Sonde courant-tension radiofréquence

2.2.3 Diagnostic optique : photodétachement induit par laser 48

2.1

Le réacteur hélicon

Le réacteur expérimental sur lequel l’ensemble des résultats présentés dans ce manuscrit ont été acquis est présenté en figure 2.1. Ce dispositif, d’un volume de 24 L, fonctionne à très basse pression, dans la gamme 0,05 Pa à 2 Pa. Le pompage est assuré par une pompe primaire Leybold (pompe à lu- brification fomblain 40 m3_h−1 _{permettant le pompage de gaz réactifs et une}

pompe turbomoléculaire Alcaltel 450 Ls−1 fixée en haut du réacteur. Cette dernière est balayée par un flux d’azote pour permettre le pompage de gaz corrosifs (contenant du fluor ou de l’oxygène). Le réacteur en lui-même peut être décomposé en deux parties : la source et la chambre de diffusion. La source est constituée d’un tube en pyrex (longueur 32 cm, rayon interne 6,5 cm, épaisseur 1,5 cm) entourée d’une antenne radiofréquence de type double selle à cheval (Boswell, 1970). L’ensemble est inséré dans un tube en alu- minium assurant un blindage radiofréquence (les parties métalliques sont représentées en trait épais sur la figure 2.1). La source est terminée par une grille flottante.

La chambre de diffusion se situe sous la source. Il s’agit d’un cylindre en aluminium de hauteur 26 cm, et de diamètre 32 cm. L’injection du gaz et

Injection des gaz et Mesure de presion Pompage Tube Pyrex Antenne « Boswell » Grille z (cm) 0 26 C h . D if fu s io n S o u rc e r (cm) 36 5458 6,5 16 0 0 26 58 Grande fenêtre optique Fenêtres optiques ou Ports radiaux d’insertion des sondes Port axial d’insertion

des sondes Accès optique pour photodiode Fenêtre optique axiale

FIG. 2.1 : Schéma du réacteur hélicon : coupe et schéma extérieur.

la mesure de la pression par une jauge baratron MKS se font dans le plan médian de la chambre de diffusion.

Des bobines d’induction statique permettent la création d’un champ d’in- duction magnétique dans le réacteur. Deux couples de bobines peuvent être alimentées indépendamment : un couple de bobines autour de la source et un couple de bobines autour de la chambre de diffusion.

Les mesures présentées ont été effectuées d’une part sur l’axe de symétrie axiale du réacteur (axe z) et sur un rayon du plan médian de la chambre de diffusion (axe r). La chambre de diffusion possède une grande fenêtre optique qui permet une visualisation du plasma, ainsi que trois ports d’accès dans des directions perpendiculaires (voir figure 2.1). Ces ports peuvent être munis de brides vide KF ou ultra vide par lesquelles les sondes électriques sont insérées. Le déplacement des sondes est assuré par un translateur sous vide d’extension 30 cm. Les ports peuvent aussi être munis de fenêtres optiques pour les diagnostics optiques.

Les sondes peuvent être insérées par le bas de la chambre de diffusion, et une fenêtre optique peut être installée à l’extrémité haute du réacteur.

D’autre part un trou à z≈ 30 cm dans le blindage de la source permet la mesure de l’émission optique intégrée sur un diamètre de la source par une photodiode rapide large bande (400 - 800 nm).

Boîte d’accord en impédance Fenêtre optique radiale Pompe turbomoléculaire Bride ultra-vide radiale Bobines d’induction statique Chambre de diffusion Source

FIG. 2.2 : Photographie du réacteur hélicon.

nérateur RFPP modèle RF30H, de fréquence 13,56 MHz et de puissance maximale 3000 W, par l’intermédiaire d’une boîte d’accord en L (Lieberman & Lichtenberg, 2005). La boîte d’accord permet de minimiser la puissance réfléchie par le système boite d’accord - antenne - plasma. Les puissances spécifiées dans le texte sont les puissances réellement couplées à l’antenne radiofréquence (Puissance incidente - Puissance réfléchie). Le couplage d’une puissance de 1000 W au plasma du réacteur correspond à une puissance vo- lumique moyenne de 400 mW cm−3_.

Le mélange gazeux est contrôlé par des débitmètres, et les pressions par- tielles des différents gaz sont modifiées par changement du débit massique. Les résultats présentés font intervenir des mélanges d’argon (Ar) et d’hexa- fluorure de soufre (SF6) ou bien d’argon (Ar) et de dioxygène (O2). Les no-

tations adoptées sont mélange Ar/SF6 (x :1-x) à la pression P pour un mé-

les pressions totales lorsque le plasma est éteint. La pression en présence de plasma peut être sensiblement différente de la pression sans plasma pour deux raisons. La première est bien entendu la dissociation des molécules en mélange moléculaire. La seconde est liée au gradient de pression de neutre et au chauffage du gaz lorsque les densités électroniques sont importantes (Fruchtman et al., 2005). Les débits volumiques typiques sont de l’ordre de 10 sccm (standard cubic cm - unité de débit volumique équivalent dans les conditions standard de pression et de température), soit un débit volumique de 1000 Ls−1 à 0,13 Pa. Le temps de résidence est de l’ordre de 10 ms (très long devant l’inverse des fréquences de collisions à 0,13 Pa).

2.2

Les diagnostics

Deux types de diagnostics ont été utilisés : d’une part une sonde radiofré- quence, détaillée en sous-section 2.2.1 et d’autre part des sondes permettant la mesure des divers paramètres plasmas. Ces dernières sont de nature élec- trique (sous section 2.2.2) et de nature optique (sous section 2.2.3).

2.2.1 Sonde courant-tension radiofréquence

La mesure des courants et tensions radiofréquences a été effectuée grâce à la sonde mise au point par S. Dine au cours de sa thèse. Ce travail a d’ailleurs donné lieu à un dépôt de brevet. Une explication détaillée de son fonctionne- ment se trouve dans son manuscrit (Dine, 2006). Le principe réside dans la mesure simultanée de la tension et du courant radiofréquence. La tension est mesurée par un couplage capacitif dans la sonde de géométrie coaxiale. La mesure de la tension induite par le passage du courant radiofréquence dans une gorge permet de remonter à la mesure de ce courant radiofréquence. L’avantage de cette sonde réside d’une part dans la mesure simultanées des deux grandeurs électriques, mais aussi dans la nature dérivative de la me- sure de courant (Einduit∝ ∂tH) et de tension qui ne limite pas la bande spec-

trale de mesure.