators available in continuous mode at 2.45 GHz do not generally exceed 12kW, which is insufficient to produce plasmas allowing the targeted applications.
  • the standard rectangular waveguides in single propagation mode used in microwave applicators have long sides not exceeding 8.6 cm - which corresponds to the European standard.
  • the solution consisting in reducing the excitation frequency and using the ISM (Industrial, Scientific and Medical) frequency of 915 MHz makes it possible to increase the dimensions of the waveguides - in the ratio of the inverse of the frequencies - and d '' obtain unit powers in continuous mode up to 30 kW.
  • ISM International, Scientific and Medical
  • the dimensions of the microwave components - such as the short-circuit piston, the impedance adapters, the bi-couplers for the measurement of the powers - increase correlatively. It then seems that the technological limits are now reached, and that the maximum diameters of the substrate that can be treated are of the order of 100 to 150 mm.
  • the subject of the invention is the production of a wafer or a sheet of plasma of large dimensions in the torr pressure range, namely of the order of a few millitorr to a few tens of torr.
  • the invention provides a device for producing a plasma (16) in an enclosure comprising means for producing energy in the microwave field with a view to exciting the plasma, these means comprising at least one elementary plasma excitation device comprising a coaxial applicator of microwave energy, one end of which is connected to a source of production of microwave energy, the other end being directed towards the gas to be excite inside the enclosure, characterized in that each elementary excitation device is disposed in the wall of the enclosure, each applicator comprising a central core which is substantially flush with the wall of the enclosure, the core central and the thickness of the wall of the enclosure being separated by a space coaxial with the central core, this space being completely filled at least at the end of each applicator with a dielectric material so that that said material is substantially flush with the level of the wall of the enclosure.
  • the invention is advantageously supplemented by the following characteristics, taken alone or in any one of their technically possible combination: - the dielectric material is refractory; - The dielectric material is made of an alloy of silica and / or aluminum nitride and or alumina;
  • the dielectric material fills the entire coaxial space
  • the length of the dielectric material is equal to an integer of half wavelength of the microwaves in the dielectric material
  • each O-ring is embedded in the internal and external walls of the coaxial structure;
  • a central core ends with a permanent magnet encapsulated in the central core and flush with the walls of the enclosure;
  • - It includes a dielectric strip which extends inside the enclosure on the inner wall thereof, that strip completely covering the plasma excitation devices; - It includes in the walls of the enclosure cooling means of each applicator;
  • each applicator means for cooling the applicators
  • the plasma pressure is between a value of the order of a millitorr and a value of the order of a few tens of torr.
  • It includes a plurality of applicators, the applicators being arranged in a two-dimensional network in the wall of the enclosure in order to obtain the density of applicators desired for a desired pressure range.
  • FIG. 1 already commented on, schematically represents an excitation applicator of the surface wave type according to the state of the art
  • FIG. 2 already commented on, schematically represents a plasma excitation reactor of the cavity type according to the state of the art;
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a possible embodiment of the invention comprising a single applicator;
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a possible embodiment of the invention comprising several applicators;
  • Figure 5 is a view showing a close arrangement of the applicators;
  • Figure 6 is a front view of a square two-dimensional array of applicators
  • Figure 7 is a front view of a two-dimensional hexagonal array of applicators
  • FIG. 8 represents the covering of the wall of the reactor with a dielectric plate
  • FIG. 9 schematically represents a possible embodiment of mounting O-rings for sealing; and
  • Figure 10 is a representation of an improvement of an embodiment of the invention comprising a permanent magnet at the end of the applicator.
  • FIG. 3 schematically illustrates a possible embodiment of a device 1 for producing a plasma.
  • the device 1 conventionally comprises a sealed enclosure 3, equipped with numerous gas introduction and gas pumping devices, not shown but known in themselves.
  • the introduction and pumping devices make it possible to maintain the pressure of the gas to be ionized at a desired value - which can be, for example, of the order of a few tenths of Pa to a few thousand pascals, that is to say of the order of a few millitorr to a few tens of torr, depending on the nature of the gas and the excitation frequency.
  • the wall of the enclosure 3 is metallic.
  • the production device 1 comprises an elementary excitation applicator 4.
  • the plasma production device comprises a series of elementary devices or applicators 4 for exciting a plasma 16. The applicators 4 are then distributed between them as a function of density and internal pressure of the enclosure.
  • each elementary plasma excitation device 4 is constituted by a coaxial microwave power applicator comprising a central core 5 surrounded by a cavity 6 attached or directly pierced in the wall of the enclosure 3.
  • the central core 5 as well as the cavity 6 surrounding it are of symmetry of revolution.
  • One end of the applicator 4 is connected to an energy source 7 in the microwave field and outside the enclosure 3.
