Caractérisation des plasmas froids, appliqués aux traitements de surfaces, par diagnostics laser. La Grande Motte Le 02 avril 2009 GDR SurGeCo Ludovic de POUCQUES

La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Plan de l’exposé - Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Perspectives…

Plan de l’exposé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo - Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Perspectives…

Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCoObjectif Mélange gazeux (CH 4 /H 2 ) CH X : diamant C 2 H X : graphite H : gravure  (  -ondes) Si (100) chauffé par le plasma MW-PECVD "tubulaire" 60 Torr 0.5 % CH 4 Optimisation "vitesse de croissance  qualité" Puissance Gaz additifs (N 2, O 2 ) Décharge pulsée Principe  CH 4 mais la qualité  (Hatta et al., ECR)

Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA Réacteur "tubulaire" La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo t Tension (puissance  -ondes) (V) T Caractéristique impulsion Mode continu 6 RC=4/6=66% RC=1/6=16%

- Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Perspectives… Plan de l’exposé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA Caractéristiques des couches minces Optimisation T d  T p  1 ms continu Fréquence (Hz) Facteur de mérite (R) Rapport cyclique (%) continu Qualité F=500 HzRC=50 % Spectroscopie RAMAN Département de Physique de l’Université de Sarrebruck continu Fréquence (Hz) continu / 2 Epaisseur (  m) Epaisseur MEB Laboratoire de Chimie du Solide Minéral de l’UHP-Nancy 1 RC=50 % Objectif atteint sur le réacteur "tubulaire" La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

- Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Perspectives… Plan de l’exposé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA Diagnostics optiques de la phase gazeuse ( H ) n=1 n=3 n=2 =205 nm H  =656.3 nm Excitation laser à deux photons LIF: 205 nm PM Laser Nd : YAG Doubleur KDP 1064 nm 532 nm Doubleur KDP Mélangeur BBO nm 615 nm Laser A colorant Rhodamine nm << Système d’acquisition << >> Monochromateur 656 nm Fondamental (n=1): 0 eV 1 ier niveau radiatif émettant dans le visible est n=3: eV Exciter n=3 à partir de n=1 nécessite 1 photon avec =102.5 nm

La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA Diagnostics optiques de la phase gazeuse ( H ) Temps (ms) Densité normée de H Plasma continu Plasma pulsé ? f=500 Hz

La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA Diagnostics optiques de la phase gazeuse ( H ) t / T Densité normée de H f=500 Hz continu f=250 Hz f=750 Hz ? RC=50 %

Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA  T d  1 ms: SOE (+ TALIF sur H pour valider la SOE) - Saturation pour H et CH à 1 ms (source = perte) - cinétique de production de C 2 plus lente (CH y + CH y  C 2 H z )  T p  1 ms: TDI (+ TALIF sur H pour valider la TDI) Impulsion principale de décharge Impulsion de diagnostic  t réglable Prise de mesure (réexcitation) Temps (ms) Intensité de H  (u. a.) Bouchoule et al (1991): réexciter les espèces en post-décharge Processus de perte en post-décharge de H, CH et C 2 Temps (ms) Intensité normalisée de H  SOE: valider la TDI Conditions de réexcitation ?? Diagnostics optiques de la phase gazeuse (H, CH et C 2 ) La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA Temps (ms) Intensités normées (TDI) DéchargePost-décharge 0 ms  1 ms 2 ms Production H (~1 ms) CH (~1 ms ) Prod. lente C 2 (> 2 ms) Perte rapide H CH C 2 Perte lente H CH Augmentation C 2 Bilan Mesures optiques Bilan – corrélation plasma/dépôt ][C [CH] [H] R 2  ][C [CH] b ]a[C E   MEB  RAMAN  SOE  TDI  TALIF Qualité: Epaisseur: La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

Plan de l’exposé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo - Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Perspectives…

