PROCEDIMIENTO DE PRODUCCION DE UN PLASMA ELEMENTAL CON VISTAS A CREAR UN PLASMA UNIFORME PARA UNA SUPERFICIE DE UTILIZACION Y DISPOSITIVO DE PRODUCCION DE DICHO PLASMA.

Procedimiento de producción de un plasma para una superficie de utilización (Su) con la ayuda de un dispositivo que comprende unos medios de producción de una energía en el campo de las microondas y unos medios para crear por lo menos una superficie (6) de campo magnético constante y de intensidad correspondiente a la resonancia ciclotrónica electrónica y dispuesta por lo menos en la zona de propagación de las microondas,

con vistas a la excitación del plasma, caracterizado porqué consiste:

- en constituir una serie de dispositivos elementales de excitación de plasma (3) constituidos cada uno por un aplicador filar (4) de una energía microonda del que un extremo está conectado a una fuente de producción (E) de una energía microonda y del que el otro extremo está equipado con por lo menos un dipolo magnético (5) como medios para crear por lo menos una superficie de campo magnético constante y de intensidad correspondiente a la resonancia cilotrónica electrónica,

- en montar el dipolo magnético (5) en el extremo (41) del aplicador microondas (4), de manera que asegure la oscilación entre los polos de los electrones acelerados a la resonancia ciclotrónica electrónica, con el fin de crear una zona de difusión (Z) de plasma situada por lo menos en la parte opuesta del extremo del aplicador, con respecto al dipolo, y

- en repartir los dispositivos elementales de excitación de plasma (3) entre sí y en relación de proximidad de la superficie de utilización (Su), de manera que se obtenga por lo menos una yuxtaposición entre los plasmas producidos por cada dispositivo elemental (3), con vistas a crear un plasma uniforme para la superficie de utilización

Procedimiento de producción de un plasma elemental con vistas a crear un plasma uniforme para una superficie de utilización y dispositivo de producción de dicho plasma.

La presente invención se refiere al campo técnico general de la producción de plasma a baja presión excitado por una energía microonda en el campo de la resonancia ciclotrónica electrónica.

El objeto de la invención se refiere a todas las aplicaciones que necesitan una uniformidad de plasma controlable sobre grandes superficies que presentan un carácter plano o curvo.

La presente invención se refiere a unas aplicaciones muy diversas, tales como los tratamientos de superficie, como el grabado, el depósito, el tratamiento químico o termoquímico, la pulverización, la limpieza, la desinfección, la descontaminación o la producción de haces de iones obtenidos por extracción del plasma.

En el campo de la técnica de excitación de un plasma a la resonancia ciclotrónica electrónica, la resonancia se obtiene cuando la frecuencia de rotación de un electrón en un campo magnético estático o casi estático es igual a la frecuencia del campo eléctrico acelerador aplicado. Esta resonancia se obtiene para un campo magnético B y una frecuencia de excitación f relacionada por la relación:

B = 2pmf/e

en la que m y e son la masa y la carga del electrón.

En el caso de la excitación de un plasma, la resonancia ciclotrónica electrónica es eficaz únicamente si el electrón está suficientemente acelerado, es decir si el electrón puede girar un tiempo suficientemente largo en fase con el campo eléctrico para adquirir la energía de umbral necesaria para la ionización del gas. Para satisfacer esta condición, es preciso, por una parte, que el radio de rotación del electrón sea suficientemente pequeño, en particular, para quedar en la región del espacio que reúne las condiciones de resonancia, es decir la presencia simultánea del campo eléctrico y del campo magnético y, por otra parte, que la frecuencia de rotación f quede grande frente a la frecuencia de colisión de los electrones sobre los elementos neutros, tales como los átomos y/o las moléculas. Dicho de otro modo, las mejores condiciones de excitación de un plasma a la resonancia ciclotrónica electrónica se obtienen a la vez para una presión de gas relativamente baja y una frecuencia f de campo eléctrico elevada, es decir también para una intensidad de campo magnético B elevada.

La patente francesa nº 85 08 836 describe una técnica de excitación de plasma a la resonancia ciclotrónica electrónica que necesita la utilización de imanes permanentes que crean cada uno por lo menos una superficie de campo magnético constante y de intensidad correspondiente a la resonancia ciclotrónica electrónica. La energía microonda es llevada a nivel de la zona de resonancia por medio de antenas o de excitadores de plasma constituidos cada uno por un elemento filar metálico. Cada excitador se extiende en la proximidad y a lo largo de un imán estando dispuesto en la vertical de un imán permanente.

