Plasmas micro-onde distribués à conditions opératoires étendues – PLASMODIE

1) L'objectif général du projet est de développer une nouvelle génération de réacteurs plasma micro-onde à conditions opératoires étendues, capables de couvrir un large domaine de pression (depuis 10-2 jusqu'à 10+3 pascal) et une gamme étendue de fréquences (depuis 2,45 GHz jusqu' à 100 MHz). L'intérêt de ces études réside dans la caractérisation et la modélisation de ces plasmas dont le mode de couplage évolue en fonction des conditions opératoires et dans les perspectives que ces plasmas peuvent offrir pour le développement de procédés plasma inédits, en termes de performances (densité, uniformité) et de flexibilité (procédés duplex ou séquentiels). Les objectifs spécifiques à ce projet sont : i) la conception, l'étude, et la réalisation d'un premier prototype de réacteur plasma à 2,45 GHz s'appuyant sur deux demandes de brevets soumises au CNRS ; ii) l'étude des caractéristiques plasma obtenues par l'utilisation de fréquences micro-onde ou HF inférieures à 2,45 GHz ; iii) la modélisation de la production du plasma et de ses caractéristiques en fonction de la fréquence et de la configuration magnétique en vue de l'optimisation des performances ; iv) la réalisation de deux démonstrateurs, le premier, déjà mentionné, servant de prototype évolutif pour le projet lui-même, et un second pour des études paramétriques de dépôts de diamant. L'extension d'échelle des plasmas peut être obtenue de manière simple en associant des sources élémentaires de plasma selon des réseaux bi- ou tridimensionnels. Ce concept est appliqué avec succès aux plasmas micro-onde multi-dipolaires opérant à basse pression (10-2 à 1 pascal) et aux plasmas matriciels opérant à plus haute pression (10 à 10+3 pascal). Dans les sources multi-dipolaires, le plasma produit par les sources élémentaires est entretenu par micro-ondes, en présence d'un champ magnétique statique, à la résonance cyclotronique électronique (RCE). Dans ce cas, le couplage des micro-ondes avec les électrons du plasma est un couplage résonnant. Avec les plasmas matriciels à plus haute pression, le champ magnétique devient inopérant, et le couplage s'effectue par absorption collisionnelle. Chacun de ces couplages permet un fonctionnement optimum des sources de plasma élémentaires dans un domaine de pression relativement restreint. En particulier, à la fréquence de 2,45 GHz, les deux domaines de pression se recoupent mal, alors que le domaine de 1 à 10 pascal est très intéressant pour de nombreux procédés industriels. 2) Méthodologie. L'analyse montre que, pour lever ce verrou scientifique, il est nécessaire de rechercher des configurations magnétiques et des configurations d'applicateur micro-onde permettant le passage progressif d'un mode de couplage à l'autre et de faire varier la fréquence micro-onde dans le domaine des fréquences inférieures à 2,45 GHz. Ces deux points constituent les clefs du développement d'une nouvelle génération de réacteurs plasma capables d'opérer sur cinq décades de pression, depuis 10-2 jusqu'à 10+3 pascal. Cela nécessite de lever un certain nombre de verrous scientifiques et technologiques qui sont : i) la conception d'une source élémentaire de plasma micro-onde présentant une configuration magnétique adaptée, telle que celles proposées dans les deux demandes de brevets mentionnées précédemment; ii) la production de micro-ondes dans le domaine de fréquence inférieur à 2,45 GHz afin de favoriser un couplage des micro-ondes par absorption collisionnelle à plus basse pression (de 1 à 10 pascal) ; iii) l'optimisation des sources élémentaires de plasma en s'appuyant sur une modélisation aussi complète que possible des différents mécanismes de production et de transport du plasma. Les résultats de la simulation seront analysés et validés à partir des résultats expérimentaux en vue de l'optimisation des performances du réacteur prototype du LPSC et du réacteur de dépôt diamant du LIMHP. Pour atteindre ces objectifs, le projet PLASMODIE s'appuie sur les compétences communes et complémentaires accumulées par les trois partenaires dans les technologies plasma micro-onde, la caractérisation, la modélisation analytique et numérique des plasmas, et dans les procédés plasma. 3) Résultats attendus : 1) réacteur plasma prototype cylindrique à 2,45 GHz capable de produire un plasma d'argon de densité supérieure à 10+12 cm-3 dans la gamme de pression allant de 10-2 à 10+3 pascal ; 2) caractérisation complète du plasma (température du gaz et des électrons, concentration de métastables, densité, uniformité) ; 3) passage de la fréquence de 2,45 GHz à des fréquences inférieures (100 à 900 MHz) et étude expérimentale de l'évolution des paramètres plasma ; 4) modélisation physique et numérique de la production et du transport du plasma pour des sources élémentaires dans différents régimes de fonctionnement (mode de couplage, ionisation directe et par étape, pertes par diffusion et en volume) ; 5) réacteur prototype plan pour étude paramétrique du dépôt de diamant.