Principe des plasmas matriciels

  • Distribution de sources élémentaires micro-onde indépendantes suivant un réseau plan
  • Distribution des micro-ondes par des lignes coaxiales indépendantes alimentées à partir de sources à état solide ou par division de la puissance fournie par un générateur unique
  • Production du plasma par absorption collisionnelle (B = 0)
  • Source élémentaire formée par la section droite de l’extrémité d’une ligne coaxiale

Performances des plasmas matriciels

  • Domaine de pression de 0,1 à 1 torr en argon (10 à 100 Pa)
  • Densités de 1012 à 1013 cm-3 en argon
  • Très bonne uniformité du plasma (indépendance des sources)

Avantages des plasmas matriciels

  • Extension d’échelle des sources sans limitation
  • Simplicité des sources élémentaires
  • Réglage unique et définitif de l’adaptation d’impédance de chaque source
  • Fiabilité (puissance limitée sur chaque source)
  • Pas de limitation de la densité à la densité critique (pas de propagation des micro-ondes dans le plasma)

Articles et ouvrage de référence

  • L. LATRASSE, A. LACOSTE, J. SIROU, J. PELLETIER, High density distributed microwave plasma sources in a matrix configuration : concept, design and performance, Plasma Sources Sci. Technol. 16, 7-12 (2007)
  • LATRASSE Louis, thèse UJF, Conception, caractérisation et applications des plasmas micro-onde en configuration matricielle (Grenoble, novembre 2006)
  • M. RAYAR, H. LE QUOC, A. LACOSTE, L. LATRASSE, J. PELLETIER, Characterization of hydrogen microwave plasmas produced by elementary sources in matrix configuration, Plasma Sources Sci. Technol. 18, 025013 (2009)
Plasma matriciel d’argon
A gauche : faible puissance micro-onde - A droite : forte puissance micro-onde

Principe des plasmas multi-dipolaires

  • Distribution de sources élémentaires micro-onde indépendantes suivant un réseau bi-dimensionnel (sources planes) ou tri-dimensionnel (sources en volume)
  • Distribution des micro-ondes par des lignes coaxiales indépendantes alimentées à partir de sources à état solide ou par division de la puissance fournie par un générateur unique
  • Production du plasma à la résonance cyclotronique électronique (RCE) en présence d’un champ magnétique statique généré par aimants permanents. La RCE est obtenue lorsque la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique est égale à la fréquence f0 des micro-ondes (B = 875 gauss à la fréquence micro-onde de 2,45 GHz)

Configuration et principe de fonctionnement d’une source élémentaire di-polaire

  • Aimant cylindrique à aimantation axiale disposé à l’extrémité de l’âme centrale d’une ligne coaxiale alimentée de manière indépendante par micro-ondes
  • Aimant capable de délivrer une intensité de champ magnétique au moins égale celle requise pour la RCE
  • Les électrons rapides, accélérés dans les zones RCE par le champ électrique micro-onde, s’enroulent autour des lignes de champ qui joignent les deux pôles opposés de l’aimant permanent, oscillent entre deux points miroirs situés près des pôles, et dérivent autour de l’aimant (dérive magnétique). Le plasma produit par collisions inélastiques des électrons rapides sur les atomes et molécules diffuse ensuite hors de la zone de production sous l’effet des gradients de densité et du champ électrique de charge d’espace
        
Schéma de principe et photo d’une source dipolaire élémentaire (plasma d’argon)

 

Exemples de configurations de plasmas multi-dipolaires

  • Sources planes à maille hexagonale (aimantations parallèles)
  • Sources planes à maille carrée (aimantations parallèles ou alternées)
  • Sources cylindriques (aimantations parallèles ou alternées)
  • Autres configurations (hémishérique …)

Performances des plasmas multi-dipolaires

  • Densités de 1010 à quelques 1012 cm-3 en argon (plasma cylindrique)
  • Domaine de pression de 0,2 à 5 mtorr en argon (0,03 à 0,7 Pa)
  • Domaine de fréquence accessible : 300 MHz à 10 GHz
  • Très bonne uniformité du plasma (indépendance des sources)

Avantages des plasmas multi-dipolaires

  • Extension d’échelle des sources sans limitation
  • Simplicité des sources élémentaires
  • Grande souplesse en termes de configuration, de conditions opératoires et de procédés
  • Décroissance rapide du champ magnétique (faible interaction mécanique entre sources élémentaires)
  • Un seul réglage initial de l’adaptation d’impédance de chaque source
  • Fiabilité (puissance limitée sur chaque source)
  • Pas de limitation de la densité à la densité critique (pas de propagation des micro-ondes dans le plasma)
  • Installations en production au niveau industriel
Plasma d’argon dans un réacteur multi-dipolaire cylindrique

 

