Academic literature on the topic 'Plasma radiofréquence'

L'utilisation des decharges radiofrequences est tres repandue dans l'industrie. L'optimisation des reacteurs a plasma consiste a ameliorer le transfert d'energie du generateur au plasma lui meme. L'amelioration du rendement energetique a ete obtenue a l'aide d'un choix judicieux de la geometrie des electrodes et du systeme d'adaptation d'impedance. L'etude experimentale de la puissance effective transmise au plasma, montre que l'adaptateur en l assure le meilleur transfert d'energie en particulier pour les pressions inferieures a 100 mtorr. Une nouvelle approche experimentale est proposee afin d'etudier la dependance entre la geometrie du reacteur et la distribution de potentiel de la decharge (loi des aires). Les resultats obtenus sont compares aux previsions de modeles theoriques representatifs. Le controle du plasma est effectue a la fois par sonde electrostatique et par spectroscopie d'emission. Une sonde et son circuit de compensation ont ete realises dans le but de determiner les differents parametres du plasma (densites des particules, temperature electronique et energie des ions bombardant la surface du substrat). Un diagnostic optique base sur les intensites d'emission a permis d'etudier la distribution axiale de l'energie des electrons, le controle de la stabilite et l'influence du pourcentage d'azote sur l'efficacite du processus de pulverisation. Le reacteur est utilise dans des conditions de depot par pulverisation cathodique d'une cible d'aluminium sous atmosphere argon ou argon-azote. Les vitesses de depot obtenues sont en bon accord avec les resultats anterieurs. L'augmentation du pourcentage d'azote a ete correlee avec la decroissance de la vitesse de depot. Enfin, l'analyse de composition des films obtenus a ete realisee par spectroscopie xps.

Le travail presente traite de la modelisation et de la caracterisation de decharges radiofrequence (rf dans l'hydrogene. Le reacteur utilise possede une symetrie cylindrique et ses deux electrodes, paralleles, permettent un couplage capacitif au plasma. Dans un premier temps, un modele bi-dimensionnel elabore (qui decrit la dynamique des electrons et des ions h+, h2+, h3+ et h- dans le reacteur) y est couple de faÇon auto-coherente a un modele collisionnel-radiatif homogene (qui inclut une description complete de la cinetique vibrationnelle et atomique de l'hydrogene). L'etude de la decharge y est menee sur une gamme etendue de frequences d'excitation, de pressions du gaz et de tensions rf appliquees. Un bon accord est observe entre les previsions du modele et les mesures experimentales du potentiel plasma et de la puissance electrique couplee au plasma. En ce qui concerne les valeurs de densite electronique et de tension d'auto-polarisation, l’accord n'est que qualitatif - les valeurs calculees par le modele etant sous-estimees par rapport aux resultats experimentaux. Cet ecart ne peut cependant pas s'expliquer completement par le choix du schema cinetique mais plus vraisemblablement par celui de la description homogene adoptee pour le transport des neutres. Dans un deuxieme temps, afin de clarifier cet aspect, un modele hydrodynamique, exploitant les equations de navier stokes, y est developpe pour le gaz et couple a un module de transport reactif de masse multi-composants. Ce modele innovateur devant pouvoir etre utilise
This work presents the modelling and the characterization of capacitively-coupled radio- frequency discharges in hydrogen, produced within a cylindrical parallel-plate reactor. The discharge characterization covered a wide range of excitation frequencies (13,56-80. 0 mhz). Gas pressures (0. 2 - 6 torr) and applied rf voltages (50-800 v), and used a state of art two-dimensional fluid model (to describe the dynamics of electrons, positive ions h+, h2+, h3+ and negative ion h- in the reactor), self-consistently coupled to a homogeneous collisional-radiative model for hydrogen (including a very complete kinetic scheme involving vibrationally excited molecular species and electronically excited atomic species). There is a good agreement between calculated results and experimental measurements for the coupled electrical power and the plasma potential. However, model predictions for the electron density and the self-bias voltage show only a qualitative agreement with experiment, with calculated values understimated with respect to measurements. This qualitative disagreement is only slightly dependent of the kinetic scheme adopted, and probably is a direct consequence of the homogenous model describing the transport of neutral species. To clarify this, a two-dimensional hydrodynamic gas model is developed based on the navier-stokes equation system plus a multicomponent reactive mass transport module. This innovative model is the key part of a powerful predictive tool, to be used in the optimisation of plasma reactors for material processing