  • the other end 8 of the applicator 4 is free and opens out inside of enclosure 3. It is in contact with the gas present in enclosure 3.
  • each applicator 4 is cooled by a water circulation circuit (not shown in the figures).
  • FIGS. 3 and 4 show that the spaces 12 between the applicators 4 of the wall 3 are generally cooled by a circulation of water 13.
  • a dielectric material 14 in the solid state is placed inside the cavity 6 around the central core 5.
  • the dielectric 14 is disposed on the side of the free end 8 of the applicator 4, substantially at the level of the wall of the enclosure. It may slightly protrude from the wall of the enclosure 3 or be slightly depressed with respect to the level of the wall of the enclosure 3, which preferably is substantially flush with the level of the end of the central core 5 in contact with the plasma. , as shown in Figure 5. Alternatively, it can fill the entire space between the central core and the inner wall of the cavity.
  • the length of the dielectric material is equal to an integer of half wavelength of the wave in the dielectric, this in order to compensate for the reflections and recompositions of the waves at the interfaces.
  • the length I of the dielectric is defined by:
  • e r is the relative permittivity of the dielectric material k is an integer ⁇ is the wavelength of the wave in vacuum.
  • the dielectric 14 is advantageously "low loss". It is preferably refractory in order to withstand the high temperatures of certain targeted applications. It can be made of an alloy, for example aluminum nitride (AIN), and / or alumina (AI 2 O 3 ), and / or silica (SiO 2 ).
  • AIN aluminum nitride
  • AI 2 O 3 / or alumina
  • SiO 2 silica
  • Figures 4 and 5 compare the influence of the separation distance of the applicators relative to each other on the formation of the plasma.
  • a relatively low density of applicators per unit area is required to produce a uniform plasma when the gas pressure is relatively low. Indeed, the plasma diffuses more easily when the gas pressure is low. We can then provide only one applicator 4 for the production of plasma on a given dimension.
  • the applicators 4 can be arranged according to different networks.
  • FIG. 6 shows a front view of the internal wall of the enclosure 3. It represents the arrangement in a network of the free ends 8 of the applicators 4. In this square network, the distance 17 between two free ends 8 defines the density of the network .
  • FIG. 7 shows that, for the same distance 17 between two free ends 8, an arrangement in a hexagonal network - diagram referenced by 18 in the figure - makes it possible to obtain a greater area density of applicators 4. A greater density allows better uniformity of applicators 4, and consequently better uniformity of the plasma thus produced. It is also possible to provide a higher density of microwave power per unit area, at maximum power given by applicator 4. For reasons of clarity, FIGS. 6 and 7 schematically show only two ends of applicators 4. A distinction is made the ends 5 of the central cores, as well as the dielectric materials 14.
  • microwave power generator adjustable by applicator.
  • the microwave power injected into each applicator 4 can be easily and independently adjusted by an impedance adapter, placed just upstream of each applicator 4.
  • the gases constituting the plasma are cooled by passing in contact with the cooled surfaces of the enclosure 3 and in turn cool the surface of use.
  • FIG. 8 shows that it is also possible to interpose a dielectric blade 20 with low loss (such as silica for example) between the cooled parts of each applicator and the plasma, in order to avoid cooling of the plasma in contact with the cooled surfaces. by the circulation of fluid.
  • the dielectric strip 20 can cover all or part of all of the free ends 8 of the applicators 4.
  • FIG. 9 shows that O-rings 21 allow sealing between the upstream (atmosphere) and downstream (plasma) parts of the applicators 4 .
  • the O-rings 21 are preferably embedded in the central core 5 and between the walls of the enclosure 3 and the cable gland 3 ', in order to avoid their heating by the passage of microwaves.
  • this type of embedding also makes it possible to ensure better cooling, since they take advantage of the cooling distribution circuit present in the wall 3 as well as in each central core 5.
  • the device according to the invention represented in FIGS. 1 to 9 advantageously applies to the field of medium pressures (of the order of a few tenths of pascals to a few thousand pascals, that is to say of the order of a few million to a few tens of torr).
  • medium pressures of the order of a few tenths of pascals to a few thousand pascals, that is to say of the order of a few million to a few tens of torr.
  • 10 "2 torrr” a variant of the device is envisaged.
  • FIG. 10 there is at the end of the central core 5 of the applicator 4 a permanent magnet 22 whose axis of permanent magnetization is advantageously in the axis of the central core .
  • This magnet 22 is encapsulated in the central core 5.
  • the free end of the magnet is substantially at the free end of the wall 3 in contact with the plasma 16.
  • the start of the plasma is facilitated in the field of lower pressures targeted by the present invention, thanks to the confinement of plasma or to the presence of a zone of RCE (Electronic Cyclotronic Resonance) near the pole of the magnet.
