L’apparition de particules de poussière dans une décharge capacitive basse pression fait varier les pa-ramètres électriques de cette dernière. En effet, de nombreux papa-ramètres de la décharge sont sensibles à la présence de poudres et permettent donc de les détecter lorsqu’elles apparaissent dans la phase ga-zeuse. Les plus sensibles à la présence de poudre sont :
— Le potentiel électrique de l’électrode active (tension d’autopolarisation)
— La densité électronique moyenne de la décharge
— Le courant de décharge
— L’intensité lumineuse du plasma
Ci-après, l’évolution de ces différents paramètres électriques et optiques d’une décharge capacitive lors de l’apparition de poudres d’après les travaux du Dr. G.Wattieaux [4] :
FIGURE3.11 – Evolution des paramètres de la décharge lors d’une des phases de croissance de poudres dans un mélange argon/méthane à 100 Pa
Ici, nous nous intéresserons plus particulièrement au potentiel électrique de l’électrode active et à la densité électronique moyenne de la décharge.
3.4.1 Evolution du potentiel électrique de l’électrode active
Lors de la formation de poussières, l’impédance caractéristique de la décharge varie fortement. L’im-pédance du plasma devient plus resistive car avec l’apparition des nanoparticules, la fréquence de colli-sions des électrons augmente.
La diminution, en valeur absolue, de la tension d’autopolarisationVDCest liée au fait que le flux d’élec-trons à la cathode diminue fortement à cause d’une part, de l’attachement électronique sur les particules et d’autre part, de l’augmentation des collisions avec les poudres. Il y a donc toujours autant d’ions qui arrivent sur la surface de la cathode mais moins d’électrons.
VDC
En estimant le rapport entre les surfaces des électrodes AAB
M, on constate que celui-ci augmente en présence de particules.
FIGURE3.12 – Evolution deVDC lors de la croissance de particules dans un plasma capacitif radiofré-quence
3.4.2 Evolution de la densité électronique
L’évolution de la densité électronique dans la décharge lors de la croissance de particules est une don-née très intéressante car celle-ci dépend directement de la taille des particules. En effet, comme vu pré-cédemment, les particules qui apparaissent dans la décharge se chargent négativement par attachement électronique. Une gaine de charge d’espace positive se forme alors autour de la particule l’isolant du plasma, si celle-ci, a une taille de quelques nanomètres. Son comportement sera alors similaire à celui d’une sonde électrostatique. A l’équilibre, il y aura autant d’ions positifs dans la gaine que d’électrons à la surface de la particule. En revanche, les petites particules (inférieures à quelques nanomètres) se comportent, quant à elle, comme des molécules de gaz, aucune gaine se forme autour d’elles à cause des fortes fluctuations de sa charge ([23],[24]).
— Dans le cas des macromolécules :
Comme dit précédemment, les petites particules (inférieures à 5 nanomètres) sont similaires à des ma-cromolécules qui perturbent l’équilibre électrique du plasma. Dans un plasma la quasi-neutralité s’ex-primera alors :
ne+ni−=n+i +5
k
Qd k
q nd k (3.28)
avecnd kla concentration des particules etQd kleurs charges.
Notons ici, d’après les travaux effectués par le Dr. G. Wattieaux [4], que la méthode de la cavité réson-nante micro-onde, dont nous parlerons ultérieurement plus en détail, ne permet pas, pour ces tailles de particules de sonder toutes les poussières présentes dans la décharge. La méthode ne prenant pas en compte l’influence des particules chargées positivement, ni celle des particules neutres.
— Dans le cas des particules plus grosses :(supérieures à 5 nanomètres)
Les particules ayant une taille supérieure à 5 nanomètres ont un comportement similaire à une sonde électrostatique sphérique. Chargées négativement, elles sont, comme vue précédemment, isolées du plasma par une zone de charge d’espace positive et ne font donc pas partie du volume du plasma. Afin de mesurer cette densité électronique, nous continuons à nous baser, pour le moment, sur la méthode de la cavité résonnante micro-onde. Cette méthode qui est sensible uniquement à la population d’électrons libres (présents essentiellement dans le corps du plasma) permet la détermination de la concentration moyenne des électronsnemes dans un réacteur de volumeV0:
nemes≈ne.V
V0 (3.29)
avecV le volume du plasma entre les gaines etnela densité électronique réelle.
Comme le volume occupé par le plasma diminue en raison de la présence des gaines des charges d’es-paces autour des poussières, il est intéressant de regarder l’évolution de la densité électronique dans le corps du plasma. La méthode de la cavité résonnante micro-onde, ainsi que la méthode de la caractéri-sation électrique (présentée plus loin) qui sont sensibles à la variation du volume occupé par les gaines de charge d’espace en permet l’observation.
FIGURE3.13 – Représentation schématique de la répartition spatiale des électrons libres présents dans le plasma sans et avec poudres
La variation de la densité d’électrons libres dans la décharge a pour expression :
ZdNd= −∆
!6
v
ne(V)dV
"
=∆(neV) (3.30)
avecZdle nombre moyen de charges accumulée sur chaque particule etNdle nombre total de parti-cules piégées dans le plasma. En considérant que la variation de l’ionisation est négligeable au regard de la variation de la densité électronique en présence de poudres, on a :
ZdNd≈ne(i)∆V≈ −∆nemes.V0 (3.31) Il est alors possible d’en déduire la charge totale accumulée sur les poussières.
La charge moyenne d’une particule est proportionnelle à sa taille [13] : Zd= −4πǫ0
qV0
)Vd−Vp*
.rd (3.32)
)Vd−Vp*
étant la différence de potentiel entre la poussière et le plasma. Soit :
∆nemes≈4πǫ0 qV0
)Vd−Vp*
.rdNd (3.33)