Large microwave plasma reactor based on surface waves

Abstract
A microwave plasma reactor without magnetic fields has been designed for large surface treatment or deposition. Using the surfaguide principle, a 2.45GHz wave is coupled to the plasma created in a 12cm tube diameter surrounded by a metallic cylinder of 18.8cm diameter. The aim of this paper is to characterize this plasma, particularly the spatial homogeneity over the cross section. Argon and oxygen gases have been used. Pressure and microwave power were in the range 1 to 1000 Pascal and 200 to 2000Watt. Wave propagation study has shown that mainly a plasma mode (surface wave) of azimuthal hexapolar symmetry (π/3 periodicity) propagates. In argon gas, electron density (10¹¹ to 10¹² cm^-3) and mean energy (1 to 3 eV) are locally measured by probes. Emission spectroscopy provides information on excited states distributions. They depend on the electric field distribution : azimuthally π/3 periodic and radially maximum near the wall due to the surface wave profile. Weakly modulated at high pressure, they are quite homogeneous at lower pressure due to the diffusion phenomenon. Actinometry has shown that the atomic oxygen density is rather homogeneous over the cross section whatever the pressure, which is promising for future surface treatment applications.

Résumé
Un réacteur plasma micro-onde sans champ magnétique pour le traitement de grandes surfaces ou le dépôt de couches minces, est présenté. Une onde à 2.45 GHz est couplée à un plasma créé dans un tube de 12 cm de diamètre entouré d'un cylindre métallique de 18.8 cm de diamètre. Ce papier présente une caractérisation du plasma, plus particulièrement pour l'étude de l'homogénéité spatiale du milieu sur sa section. Argon et oxygène ont été utilisés. Pression de gaz et puissance micro-onde ont été respectivement de 1 à 1000 Pascal, et de 200 à 2000 Watt. Une étude de propagation d'onde montre que le plasma est entretenu principalement par le mode plasma (onde de surface) à symétrie hexapolaire (de périodicité π/3). Dans l'argon on obtient des valeurs de densité et d'énergie des électrons de l'ordre de 10¹¹ à 10¹² cm^-3 et de 1 à 3 eV. La distribution des états excités du plasma dépend du champ électrique : azimutalement π/3 modulée et radiallement maximum près du tube (onde de surface). Aux plus basses pressions, le phénomène de diffusion rend plus homogène la distribution de ces espèces. L'oxygène atomique est quant à lui assez homogène quelque soit la pression.