Interaction plasma / surface: mesure de la contribution de chaque espèce en phase gazeuse au transfert d'énergie global – EFEIPS

1-- Des types de matériaux très différents peuvent être synthétisés ou traités par des procédés faisant intervenir le milieu plasma. L'intérêt du plasma est qu'il contient des espèces réactives ou «énergétiques» qui, par interaction avec le substrat, sont responsables des modifications apportées au matériau (morphologie, structure, composition...).Notamment, les procédés faisant appel aux plasmas froids ou plasmas basse pression sont très étudiés. Il sont actuellement utilisés en microélectronique, pour le traitement de polymères ou le dépôt de couches minces. De nombreux travaux ont été menés pour tenter de corréler les propriétés physico-chimiques des matériaux, après traitement ou dépôt, avec les caractéristiques du plasma. Le plus souvent ils se limitent à la mise en évidence des espèces présentes au dessus de la surface et à la mesure de leur énergie (cinétique ou interne) selon les conditions expérimentales. En parallèle, les matériaux traités ou synthétisés sont analysés (composition, morphologie, structure cristalline etc.). Cependant, l'énergie que ces espèces sont susceptibles de transférer à la surface, et qui détermine l'efficacité de l'interaction, n'est pas connue; au mieux est elle estimée. De plus, l'effet du plasma est souvent considéré comme global ou réduit à l'action d'une seule espèce majoritaire. Peu d'études tentent de décorréler le rôle des différentes espèces. Une façon de hiérarchiser l'action de ces espèces serait donc de déterminer l'énergie qu'elles transfèrent à la surface. Une mesure de l'énergie globale transférée peut être obtenue à l'aide d'un fluxmètre thermique, outil qui a été utilisé pour la première fois dans le domaine des plasmas froids par notre équipe. Les mesures de flux d'énergie sont souvent réalisées à l'aide de thermocouples. L'interprétation des thermogrames liés à leur emploi pour obtenir des valeurs de flux est difficile à réaliser, et ne peut s'effectuer qu'en fin de mesure. Cette façon de procéder donne seulement une indication du flux transféré. En réalisant des mesures directes dans différentes configurations expérimentales, permettant d'exalter l'action de l'une ou l'autres des espèces (nature du gaz, pression, polarisation du fluxmètre etc.) et en les corrélant à la caractérisation plus classique du plasma, il sera possible de déterminer l'apport énergétique de chacune. Ainsi des protocoles expérimentaux d'étude seront définis pour chaque type d'espèce: ions, électrons, neutres, atomes adsorbés, atomes métastables, etc. L'analyse ex-situ des surfaces permettra, de plus, de connaître la caractéristique du matériau sur laquelle chaque espèce joue un rôle plus spécifique. 2-- Le but de ce projet est donc d'étudier les mécanismes de transfert d'énergie entre les différentes espèces du plasma et une surface par l'intermédiaire notamment de mesures directes du flux d'énergie. Ces mesures seront réalisées à l'aide d'un système composé d'un fluxmètre développé au GREMI et déjà opérationnel. Elles seront couplées à la caractérisation du plasma par sonde de Langmuir, spectroscopie d'émission ou d'absorption etc. Les surfaces ayant interagi avec le plasma seront également analysées par différentes techniques afin de déterminer leur composition chimique, leur structure cristalline et leur morphologie. 3-- Ce travail permettra d'approfondir la compréhension des mécanismes fondamentaux intervenant dans le dépôt de couches minces ou traitement de matériaux par plasma. Grâce à la mise au point de protocoles expérimentaux, l'action de certaines espèces comme les métastables, l'énergie apportée par d'éventuelles réactions de surface, etc. sera mise en évidence. Des expériences pointues, réalisées dans des conditions très particulières, permettront d'aller jusqu'à la détermination de coefficients de collage, de transfert ou d'accomodation entre une espèce et une surface parfaitement connues. Cette étude sera dans un premier temps appliquée au dépôt de couches minces métalliques par pulvérisation plasma et à la gravure profonde du silicium, deux procédés plasma étudiés au laboratoire. Elle sera par la suite appliquée à d'autres procédés, toujours dans le souci de mieux comprendre la physique de l'interaction plasma/matière.