Etude des plasmas micro-ondes à haute densité de puissance en systèmes H₂-CH₄ et H₂-CH₄-B₂H₆

Study of microwave plasmas used for intrinsic diamond deposition and boron-dopped diamond at high power density

• Auteur / Autrice : Nadira Derkaoui
• Direction : Alix Gicquel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 13

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamant

Plasmas (gaz ionisés)

Dépôt chimique en phase vapeur

Plasmas microondes

Résumé

Cette thèse porte sur l’étude de plasmas micro-ondes à haute densité de puissance en mélanges H₂/CH₄ et H₂/CH₄/B₂H₆, utilisés pour le dépôt de diamant intrinsèque et de diamant dopé au bore. L’objectif est la compréhension des phénomènes se déroulant dans le plasma et à l’interface plasma/surface dans des conditions de haute puissance et haute pression (haute densité de puissance) afin de dépasser les limites des réacteurs actuels en terme de vitesse de croissance, à qualité (notamment pureté) et surface de dépôt constantes. L’étude repose sur une approche expérimentale et théorique qui permet, d’une part la description physico-chimique de la phase plasma, et d’autre part la validation d’un modèle 1D développé précédemment au LSPM et adapté à la géométrie du réacteur métallique utilisé ici pour ces conditions très énergétiques. Les évolutions de la densité des électrons, de l’hydrogène atomique et du radical méthyle ainsi que les températures du gaz et des électrons sont ainsi analysées en fonction des paramètres du procédé (débit, puissance, pression, % CH₄…). Les mesures expérimentales sont réalisées principalement par actinométrie, OES et interférométrie micro-onde et complétées par des mesures de TALIF. Les comparaisons modèle/expérience sont globalement satisfaisantes mais mettent cependant en évidence les limites du modèle, notamment en termes de processus d’ionisation. De plus, une relation quasi-linéaire entre la vitesse de croissance du diamant monocristallin très pur et la densité d’hydrogène atomique au sein du plasma a été établie. Enfin, un schéma cinétique simulant les décharges H₂-CH₄-B₂H₆et prenant en compte 21 réactions en volume et 7 espèces contenant du bore, est intégré au modèle 1D.

This thesis deals with high power density microwave plasmas of H₂/CH₄and H₂/CH₄ et H₂/CH₄/B₂H₆ mixtures used for growing intrinsic and boron-doped diamond films. The aim of this work is to understand phenomena occurring in the plasma phase and near the plasma/surface interface for high power and high pressure (high power density) in order to overcome the technological limits of the reactors in terms of growth rates for constant quality (in particular purity) and deposition area. This study is based on an approach coupling experiments and modeling that allows, on the one hand the description of the plasma physics and on the other hand, the validation of a 1D model previously developed at LSPM and adapted to the new reactor geometry that has been used for high power density conditions. Evolutions of electron, hydrogen and methyl densities as well as the gas and electronic temperatures are analyzed in relation to process parameters (flow rate, power, pressure, CH₄ %. . . ). Experimental measurements are carried out by actinometry, OES and microwave interferometry and are completed by TALIF. On the whole, comparisons between model and experiments are in good agreement but some limits of the model have been highlighted, e. G. Ionization processes. Moreover, a quasi linear relation has been established between the single diamond growth rate and the hydrogen density of the plasma. Finally, a kinetic scheme for H₂-CH₄-B₂H₆ plasmas is implemented in the 1D model, taking into account 21 reactions and 7 boron containing species, in order to study boron-doped diamond processes.