Vapeur Neutre M M Ar + Plasma magnétron Procédé RF-IPVD LPGP Principe de l ’IPVD Cathode magnétron - V Plasma additionnel Anode Peut être polarisée M+M+ M+M+ M+M+  Pression de fonctionnement: - Magnétron classique: Pa (régime balistique, i qq 10 cm) - Procédé IPVD: 2 – 5 Pa (compromis) (régime diffusif, i qq 1 cm)  Sources plasmas additionnels: - MW-IPVD: ECR, ondes de surface. - RF-IPVD: boucles RF (ICP),  configurations géométriques. La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

Procédé RF-IPVD LPGP La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Les flux d’espèces dans l’espace entre la cible et le substrat Transport: régime balistique ou de diffusion (thermalisation) Ionisation Densités et vitesses des particules arrivant sur le substrat Application Fondamental Objectif Optimisation Informations pour mieux comprendre ce procédé complexe Plasma additionnel Magnétron transport Diagnostics électriques et optiques

Plan de l’exposé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo - Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Perspectives…

Procédé RF-IPVD LPGP La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo état excité h lampe X (Ti) A= 1 – I t / I 0 plasma Lampe à cathode creuse I0I0 ItIt monochromateur I 0 : intensité émise par la lampe de Ti. I t : intensité transmise après le plasma. Diagnostics optiques de la phase gazeuse [Ti(z)], [Ti m (z)], [Ti + (z)] Température Flux z z=0

Procédé RF-IPVD LPGP L’absorption “A” est fonction de : k 0 : coefficient d’absorption. ℓ : longueur d’absorption. T L : Température des atomes de Ti dans la lampe. T P : Température des atomes de Ti dans le plasma. 4 Pa (pression typique des procédés IPVD). La thermalisation des atomes pulvérisés est atteinte (4 cm) Les raies d’absorption sont des gaussiennes: La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo I t = I 0 exp { - k( ) L } Loi de Beer-Lambert

J E(eV) Å Å Å J f=0.223 f=0.198 f= E(eV) Procédé RF-IPVD LPGP eV Å f= f=0.223 TLTL La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

Procédé RF-IPVD LPGP YAG à colorant:  = Å Diode Laser:  = 2  Å  Elargissement Doppler sur profil d’absorption:  (Ti m à 500 K) (mesuré à 8000 Å) Diodes Laser (une par espèce donc détermination de T P et utilisation des A mesurées avec la lampe) La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Diagnostics optiques de la phase gazeuse TPTP TPTP

Procédé RF-IPVD LPGP La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Diagnostics optiques de la phase gazeuse Températures Densités à 6 cm Densités à 14 cm

Procédé RF-IPVD LPGP Magnétron seul RF-IPVD (600 W) 2 %25 % (35 % à 1 A) 11.8  cm -2 s  cm -2 s  cm -2 s  cm -2 s (>  200) NRA et RBS à l’Institut des Nanosciences de Paris (Jussieu) Limiter la contamination par l’oxygène Densifier les couches minces La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Pression :, z =14 cm Pression : 4 Pa, Courant magnétron : 2 A, z =14 cm

Plan de l’exposé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo - Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Perspectives…

Perspectives… La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo En régime non thermalisé (basse pression et/ou proche de la cible). Mesures des fonctions (densité et flux) de distribution en vitesse des atomes pulvérisés par TD-LIF, dans les conditions rencontrées dans l’industrie. Direction et sens du faisceau laser Z r r=2.9 cm z=0 r=0 r=R=5 cm Distribution angulaire des atomes pulvérisés Détection de l’absorption (TD-LAS) Détection de la TD-DIF Principe et objectif

Perspectives… La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Mesure de la FD(V) des atomes pulvérisés TD-LIF Z r Vitesse dirigée Vitesse thermique FD(v) complexe + VZVZ VrVr

Perspectives… La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo r ZZZ Mesure de la FD(V) des atomes pulvérisés 0.4 Pa I=1 A r/R=0.58