  • RCE Electro Cyclotronic Resonance
  • Each permanent magnet 22 can be conventional, for example in samarium - cobalt, in neodymium - iron - boron, or even in barium and strontium ferrite.
  • the plasma reactor described in the present application comprises means for pressure measurement and desired plasma diagnosis (not visible in the figures)
  • a substrate holder used for the processes implemented comprises heating or cooling means as well that all the polarization means (continuous, pulsed, low frequency or radio frequency) of the substrate necessary for the process used.
  • One of the advantages provided by the present invention is the possibility of carrying out the extension of scale of the plasma layers produced by said described technology and of producing dense plasmas in the pressure range defined in the invention. Only one applicator can be used.
  • the applicators can be arranged according to any geometry, and adapt to any configuration of enclosure, in particular cylindrical.
  • microwave power as many applicators as desired by as many independent generators as necessary, with or without power division.
  • Each applicator can be supplied using a coaxial cable, since the microwave power required for each applicator is relatively low, hence the high reliability of the overall device. Another advantage is that the cooling of the microwave applicators is easy to ensure by a circulation of liquid in the metallic part of the applicators. There is no need to provide a low loss dielectric fluid as in the case of prior art surface wave discharges. Finally, the control of the plasma / surface interaction parameters is easier to master than in the devices of the prior art.
  • each applicator is 4 cm 2 . This area is reduced to approximately 3.5 cm 2 in the case of a hexagonal structure.
  • the volume of plasma created by each applicator is 8 cm 3 for a square network, and 7 cm 3 for a hexagonal network.
  • the maximum power density supplied to the plasma is 25 W / cm 3 for a square network, and 28.5 W / cm 3 for a hexagonal network.
  • microwave frequency used is not critical, and it is possible to use one of the ISM (Industrial, Scientific and Medical) frequencies such as 915 MHz or 2.45 GHz, or any other frequency.
  • ISM International, Scientific and Medical

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de production d'un plasma (16) dans une enceinte comportant des moyens de production d'une énergie dans le domaine des micro-ondes en vue de l'excitation du plasma, ces moyens comportant au moins un dispositif élémentaire d'excitation de plasma comportant un applicateur (4) coaxial d'une énergie micro-onde dont une des extrémités est reliée à une source de production (7) d'une énergie micro-onde, l'autre extrémité (8) étant dirigée vers le gaz à exciter à l'intérieur de l'enceinte, caractérisé en ce que chaque dispositif élémentaire d'excitation est disposé dans la paroi (3) de l'enceinte, chaque applicateur (4) comportant une âme centrale (5) qui affleure sensiblement avec la paroi de l'enceinte, l'âme centrale et l'épaisseur de la paroi (3) de l'enceinte étant séparées par un espace (6) coaxial à l'âme centrale, cet espace étant totalement rempli au moins à l'extrémité de chaque applicateur par un matériau diélectrique (14) de façon à ce que ledit matériau affleure sensiblement avec le niveau de la paroi de l'enceinte.

Description

DISPOSITIF DE PRODUCTION D'UNE NAPPE DE PLASMA.
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine technique général de la production de plasmas à pression intermédiaire excités par une puissance micro-onde.
Plus précisément l'invention concerne la production de nappes de plasmas denses, de grandes dimensions devant l'épaisseur du plasma, dans le domaine des moyennes pressions ou pressions intermédiaires, c'est-à-dire de l'ordre de quelques dixièmes de Pa à quelques milliers de Pa, ou de l'ordre de quelques millitorr à quelques dizaines de torf. (On rappelle que 1 torr vaut approximativement 133 Pa)
La présente invention concerne des applications très diverses, telles que les traitements de surface, par exemple le nettoyage des surfaces défilant à grande vitesse, et surtout le dépôt de diamants par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma (CVD plasma - « Chemical Vapor Déposition » plasma selon la terminologie anglo-saxonne généralement utilisée).
En particulier, l'invention présente un intérêt pour les applications nécessitant des procédés utilisant des plasmas uniformes à des pressions intermédiaires sur de grandes surfaces.
ETAT DE L'ART
Toutes les applications sus-mentionnées nécessitent la production préalable d'un plasma dense et uniforme dans une enceinte, par exemple dans celle où se déroule l'application.
On rappelle qu'un plasma est un milieu gazeux, conducteur, constitué d'électrons, d'ions et de particules neutres, macroscopiquement neutre électriquement. Un plasma est obtenu notamment par ionisation d'un gaz par les électrons.
Généralement, les dépôts de diamant par CVD plasma sont effectués dans des plasmas d'hydrogène, contenant un faible pourcentage de méthane à une pression totale de quelques dizaines de torr, et une température de substrats de l'ordre de 600 à 800° C, voire plus.