La méthode particle-In-Cell combinée avec la technique Monte-Carlo est une méthode bien établie pour la modélisation des plasmas, et elle est très utilisée pour simuler les réacteurs de faible pression pour les décharges radiofréquences (RF). Cette technique est une méthode simple et efficace permettant de résoudre une large variété de problèmes complexes impliquant un grand nombre de particules en mouvement sous l'action des forces engendrées par elles-mêmes ainsi que les forces externes appliquées. Le but de notre modèle est de comprendre et de caractériser le comportement du plasma à basse pression pour une géométrie à deux dimensions. Nous voulons comprendre ce qui se passe dans la gaine et en particulier le comportement des ions. Dans ce travail, nous décrivons les modèles PIC-MCC et leurs techniques indispensables à la construction de tels modèles. Nous avons choisi cette technique par sa qualité de description de la physique du plasma. En effet, cette technique fournit plus de précisions et sans aucune hypothèse sur la fonction de distribution des électrons ou des ions, ce qui est loin d'être le cas pour les autres modèles notamment les modèles fluides. Nous montrons certaines fonctions de distribution (densité et énergie des particules chargées, EEDF,. . . ), les caractéristiques électriques de la décharge seront étudiées. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet européen EMDPA: New Elemental and Molecular Depth Analysis of advanced materials by modulated radio frequency glow discharge time of flight mass spectrometry. Ce projet est financé par la commission européenne via le programme de recherche pour le développement technologique
The particle-in-cell method combined with the Monte Carlo techniques is a well established method for plasma modelling, and is widely used to simulate low pressure radiofrequency discharges. This technique is a simple and effective method for solving a wide variety of complex problems involving a large number of particles moving under the action of internal forces and external forces (electromagnetic fields. . . ) The purpose of our model is to understand and characterize the behaviour of low pressure plasmas in a two-dimensional geometry. We want to understand what is happening in the sheath and in particular the behaviour of the ions. In this work, we describe the PIC-MCC models and techniques needed to build such models. We chose this technique by its ability to describe correctly the plasma physics at low pressure. Indeed, this technique provides more details without any assumption on the distribution function of electrons or ions, which is far from being the case for other models including fluid models. We show some distribution functions (density and energy of charged particles, EEDF) ; the electrical characteristics of the discharge are presented. This work is part of the European project EMDPA : New Elemental and Molecular Depth Analysis of advanced materials by modulated radio frequency glow discharge time of flight mass spectrometry. This project is funded by the European Commission through the research program for technological development

Le carbone présente de nombreuses formes allotropiques, dont le graphite, qui possède une large variété de formes géométriques d'intérêt pour l'industrie. Ce travail de thèse a permis la synthèse d'une nouvelle de ces formes: les pyramides hexagonales. Ces cristaux submicroniques sont créés à partir de substrats de graphite par gravure en plasma radiofréquence (rf) Ar/H2 basse pression. Pour comprendre la formation de ces nouveaux cristaux, la caractérisation des plasmas a été effectuée par sondes de Langmuir et absorption résonante laser afin de vérifier la température de surface et d'estimer les flux et énergies des ions. L'évolution temporelle de la gravure a été directement observée en microscopie électronique à balayage (MEB). La gravure chimique (Ar/H2) a formé des cônes de graphite à hélices dont les paramètres cristallins et une amorphisation de surface, due à l'hydrogène, ont été révélés par microscopie électronique en transmission (MET). La vitesse de gravure et l'état de surface montrent, en fonction du mélange, une zone de transition caractérisée par l'absence de structures. La gravure physique (Ar pur) conduit à la création des pyramides hexagonales de graphite. Un modèle de formation de ces cristaux a pu être proposé grâce à une bonne connaissance des différentes conditions plasma et des études poussées de microscopies électroniques sur plusieurs types de substrats. Les analyses MET haute résolution ont montré des boucles fermant les plans de bord du cristal et liées à sa formation. Nous avons également maîtrisé l'état de surface des substrats de graphite hautement orienté (HOPG) en créant une densité homogène de pyramides dont la taille peut être contrôlée
