Développement d'une nouvelle génération de plasmas micro-onde à conditions opératoires étendues

New microwave plasma development with extended operating conditions

• Auteur / Autrice : Guillaume Regnard
• Direction : Ana Lacoste
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 30/11/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : François Silva
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eugen Stamate, Pascal Ponard, Bernard Darges
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kremena Makasheva, Khaled Hassouni

Mots clés

Mots clés libres

Plasma micro-onde

Sources multi-dipolaires

Vide

Sources à état solide

Résonance cyclotronique (RCE)

Couplage micro-onde plasma

Microwave plasma

Multi-dipolar sources

Vacuum

Solid state devices

Electron cyclotron resonance (ECR

Plasma microwave coupling

Résumé

Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3) deGrenoble en collaboration avec le groupe Thalès avec pour objectif le développement d’une nouvellegénération de plasmas micro-onde fonctionnant sur une gamme de pression étendue allant de 0,5 mtorrà 10 torr en argon. La travail présenté porte donc en : i) la conception des applicateurs basés sur destronçons de longueur λ/4 faisant office de transformateurs d’impédance entre le générateur et leplasma d’impédance supposée donnée (adaptation d’impédance approchée); ii) la déterminationexpérimentale de l’impédance réelle du plasma (partie réelle et partie imaginaire) par mesure dumodule et de la phase du coefficient de réflexion dans des conditions opératoires définies; iii) leredimensionnement des différents tronçons de l’applicateur par simulation numérique en tenantcompte de l’impédance réelle du plasma; iv) la validation expérimentale de l’adaptation d’impédanceentre générateur et plasma. Les résultats obtenus démontrent clairement qu’il est possible, à fréquencedonnée (2.45 GHz dans le cas présent), de concevoir et de dimensionner une source plasma avec uneefficacité énergétique supérieure à 80% pour des fenêtres en pression (d’au moins une décade)équivalentes à des fenêtres opératoires en termes de paramètres plasma. Ces sources individuelles àabsorption localisée de micro-ondes peuvent être utilisées en nombre pour la réalisation des plasmasuniformes de grandes dimensions par leur distribution selon des réseaux à deux dimensions (sourcesplanes) ou à trois dimensions (volumes de plasma), et donc pour des applications industrielles auxtraitements de surface.

This work was done in the « Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3,Grenoble) » during a collaboration with Thales. The aim of the project was the development of a newgeneration of microwave plasma with extended operating conditions in the pressure range 0.5 mtorr to10 torr in argon. The presented work consists of: i) designing applicators based on sections of λ/4length serving as impedance transformers between the generator and the plasma with impedance ofgiven assumed value (approximate impedance adaptation); ii) experimentally determine the realplasma impedance (the real part and the imaginary part) for given operating conditions from themeasurement of modulus and phase of the reflection coefficient S11; iii) resize the different sections ofthe applicator by digital simulation taking the real plasma impedance into account; iv) finally, verifyexperimentally that the impedance adaptation between the generator and the plasma is correct. Theobtained results clearly demonstrate that it is possible, at a given frequency (here 2.45 GHz), to designand size a plasma source with an efficiency greater than 80 % for a window in pressure (at least onedecade) equivalent to an operating window in terms of plasma parameters. These individual sourceswith localized absorption of microwaves can be used in numbers to achieve uniform plasmas via theirdistribution over two-dimensional (planar sources) or tri-dimensional (volume plasma) networks, andthus for industrial surface treatments.