Le mélange peut contenir aussi des gaz précurseurs pour le dopage du diamant, ou des impuretés modifiant la croissance du diamant. Les plasmas utilisés pour les dépôts de diamant par CVD plasma sont généralement excités par des micro-ondes. Deux types de procédés d'excitation dans des réacteurs sont possibles.
1/ On peut exciter le plasma par une onde de surface. Le schéma de principe de ce type d'excitateur est représenté sur la figure 1. L'excitateur du plasma comporte un applicateur micro-onde 1 dans le prolongement duquel est fixé un tube diélectrique 2 directement en contact avec le plasma 3 à exciter. Le tube diélectrique 2 comporte un évasement 5, qui dirige les micro-ondes et le plasma vers le substrat 4, qui baigne dans le plasma 3. 2/ On peut utiliser un applicateur micro-onde de type cavité. Le schéma de principe de ce type d'applicateur est représenté à la figure 2. Dans un réacteur 1 , le plasma 3 est produit en réponse à une excitation de la part d'une antenne 2 permettant le couplage des micro-ondes à la cavité. Le plasma 3 est excité sous un dôme de quartz 5. Le dépôt est effectué sur un substrat 4 disposé lui aussi sous le dôme 5 et baignant dans le plasma 3.
Les deux types d'excitation présentés permettent de produire des plasmas denses (typiquement 1012/cm3) permettant de déposer du diamant, notamment à une vitesse de quelques micromètres par heure, sur des substrats de quelques centimètres de diamètre.
Les techniques précédentes présentent cependant des inconvénients.
En effet, les plasmas produits par ces deux techniques nécessitent pour leur entretien plusieurs kW pour un substrat de diamètre 100 mm, et donc l'inconvénient majeur de ces techniques de dépôt de diamant est la difficulté d'extension d'échelle des réacteurs.
En ce qui concerne les décharges à onde de surface de la figure 1 , le diamètre utile de plasma peut être accru par évasement du tube de silice 5 utilisé au-delà de l'applicateur micro-onde 1. Il faut cependant des densités de puissance micro-onde telles, que l'emploi d'un liquide de refroidissement sans perte diélectrique est impératif. La circulation de ce fluide s'effectue dans l'applicateur, dans un circuit de distribution à double paroi qui est très onéreux.
De plus, l'extension d'échelle de ce type de réacteur présente des limitations technologiques en terme de diamètre maximum réalisable. En effet, la puissance micro-onde délivrée par un générateur unitaire ne peut pas être augmentée de façon sensible Les générateurs micro-ondes disponibles en mode continu à 2,45 GHz ne dépassent en effet généralement pas 12kW, ce qui est insuffisant pour produire des plasmas permettant les applications visées.
Enfin les guides d'ondes rectangulaires standards en mode de propagation unique utilisés dans les applicateurs des micro-ondes ont des grands côtés ne dépassant pas 8,6 cm - ce qui correspond au standard européen.
La solution consistant à réduire la fréquence d'excitation et à utiliser la fréquence ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) de 915 MHz permet d'augmenter les dimensions des guides d'ondes - dans le rapport de l'inverse des fréquences - et d'obtenir des puissances unitaires en mode continu jusqu'à 30 kW.
Elle n'est cependant pas totalement satisfaisante. En effet, les dimensions des composants micro-ondes - tels que le piston court-circuit, les adaptateurs d'impédance, les bi-coupleurs pour la mesure des puissances - augmentent corrélativement. Il semble alors que les limites technologiques sont désormais atteintes, et que les diamètres maximaux du substrat que l'on peut traiter sont de l'ordre de 100 à 150 mm.
En ce qui concerne les décharges micro-ondes données par les applicateurs micro-onde de type cavité, les mêmes problèmes se posent. En effet, l'augmentation d'échelle de la cavité impose soit de passer en cavité multimodes, ce qui ne permet plus d'obtenir un plasma uniforme au niveau du substrat, soit de diminuer la fréquence des micro-ondes jusqu'à 915 MHz. La diminution de fréquence procure les mêmes avantages que précédemment, mais procure également les mêmes inconvénients. On ne peut traiter que des substrats de diamètre maximal de l'ordre de 100 à 150 mm.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention propose de pallier ces inconvénients. Notamment, l'invention a pour objet la production d'une tranche ou d'une nappe de plasma de grandes dimensions dans le domaine de pression du torr, à savoir de l'ordre de quelques millitorr à quelques dizaines de torr.