Carbon occurs as many different allotropic forms. One in particular, graphite, exhibits a remarkable variety of geometrical configurations largely used in industrial applications. This work permitted the synthesis of a novel crystalline form: the hexagonal-pyramidal graphite hillocks. These submicronic structures are created from graphite substrates by low pressure Ar/H2 radiofrequency (rf) plasma etching. In order to understand the formation of these new crystals, plasma characterization has been carried out by Langmuir probes and laser absorption spectroscopy to check the surface temperature and estimate the ion fluxes and energies. Etching kinetics has been directly observed by scanning electron microscopy (SEM). Chemical etching processes in pure hydrogen resulted in the creation of helical graphite cones whose crystal parameters and surface amorphisation have been revealed by transmission electron microscopy (TEM). The etching rate and surface topography as function of the gas mixture show a transition where no structures are created. The physical etching in pure argon creates hexagonal-pyramidal graphite hillocks. A formation model of these crystals has been proposed owing to a good knowledge of the different plasma conditions and thorough electron microscopy studies on two kinds of substrates. High resolution MET analyses showed graphene loops closing the edges planes along the crystal facets and related to the structure’s formation. We also showed the texturing of the surface of highly ordered graphite (HOPG) by creating a high and homogeneous density of crystals whose size may be controlled

Ce travail porte sur l’étude de la résistance à la corrosion en milieu acide (HCl 1M) et des propriétés mécaniques de l’acier au carbone (XC38) par nitruration par plasma froid radiofréquence (13,56MHz). La grande originalité de ce travail consiste en la mise en œuvre d’un procédé de nitruration par plasma froid radiofréquence d’azote ou azote/hydrogène sans chauffer le substrat. Cette étude a permis de montrer que le rôle de l’hydrogène dans le plasma, consiste non seulement à réduire la couche d’oxyde présente à la surface du matériau, mais surtout à accélérer la cinétique d’enrichissement d’azote en surface. La caractérisation de la surface par microsonde castaing (EPMA) et spectroscopie des photoélectrons X (XPS) montrent que le traitement plasma conduit à la formation d’une couche nitrurée de l’ordre de quelque dizaine de microns pour un temps de traitement de 8 h. Les propriétés mécaniques, notamment la microdureté Vickers de la surface de l’acier traité augmente en fonction du temps de nitruration, elle passe de 247 Hv0.005 pour le substrat non traité à plus de1057 Hv0.005 pour l’échantillon nitruré pendant 8h. L’amélioration des propriétés anticorrosion a été mise en évidence par un couplage de mesures pondérales et de techniques électrochimiques telles que les courbes de polarisation et la spectroscopie d’impédance électrochimique en milieu HCl 1M. Pour des conditions optimales de traitement, l’efficacité inhibitrice des couches nitrurées dépasse 95% pour un temps de traitement de 8h et persiste pour des temps d’immersion supérieurs à 72 en milieu agressif (HCl 1M)
The aim of this work concerns the study of the improvement of the corrosion resistance in acidic medium (1M HCl) and mechanical properties of carbon steel (XC38) using a radiofrequency cold plasma nitriding process. The originality of this work consists in nitriding substrates using nitrogen cold plasma, where the process temperature is roughly ambient temperature and without heating the substrate. The nitriding was carried using nitrogen and nitrogen/ hydrogen plasma gas mixtures. The hydrogen role in the plasma consists not only in reducing the iron oxide layer on the substrate, but also accelerates the nitrogen diffusion in the substrate. Surface characterizations performed by means of the Electron Probe Microanalysis (EPMA) and X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) indicate that the treatment plasma induces the formation of a layer where the nitrided thickness is higher than ten microns for long treatment times (8h). The mechanical properties