Puissance réfléchie dans le procédés (-plasma) micro-ondes

La puissance réfléchie est définie comme la partie de la puissance micro-ondes qui n’est pas absorbée par la charge (plasma, matériaux à chauffer..) et qui revient au générateur. Dans les procédés micro-ondes, il s’agit d’un paramètre important pour indiquer l’efficacité du transfert d’énergie micro-ondes dans la charge. Cet article décrit ce que signifie la valeur de la puissance réfléchie, quels paramètres influencent la création de la puissance réfléchie et comment minimiser sa valeur.

L’avantage des systèmes plasma micro-ondes est que, contrairement aux systèmes plasma RF (radiofréquence), la puissance réfléchie ne cause aucun dommage direct et elle peut être utilisée pour l’optimisation des processus.

Explication d'un système (-plasma) micro-ondes

Dans l’exemple suivant, un système plasma micro-ondes classique est décrit en utilisant le modèle d’un brûleur atmosphérique.

Figure 1: Modèle fonctionnel d'un système micro-ondes avec (1) générateur micro-ondes; (2) isolateur; (3) adaptateur d'impedance à 3-stub; (4) brûleur atmosphérique (représentant pour toute application)
  1. Le générateur de micro-ondes composé d’une alimentation haute tension (habituellement une alimentation à decoupage) produit de la puissance micro-onde via un magnétron (dans la figure 1, la fréquence de 2,45 GHz).
  2. L’isolateur est un dispositif à deux ports qui permet à la puissance micro-onde de passer du générateur micro-ondes à la charge mais pas dans le sens inverse (puissance réfléchie). L’utilisation la plus courante d’un tel dispositif est de protéger le magnétron des effets néfastes de la puissance réfléchie. À l’entrée de l’isolateur, la puissance réfléchie – généralement créée par une charge peu absorbante / mal adaptée – est détournée vers une charge à eau parfaitement adaptée et, en tant que telle, la puissance réfléchie est abosrbée et dissipée sous forme de chaleur dans l’eau circulante dans la charge à eau.
  3. L’adaptateur d’impédance à 3-stub est un composant optionnel qui permet une large fenêtre d’opération du système en adaptant l’impédance du magnétron à l’impédance de la charge (par exemple, plasma). Pour les processus très dynamiques, il est indiqué d’utiliser un adaptateur d’impédance automatique. Cependant, si un processus subit peu de changements, c’est-à-dire qu’il est stable pour le couplage micro-ondes, les impédances peuvent être adaptées de façon permanent et généralement, l’adaptation est effectuée en utilisant des éléments d’accord individuels fixes.
  4. Charge représentée par une source plasma atmosphérique (APS).

Réflexion due à la désadaptation d'impédance

Causes principalles

La puissance réfléchie est créée lorsque les composants du système plasma (i.e. le générateur de micro-ondes et la source plasma) ne sont pas correctement adaptés. Dans les procédés micro-ondes, cela se produit en raison des changements de géométrie du guide d’ondes, géométrie des lignes (conducteur coaxial, strip-line, etc.) et également due au changement de la charge diélectrique dans la chambre de traitement. Le couplage générateur micro-ondes – réacteur plasma peut aussi changer en raison des changements du matériau de traitement, de l’évaporation de l’eau, de l’allumage du plasma, des changements de température ou de pression, etc., ce qui nécessite un ajustement de l’adaptation d’impédance afin de diminuer la puissance réfléchie. Plus ces changements se produisent brusquement dans le système, plus il devient difficile de compenser le décalage avec un seul élément d’adaptation.

Tous ces effets peuvent être expliqués par l’adaptation d’impédance et visualisés au moyen d’un diagramme de Smith. En fonction de la fréquence, le générateur micro-ondes et la charge peuvent être attribues des impédances complexes, qui sont adaptées par un réseau d’adaptation complexe. Le réseau correspondant est construit par des inducteurs et des condensateurs idéales, sans résistance. Dans l’exemple en Figure 1, le système correspond aux 3-stubs d’accord qui se projettent dans le guide d’ondes à des profondeurs différentes.

Importance pour les procédés MW (micro-ondes)

Due à l’existence de l’isolateur comme élément de protection dans la ligne de transmission micro-ondes, la puissance réfléchie ne représent pas un problème majeur pour l’équipement : la puissance réfléchie est absorbée par la charge à eau de l’isolateur et convertie en chaleur, même si la puissance réfléchie est 100 % de la puissance générée par le générateur micro-ondes. La puissance réfléchie est généralement mesurée au niveau de l’isolateur et, à ce titre, l’opérateur peut calculer la puissance absorbée par la charge à chauffer / le plasma. En général, un procédé micro-ondes doit être opéré avec des valeurs de puissance réfléchie les plus faibles possible afin d’augmenter le rendement de l’application.

Importance pour les procédés RF (radiofréquence)

Due au fonctionnement du plasma RF à une fréquence inférieure par rapport à la fréquence micro-ondes (e.g., 13,56 MHz contre 2,45 GHz), les isolateurs ne sont pas disponibles dans les plasma RF et en conséquence, la puissance réfléchie devient critique. Une puissance réfléchie élevée dans la chambre de traitement RF peut endommager les composants par des arcs électriques et dans le pire des cas, la puissance réfléchie peut détruire le générateur.

Adaptation d'impédance

Manuel / Automatique

Dans les systèmes micro-ondes standard, divers éléments de réglage d’impédance peuvent être utilisés. Outre que l’adaptateur d’impédance à 3-stub déjà mentionné, des tuners à iris ou des tuners E-H peuvent également être utilisés. Ceux-ci peuvent être actionnés manuellement ou réagir automatiquement aux changements de la puissance réfléchie. Tous ces éléments d’accord modifient le comportement de transmission des ondes du générateur à la charge afin d’optimiser l’adaptation.

Adaptateur d'impédance fixe

Dans un système très bien conçu, les propriétés de transmission des ondes peuvent être prédites. Dans ce cas, la géométrie de la transition peut être fixe et ne nécessite pas de réglage supplémentaire ; aucun élément mobile ne sera nécessaire.

Un exemple d’un tel système est illustré dans la Figure 2. La séquence particulière des composants (magnétron, étage de couplage, circulateur, transition vers la source, puissance de sortie vers le plasma) permet une parfaite adaptation des impédances, ce qui assure un quasi-zéro niveau de puissance réfléchie.

Figure 2 : RPS compact («Remote Plasma Source»), parfaitement adaptée par sa conception. Pour la production à grand volume, les unités sont des copies exactes et immédiatement utilisables sans aucun réglage supplémentaire.

Conclusions

La puissance réfléchie est un paramètre qui est pris en compte dans tous les procèdes plasma. Contrairement aux processus RF (radiofréquence), dans les plasmas micro-ondes, la réflexion est un paramètre plutôt non critique. Même de petites réflexions dans les processus RF peuvent conduire à des décharges indésirables (arcs électriques) ou même à la destruction du générateur ; dans les systèmes à micro-ondes, la puissance réfléchie est une mesure de l’efficacité du processus. Plus la réflexion est faible, plus la puissance disponible pour le processus est élevée. Dans les systèmes micro-ondes la puissance réfléchie est absorbée par la charge à eau de l’isolateur et est éliminée sous forme de chaleur sans mettre en danger les components du réacteur plasma.

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