Articles et ouvrage de référence

  • A. LACOSTE, T. LAGARDE, S. BÉCHU, Y. ARNAL, J. PELLETIER, Multi-dipolar plasmas for uniform processing : physics, design and performance, Plasma Sources Science Technol. 11, 407-412 (2002)
  • TRAN Tan Vinh, thèse UJF, Caractérisation et modélisation des plasmas micro-onde multi-dipolaires / Application à la pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire (Grenoble, décembre 2006)

Un des problèmes majeurs rencontré par les technologies plasma utilisées dans les traitements de surface est celui de l’extension d’échelle des plasmas et des procédés qui y sont mis en œuvre. En effet, concevoir une source de plasma uniforme suppose que l’on sache appliquer un champ électrique uniforme sur toute l’étendue de la source, ce qui n’est plus possible dès lors que la longueur d’onde du champ électromagnétique devient de l’ordre de grandeur de l’applicateur de champ. Le chauffage des électrons par le champ électrique, et donc la production de plasma, n’est plus uniforme sur l’étendue de l’applicateur.

Pour remédier à cette situation, il est préférable de contourner la difficulté et d’obtenir l’uniformité du plasma en distribuant la puissance électrique sur des sources élémentaires indépendantes de plasma réparties spatialement de manière uniforme selon un réseau à deux dimensions (sources planes) ou à trois dimensions (sources en volume). C’est à partir de ce concept de distribution que le CRPMN a conçu et développé deux générations de sources où le plasma est entretenu par micro-ondes, les plasmas multi-dipolaires qui opèrent à basse pression avec le support d’un champ magnétique statique (gamme de 0,5 à 5 mtorr), et les plasmas matriciels, qui opèrent à moyenne pression (gamme de 0,1 à 1,0 torr).

Plasma multi-dipolaire plan : vue de face d’un plasma d’oxygène

 

Un premier avantage des micro-ondes pour la production de plasma est qu’elles peuvent se propager pour être appliquées au plasma sans l’aide d’électrodes polarisées, d’où l’absence de contamination par pulvérisation des électrodes et des parois. Second avantage, les micro-ondes, combinées à un champ magnétique statique, peuvent conduire, à basse pression, à un mécanisme de chauffage très efficace des électrons, la résonance cyclotronique électronique (RCE), obtenue lorsque la fréquence de giration des électrons dans le champ magnétique est égale à la fréquence des micro-ondes.

Ces sources de plasma font l’objet, d’une part, de recherches à caractère fondamental couplant caractérisations expérimentales (électriques, optiques), modélisation physique et modélisation numérique (simulation de trajectoires, modèle auto-consistant …), et d’autre part, d’études prospectives sur de nouvelles générations de plasma (projet ANR PLASMODIE 2007-2010).

Ouvrages généraux de référence

  • Microwave Excited Plasmas, Michel MOISAN et Jacques PELLETIER, éditeurs, Elsevier, Amsterdam (1992)
  • High Density Plasma Sources : Concept, Design and Performance, Oleg A. POPOV, éditeur, Noyes, Park Ridge (1996)
  • Physique des Plasmas Collisionnels / Application aux Décharges Haute Fréquence, Michel MOISAN et Jacques PELLETIER, éditeurs, EDP Sciences, Grenoble Sciences, Les Ulis (2006)

Le CRPMN est affilié à un certain nombre de réseaux ou groupements scientifiques :

  • Réseau Plasmas Froids du CNRS, rattaché à la Mission des Ressources et Compétences Technologiques (MRCT) du CNRS.
  • Réseau Rhône-Alpes des Technologies Plasmas Froids, rattaché à ARDI Rhône-Alpes Matériaux (Agence Régionale du développement et de l’innovation) http://plasmas.agmat.asso.fr/
  • FR 3029 FCM-ITER (Fédération de recherche fusion par confinement magnétique)

ERT Plasmas HF avec HEF R&D

La création d’une ERT sur les plasmas entretenus par micro-ondes résulte de la volonté commune de la société HEF R&D et du LPSC-CRPMN d’établir un partenariat fort et durable. Cette ERT Plasmas HF, dirigée par Jacques PELLETIER, a été labellisé par le MENRT pour la durée du Contrat Quadriennal du LPSC (2007-2010). Son objectif, dans le cadre d’un travail en commun mené avec l’aide d’un contrat CIFRE, est de lever les verrous technologiques liés au transfert industriel vers le Groupe HEF des technologies plasma conçues et développées au CRPMN.

Boreal Plasma

Boreal Plasma est une start up du CNRS, créée en janvier 2005. Cette société a pour objectif d’industrialiser sous licences CNRS-UJF les technologies plasma développées au CRPMN, en particulier les plasmas multi-dipolaires et les plasmas micro-onde matriciels.

GIS TED-IN2P3

Cette collaboration récente s’inscrit dans les objectifs du groupement d’intérêt scientifique (GIS) créé en 2007 entre l’IN2P3 et THALES. Elle porte essentiellement sur le développement et la mise au point, dans le cadre d’un contrat CIFRE, de générateurs micro-onde à état solide capables d’alimenter les sources de plasma élémentaires des plasmas multi-dipolaires et matriciels.