État de l’art des techniques de mesure

Mesures d’impédance aux fréquences RF. Pour les technologies plasma RF (CCP, ICP, Hélicon), la détermination de l’impédance de la décharge est vite apparue comme essentielle pour l’optimisation de leur efficacité énergétique et les techniques développées ont largement contribué à l’industrialisation des procédés à ces fréquences. De nombreux travaux ont été consacrés à la mesure expérimentale, ou à la modélisation analytique de l’impédance des décharges CCP [51–54] avec pour objectif d’établir l’influence de la nature du gaz, de la pression, de la fréquence ou encore de la puissance RF sur l’impédance. Sur la base de ces études, des dispositifs d’adaptation d’impédance (boîtes d’accord) toujours plus performants ont été développés pour contrôler le transfert de puissance à la décharge. Ces dispositifs sont de plus en plus utilisés pour la mesure in-situ de l’impédance pour le suivi ou le contrôle des procédés plasma comme, par exemple, la détection de fin de gravure [55–58] ou des dérives dans un procédé industriel [59].

Mesures d’impédance aux fréquences MO. Les travaux consacrés à la détermination de l’impédance plasma aux fréquences micro-ondes sont bien moins nombreux. L’une des raisons réside dans la complexité accrue de la mesure à ces fréquences. Du fait des longueurs d’onde plus faibles mises en jeu, l’impédance varie le long du circuit électrique et, par conséquent, elle dépend fortement du plan de mesure. Une procédure pré- ou post-mesure est alors nécessaire pour déduire, à partir des valeurs mesurées dans un plan, les impédances dans un autre plan d’intérêt qui est, généralement, inaccessible à l’expérimentateur. Cette procédure préparatoire ou de traitement, si elle n’est pas convenablement réalisée, peut engendrer des erreurs importantes sur les valeurs d’impédance déduites.

Les principales méthodes de détermination de l’impédance d’un plasma excité par micro-ondes reportées dans la littérature sont présentées dans le tableau 3.1. Les différentes références sont classées en fonction de l’instrument de mesure et de la procédure utilisés. Le domaine de pression, ainsi que le type d’excitateur (applicateur d’onde) sont également indiqués.

Le puissance-mètre associé à des coupleurs directionnels permet la détermination du coefficient de réflexion à partir de la mesure des puissances incidente et réfléchie. L’impédance peut alors être déduite à partir du coefficient de réflexion (cf. section 1.2 du Chapitre 1, ) [60,61], à condition d’avoir des précisions sur la phase entre le signal incident et réfléchi. Dans certains cas, celle-ci est annulée en ajoutant au dispositif une longueur de ligne en court-circuit et, dans d’autres, elle est évaluée par le calcul du déphasage introduit par la longueur totale de la ligne parcourue par l’onde.

Des mesures d’impédance effectuées à l’aide d’un dispositif hétérodyne basique ont également été reportées [13,62,63]. Basé sur l’opération de multiplication des signaux incidents et réfléchis avec un

Chapitre 3. Techniques et méthodes expérimentales

76 signal de référence, ce dispositif a l’avantage de faciliter la mesure de phase entre les deux signaux en transposant leurs fréquences vers des fréquences plus basses directement observable avec un oscilloscope. Le dispositif hétérodyne est nécessairement associé à un puissance-mètre pour la détermination du coefficient de réflexion complexe.

Les lignes fendues ont été également utilisées par Moisan et al. [64,65] comme instrument de mesure de l’impédance plasma, mais elles ont été très vite remplacées par des analyseurs de réseau vectoriel (ARV).

Après la mesure de l’impédance à l’aide de l’un de ces dispositifs, une procédure de post-traitement est requise pour déduire, selon les cas, l’impédance dans le plan d’entrée ou de sortie du système excitateur, ou encore l’impédance intrinsèque du plasma. Ces procédures reposent sur des modèles électriques de circuits équivalents, sur les équations des lignes de propagation, sur la simulation électromagnétique, ou sur des mesures expérimentales effectuées sur les éléments associés au système excitateur (adaptateur d’impédance, par exemple).

Cet état de l’art des techniques de mesure d’impédance plasma aux fréquences micro-ondes illustré dans le tableau 3.1, montre qu’il n’y a pas de méthode unique de détermination de l’impédance. La méthode choisie par l’expérimentateur doit être évaluée non seulement du point de vue de la pertinence de la méthode vis-à-vis de la configuration du dispositif expérimental, mais également du point de vue de l’incertitude que celui-ci introduit et de la procédure de post-traitement adoptée. La validation de la méthode de mesure d’impédance décrite par différents auteurs est réalisée par la simulation [66] ou par l’utilisation des charges de référence qui peuvent être mesurées à l’analyseur de réseau et comparées aux résultats obtenus par le système de mesure [12]. Toutefois, dans la plupart des travaux publiés, les considérations sur la précision de la méthode choisie ne sont pas toujours reportées [61,67] ou alors sont présentées mais de manière partielles [63].

Comme il a été évoqué dans le Chapitre 1, l’étude expérimentale effectuée dans le cadre de cette thèse sur l’impédance en terminaison d’un applicateur coaxial s’inscrit dans la continuité des travaux antérieurs [13]. Dans ces travaux, la méthode de détermination de l’impédance repose sur un système hétérodyne. Néanmoins, l’addition des erreurs absolues sur la mesure de phase et sur le module du coefficient de réflexion peut conduire à de fortes incertitudes sur la valeur de l’impédance mesurée. Dans le cadre de ce travail de thèse une méthode plus précise a été développée et elle est présentée dans la section suivante.

Chapitre 3. Techniques et méthodes expérimentales 77 Instruments de mesure Post-traitement Ligne coaxiale fendue Puissance-mètre Dispositif hétérodyne Analyseur de réseau vectoriel Modèle électrique équivalent Moisan et al. [64] SWL (PA) Moisan et al [65] SCMPT (PA) Fleish et al.[68] SWL (PA) Porteanu et al.[69] QWR (PA) Porteanu et al.[70] ICP 2,45GHz (PA) Modèle théorique des lignes de propagation Moisan et al. [64] SWL (PA) Moisan et al [65] SCMPT (PA) Stonies et al. [60] MCPT (PA) Iza et Hopwood [61] MSRR (PA) Dey et al .[63] ECR (BP) Simulation électromagnétique Holtrulp et al. [66] HID 2,45 GHz (PA) Mesure Expérimentale Regnard [13] ECR (BP) Dey et al. [63] ECR (BP) Holtrulp et al. [66] HID 2,45 GHz (PA) Kim et al. [67] MIP (PA)

Aucun Muguira et al.[62]

ECR (BP)

Tableau 3.1 État de l’art des méthodes de mesure de l’impédance pour des plasmas excités par micro-ondes classées en fonction du dispositif de mesure et de la procédure de post-traitement. Abréviations utilisées dans le tableau 3.1

PA : plasma à pression atmosphérique BP : plasma à basse pression

SWL : Surface Wave Launcher

SCMPT : Surfatron-based Coaxial Microwave Plasma Torch MCPT : Mini-microwave Coaxial Plasma Torch

MSRR : Microwave Split-ring resonator

ECR : plasma généré par la résonance cyclotron électronique QWR : Quarter Wave Resonator

ICP : Inductively Coupled Plasma HID : High Intensity Discharge MIP : Microwave Induced Plasma

Chapitre 3. Techniques et méthodes expérimentales

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