were studied by Vickers microhardness. The surface microhardness of the nitrided steel increases as the plasma processing time increases to reach a maximum of 1057Hv0.005 for the nitrided sample that was treated during 8h, when compared to sample untreated (247Hv0.005). The improvement of the corrosion resistance properties were investigated by gravimetric and electrochemical techniques such as potentiodynamic polarisation curves and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in 1M HCl medium. For the optimal conditions of treatment, the inhibition efficiency obtained is more than 95 % for 8h of treatment and remains constant for immersion times higher than 72h in aggressive medium (HCl 1M)

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent l'étude d'un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par un plasma froid radiofréquence (RF) dans un mélange oxygène-hexaméthyldisiloxane (HMDSO) à basse pression, destiné à l'élaboration de couches minces d'oxyde de silicium sur des substrats métalliques. Un modèle fluide est tout d'abord développé pour décrire le comportement de la décharge au cours d'une période RF, et en particulier l'évolution du champ électrique et des densités des espèces chargées. Grâce à ce modèle, l'importance relative du bombardement ionique des électrodes et du phénomène de "wave-riding" pour la production d'électrons est mise en évidence et permet de définir des conditions de fonctionnement qui tendent à minimiser le bombardement des électrodes. Dans une seconde partie, la mise en œuvre de moyens de caractérisation tels que la spectroscopie d'émission optique et la spectroscopie d'absorption infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) permet d'estimer le taux de dissociation du monomère organosilicié et d'obtenir des renseignements sur les mécanismes de dissociation du précurseur organique. Des analyses FTIR des films déposés sont couplées aux analyses de la phase gazeuse et permettent d'établir des corrélations entre la nature des films déposés et la composition chimique du plasma. Ces résultats sont complétés par l'établissement d'un modèle décrivant la cinétique chimique des neutres du plasma 02/HMDSO, à partir duquel l'évolution, dans l'espace interélectrodes, de la concentration de différentes espèces moléculaires est calculée, afin de prédire l'enrichissement en carbone des films déposés
The presented works deal with the investigation of a low pressure oxygen-hexamethyldisiloxane radio- frequency plasma assisting a chemical vapour deposition process used to deposit silicon oxide thin films onto metallic substrates. The first step consists in developing a fluid model to describe the plasma behaviour over a RF period. A particular attention is pa id to the time variation of the electric field and the charged particle densities. Moreover, the relative influence of the electrode ion bombardment and the wave-riding process on the secondary electron creation is pointed out and helps determine working conditions where ion impingement on the electrodes is reduced. Ln a second step, the plasma is studied by means of optical emission spectroscopy and Fourier transform infra-red absorption spectroscopy (FTIR). From the experimental results, the dissociatio~ rate of the organo-silicon monomer is estimated and valuable insights into the dissociation mechanisms of the organic precursor are obtained. FTIR analyses of the deposited films are carried out and coupled with the gas phase characterization, providing correlations between the film and the plasma compositions. These results are completed by a kinetic modelling of the neutral species in the 02/HMDSO plasma. This numerical simulation corn putes the variation of the main species density over the inter-electrode space and especially in the close vicinity of the substrate, allowing prediction of the carbon incorporation in the films

L'objectif de cette thèse est d'étudier le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), à basse pression (3mTorr) et basse température (< 100°C), en plasma pulsé (10Hz-1kHz) d'hexaméthyldisiloxane (HMDSO)/ oxygène dans un réacteur hélicon radiofréquence. La cinétique des espèces chargées et de certaines espèces neutres actives est déterminée à partir de mesures résolues en temps par sonde de Langmuir et spectroscopie d'émission optique. La caractérisation des dépôts par ellipsométrie, absorption infraouge et gravimétrie montre que des films inorganiques (SiO2) ou organiques (SiOxCyHz) peuvent être obtenus avec un même mélange de gaz suivant les paramètres de pulse. La structure et la vitesse de dépôt sont liées au temps de création et de perte des atomes d'oxygène. La réduction du bombardement ionique lors du dépôt en plasma pulsé permet de réduire les contraintes en compression et d'améliorer les propriétés électriques des films de SiO2
