Les plasmas artificiels et l’industrie

Les plasmas artificiels et l’industrie

Classification 

Les plasmas artificiels sont actuellement utilisés dans un grand nombre d’applications et de procédés industriels car ils permettent d’obtenir des réactions en phase gazeuse ou avec des surfaces qui seraient difficilement réalisable par d’autres procédés. L’utilisation des procédés assistés par plasma représente un marché de plusieurs milliards d’euros en croissance régulière.

Pour passer à l’état plasma, il faut fournir au gaz une quantité d’énergie suffisante pour ioniser des atomes et des molécules. L’apport d’énergie peut se faire sous forme thermique (chauffage), lumineuse (laser) ou électrique (par application d’un champ électrique). Parmi les plasmas artificiels nous pouvons distinguer trois catégories :

Les plasmas chauds étudiés dans le cadre d’applications civiles de production d’énergie par fusion thermonucléaire (fusion par confinement magnétique dans les tokamaks),  ou bien d’applications militaires afin de reproduire des explosions thermonucléaires (fusion par confinement inertiel), ou comme source intense de rayonnement X (Zpinch). Ils sont totalement ionisé (α = 1) et les espèces chargées sont à des températures très élevées de l’ordre du MeV.

Les plasmas thermiques : les procédés thermiques sont typiquement des procédés haute pression dans lesquels les plasmas sont en équilibre thermodynamique (températures de l’ordre de l’électron-volt). Leurs principaux domaines d’applications sont la métallurgie (soudure et découpe par torche plasma), le revêtement de surface par projection thermique, le traitement de déchets par torche plasma ou bien l’éclairage de forte intensité (lampe à arc électrique. . .).

Les plasmas froids, hors équilibre thermodynamique, pour lesquels la température électronique est de l’ordre de quelques électron-volt (par opposition aux plasma chauds cf. plus haut) alors que les ions et les espèces neutres sont à la température ambiante. Ces plasmas sont peu ionisés (α ‘ 10−6 ) et peuvent exister à haute pression comme à basse pression. Ces derniers ont de nombreuses applications dans le génie des procédés pour le traitement de surface (polymérisation, nitruration, cémentation, implantation ionique, dépôt et gravure sèche. . .). Les procédés de fabrication en microélectronique y ont donc largement recours pour la fabrication de circuits intégrés, mémoires, microprocesseurs. . . Les techniques de fabrication des écrans plats, des panneaux solaires ou des transistors en couches minces reposent aussi sur les procédés plasma. Enfin les plasmas froids sont également utilisés dans l’éclairage (lampes et tubes fluorescents, enseignes lumineuses), en dépollution (fabrication d’ozone à partir de l’oxygène de l’air, traitement des effluents gazeux).

Les plasmas étudiés dans le cadre de cette thèse sont les décharges luminescentes (glow discharge) à basse pression (de l’ordre du mbar) hors-équilibre qui ont typiquement une température électronique de quelques électron-volts pour une densité électronique de quelques 10⁹ électrons par centimètre cube. Ils se classent dans la partie centrale du diagramme de la figure précédente (cf. fig. 1.1, p. 8).

Les sources de plasma 

Les plasmas sont constitués de charges électriques en mouvement dans un gaz. Un moyen commode pour les créer artificiellement est d’accélérer les électrons à l’aide d’un champ électrique dans un gaz à basse pression afin de leur donner de l’énergie pour qu’ils puissent ioniser des atomes ou des molécules neutres Ils existent de nombreuses sources plasma [3–5] à basse pression qui diffèrent par la méthode d’application du champ électrique et par la fréquence rf d’excitation qui va du continu jusqu’au domaine micro-onde. Dans la liste qui suit, sont données les sources plasma les plus courantes ainsi que la fréquence rf généralement utilisée pour chacune de ces sources :

– la décharge dc à courant continue (continu ou 50 Hz);
– la décharge rf à couplage capacitif (13,56 MHz);
– la décharge rf à couplage inductif (13,56 MHz);
– la source hélicon (13,56 MHz);
– la décharge ecr à résonance cyclotronique électronique (2,45 GHz);
– la décharge micro-ondes à cavité résonante (2,45 GHz);
– et la décharge micro-ondes à onde de surface (2,45 GHz).
Parmi toutes ces sources, on distingue les sources dites « basse densité » et celles, « haute densité ». Celles permettant de produire des plasmas dont les densités électroniques sont supérieures à 10¹⁰ cm-3 sont dites haute densité, les autres, sont donc appelées basse densité. Les décharges dc et capacitives sont généralement des sources basse densité. Les autres sont des sources haute densité.

