Influence de la pression partielle de O 2 dans le mélange Ar/O

Après avoir montré les caractéristiques de la décharge radiofréquence dans l’oxygène pur, et l’argon pur (chapitre 3). On montre maintenant l’influence de la concentration d’oxygène sur les caractéristiques de la décharge dans l’argon. Ces résultats sont très utiles pour le bon choix de la concentration d’oxygène à ajouter à l’argon pour les applications.

Les résultats suivants sont obtenus pour une tension radiofréquence de 200V et une fréquence de 13.56MHz avec une pression totale du gaz de 50 mTorr et une distance inter-

électrode de 2.54 cm [Be-3]. Au titre d’exemple, la figure IV-16 représente la variation

spatiale de la densité des particules chargées considérées pour un mélange (10%O2 /90%Ar) où

la densité des ions est invariable avec la contraction et l’expansion des gaines à cause de leurs faibles mobilités. Par contre, les électrons et à cause de leurs grande mobilité suivent instantanément les variations du champ électrique illustré dans la figure IV-17.

Fig. IV-16 : Variation spatiale des densités des particules chargées pour (10%O2 /90%Ar)

à différents instants du cycle RF

Fig. IV-17 : Variation spatiale de champ électrique pour (10%O2 /90%Ar) à différents instants du cycle RF

La figure IV-18 montre la variation de la densité des particules chargées (e-, O-, O2+ et

Ar+) en fonction de la pression partielle d’oxygène dans l’argon. Ce sont les densités

calculées au centre de la décharge. Comme prévue, la densité des ions d’argon (Ar+)

décroit presque linéairement avec la concentration de l’oxygène. Par contre, la densité des électrons décroit rapidement puis commence à saturer à partir d’un mélange contenant

entre 40%O2 et 60% d’Ar. Cette saturation montre l’équilibre entre les électrons gagnés

(ionisation, détachement) et les électrons perdus (recombinaison, attachement) concentration des électrons assure la survie du processus d’ionisation des neutres et la circulation du courant électrique, qui assure par suite, la survie de la décharge électrique.

En fait, en présence d’un gaz électronégatif comme l’oxygène, les ions négatifs participent aussi avec les électrons à la neutralité électrique dans la région plasma. C’est pourquoi à partir d’environ 40¨% d’oxygène dans le mélange, on observe que les particules

chargées négatives dominantes sont les ions O-, avec une concentration qui augmente

rapidement avec la concentration d’oxygène. Généralement, dans les décharges radiofréquences, les ions négatifs sont piégés par l’expansion des gaines, le processus de la recombinaison est le seul processus responsable à la disparition de ces ions. Alors, le régime permanent est correspond à l’équilibre entre l’attachement dissociatif et la recombinaison. En même temps, pour les raisons de quasi-neutralité électrique dans la

région plasma, la densité des ions O2+ augmente avec la concentration de l’oxygène pour

compenser la diminution des ions d’argon (Ar+).

L’énergie moyenne des électrons au centre de la décharge est montrée dans La figure IV-19. Cette énergie diminue avec l’augmentation de la concentration de l’oxygène jusqu’à 10% où elle atteint le minimum. Ceci est dû à l’augmentation du nombre de collisions inélastiques plus important dans l’oxygène notamment les processus de collisions des niveaux vibrationnels et optiques. Après cette première baisse, l’énergie se met à

augmenter en fonction de la proportion de O2 en raison de l’augmentation des épaisseurs

des gaines et du grand nombre d’électrons qui participent à la contraction et l’expansion de ces gaines.

Fig. IV-18 : Variation de la densité des particules chargées avec la concentration de O2

La figure IV-20 montre que l’énergie moyenne des ions positifs d’argon (Ar+) au

voisinage de la cathode augmente avec l’augmentation de la concentration de l’oxygène.

C’est le contraire qui est observé pour les ions positifs d’oxygène (O2+). Cela expliqué par

l’effet important de transfert résonant de la charge qui est beaucoup plus efficace que le

transfert de charge non-résonant que soit pour les ions d’argon (Ar+) ou bien les ions

d’oxygène (O2+). Il est important de rappeler que le transfert de charge résonnant

transforme les ions rapides en ions lents qui se retrouvent avec l’énergie du gaz (0.038 eV) juste après la collision , ce qui naturellement contribue fortement à baisser l’énergie

moyenne des ions lors de ces processus. Par contre, le flux d’ions (Ar+) (fig. IV-21) qui est

important dans le cas de l’argon pur se met à décroitre avec la diminution de la

concentration du gaz parent. La même chose est observée pour le flux des ions (O2+). C’est

une confirmation du rôle important joué par le transfert de charge résonant et par conséquent du rôle secondaire de l’effet de transfert de charge non-résonant. La valeur maximale de la densité du courant électrique dans la décharge décroit avec l’augmentation

de la concentration de l’oxygène jusqu'à une proportion de 60% de O2 où elle atteint le

minimum avant de se mettre à augmenter (fig. IV-22).

Comme la densité de courant, la puissance dissipée est importante dans les cas extrêmes de concentration 100% d’argon et 100% d’oxygène. Partant de l’argon pur, elle décroit

jusqu’à atteindre le minimum pour une concentration de 50% O2 (fig IV-23).

Dans le cas de l’argon pur la majorité des électrons sont dans le corps de la fonction de distribution des énergies électroniques (FDEE), ce nombre augmente avec l’augmentation de la concentration d’oxygène, à cause des collisions inélastiques plus importantes en augmentant le pourcentage de l’oxygène. Mais, à partir de 10%, les électrons sont accélérés à cause de l’augmentation des épaisseurs des gaines (fig. IV-24). Jusqu’à ce

dernier pourcentage d’oxygène, l’énergie moyenne des ions d’argon (Ar+) au voisinage de

la cathode et leur fonction de distribution (FDEI) ne présentent aucunes variations

significatives (fig IV-20, fig IV-25). Les ions d’oxygène (O2+) dans l’oxygène pur sont

moins énergétiques que les ions argon (Ar+) dans l’argon pur, malgré la gaine plus large

qui est sensée favoriser l’accélération des ions. Cela montre que le rôle du transport par le champ peut être considérablement atténué par l’effet des processus collisionnels comme le transfert de charge résonant dans l’oxygène qui est plus important que dans l’argon.

Fig. IV-19 : Variation de l’énergie moyenne des électrons avec la concentration de O2

Fig. IV-21 : Variation de flux ionique au voisinage de la cathode

Fig. IV-23 : Variation de la densité de puissance dans le mélange Argon-Oxygène

Fig. IV-25 : Fonction de distribution des énergies ioniques au voisinage de la cathode