This work concerns the Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) of thin films, at low pressure (3mTorr) and low temperature (<100°C), in Hexamethyldisiloxane (HMDSO)/ oxygen pulsed plasmas in a radiofrequency helicon reactor. The kinetics of charged species and of some neutral active species is investigated by Langmuir probe and optical emission spectroscopy time-resolved measurements. The film analysis by ellipsometry, infrared spectroscopy and gravimetry shows inorganic SiO2-like and plasma polymers SiOxCyHz films can be deposited with a fixed gas mixture depending on the pulse parameters. The structure and deposition rate are linked to the creation and loss times of oxygen atoms. The reduction of ion bombardment in pulsed plasma also allows to reduce the compressive stress and to improve the electrical properties of SiO2-like films, as demonstrated by nano-indentation, Newton's ring method, and C(V) and I(V) measurements on MOS structure

Ce travail de thèse porte sur la synthèse et la caractérisation de poudres dans les plasmas radiofréquence basse pression de méthane et méthane-azote. Nous avons étudié le rôle du pourcentage d’azote dans le mélange gazeux sur la formation et la structure chimique des particules carbonées. Nous avons analysé l’influence du comportement des particules sur les caractéristiques électriques du plasma. Alors que l’incorporation d’une faible quantité d’azote au sein d’un plasma de méthane retarde la formation des particules sans modifier leur comportement au sein de la décharge, une plus grande incorporation d’azote ([N2]>30%) favorise la création des particules, modifie leur comportement au sein de la décharge et conduit à un phénomène de multi-génération pour les plasmas les plus riches en azote ([N2]>70%). Pour un mélange gazeux particulier de 30%CH4/70%N2, nous avons aussi mis en évidence la présence d’instabilités macroscopiques correspondant à un phénomène d’interactions électrostatiques entre les nuages de particules en limite de gaine cathodique et anodique. Les phénomènes de multi-générations et d’instabilités ont été corrélés avec les variations des caractéristiques électriques du plasma. Différentes techniques d’analyses (MEB, FTIR, XPS, EDAX) sont utilisées pour mettre en évidence les modifications de la taille, de la morphologie et de la composition chimique des particules. Ces analyses nous ont permis de mettre en évidence l’émergence de liaisons azotées CN (simples, doubles et triples) et NH. Pour des mélanges 10%CH4/90%N2 nous avons mesuré un rapport N/C proche de 0,5. Cette forte incorporation d’azote entraîne une graphitisation de la structure des particules.

Pour répondre aux besoins des nouvelles techniques de caractérisation sur site in-situ et temps réel, l’unité NOVA de l’INERIS en partenariat avec les laboratoires LP3 et GREMI, a entamé des travaux pour étudier deux approches afin d’améliorer les performances de la technique Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) pour l’analyse des aérosols. LIBS est une technique optique de spectroscopie atomique. Elle consiste à focaliser un faisceau laser impulsionnel sur un échantillon à analyser créant ainsi un plasma. L’émission optique du plasma contient alors la signature des éléments chimiques présents dans l’échantillon. La première approche concerne la détermination de la composition chimique relative (stoechiométrique) d’aérosols sans étalonnage. En effet, l’étalonnage présente des problèmes pratiques. Pour ce faire, les spectres expérimentaux enregistrés lors de l’analyse des particules d’alumine (Al2O3) suspendues dans de l’hélium (He) ont été comparés à des spectres théoriques calculés pour un plasma contenant les mêmes éléments, à l’Équilibre Thermodynamique Local (ETL). L’ajustement des spectres simulés sur les spectres expérimentaux nous a permis de déterminer correctement la composition chimique relative des éléments présents dans le plasma. L’évolution temporelle du plasma a permis de valider l’ETL, et ainsi estimer la meilleure plage temporelle permettant la détermination de la composition relative de l’aérosol. La deuxième approche utilise une cellule radiofréquence (RF) à pression réduite comme piège à particules pour analyser des aérosols contenant des nanoparticules. Un tel piège permet d’améliorer la détection en concentrant spatialement les particules. Les paramètres optimaux d’utilisation de ce système ont été étudiés. Cette étude a permis d’établir que l’émission continue du plasma est fortement réduite dès ses premiers instants de vie. Le volume d’échantillonnage de ce système a été évalué et la limite de détection a été estimée de manière théorique
