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Thème Procédés plasmas et physico-chimie

par Agnès GP - publié le , mis à jour le

Ce thème peut se décomposer en 2 parties :

Etude des décharges froides à la pression atmosphérique

Le développement d’un procédé de dépôt utilisant un plasma fonctionnant à la pression atmosphérique est un défi permettant entre autres d’éviter le traitement par lots des films, fibres et plaques, réduisant significativement le coût, et contribuant ainsi à l’expansion de l’utilisation des technologies plasma en dehors du domaine de la microélectronique. Les décharges contrôlées par barrière diélectrique (DBD) sont l’une des décharges les plus appropriées, car ce sont des décharges froides, robustes et qu’elles ne sont pas perturbées par le mouvement du substrat. Les DBD fonctionnent normalement dans un mode filamentaire, mais il est possible, en jouant sur la composition du gaz, sur les paramètres électriques et sur la configuration des électrodes, d’obtenir des décharges parfaitement homogènes, appelées, en fonction de leurs caractéristiques, décharges luminescentes à la pression atmosphérique (DLPA) ou décharges de Townsend à la pression atmosphérique (DTPA). Une limitation concerne néanmoins le domaine d’obtention de ces décharges homogènes qui est encore trop réduit, à la fois en terme d’atmosphère gazeuse mais aussi en terme de puissance dissipée. Ainsi, l’étude de la transition entre le régime filamentaire normalement observé à la pression atmosphérique et ces décharges homogènes constitue un axe de recherche majeur de nos activités.

DBD homogène (haut) et filamentaire (bas) dans l’air à la pression atmosphérique. Photographies réalisées avec un temps de pause de 100 ns. La stabilisation de la décharge est obtenue par adjonction d’une couche résistive sur le diélectrique.

Ces dernières années, nous avons ainsi démontré que :

  • L’électronégativité du gaz joue un rôle prépondérant dans l’homogénéisation des décharges (comparaison entre N2O et O2).
  • Les éléments parasites de l’alimentation (capacités ou inductances) peuvent être à l’origine de déstabilisations dans le gaz (collaboration [OSDP).
  • La transition entre régime filamentaire et homogène peut être contrôlée par adjonction d’une couche résistive sur les électrodes.
  • Les mécanismes d’absorption/désorption en surface jouent un rôle clé sur la production d’espèces actives dans la décharge (radicaux).

De plus, une réflexion est en cours sur les mécanismes d’émission secondaire aux électrodes susceptibles d’expliquer le fort ensemencement en électrons germes nécessaires à l’obtention d’un claquage de Townsend à la pression atmosphérique.

Outre ces conclusions, de nouveaux outils ont été développés parmi lesquels :

  • Un diagnostic de Fluorescence Induite par Laser (LIF) à 1 ou 2 photons appliqué aux DBD à la PA.

Densité mesurée d’azote atomique en fonction de l’énergie dissipée dans la décharge. Mesures réalisées par TALIF dans une décharge homogène de N2 pur à pression atmosphérique.
  • Un modèle « type circuit » des décharges homogènes, qui permet à la fois de rendre compte du couplage entre générateur et décharge mais aussi d’avoir une vision macroscopique de cette dernière.

Schéma électrique équivalent d’une décharge de Townsend à la pression atmosphérique dans N2.
  • Un code 0D téléchargeable en ligne, « ZDPlaskin », qui permet, s’il est associé à un jeu de réactions chimiques adéquat, de suivre l’évolution temporelle des densités d’espèces et de la température du gaz dans les plasmas hors équilibre thermodynamique – (collaboration GREPHE).
  • Un schéma cinétique complet dans l’azote et dans l’air.
  • Une méthode de maillage adaptatif en 1, 2 et 3 dimensions, qui s’appuie sur le logiciel libre “PARAMESH”.

Distribution du champ électrique et de la densité électronique au cours du développement d’un streamer positif. Résultats d’une simulation 2D utilisant un maillage adaptatif de 10-4 cm. Les blocs représentent 8×8 mailles.
  • De nouvelles méthodes pour prendre en compte plus finement les phénomènes radiatifs importants que sont la photo-ionisation et l’effet photoélectrique.

