de la décharge RF à couplage inductif
III.3. Modélisation plasma
III.3.4. Décharge pulsée
Il existe deux façons de contrôler le rapport du flux des espèces réactives et le flux total
des ions positifs: (i) faire varier la pression, la puissance de la décharge et/ou la fraction de O2
dans l’argon, (ii) pulser la décharge.
Nous décrivons dans cette section le deuxième point, en considérant le cas suivant: 10%
de O2, une pression de 4 Pa et une puissance de 400 W. Nous désignons par Ton et Toff le temps
pendant lequel le générateur est sous tension et hors tension, respectivement. Le rapport cyclique peut être modifié en faisant varier ces deux grandeurs.
Dans un premier temps, le plasma est allumé jusqu'à ce que l'état d'équilibre soit atteint (2 ms) et nous suivons l'évolution des paramètres plasma lors de la post-décharge (2 ms). Le cycle est donc égal à un ici.
Sur la Figure III. 8(a) nous présentons l’évolution de la température électronique en fonction du temps. Quand le plasma est ON, nous trouvons les mêmes résultats que dans le cas
d’une décharge non pulsée, avec une température électronique de 2,82 eV (Figure III. 4). Et
lorsque le plasma est éteint (OFF), Te passe rapidement à une faible valeur, avec un temps de
décroissance inférieur à 0,1 ms. En conséquence, les taux de réactions d’ionisation et d’attachement décroissent très rapidement dans la post-décharge tandis que les taux de recombinaison augmentent. L’évolution des densités présentée sur la Figure III. 8(b) est liée à l'évolution de la température des électrons discutée précédemment. A partir de 2 ms, nous
trouvons les résultats de la décharge à l’état d'équilibre de la Figure III. 3. Puis, après la
post-décharge, toutes les densités décroissent.
Pour les densités des espèces chargées nous observons une décroissance en deux temps. Les pertes en volume par recombinaisons sont au début beaucoup plus importantes que les pertes en surface du fait que les densités sont toujours élevées, mais après la décroissance initiale rapide, la diffusion aux parois devient le processus de perte dominant, ce qui implique une décroissance plus lente dans la seconde partie de la post-décharge. En ce qui concerne l'oxygène atomique, comme il n'y a pratiquement pas de pertes en volume, nous n'avons pas de décroissance rapide juste après avoir éteint le plasma, et c'est pourquoi la diminution de la densité d'oxygène se fait sur une échelle de temps plus lente que celle des particules chargées. Néanmoins, comme le coefficient de recombinaison de l'oxygène à la paroi est assez élevé (0,16 à 4 Pa), la densité de l'oxygène atomique décroit rapidement.
Figure III. 8. Evolution de (a) la température électronique et (b) la densité des espèces en fonction du temps pour une pression de 4 Pa, Ar +10% O2 et une puissance de 400W.
L'évolution dans le temps des flux est présentée sur la Figure III. 9 et elle est corrélée à l'évolution des densités décrites ci-dessus. Une fois de plus, au bout de 2 ms, on trouve les résultats à l'état d'équilibre (Figure III. 6) avec ΓO = 5,6×1021 m-2 s-1, ΓAr+ = 4,9×1020 m-2 s-1 et ΓO+
≈ ΓO2+ ≈ 4.6×1019 m-2 s-1. Le rapport de flux neutre/ion correspondant est de 9,6. Comme pour
les densités, au début de la post-décharge, les flux d'ions positifs diminuent beaucoup plus vite que celui de l'oxygène atomique à cause des réactions de recombinaison. En effet, à 0,5 ms dans la post-décharge, les flux d'ions positifs ont été réduits de plus de deux ordres de grandeur alors que le flux d'oxygène atomique a seulement été réduit d’un facteur 4 environ. En conclusion,
nous avons une augmentation très significative du rapport ΓO(t)/Γ+(t) sur un faible intervalle de
temps, à la fin de la post-décharge.
