Développement et caractérisation de micro réacteurs plasma à base de silicium élaborés par micro-nanotechnologies

Development and characterization of silicon-based plasma micro reactors elaborated by micro-nanotechnologies

• Auteur / Autrice : Ronan Michaud
• Direction : Rémi Dussart, Olivier Aubry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique / Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 05/12/2019
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherches sur l'énergétique des milieux ionisés. UMR 7344 (Orléans ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Hoel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémi Dussart, Olivier Aubry, Virginie Hoel, Thierry Callegari, Michaël Tatoulian, Arnaud Stolz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Callegari, Michaël Tatoulian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas (gaz ionisés)

Silicium -- Couches minces

Systèmes microélectromécaniques

Nanotechnologie

Mots clés libres

Microdécharges

Plasma à pression atmosphérique

Salle blanche

Micro-Nano Technologies

Mems

Microdischarges

Atmospheric pressure plasma

Clean Room

Micro-Nano Technologies

Mems

Résumé

Cette thèse a pour objectifs de développer des microréacteurs plasma élaborés sur support en silicium et d’étudier les phénomènes physiques apparaissant lors de leur fonctionnement en courant continu (DC). Les dispositifs ont été réalisés en salle blanche à l’aide des technologies de micro et nano fabrications utilisées couramment pour les MEMS (MicroElectroMechanical Systems) et la microélectronique. Des plaquettes de silicium de 100 mm de diamètre sont structurées afin d’obtenir une géométrie composée de deux électrodes conductrices séparées par un diélectrique. Afin de fonctionner en DC, au moins une des électrodes, ainsi que le diélectrique doivent être percés pour former une micro cathode creuse. La deuxième électrode peut être laissée en configuration plane ou alors être gravée de façon isotrope pour faire place à une configuration de type « cavité ». Afin de réaliser des décharges à pression atmosphérique, les dimensions typiques des micro réacteurs retenues sont les suivantes : une électrode de 1 µm d’épaisseur, un diélectrique de 8 µm d’épaisseur, un diamètre d’ouverture compris entre 100 et 150 µm et une cavité allant de 8 à 75 µm de profondeur. L’endommagement des dispositifs présentant une cathode en silicium a été publié par plusieurs équipes. Le mécanisme de destruction a été étudié de manière approfondie dans le cadre de cette thèse. Un nouveau processus de fabrication a été mis en place pour s’affranchir des instabilités à l’origine de leur destruction. De nouveaux réacteurs avec cathode en nickel ont été réalisés. Les microdécharges ont été caractérisées par diagnostics électrique et optique afin d’accéder à certaines propriétés du plasma telles que le seuil de claquage, le régime de décharge, la stabilité, la température du gaz pour déterminer les mécanismes à l’origine de la défaillance de micro dispositifs. Les micro réacteurs fonctionnant en DC dans l’hélium et dans l’argon présentent des durées de vie supérieure à 24h en continu pour des pressions couvrant la gamme 100 - 1000 torr. Des matrices de microplasmas contenant jusqu’à 576 cavités sur une même puce ont été étudiés. Elles présentent des différences avec les systèmes en configuration mono trou. Le mécanisme d’allumage en fonction de la pression a notamment été étudié. Enfin, un boîtier portable a été conçu dans la perspective d’utiliser ces matrices de microdécharges sur différents systèmes sans la nécessité d’utiliser une enceinte sous vide.

The objective of this thesis is to develop silicon-based plasma micro reactors and to study the physical phenomena appearing during their operation in direct current (DC). The devices were made in a clean room using the micro and nano fabrications technologies commonly used for MEMS (MicroElectroMechanical Systems) and microelectronics. Silicon wafers with a diameter of 100 mm are structured to obtain a geometry composed of two conductive electrodes separated by a dielectric. In order to operate in DC, at least one of the electrodes, as well as the dielectric, must be drilled to form a micro hollow cathode. The second electrode can be in planar configuration or can be etched isotropically to make a "cavity" configuration. In order to ignite discharges at atmospheric pressure, the typical dimensions of our micro reactors are the following: a 1-µm electrode thickness, a 8-µm dielectric thickness, an opening diameter between 100 and 150 μm and a cavity depth from 8 to 75 μm. The destruction of the devices operating with a silicon cathode has been published by several teams. The destruction mechanism has been extensively studied in this thesis. A new fabrication process has been develop to avoid the instabilities that led to their destruction. New reactors with nickel cathode have been elaborated. Microdischarges have been characterized by electrical and optical diagnostics in order to access the properties of the plasma such as the breakdown threshold, the discharge regime, the stability, the temperature of the gas to determine the failure mechanisms of the devices. Micro-reactors operating in DC in helium or argon present lifetimes greater than 24 hours for a pressure range between 100 and 1000 torr. Microplasma array containing up to 576 cavities on one chip were studied. They present differences with systems in single hole configuration. In particular, the ignition mechanism as a function of pressure has been studied. Finally, a portable packaging has been designed in the perspective of using these arrays of microdischarges on different systems without the need to use a vacuum chamber.