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Références :

Thèses :

  • Nicolas Naudé (2005) « Étude électrique de la physique d’une décharge de Townsend à la pression atmosphérique et de son interaction avec un générateur : Modèle et Expérience »
  • Et-touhami Es-Sebbar (2007) « Etude électrique et analyse par Fluorescence induite par Laser des décharges de Townsend à la pression atmosphérique dans N2, N2/N2O et N2/O2 »

Publications principales :

Activités contractuelles :
ANR IPER, ANR PREPA

Collaborations internes :
GREPHE, OSDP

Collaborations académiques :
PROMES (Perpignan), EM2C (Paris), LGE (Pau), CWI (Pays-Bas), USTO (Algérie)

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Physico-chimie en phase gaz lors de la réalisation d’un dépôt

La composition et donc les propriétés des films déposés par plasma dépendent de la nature du flux et de l’énergie des espèces qui arrivent sur les surfaces. Ceci est en grande partie déterminé par la physicochimie qui a lieu en phase gaz, qui est d’une grande complexité du fait de l’extrême diversité des espèces présentes et des processus qui peuvent faire intervenir ces espèces excitées. Notre équipe a consenti un effort significatif sur ces questions en considérant que la variété des types de plasmas (par exemple BP et PA) et que l’analyse fine des couches déposées (cf [Plasma et matériaux) lui donnait des atouts non négligeables.
Une grande partie de notre activité a porté sur des précurseurs organosiliciés, siliciés et hydrocarbonés car ces précurseurs permettent d’obtenir une large gamme de matériaux. Les espèces les plus importantes contribuant à la formation des films ainsi que celles créées sur les parois du réacteur (compétition érosion / dépôt) ont été identifiées en comparant l’analyse IR du gaz et du dépôt. En particulier, la compétition érosion / dépôt en plasma microonde-RCER de CH4 et l’érosion de matériaux hydrocarbonés par un flux d’hydrogène atomique créé en post-décharge (Surfatron) ont été étudiées – (collaboration PRHE). Nous avons montré l’importance des flux (ions et atomes), de l’énergie des ions et de la température du substrat.

Ainsi, outre l’érosion induite par l’hydrogène, ces procédés représentent des alternatives dans la dégradation de surfaces organiques lors de la gravure ou de la stérilisation.


Schémas réactionnels simplifiés de la décomposition de HMDSO et de son interaction avec la surface, obtenus à partir de l’analyse FTIR dans un réacteur microonde-RCER (en haut : à faible puissance, en bas : à forte puissance) : formation, par exemple, de PMDSO, CH4 et TMS.

Mise en évidence par ellipsométrie in situ de l’effet de la température du substrat dans la compétition érosion / dépôt en plasma microonde-RCER de CH4.

Une étude sur l’effet de la dilution dans N2 de précurseurs organosiliciés a été initiée pour comprendre, à partir des procédés BP, les mécanismes physicochimiques intervenant dans les procédés à la PA.
De plus, nous avons montré qu’à la PA le transport réactif (convection, diffusion, recirculation de gaz) devait absolument être pris en compte. Ainsi, le procédé de dépôt a été simulé en utilisant FLUENT©. Pour les mélanges à base de HMDSO, nos résultats montrent que la dissociation du précurseur en radicaux siliciés est l’étape limitante du procédé. Pour les mélanges à base de SiH4, le modèle a montré que la cinétique de formation des poudres est plus rapide que celle correspondant aux taux maximum de collision issus de la théorie cinétique des gaz. Par ailleurs, nous avons établi l’influence des recirculations de gaz sur la stabilité des décharges et sur l’homogénéité des dépôts.

Recirculation dans une cellule de dépôt (simulation sous FLUENT©)

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Références :

Thèses :

  • David Escaich (2006) « Caractérisation et élaboration de couches de carbones amorphes hydrogénés à propriétés optiques par procédés plasmas »
  • Ionut Enache (2007) « Etude expérimentale et modélisation du transfert de matière et des instabilités dans les décharges de Townsend à pression Atmosphérique en mélange HMDSO-N2O–N2 et SiH4–N2O–N2 »
  • Richard Murillo (2006) « Nettoyage de surface par plasma froid : Etude de l’interaction plasma - Molécule organique »

Publications principales :

Activités contractuelles :
Projet européen Napolyde, SIDUR, ACI Technosurf, ARCELOR Mittal, CEA-LITEN, Applied Materials

Collaborations internes :
PRHE

Collaborations académiques :
GDR TEMPS, GDR Arches, LSGS (Nancy), Université du Maine, Université de Barcelone (Espagne), Université de Constantine (Algérie), Université de Montréal (Canada)

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