El campo magnético de intensidad igual al valor que da la resonancia y el campo eléctrico microonda están ambos localizados y confinados esencialmente en el espacio situado entre un excitador y la parte de la pared del recinto dispuesta frente a un imán. En presencia de un medio gaseoso que presenta una presión reducida, los electrones son acelerados en la zona de resonancia y se arrollan a lo largo de las líneas de campo magnético que definen una superficie de confinamiento del plasma. Estas líneas de campo en forma de festones unen el polo de un imán con su polo opuesto o al polo opuesto de un imán consecutivo. A lo largo de su trayecto, el electrón disocia e ioniza las moléculas y los átomos con los cuales entra en colisión. El plasma así formado en los festones del campo magnético se difunde a continuación, a partir de las líneas de campo, para formar un plasma prácticamente exento de los electrones energéticos que quedan entrampados en los festones.

El principal inconveniente de la técnica descrita por esta patente se refiere al hecho de que la zona de propagación de la energía microonda y la zona de resonancia donde la energía microonda es absorbida se superponen. La propagación de las microondas sólo puede efectuarse por tanto con pérdidas y la intensidad del campo eléctrico microonda y la densidad del plasma disminuyen ambos progresivamente a lo largo del excitador a partir de la fuente microonda. El plasma obtenido presenta una densidad no uniforme a lo largo del excitador, de manera que dicho plasma resulta inadaptado para la mayor parte de las aplicaciones industriales.

Una variante de la técnica descrita más arriba constituye el objeto de la patente francesa nº 93 02 414. Según esta técnica, las microondas son aplicadas directamente a uno de los extremos del aplicador de campo magnético constituido por unos imanes permanentes o por un conductor recorrido por una corriente eléctrica. Esta vez también, las microondas se propagan principalmente en la zona de resonancia ciclotrónica electrónica y sufren por tanto una fuerte atenuación, lo que conduce a la producción de un plasma no uniforme a lo largo del imán. El interés de esta solución con respecto a la técnica anterior es, por una parte, la simplificación del dispositivo y, por otra parte, una eficacia incrementada de la excitación del plasma, en la medida en que la intensidad del campo magnético y la intensidad del campo eléctrico microonda son ambas máximas en la superficie del aplicador.

En el mismo sentido, la solicitud de patente JP 05 314 918 describe un dispositivo de producción de un plasma constituido por un aplicador filar de una energía microonda, equipado en su extremo con un imán.

Con el fin de evitar el defecto de uniformidad del plasma relacionado con la propagación de una onda progresiva muy atenuada, la patente francesa nº 91 00 894 propone excitar el plasma con la ayuda de una onda estacionaria de amplitud constante. Con este fin, se ha propuesto hacer propagar las microondas en una zona distinta de aquella en la que se cumplen las condiciones de resonancia cilotrónica electrónica. La solución propuesta es aplicar la potencia microonda con la ayuda de un aplicador filar situado no frente a los polos de los imanes, sino a media distancia de dos polos opuestos próximos en la zona prohibida al plasma. Así, es posible obtener un plasma uniforme a lo largo de los imanes, siendo los máximos y los mínimos de campos microondas debidos a la onda estacionaria a lo largo de los imanes "borrados" por la velocidad de deriva de los electrones a lo largo de los imanes, perpendicularmente al plano del campo magnético.

La generalización de la utilización de ondas estacionarias para excitar unos plasmas uniformes con la resonancia ciclotrónica electrónica se ha propuesto en la patente francesa nº 94 13 499 en la que el establecimiento de las ondas estacionarias está controlado por la adición de propagadores filares cerca del aplicador de las microondas, dispuestos fuera de la zona de absorción de las microondas a la resonancia ciclotrónica electrónica.

Sin embargo, las técnicas descritas por estas patentes nº 91 00 894 y nº 94 13 499 en las que la propagación de las microondas se efectúa en forma de ondas estacionarias adolecen de la dificultad de obtener una amplitud constante, en particular para una longitud relativamente importante del aplicador de microondas. Además, el ajuste de la uniformidad y de la amplitud impone generalmente utilizar una adaptación de impedancia corriente arriba del aplicador microondas.

El análisis de las diferentes técnicas de la técnica anterior conduce a constatar unos defectos de uniformidad del campo eléctrico y del plasma a lo largo de los aplicadores, debidos a la atenuación muy fuerte del campo eléctrico por absorción resonante de la potencia microonda por los electrones a la resonancia ciclotrónica electrónica. Dicho de otro modo, las técnicas descritas anteriormente no permiten producir un plasma uniforme sobre grandes longitudes y por tanto sobre grandes superficies típicamente, sobre unas dimensiones del orden del metro o superior. Además, estas técnicas adolecen de un inconveniente importante, a saber la radiación de las microondas a partir de los aplicadores y de los propagadores, debido al confinamiento mediocre de la potencia microonda en la zona de propagación. Resultan de ello unos acoplamientos entre los aplicadores particularmente nefastos para la obtención de buenas...