La production de cette tranche ou de cette nappe s'effectue par excitation micro-onde du gaz, ce qui permet la production de plasma sur un volume dépendant des conditions opératoires, à savoir la pression et la puissance micro-onde injectée sur chaque applicateur. A cet effet, l'invention propose un dispositif de production d'un plasma (16) dans une enceinte comportant des moyens de production d'une énergie dans le domaine des micro-ondes en vue de l'excitation du plasma, ces moyens comportant au moins un dispositif élémentaire d'excitation de plasma comportant un applicateur coaxial d'une énergie micro-onde dont une des extrémités est reliée à une source de production d'une énergie micro-onde, l'autre extrémité étant dirigée vers le gaz à exciter à l'intérieur de l'enceinte, caractérisé en ce que chaque dispositif élémentaire d'excitation est disposé dans la paroi de l'enceinte, chaque applicateur comportant une âme centrale qui affleure sensiblement avec la paroi de l'enceinte, l'âme centrale et l'épaisseur de la paroi de l'enceinte étant séparées par un espace coaxial à l'âme centrale, cet espace étant totalement rempli au moins à l'extrémité de chaque applicateur par un matériau diélectrique de façon à ce que ledit matériau affleure sensiblement avec le niveau de la paroi de l'enceinte. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - le matériau diélectrique est réfractaire ; - le matériau diélectrique est réalisé en alliage de silice et/ou de nitrure d'aluminium et ou d'alumine ;
- le matériau diélectrique remplit tout l'espace coaxial ;
- la longueur du matériau diélectrique est égale à un nombre entier de demi longueur d'onde des micro-ondes dans le matériau diélectrique ;
- il comporte des joints toriques interposés entre le diélectrique, l'âme centrale d'un applicateur et la paroi interne de l'applicateur ;
- chaque joint torique est encastré dans les parois interne et externe de la structure coaxiale ; - une âme centrale se termine par un aimant permanent encapsulé dans l'âme centrale et affleurant avec les parois de l'enceinte ;
- il comporte une lame diélectrique qui s'étend à l'intérieur de l'enceinte sur la paroi intérieure de celle-ci, celle lame recouvrant complètement les dispositifs d'excitation du plasma ; - il comporte dans les parois de l'enceinte des moyens de refroidissement de chaque applicateur ;
- il comporte dans l'âme centrale de chaque applicateur des moyens de refroidissement des applicateurs ;
- la pression du plasma est comprise entre une valeur de l'ordre du millitorr et une valeur de l'ordre de quelques dizaines de torr.
- il comporte une pluralité d'applicateurs, les applicateurs étant disposés en réseau bidimensionnel dans la paroi de l'enceinte afin d'obtenir la densité d'applicateurs souhaitée pour un domaine de pression souhaité.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de l'invention qui suit qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 , déjà commentée, représente schématiquement un applicateur d'excitation du type onde de surface selon l'état de la technique ;
La figure 2, déjà commentée, représente schématiquement un réacteur d'excitation de plasma du type cavité selon l'état de la technique ; La figure 3 est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation possible de l'invention comportant un seul applicateur ;
La figure 4 est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation possible de l'invention comportant plusieurs applicateurs ; La figure 5 est une vue représentant une disposition rapprochée des applicateurs ;
La figure 6 est une vue de face d'un réseau bidimensionnel carré d'applicateurs ;
La figure 7 est une vue de face d'un réseau bidimensionnel hexagonal d'applicateurs ;
La figure 8 représente le recouvrement de la paroi du réacteur avec une plaque diélectrique ;
La figure 9 représente schématiquement un mode de réalisation possible de montage de joints toriques d'étanchéité; et La figure 10 est une représentation d'un perfectionnement d'un mode de réalisation de l'invention comportant un aimant permanent à l'extrémité de l'applicateur.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 3 illustre schématiquement un mode de réalisation possible d'un dispositif 1 de production d'un plasma.
Le dispositif 1 comprend de façon classique une enceinte étanche 3, équipée de nombreux dispositifs d'introduction de gaz et de pompage de gaz, non représentés mais connus en eux-mêmes. Les dispositifs d'introduction et de pompage permettent de maintenir la pression du gaz à ioniser à une valeur souhaitée - qui peut être par exemple de l'ordre de quelques dixièmes de Pa à quelques milliers de pascals, c'est-à-dire de l'ordre de quelques millitorr à quelques dizaines de torr, suivant la nature du gaz et la fréquence d'excitation. Classiquement, la paroi de l'enceinte 3 est métallique.
Conformément à ce mode de réalisation possible de l'invention, le dispositif de production 1 comporte un applicateur élémentaire 4 d'excitation. Selon une variante de ce mode de réalisation schématiquement représenté à la figure 4, le dispositif de production du plasma comporte une série de dispositifs ou applicateurs 4 élémentaires d'excitation d'un plasma 16. Les applicateurs 4 sont alors répartis entre eux en fonction de la densité et de la pression intérieure de l'enceinte.
