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CARACTÉRISATION ET MODÉLISATION DES PLASMAS MICRO-ONDE MULTI-DIPOLAIRES APPLICATION À LA PULVÉRISATION ASSISTÉE PAR PLASMA MULTI-DIPOLAIRE
Tran T. V.
Thèses. Université Joseph-Fourier - Grenoble I (20/12/2006), Ana Lacoste (Dir.)
[oai:tel.archives-ouvertes.fr:tel-00139610] - http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00139610
CARACTÉRISATION ET MODÉLISATION DES PLASMAS MICRO-ONDE MULTI-DIPOLAIRES
APPLICATION À LA PULVÉRISATION ASSISTÉE
PAR PLASMA MULTI-DIPOLAIRE
Tan Vinh Tran ()1
1 :  LPSC - Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie
http://lpsc.in2p3.fr
CNRS : UMR5821 – IN2P3 – Université Joseph Fourier - Grenoble I – Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology
53 avenue des Martyrs - 38026 Grenoble Cedex
France
Characterization and modeling of multi-dipolar microwave plasmas. Application to multi-dipolar plasma assisted sputtering.
Thèses
20/12/2006
L'extension d'échelle des procédés plasma fonctionnant à très faibles pressions est l'une des problématiques à résoudre pour leur essor au niveau industriel. Une solution consiste à distribuer uniformément des sources de plasma élémentaires dans lesquelles le plasma est produit par couplage à la résonance cyclotronique électronique (RCE). Ces sources élémentaires sont constituées d'un aimant permanent cylindrique (dipôle magnétique) disposé à l'extrémité d'une structure coaxiale d'amenée des micro-ondes. Bien que conceptuellement simple, l'optimisation de ces sources de plasma dipolaires est complexe. Elle requiert la connaissance, d'une part, des configurations de champ magnétique statique et électrique micro-onde, et, d'autre part, des mécanismes de production du plasma, dans les zones de champ magnétique fort (condition RCE), et des mécanismes de diffusion. Ainsi, une caractérisation expérimentale des domaines de fonctionnement et des paramètres plasma par sonde de Langmuir et par spectroscopie d'émission optique a été menée sur différentes configurations de sources dipolaires. Parallèlement, une première modélisation analytique a permis de calculer des champs magnétiques de configurations simples, le mouvement et la trajectoire des électrons dans ces champs magnétiques, l'accélération des électrons par couplage RCE. Ces résultats ont permis ensuite de valider la modélisation numérique des trajectoires électroniques par une méthode hybride Particle In Cell / Monte-Carlo. L'étude expérimentale a mis en évidence des domaines de fonctionnement pression/puissance très larges, entre 15 et 200 W de puissance micro-onde et depuis 0,5 jusqu'à 15 mTorr dans l'argon. L'étude des paramètres plasma a permis de localiser la zone de couplage RCE près du plan équatorial de l'aimant et de confirmer l'influence de la géométrie de l'aimant sur cette dernière. Ces caractérisations appliquées à un réacteur cylindrique utilisant 48 sources ont montré la possibilité d'atteindre au centre de l'enceinte des densités entre 1011 et 1012 cm-3 pour des pressions d'argon de quelques mTorr. La modélisation des trajectoires électroniques au voisinage des aimants indique un meilleur confinement radial pour des aimants présentant un rapport longueur/diamètre élevé. De plus, cette étude numérique confirme les résultats de l'étude expérimentale, à savoir une zone de couplage RCE près du plan équatorial et non au voisinage de l'extrémité du guide coaxial micro-onde. Enfin, ces résultats ont été appliqués avec succés à la pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire de cibles, permettant en particulier une usure uniforme de ces dernières.
The scaling up of plasma processes in the low pressure range remains a question to be solved for their rise at the industrial level. One solution is the uniform distribution of elementary plasma sources where the plasma is produced via electron cyclotron resonance (ECR) coupling. These elementary plasma sources are made up of a cylindrical permanent magnet (magnetic dipole) set at the end of a coaxial microwave line. Although of simple concept, the optimisation of these dipolar plasma sources is in fact a complex problem. It requires the knowledge , on one hand, of the configurations of static magnetic fields and microwave electric fields, and, on the other hand, of the mechanisms of plasma production in the region of high intensity magnetic field (ECR condition), and of plasma diffusion. Therefore, the experimental characterisation of the operating ranges and plasma parameters has been performed by Langmuir probes and optical emission spectroscopy on different configurations of dipolar sources. At the same time, in a first analytical approach, calculations have been made on simple magnetic field configurations, motion and trajectory of electrons in these magnetic fields, and the acceleration of electrons by ECR coupling. Then, the results have been used for the validation of the numerical modelling of the electron trajectories by using a hybrid PIC (particle-in-cell) / MC (Monte Carlo) method. The experimental study has evidenced large operating domains, between 15 and 200 W of microwave power, and from 0.5 to 15 mTorr argon pressure. The analysis of plasma parameters has shown that the region of ECR coupling is localised near the equatorial plane of the magnet and dependent on magnet geometry. These characterisations, applied to a cylindrical reactor using 48 sources, have shown that densities between 1011 and 1012 cm-3 could be achieved in the central part of the volume at a few mTorr argon pressures. The modelling of electron trajectories near the magnet has also shown a better radial confinement with magnets exhibiting high length over diameter ratios. In addition, the numerical study corroborates the results of the experimental study, i.e. an ECR coupling region close to the equatorial plane of the magnet and not near the end of the coaxial microwave line. Finally, these results have been successfully applied to plasma assisted sputtering of targets allowing, in particular, their uniform erosion.
Physique/Physique
Programmes MIRA Région Rhône-Alpes et MATECO (contrat STRP 505928)

Université Joseph-Fourier - Grenoble I
Physique
physique et nanophysique
Français

Ana Lacoste
ana.lacoste@ujf-grenoble.fr
Stéphane Béchu (co-directeur)
Jean-Pierre Boeuf (rapporteur)
Khaled Hassouni (rapporteur)
Christophe Héau (examinateur)
Jacques Dérouard (examinateur)
Jacques Pelletier (membre invité)

Plasma micro-onde – résonance cyclotronique électronique – plasmas distribués – source de plasma dipolaire – sondes de Langmuir – spectroscopie d'émission optique – modélisation numérique – méthode Monte Carlo – méthode "particle in cell" – pulvérisation assistée par plasma
Microwave plasma ; electron cyclotron resonance ; distributed plasmas ; dipolar plasma source ; Langmuir probes ; optical emission spectroscopy ; numerical modelling ; Monte Carlo method ; Particle in Cell method ; plasma assisted sputtering.
20/12/2006
Université Joseph-Fourier - Grenoble I
Physique
physique et nanophysique
Ana Lacoste
Stéphane Béchu (co-directeur)
Jean-Pierre Boeuf (rapporteur)
Khaled Hassouni (rapporteur)
Christophe Héau (examinateur)
Jacques Dérouard (examinateur)
Jacques Pelletier (membre invité)
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