1. Procedimiento de producción de un plasma para una superficie de utilización (S_u) con la ayuda de un dispositivo que comprende unos medios de producción de una energía en el campo de las microondas y unos medios para crear por lo menos una superficie (6) de campo magnético constante y de intensidad correspondiente a la resonancia ciclotrónica electrónica y dispuesta por lo menos en la zona de propagación de las microondas, con vistas a la excitación del plasma, caracterizado porqué consiste:

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste en regular la distancia entre los dispositivos elementales de excitación (3) y la superficie de utilización (S_u), con el fin de ajustar la excitación de plasma al perfil de la superficie de utilización.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque consiste en regular la potencia de la energía microonda de cada dispositivo elemental de excitación (3), con vistas a regular la uniformidad del plasma.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste en repartir los dispositivos elementales de excitación de plasma (3), de manera que los dipolos magnéticos (5) presenten unos ejes de imantación orientados en un mismo sentido.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque consiste en repartir los dispositivos elementales de excitación de plasma (3), de manera que los dipolos magnéticos (5) presenten unos ejes de imantación alternativamente orientados de un dispositivo vecino a otro.

6. Dispositivo de producción de un plasma para una superficie de utilización (S_u), comprendiendo el dispositivo unos medios de producción de una energía en el campo de las microondas, y unos medios para crear por lo menos una superficie (6) de campo magnético constante y de intensidad correspondiente a la resonancia ciclotrónica electrónica y dispuesta por lo menos en relación con la zona de propagación de las microondas, con vistas a la excitación del plasma, caracterizado porque comprende una serie de dispositivos elementales de excitación de plasma (3), constituidos cada uno por un aplicador filar (4) de una energía microonda, del que un extremo está conectado a la fuente de producción (E) y del que el otro extremo está equipado, como medios para crear por lo menos una superficie de campo magnético constante y de intensidad correspondiente a la resonancia ciclotrónica electrónica, con por lo menos un dipolo magnético (5) montado en el extremo (4₁) del aplicador microondas, de manera que asegure la oscilación entre los polos de los electrones acelerados a la resonancia ciclotrónica electrónica, con vistas a crear una zona de difusión (Z) de plasma situada en la parte opuesta al extremo (4₁) del aplicador con respecto a dicho dipolo, estando los dispositivos elementales de excitación (3) repartidos entre sí y en relación de proximidad de la superficie de utilización (S_u), con vistas a crear juntos un plasma uniforme para la superficie de utilización.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque cada dispositivo elemental de excitación (3) comprende por lo menos un dipolo magnético (5) cuyo eje de imantación (A) está situado de forma sustancialmente paralela al eje del aplicador filar (4).

8. Dispositivo según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque cada dipolo magnético (5) comprende por lo menos un material (15) de alta permeabilidad magnética, situado más allá del extremo (4₁) del aplicador filar, de manera que modifique la posición de puntos espejos (P₁, P₂) asociados a cada polo de un dipolo magnético y entre los cuales oscilan unos electrones acelerados a la resonancia ciclotrónica electrónica.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque cada dipolo magnético (5) está constituido por un cilindro imantado axialmente y en el que está practicado un mandrilado axial (8), y porque el diámetro del aplicador filar (4) es igual al diámetro del círculo descrito por el polo magnético, con vistas a evitar que corte las trayectorias de los electrones acelerados a la resonancia ciclotrónica electrónica.

10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado porque cada dipolo magnético (5) está provisto de una conducción (9) de traída de un fluido de enfriado montada en un mandrilado axial y que comunica con un recinto (11) que envuelve el dipolo magnético y que desemboca en un conducto de retorno (13) del fluido de enfriado.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque la conducción de retorno (13) del fluido de enfriado está delimitada entre la conducción de traída (9) y un tubo (4) que forma el aplicador filar.

12. Dispositivo según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque cada dipolo magnético (5) está equipado con un conducto de traída de gas (14) que atraviesa el dipolo magnético por su mandrilado axial (8).

13. Dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 12, caracterizado porque cada dispositivo elemental de producción (3) está equipado con unos medios de desplazamiento axial que permiten regular la distancia entre la superficie de utilización (S_u) y el dipolo magnético (5).

14. Dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 13, caracterizado porque cada aplicador filar (4) está conectado por una estructura coaxial (4'), a una fuente de energía (E) en el campo de las microondas, exterior al recinto (1).