Conformément à l'invention, chaque dispositif élémentaire 4 d'excitation de plasma est constitué par un applicateur coaxial de puissance micro-onde comportant une âme centrale 5 entourée d'une cavité 6 rapportée ou directement percée dans la paroi de l'enceinte 3. Préférentiellement, l'âme centrale 5 ainsi que la cavité 6 l'entourant sont de symétrie de révolution.
Une des extrémités de l'applicateur 4 est reliée à une source d'énergie 7 dans le domaine des micro-ondes et extérieure à l'enceinte 3. L'autre extrémité 8 de l'applicateur 4 est libre et débouche à l'intérieur de l'enceinte 3. Elle est en contact avec le gaz présent dans l'enceinte 3.
La propagation de l'énergie micro-onde de la source d'énergie 7 à l'extrémité libre 8 s'effectue dans la cavité 6 entourant l'âme centrale de l'applicateur. De manière générale, l'âme centrale 5 de chaque applicateur 4 est refroidie par un circuit de circulation d'eau (non représenté sur les figures).
De la même façon, les figures 3 et 4 montrent que les espaces 12 entre les applicateurs 4 de la paroi 3 sont généralement refroidis par une circulation d'eau 13. Un matériau diélectrique 14 à l'état solide est disposé à l'intérieur de la cavité 6 autour de l'âme centrale 5. Le diélectrique 14 est disposé du côté de l'extrémité libre 8 de l'applicateur 4, sensiblement au niveau de la paroi de l'enceinte. Il peut légèrement dépasser de la paroi de l'enceinte 3 ou être légèrement enfoncé par rapport au niveau de la paroi de l'enceinte 3, laquelle affleure préférentiellement sensiblement le niveau de l'extrémité de l'âme centrale 5 en contact avec le plasma, comme représenté sur la figure 5. Il peut selon une variante, remplir l'ensemble de l'espace entre l'âme centrale et la paroi intérieure de la cavité.
Préférentiellement, la longueur du matériau diélectrique est égale à un nombre entier de demi longueur d'onde de l'onde dans le diélectrique, ceci afin de compenser les réflexions et recompositions des ondes aux interfaces. La longueur I du diélectrique est définie par :
Figure imgf000010_0001
où : er est la permittivité relative du matériau diélectrique k est un nombre entier λ est la longueur d'onde de l'onde dans le vide.
Le diélectrique 14 est avantageusement « à faible perte ». Il est de préférence réfractaire afin de résister aux fortes températures de certaines applications visées. Il peut être réalisé en alliage par exemple en nitrure d'aluminium (AIN), et/ou en alumine (AI2O3), et/ou en silice (SiO2). Les flèches 15 visibles aux figures 3, 4 et 5 représentent la propagation des ondes micro-ondes dans la cavité 6 de chaque applicateur 4. Elles se propagent en direction de l'intérieur de l'enceinte 3 et excite le plasma 16 situé dans ladite enceinte 3.
Les figures 4 et 5 permettent de comparer l'influence de la distance de séparation des applicateurs les uns par rapport aux autres sur la formation du plasma.
On a besoin d'une densité relativement réduite d'applicateurs par unité de surface pour produire un plasma uniforme lorsque la pression du gaz est relativement faible. En effet, le plasma diffuse plus facilement lorsque la pression du gaz est peu élevée. On peut alors ne prévoir qu'un seul applicateur 4 pour la production du plasma sur une dimension donnée.
Par contre, plus la pression du gaz est élevée, plus le plasma sera produit localement. Le plasma ne sera pas uniforme si les applicateurs sont trop éloignés, comme sur la figure 4. On aura donc besoin d'une densité plus importante d'applicateurs par unité de surface, les applicateurs étant eux aussi répartis de façon la plus uniforme possible. C'est aussi pour cette raison que matériau diélectrique est situé à l'extrémité de l'applicateur, et non pas en retrait par rapport à cette extrémité. Ainsi, on évite la formation de plasma dans l'intérieur de l'applicateur (zone coaxiale, côté utilisation) dans tout le domaine de pression accessible.
Les applicateurs 4 peuvent être disposés selon différents réseaux.
La figure 6 montre une vue de face de la paroi interne de l'enceinte 3. Elle représente la disposition en réseau des extrémités libres 8 des applicateurs 4. Dans ce réseau carré, la distance 17 entre deux extrémités libres 8 définit la densité du réseau.
La figure 7 montre que, pour une même distance 17 entre deux extrémités libres 8, une disposition en réseau hexagonal - schéma référencé par 18 sur la figure - permet d'obtenir une plus grande densité aréolaire d'applicateurs 4. Une densité plus grande permet une meilleure uniformité d'applicateurs 4, et par conséquent une meilleure uniformité du plasma ainsi produit. On peut également fournir une plus grande densité de puissance micro-onde par unité de surface, à puissance maximale donnée par applicateur 4. Pour des raisons de clarté, les figures 6 et 7 ne montrent schématiquement que deux extrémités d'applicateurs 4. On distingue les extrémités 5 des âmes centrales, ainsi que les matériaux diélectriques 14.