Procédé RF-IPVD LPGP Le procédé RF-IPVD Puissance RF (W) Flux (m -2 s -1 ) Zone 1:  d >  g Dépôt préférentiel Zone 2:  d <  g Gravure dominante RBS Boucle inox La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

Procédé RF-IPVD LPGP  Limitation de la pulvérisation des parois: - boucle à la masse (Vp > 150 V) - optimisation de la capacité de découplage afin de minimiser la pulvérisation de la boucle (Vp ~ 20 V; V autopolarisation minimal ~ -130 V) La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo  Etude de l’efficacité d’ionisation: - pression, positionnement de la boucle et de l’échantillon ( i (z), DI(z)) - rôle de la quantité de vapeur pulvérisée (DI chute de 35 à 25 % lorsque P magnétron  2 car n e  ) P  Z P , 1/1.25 

T L ? Validation de T L =2000 K

Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) LPMIA La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Diagnostics optiques de la phase gazeuse (H, CH et C 2 ) Intensité normée de C 2 (A 3  g -X 3  u ) Temps (ms) Avec substrat  Sans porte- échantillon Intensité normée de Ar (4p-4s) Temps (ms)

Perspectives… La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo En régime non thermalisé Vr r/R=0.9, r/R=0.9, I = 1 A, z =1 cm P  z ??? Effet de la pression P/10 rapport des flux  100 z  10, rapport z  10, rapport des flux / 100 des flux / 100 Vz (et Vr) r/R=0.58 r/R=0.58, I = 1 A Effet de la position

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Procédés PVD LPGP En régime non thermalisé (basse pression et/ou proche de la cible). Tester la sensibilité et la faisabilité de la TD-LIF dans les conditions rencontrées dans l’industrie Direction et sens du faisceau laser Z r r=2.9 cm z=0 r=0 r=R=5 cm Distribution angulaire des atomes pulvérisés Détection de l’absorption (TD-LAS) Détection de la TD-DIF Principe et objectif La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo

r=R=5 cm Z r r=2.9 cm z=0 r=0 Sens du faisceau laser La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Procédés PVD LPGPPrincipe

Mesures 2D de la FD(V) des atomes pulvérisés La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo TD-LAS TD-LIF Z r Vitesse dirigée Vitesse thermique FD(v) complexe + VZVZ VrVr Procédés PVD LPGP

Plan de l’exposé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo - Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé PVD (magnétron classique) Introduction: principe et objectif Diagnostics de la vapeur à basse pression (régime non thermalisé) - Perspectives…

La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo r ZZZ vrvr vzvz Procédés PVD LPGP Mesures 2D de la FD(V) des atomes pulvérisés 0.4 Pa I=1 A r/R=0.58

La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo r ZZZ Procédés PVD LPGP Mesures 2D de la FD(V) des atomes pulvérisés 0.4 Pa I=1 A r/R=0.58

En régime non thermalisé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Procédés PVD LPGP Effet de la pression r/R=0.9, z =1 cm r/R=0.9, Courant magnétron : 1 A, z =1 cm

En régime non thermalisé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo Procédés PVD LPGPVr r/R=0.9, r/R=0.9, I = 1 A, z =1 cm P  z ??? Effet de la pression P/10 rapport des flux  100 z  10, rapport z  10, rapport des flux / 100 des flux / 100 Vz (et Vr) r/R=0.58 r/R=0.58, I = 1 A Effet de la position

Plan de l’exposé La Grande Motte, le 02 avril 2009GDR SurGeCo - Procédé MW-PECVD pulsé (synthèse de films de diamant) Introduction: principe et objectifs Résultats de la caractérisation des couches minces de diamant Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé RF-IPVD (ionisation de la vapeur du procédé magnétron classique) Introduction: principe et objectifs Diagnostics optiques développés et résultats - Procédé PVD (magnétron classique) Introduction: principe et objectif Diagnostics de la vapeur à basse pression (régime non thermalisé) - Perspectives…

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