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Génération des plasmas froids et applications (Jean-Pierre BŒUF, CPAT Toulouse)

Génération des plasmas froids et applications (Jean-Pierre BŒUF, CPAT Toulouse) Après une brève introduction sur les plasmas froids et sur leur situation dans l'ensemble des plasmas naturels ou de laboratoire, l'exposé sera centré sur les propriétés des plasmas hors-équilibre et sur les mécanismes de dissipation de l'énergie électrique dans ces plasmas, dans le contexte des différentes applications. La génération d'un plasma hors-équilibre est principalement effectuée par les électrons, même si les ions peuvent dans certains cas consommer une partie non négligeable de l'énergie électrique totale dissipée dans le milieu. Il existe une grande variété de méthodes de " chauffage " des électrons dans un plasma hors-équilibre, à l'aide de source continues, radiofréquence, microonde, à confinement magnétique etc... C'est cette variété des méthodes de génération du plasma et de dépôt de l'énergie électronique dans le milieu qui confère aux plasmas hors-équilibre une grande richesse à la fois au niveau de la physique et des applications. Cette richesse rend l'étude et la maîtrise des plasmas hors-équilibre difficile pour les industriels car il n'est pas question d'appliquer des recettes ni même des codes de calcul très généraux, c'est pourquoi l'apport des laboratoires de recherche compétents dans ce domaine est important et recherché par les industriels. Même si la physique des plasmas froids est un domaine bien connu qualitativement, l'énergétique des plasmas hors-équilibre est un thème de recherche actuel notamment parce que les méthodes numériques, les moyens de calcul, et des méthodes de diagnostics sophistiquées permettent maintenant une optimisation fine de ces systèmes. L'objectif de l'exposé sera d'illustrer la variété des méthodes de dépôt d'énergie dans un plasma hors-équilbre en montrant comment telle ou telle méthode de génération du plasma est plus adaptée à telle application. Le choix d'une méthode d'excitation du plasma dépend des contraintes imposées par l'application, par exemple : optimisation de la vitesse d'un procédé plasma (traitement de surface), du rendement (efficacité d'une source de photons), de la forme de la distribution électronique (pour favoriser la création de certains états excités ou radicaux), de la forme de la distribution ionique (gravure, source d'ions, propulsion). Ceci sera illustré à l'aide d'exemples types qui permettront de décrire rapidement les systèmes et réacteurs plasma utilisés dans les applications actuelles: réacteurs à couplage capacitif ou inductif, systèmes microonde, systèmes à confinement magnétique (magnétrons, source d'ions à effet Hall). Les plasmas thermiques (Alain GLEIZES, CPAT Toulouse) Les plasmas thermiques sont habituellement produits par des arcs électriques à la pression atmosphérique, mais peuvent aussi être obtenus par des décharges à excitation radio-fréquence ou par un claquage laser dans un gaz à pression atmosphérique. Ces plasmas sont des gaz partiellement ou fortement ionisés dans lesquels toutes les particules (molécules, atomes, ions, électrons) ont à peu près la même énergie cinétique moyenne. Pour cette raison, on peut considérer qu'il existe un équilibre thermique ce qui permet de définir une température, dont la valeur dans les régions les plus chaudes peut atteindre 20 000 K (à cette température le plasma est quasiment totalement ionisé). L'état thermodynamique de ces plasmas est très proche de l'équilibre thermodynamique local (ETL) pour lequel les lois de l'équilibre statistique sont valables, à l'exception des lois sur le rayonnement. Dans des cas pratiques, le plasma peut présenter des écarts à l'équilibre (plasmas à deux températures par exemple), mais ce qui caractérise ces milieux par rapport aux plasmas hors d'équilibre, c'est que l'on suppose toujours que les fonctions de distribution de toutes les espèces sont maxwelliennes ou, lorsqu'on veut calculer certains coefficients de transport, que les écarts à la distribution maxwellienne sont très faibles. Nous montrerons les différents types d'arcs et de torches à plasma créant des plasmas thermiques dont les caractéristiques peuvent être résumées ainsi : forte densité d'énergie, à cause des valeurs élevées de la température ; fort transfert d'énergie dans ces plasmas ou à partir de ces plasmas vers le milieu extérieur, avec un rôle important du rayonnement ; réactivité chimique importante à cause des densités élevées d'électrons, d'ions et d'atomes excités. Les propriétés spécifiques des plasmas thermiques seront illustrées par des exemples de compositions de plasma à l'équilibre, de propriétés thermodynamiques (densité de masse, enthalpie, chaleur spécifique à pression constante), de coefficients de transport (conductivités électrique et thermique) et de propriétés radiatives. Le plasma thermique est considéré comme un fluide en mouvement, et ses modélisations sont fondées sur les équations de Navier-Stokes et de conservation de l'énergie, auxquelles sont couplées certaines lois électromagnétiques pour calculer des termes