Pour obtenir une nappe de plasma 16 uniforme de très grandes dimensions, une condition nécessaire est de pouvoir distribuer la puissance micro-onde de façon aussi uniforme que possible sur l'ensemble des applicateurs 4.
Pour cela, il est possible d'utiliser un générateur de puissance microonde réglable par applicateur. On peut alors utiliser par exemple pour chaque applicateur une source micro-onde transistorisée. On peut également utiliser un générateur de puissance micro-onde unique et diviser ensuite cette puissance pour la distribuer à chaque applicateur 4. La puissance micro-onde injectée dans chaque applicateur 4 peut être ajustée facilement et de façon indépendante par un adaptateur d'impédance, disposé juste en amont de chaque applicateur 4.
Certains procédés de dépôt ou de traitement nécessitent une température élevée de la surface d'utilisation. D'autres nécessitent des températures plus basses.
On rappelle que les parties 12 situées entre deux applicateurs, ainsi que les âmes centrales 5 sont refroidies par des circuits de refroidissement par circulation de fluide, notamment d'eau.
Par conséquent, il est possible que les gaz constituant le plasma soient refroidis en passant au contact des surfaces refroidies de l'enceinte 3 et refroidissent à leur tour la surface d'utilisation.
On prévoit ainsi un chauffage indépendant d'une surface d'utilisation notamment pour le dépôt de diamant.
La figure 8 montre que l'on peut également interposer une lame diélectrique 20 à faible perte (comme de la silice par exemple) entre les parties refroidies de chaque applicateur et le plasma, afin d'éviter le refroidissement du plasma au contact des surfaces refroidies par la circulation de fluide. La lame diélectrique 20 peut recouvrir tout ou une partie de l'ensemble des extrémités libres 8 des applicateurs 4. La figure 9 montre que des joints toriques 21 permettent l'étanchéité entre les parties amont (atmosphère) et aval (plasma) des applicateurs 4.
Les joints toriques 21 sont de préférence encastrés dans l'âme centrale 5 et entre les parois de l'enceinte 3 et le presse étoupe 3', afin d'éviter leur échauffement par le passage des micro-ondes. De plus, ce type d'encastrement permet également d'assurer un meilleur refroidissement, puisqu'ils profitent du circuit de distribution de refroidissement présent dans la paroi 3 ainsi que dans chaque âme centrale 5.
Le dispositif selon l'invention représenté sur les figures 1 à 9 s'applique avantageusement au domaine des moyennes pressions (de l'ordre de quelques dixièmes de pascals à quelques milliers de pascals, c'est-à-dire de l'ordre de quelques millitorr à quelques dizaines de torr). Cependant, si on souhaite étendre l'utilisation de l'invention pour une excitation du plasma dans le domaine des basses pressions (de l'ordre de 10"2 torr), une variante du dispositif est envisagée.
Sur cette variante, représentée à la figure 10, on dispose à l'extrémité de l'âme centrale 5 de l'applicateur 4 un aimant permanent 22 dont l'axe d'aimantation permanente est avantageusement dans l'axe de l'âme centrale. Cet aimant 22 est encapsulé dans l'âme centrale 5. L'extrémité libre de l'aimant est sensiblement au niveau de l'extrémité libre de la paroi 3 en contact avec le plasma 16. Avec un tel aimant permanent 22, le démarrage du plasma est facilité dans le domaine des plus basses pressions visées par la présente invention, grâce au confinement de plasma ou à la présence d'une zone de RCE (Résonance Cyclotronique Electronique) près du pôle de l'aimant.
Chaque aimant permanent 22 peut être conventionnel, par exemple en samarium - cobalt, en néodyme - fer - bore, voire en ferrite de baryum et de strontium.
Le réacteur plasma décrit dans la présente demande comporte des moyens de mesure de pression et de diagnostic plasma souhaité (non visible sur les figures) De même, un porte-substrat utilisé pour les procédés mis en œuvre comporte des moyens de chauffage ou de refroidissement ainsi que tous les moyens de polarisation (continu, puisée, basse fréquence ou radio fréquence) du substrat nécessaire au procédé utilisé.
AVANTAGES DE L'INVENTION
L'un des avantages apportés par la présente invention est la possibilité de réaliser l'extension d'échelle des nappes de plasma produite par ladite technologie décrite et de produire des plasmas denses dans la gamme de pression définie dans l'invention. On peut n'utiliser qu'un seul applicateur.
Mais il n'y a pas de limitation à augmenter le nombre d'applicateurs. Les applicateurs peuvent être disposés selon n'importe quelle géométrie, et s'adaptent à n'importe quelle configuration d'enceinte, cylindrique notamment.