Figure III. 9. Evolution des flux des espèces en fonction du temps pour une pression de 4 Pa, Ar + 10% de O2 et une puissance de 400 W.
Il est également intéressant d'examiner le rapport des flux moyens dans le temps. Sur la
Figure III. 10, nous traçons le rapport des flux moyens dans le temps en fonction de Toff. La ligne
horizontale en pointillés indique le rapport ΓO/Γ+ pour un plasma en régime stationnaire (la
valeur de 9,6 mentionné ci-dessus). Comme prévu, quelle que soit la durée de la décharge (Ton)
ΓO/Γ+ augmente avec Toff, i.e. diminue avec le rapport cyclique. La variation du rapport avec Toff
est plus prononcée à des faibles valeurs de Ton car la densité de l'oxygène atomique n'atteint pas
l'état stationnaire à des valeurs plus faibles de Ton. À partir de Toff = 0.1ms à Toff = 2 ms, le
rapport ΓO /Γ+ est multiplié par un facteur de 1,4 pour Ton = 1 ms et d'un facteur de 3,3 pour Ton
= 0,1 ms. Par conséquent, après avoir coupé l’excitation, en faisant varier le rapport cyclique, nous pouvons contrôler le rapport moyen de flux neutre/ion qui joue un rôle clé dans les propriétés des films. Le rapport moyen peut être varié de manière significative (jusqu'à ~3). De
plus, le taux de flux instantané ΓO(t)/Γ+(t) peut être très important pendant de brèves périodes de
Figure III. 10. Rapport de la moyenne dans le temps des flux en fonction de Toff pour quatre valeurs différentes de Ton: 0.1 (bleu), 0.5 (vert), 1 (rouge) et 2 ms (noir). La ligne horizontale en gris correspond au rapport des flux à l'état stationnaire. La pression est de 4 Pa, la fraction de O2 est de 10% et la puissance est 400W.
III.3.5. Conclusion
Nous avons vu que dans les conditions opératoires étudiées (4 Pa, 10% O2 et quelques
centaines de watts), la densité de l'oxygène atomique est de l’ordre de 1019
m-3, et l’ion dominant
est Ar+. La température électronique n’est pas sensible à la puissance de la décharge RF et est de
l’ordre de 2,8 eV pour un plasma argon contenant une fraction de 10% O2 à 4 Pa. A une
pression de 20 Pa la température électronique est de l’ordre de 2,1 eV dans les mêmes conditions opératoires. L'électronégativité correspondante est très faible (quelques pour cent). Un paramètre
important pour le processus de dépôt est le rapport du flux d'espèces réactives (ΓO) sur le flux
total des ions positifs (ΓAr + + ΓO+ +ΓO2+), qui peut être contrôlé en faisant varier la puissance, la
pression et la dilution. Nous observons que ce ratio diminue avec la puissance tandis qu'il
augmente avec la fraction de O2 et la pression. Une autre façon de faire varier ΓO/Γ+ est de pulser
la décharge. En effet, lors de la mise hors tension, les taux de réaction de production des ions passent rapidement à zéro tandis que les taux de réaction de recombinaison augmentent, ce qui implique une décroissance plus lente pour les espèces neutres que pour les espèces chargées et
donc le rapport ΓO/Γ+ augmente au cours de la post-décharge. Le rapport neutre/ion est très élevé
dans la post-décharge comme le rapport des moyennes temporelles des flux peut aussi augmenter considérablement en faisant varier le rapport cyclique.
Cette étude théorique nous a permis de connaitre l’influence des différents paramètres opératoires sur la réactivité du plasma.
Pour suivre l’évolution des espèces dans la décharge plasma nous avons réalisé une étude par spectroscopie d’émission et par sonde électrostatique dite sonde de Langmuir, pour détecter les espèces réactives et en mesurer la concentration en fonction des conditions opératoires.