Les décharges RF capacitives

Principe

Une source plasma à couplage capacitif est constituée de deux électrodes conductrices parallèles (généralement circulaires) disposées dans une enceinte à vide. La décharge est limitée par les parois du réacteur, qui peuvent être conductrices ou isolantes. Le champ électrique qui accélère les électrons est celui créé entre les deux électrodes. Ce champ est identique à celui existant dans une capacité. Pour le générer, l’une des électrodes est  connectée à une source de puissance rf (délivrant typiquement une puissance de 10W à plusieurs kW) tandis que l’autre est reliée à la masse. Soit Vrf(t) = V0 sin ωt la différence de potentiel appliquée entre les électrodes.

Les gaines de charge d’espace 

En présence des parois du réacteur les électrons, très rapides, sont rapidement perdus. La neutralité électrique du corps du plasma n’est maintenue qu’à la condition que le potentiel moyen au centre du plasma soit supérieur au potentiel des parois afin de retenir les électrons. Il se forme alors, à l’interface plasma-parois, une zone de charge d’espace positive appelée gaine, dans laquelle s’établit un champ électrique, dirigé vers l’électrode, qui confine les électrons et accélère les ions positifs vers les surfaces (cf. fig. 1.2.b). La neutralité électrique n’est donc violée que dans les gaines où se trouve la majeure partie de la chute de potentiel entre le centre du plasma et les parois.

Cette barrière de potentiel n’est franchie par les électrons que pendant de courts instants du cycle rf de telle façon que le flux moyen (pendant une période) d’ions et d’électrons aux parois soit égaux. Les ions bombardent les électrodes avec une énergie dépendant directement de la valeur du champ électrique moyen qui règne dans la gaine. Le potentiel électrique dans le plasma oscille au cours du temps et est appelé potentiel plasma, noté Vp. Ce potentiel est toujours quelques volts au dessus du potentiel de l’électrode la plus positive (cf. fig. 1.2.b).

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Table des matières

1 Introduction
1.1 L’état de plasma
1.2 Les plasmas artificiels et l’industrie
1.2.1 Classification
1.2.2 Les sources de plasma
1.2.3 A propos des radiofréquences
1.3 Les décharges rf capacitives
1.3.1 Principe
1.3.2 Structure d’une décharge capacitive
1.3.3 Application au traitement de surface
1.3.4 Ordres de grandeur et paramètres de contrôle
1.4 Le contexte technologique de l’étude
1.4.1 Les sources capacitives « haute densité »
1.4.2 Dépôt de couches minces de silicium microcristallin avec une décharge vhf
1.4.3 Organisation du mémoire
2 Dispositif expérimental
2.1 Description du dispositif d’étude initial
2.1.1 L’enceinte à vide
2.1.2 L’espace inter-électrodes
2.1.3 Le pompage et la distribution des gaz
2.1.4 La mesure de pression
2.1.5 L’alimentation électrique radiofréquence initiale
2.2 Modifications apportées au réacteur d’étude
2.2.1 L’alimentation électrique radio-fréquence
2.2.2 L’accord d’impédance
2.2.3 Difficultés métrologiques
2.3 Diagnostiques électriques
2.3.1 Mesure du courant radiofréquence
2.3.2 Mesure de la tension radiofréquence
2.4 Correction des mesures électriques
2.4.1 Mesure de la tension d’autopolarisation
2.4.2 Mesure de la puissance couplée et de l’impédance
2.5 Nouveau capteur de courant-tension
2.6 Mesure de densité électronique
2.6.1 Mesure par sonde de Langmuir
2.6.2 Mesure par une sonde plasma à transmission
3 Modélisation
3.1 Modèle électrique du réacteur à vide
3.1.1 Introduction
3.1.2 Mesure de l’impédance d’entrée
3.1.3 Comparaison avec d’autres réacteurs de type GEC
3.1.4 Calcul de l’impédance d’entrée
3.1.5 Position de l’impédance du plasma dans le modèle électrique
3.2 L’accord d’impédance
3.2.1 Surtension sur l’électrode rf
3.2.2 Limite en fréquence de la boîte d’accord
3.2.3 Valeurs nécessaires de Ltune et Cload pour accorder
3.2.4 Pertes dans la boîte d’accord
3.3 Modèle global dans l’hydrogène
3.3.1 Introduction
3.3.2 Hypothèses
3.3.3 Modèle électrique du bulk
3.3.4 Modèle électrique des gaines
3.3.5 Impédance de la décharge
3.3.6 Modèle de gaine simplifié
3.3.7 Bilan de particules
3.3.8 Bilan de puissance des électrons
3.3.9 Modélisation de l’ensemble du système expérimental
3.3.10 Déroulement du calcul
3.4 Interprétation de l’impédance du plasma
3.4.1 Notion de composante ohmique de la tension
3.4.2 Détermination des puissances dissipées dans les gaines et le bulk
3.4.3 Détermination des tensions dans les gaines et le bulk
3.4.4 Détermination de la densité électronique
3.4.5 Détermination de la taille moyenne des gaines s
4 Conclusion

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