New issues related to process control and workplace surveillance accompany the emergence of nanotechnology industry. This involves the development of new real-time and in-situ characterization techniques. In this context, the NOVA unit from the INERIS institute collaborated with LP3 and GREMI laboratories to study two approaches aiming to enhance the LIBS technic performances. The first approach used a flow cell to determine the relative elemental composition of an aerosol with a calibration-free procedure. The recorded spectra were compared to theoretical spectra calculated for a plasma in the Local Thermodynamic Equilibrium LTE. The best agreement between recorded and computed spectra allowed the determination of the relative composition with a good agreement with the reference value, for an alumina aerosol. The study of the temporal evolution of the plasma allowed the estimation of a temporal range within which the LTE hypothesis was verified. The second approach used a low-pressure radiofrequency plasma generated in an inert gas as a particle trap to analyse aerosols and nanoparticles. The use of such a system allowed the enhancement of particles detection by concentrating them spatially. We determined the optimal parameters for the LIBS analysis using this system. Furthermore, we established the plasma continuum was attenuated even at very low time delays. We evaluated the sampling volume of this new system and compared it to case of LIBS analysis on air. Finally, we estimated the detection limits of this system when analysing nanoparticles

La miniaturisation des batteries est devenue un défi technologique pour certaines industries. Ces micro-batteries, d’une dizaine de micromètres d’épaisseur, ont pour objectif d’alimenter des systèmes de taille réduite. Le LIPON est un des électrolytes envisagés pour leur fabrication. Il est déposé en couche-mince par pulvérisation magnétron radiofréquence de Li₃PO₄ sous plasma d’azote. Cette thèse étudie le comportement des particules au sein du plasma et formant le dépôt. Des mesures expérimentales d’émission optique et de densité électronique ont été mises en place, afin de fournir des données d’entrée et de validation pour différents modèles numériques. Le premier modèle décrit la cinétique réactionnelle au coeur du plasma, en 0D, afin d’identifier les espèces chimiques majoritaires et les réactions dominantes. Ceci a permis de concevoir une cinétique simplifiée pour le second modèle, 2D, traitant le déplacement des espèces chargées dans le plasma et permettant de caractériser la pulvérisation de la cible par les ions, tant au niveau des zones de pulvérisation de leur énergie et angle d’incidence. Les résultats obtenus ont été employés dans un modèle 3D simulant les trajectoires des atomes pulvérisés, afin d’étudier la répartition atomique sur le substrat et de déduire la composition de la couche mince déposée. Des caractéristiques propres à la cible lors de la pulvérisation ont été mises en évidence et confirmées par la comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux
The scale reduction of batteries is a real technological challenge for the near future. These micro-batteries, about ten micrometers thick, are used to supply the power for small sized systems. LIPON is one of the most suitable electrolytes considered for industrial scale production. It is deposited in thin-film by radiofrequency magnetron sputtering of Li₃PO₄ in nitrogen plasma. This thesis is focused on particles behavior in plasma and during deposition. Optical emission spectroscopy and electron density measurements have been performed, to provide data used as input or validation for several numerical models. The first model describes plasma kinetics in the magnetron reactor, as 0D global model, and helps to identify the main chemical species and important reactions. This information has been useful to define a simplified kinetics for the second model, 2D, dealing with the charged species behavior in the plasma and describing target sputtering by ion bombardment. It provides the sputtered areas, ion energy and impinging angle onto the target. These obtained results have been employed in a 3D model that simulates sputtered atoms transport from the target to the substrate and predicting the thin-film features. Some characteristics of the target during sputtering have been highlighted and confirmed by the direct comparison between numerical and experimental results