De même, il est possible d'alimenter en puissance micro-onde autant d'applicateurs que souhaité par autant de générateur indépendants que nécessaire, avec ou sans division de puissance.
Chaque applicateur peut être alimenté à l'aide d'un câble coaxial, puisque la puissance micro-onde nécessaire à chaque applicateur est relativement faible d'où la grande fiabilité dû dispositif global. Un autre avantage est que le refroidissement des applicateurs microondes est facile à assurer par une circulation de liquide dans la partie métallique des applicateurs. Il n'y a pas de nécessité de fournir un fluide diélectrique à faible perte comme dans le cas des décharges à onde de surface de l'état de la technique. Enfin, le contrôle des paramètres interaction plasma/surface est plus facile à maîtriser que dans les dispositifs de l'état de la technique.
Par exemple, si l'on considère un réseau carré d'applicateurs microondes coaxiaux, par exemple d'un diamètre intérieur du conducteur externe 16 mm disposés tous les deux centimètres, l'aire de chaque applicateur est de 4 cm 2. Cette aire est réduite à 3,5 cm 2 environ dans le cas d'une structure hexagonale.
Dans le cas d'une nappe de plasma de 2 cm d'épaisseur, fixée par exemple par la distance applicateur-surface d'utilisation, le volume de plasma crée par chaque applicateur est de 8 cm3 pour un réseau carré, et de 7 cm3 pour un réseau hexagonal.
Pour une puissance micro-onde par applicateur de 200 W, la densité de puissance maximale fournie au plasma est de 25 W/cm3 pour un réseau carré, et de 28,5 W/cm3 pour un réseau hexagonal.
Dans les deux cas, il est ainsi possible d'appliquer jusqu'à 5 kW par surface 100 mm x 100mm pour un réseau carré, soit 25 applicateurs, et un peu plus pour un réseau hexagonal.
Un autre avantage est la simplicité de réalisation de chaque applicateur élémentaire. La fréquence micro-onde utilisée n'est pas critique, et il est possible d'utiliser l'une des fréquences ISM (Industrielle, Scientifique et Médicale) comme le 915 MHz ou le 2,45 GHz, ou toute autre fréquence.

Claims

REVENDICATIONS.
1. Dispositif de production d'un plasma (16) dans une enceinte comportant des moyens de production d'une énergie dans le domaine des micro-ondes en vue de l'excitation du plasma, ces moyens comportant au moins un dispositif élémentaire d'excitation de plasma comportant un applicateur (4) coaxial d'une énergie microonde dont une des extrémités est reliée à une source de production (7) d'une énergie micro-onde, l'autre extrémité (8) étant dirigée vers le gaz à exciter à l'intérieur de l'enceinte, caractérisé en ce que chaque dispositif élémentaire d'excitation est disposé dans la paroi (3) de l'enceinte, chaque applicateur (4) comportant une âme centrale (5) qui affleure sensiblement avec la paroi de l'enceinte, l'âme centrale et l'épaisseur de la paroi (3) de l'enceinte étant séparées par un espace (6) coaxial à l'âme centrale, cet espace étant totalement rempli au moins à l'extrémité de chaque applicateur par un matériau diélectrique (14) de façon à ce que ledit matériau affleure sensiblement avec le niveau de la paroi de l'enceinte.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le matériau diélectrique (14) est réfractaire.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau diélectrique (14) est réalisé en alliage de silice et/ou de nitrure d'aluminium et/ou d'alumine.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau diélectrique remplit tout l'espace coaxial (6).
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la longueur du matériau diélectrique est égale à un nombre entier de demi longueur d'onde des micro-ondes dans le matériau diélectrique.
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des joints toriques (21 ) interposés entre le diélectrique (14), l'âme centrale d'un applicateur et la paroi interne de l'applicateur.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque joint torique (21) est encastré dans les parois interne et externe de la structure coaxiale.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une âme centrale (5) se termine par un aimant permanent (22) encapsulé dans l'âme centrale et affleurant avec les parois de l'enceinte.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une lame diélectrique (20) qui s'étend à l'intérieur de l'enceinte sur la paroi intérieure de celle-ci, celle lame recouvrant complètement les dispositifs d'excitation du plasma.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte dans les parois de l'enceinte des moyens (12) de refroidissement de chaque applicateur (4).
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte dans l'âme centrale (5) de chaque applicateur (4) des moyens de refroidissement des applicateurs.
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression du plasma (16) est comprise entre une valeur de l'ordre du millitorr et une valeur de l'ordre de quelques dizaines de torr.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'applicateurs (4), les applicateurs étant disposé en réseau bidimensionnel dans la paroi de l'enceinte afin d'obtenir la densité d'applicateurs souhaitée pour un domaine de pression souhaité.
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