sources telles que la force de Laplace et l'effet Joule. Dans de nombreuses applications, l'écoulement des plasmas est violent et des phénomènes tels que la turbulence et les fluctuations hydrodynamiques ont une influence décisive. Dans le cas des arcs, les interactions avec les électrodes doivent être prises en compte et font appel à des phénomènes encore mal quantifiés. Nous terminerons en indiquant les principales applications industrielles qui concernent les domaines de l'électrotechnique (disjoncteurs, lampes à arc) et des procédés à haute température (projection plasma, métallurgie, traitement de déchets, synthèse et traitement de matériaux) dont les poids économiques peuvent être considérables. Nous indiquerons quelques verrous et motivations technologiques et quels sont les axes de recherche qui répondent à ces problèmes : interactions plasmas- matériaux incluant les interactions avec les électrodes ; étude de mélanges complexes avec rayonnement et cinétique chimique ; modélisations 3D ; caractérisations expérimentales, en particulier sur les zones " tièdes " ou froides et sur les procédés ; approche de type " système " ou " génie des procédés " couplant le plasma et la décharge à son alimentation et au réseau d'une part, et au procédé d'autres part (avec modélisation et expérimentation du matériau). Diagnostics laser et spectrométrie de masse dans les plasmas réactifs (Jacques JOLLY, LPTP Palaiseau) Les plasmas de décharge sont de nos jours très utilisés, en particulier dans l'industrie microélectronique où ils interviennent dans les dépôts de couches minces, les procédés de gravure et les traitements de surface. Pourtant, la physico-chimie des décharges dans les gaz réactifs reste assez mal connue et leur utilisation dans le monde industriel relèvent encore parfois d'optimisations empiriques à défaut de toujours bien comprendre les phénomènes qui s'y rattachent. C'est pourquoi, depuis bientôt trois décennies des efforts visant à mieux comprendre ces phénomènes ont été entrepris. Les études s'appuyant sur le développement des diagnostics ont permis bien des progrès, en particulier dans le domaine de la caractérisation des phénomènes physico-chimiques en phase gazeuse. Les techniques de spectroscopie optique et plus particulièrement la fluorescence induite par laser dont l'essor a coïncidé avec l'amélioration des performances des lasers y ont apporté une contribution très importante. Dans le même temps, on s'est beaucoup intéressé à la nature des espèces radicalaires obtenues dans ces décharges. Une technique telle que la spectrométrie de masse des radicaux a joué un rôle important dans ce domaine. Cependant, devant le nombre et la complexité des phénomènes physiques et chimiques mis en jeu, on ressent la nécessité de développer des modèles permettant une approche globale des décharges. Cette modélisation représente l'ultime étape dans la compréhension des plasmas réactifs. On peut imaginer dans l'avenir la mise au point de modèles, validés au moyen de diagnostics, et qui permettraient de prévoir les propriétés des décharges. Pour illustrer cette démarche et les potentialités de ces diagnostics, nous présenterons quelques résultats obtenus dans un réacteur radiofréquence à couplage capacitif dédié aux dépôts de couche minces de silicium et de carbone. Dans la gamme de pression couramment utilisée dans ce type de réacteur, les radicaux sont les espèces réactives présentes dans le plasma qui contribuent le plus à la croissance des couches. Afin de les caractériser, nous utilisons deux techniques de diagnostic spécifiques : la spectrométrie de masse des radicaux par ionisation près du seuil et, pour les radicaux les plus légers, la fluorescence induite par laser. La première technique permet de mesurer le flux de radicaux au voisinage des parois, la seconde donne leur concentration résolue spatialement dans le volume du plasma. On montrera comment ces techniques permettent d'obtenir des informations sur la cinétique des radicaux en phase gazeuse et/ou au voisinage des parois. Pièges à éviter en spectroscopie laser (Nader SADEGHI, LSP Grenoble) Après une brève introduction de la spectroscopie laser et les moyens de son utilisation en diagnostics plasmas, l'absorption laser et la fluorescence induite par laser (LIF), les unités couramment employées par les spectroscopistes seront présentées. Pour illustrer le phénomène de déformation de profils spectraux sous influence de la puissance laser, le spectre d'absorption de la raie 823.2 nm de xénon dans la colonne positive d'une décharge dc sera présenté et discuté. Il sera montré que les amplitudes des différentes composantes isotopiques et hyperfines de la raie sont modifiées différemment. Pour traiter l'interaction d'un faisceau laser avec un système quantique, il est nécessaire de décrire les équations de bilan des niveaux inférieur et supérieur de ce système. L'influence du laser (saturation optique) est caractérisée à l'aide d'un paramètre S, appelé facteur de saturation. S dépend non seulement de la puissance et du profil spectral du laser, mais également du coefficient d'Einstein de la transition et uploads/Sante/ resumes-2002.pdf