3- Objectifs et plan de la thèse
4.3 Dans les plasmas d’argon-oxygène
4.3.1 Les ions négatifs et l’électronégativité du plasma
Dans les plasmas contenant des gaz électronégatifs, les ions négatifs sont essentielle- ment créés par attachement électronique (capture d’un électron par une espèce neutre du plasma). Ce processus se produit lors de la collision d’un électron libre avec une molécule (O2 par exemple), provoquant la dissociation de cette dernière. A la suite de la collision,
il se crée un atome neutre et un ion négatif suivant la réaction suivante :
AB + e−−→ A + B− (4.13)
L’ion négatif peut perdre son électron excédentaire suite à une collision avec un électron (détachement électronique) en produisant un neutre et deux électrons :
B−+ e−−→ B + 2e− (4.14)
ou encore par neutralisation mutuelle suite à une collision avec un ion positif pour donner deux atomes neutres :
A++ B−−→ A + B (4.15)
Il y a donc trois charges à considérer dans le plasma : les électrons, les ions positifs et les ions négatifs. Dans ce type de décharges, la vitesse de Böhm, l’épaisseur de la gaine et le potentiel flottant dépendent de l’électronégativité du plasma et de la température des ions négatifs qui, comme les électrons, subissent l’effet du champ électrique [114]. Toutefois, contrairement aux électrons, très peu d’entre eux arrivent à franchir la gaine provoquée par les ions positifs au niveau des parois à cause de leur masse plus importante. Ils se retrouvent donc confinés dans le volume de la décharge [115]. Ceci est d’autant plus vrai que l’électronégativité du plasma est faible. Cependant, il existe des situations où les ions négatifs peuvent quitter la décharge, notamment en présence d’une surface polarisée « très » positivement par rapport au potentiel plasma. C’est le cas de la partie qui correspond à la saturation électronique de la caractéristique courant-tension de la sonde de Langmuir. Il est également possible que les ions négatifs franchissent la gaine ionique des parois quand ils sont créés à proximité d’une surface polarisée en dessous du
potentiel flottant (substrat de dépôt ou de gravure par exemple). Dans une telle situation, ils sont propulsés de la surface et accélérés dans le volume du plasma. Si leur énergie est suffisante, ils finiront par atteindre les parois du réacteur.
Il a été montré dans la littérature que le comportement d’un plasma électronégatif dépend essentiellement de la valeur de son électronégativité. Celle-ci est définie par le rapport entre la densité des ions négatifs n− et la densité électronique ne (α= n− /ne). Pour des plasmas à faible électronégativité, les ions négatifs sont confinés dans le volume de la décharge par le champ électrique ambipolaire [116]. Pour certaines applications en microélectronique [117], en traitement de surfaces [118] ou en propulsion spatiale, on cherche à augmenter le flux des ions négatifs à la surface pour améliorer l’efficacité du plasma. Oudini et al. [114] ont montré que ceci est possible quand la valeur de α est supérieure à 103. En revanche, quand l’électronégativité est inférieure à 50, les auteurs montrent que les ions négatifs n’atteignent plus l’électrode de masse (sur laquelle est posé le substrat). Ces derniers sont en fait neutralisés dans le volume de la décharge par recombinaison ionique afin de maintenir la neutralité du plasma. Dans ces conditions, les auteurs démontrent que la formule classique de la vitesse de Böhm reste valide. De plus, à très faible électronégativité (inférieure à 5), ils montrent que le potentiel plasma présente un profil similaire à celui obtenu en l’absence d’ions négatifs.
Pour diagnostiquer les plasmas d’ArO2 dans la suite de cette section, il est alors essentiel d’avoir un ordre de grandeur de l’électronégativité des plasmas étudiés. Pour ce faire, nous avons supposé que la neutralité du plasma est satisfaite, ce qui nous permet d’écrire que n+ = ne+ n−, où n+ est la densité des ions positifs obtenue par
les mesures de sonde de Langmuir. Sur la figure (4.19) sont montrées les variations de l’électronégativité et des densités (n+, ne, n−) en fonction du rayon de la décharge dans
le cas d’un plasma d’ArO2 à 150 W et 15 Pa. Les zones de création et de perte des
ions négatifs peuvent être déduites de la distribution radiale des densités électroniques et ioniques présentées sur la figure (4.19). Dans la région centrale de la décharge (I), les ions négatifs sont majoritairement neutralisés par les ions positifs dont la densité est très élevée (le détachement par impact électronique et le photo-détachement sont négligeables [119]). Dans cette zone, la densité électronique reste supérieure à celle des ions négatifs et l’électronégativité de la décharge est constante sur un rayon d’environ 10 cm avec une faible valeur de 0,65. A mesure qu’on s’approche de la paroi (II), la densité électronique décroît et celle des ions négatifs tend à se stabiliser en engendrant une augmentation de l’électronégativité. Ce comportement est similaire à celui décrit par Chabert et al. [120]. Toutefois les valeurs de α qu’ils obtiennent sont 10 fois plus élevées que les nôtres étant donné que leurs décharges sont obtenues dans un gaz purement électronégatif (SF6). Au plus près de la paroi, la densité électronique est très faible devant celle des ions négatifs qui tend à égaler celle des ions positifs (n+≈ n−) pour maintenir
Figure 4.19 – Variation de l’électronégativité et des densités (n+, ne, n−) en fonction de la
distance radiale dans un plasma d’ArO2 à 150 W et 15 Pa.
la neutralité du plasma.
De façon générale, bien que l’électronégativité varie en fonction de la distance radiale, sa valeur reste très faible (α < 2) pour que des changements significatifs soient observables au niveau des profils radiaux du potentiel plasma et du potentiel flottant (voir la figure (4.20)). Nous considérons dans la suite que la théorie classique de la sonde de
Figure 4.20 – Comparaison des profils radiaux du potentiel plasma et du potentiel flottant dans le cas de l’argon pur (cercle) et de l’ArO2 (triangle). Conditions plasma : 15 Pa, 150 W.
Langmuir reste valide dans le cas des plasmas dont les électrons constituent la charge négative majoritaire (faible électronégativité). Toutefois, il est difficile de définir la valeur exacte de l’électronégativité qui satisfasse cette condition. En effet, selon Béchu et al. [121], la théorie classique est applicable à condition que l’électronégativité (n−/ne) soit inférieure à 0,1. Lee et al. [122] quant à eux, ont continué d’utiliser cette théorie pour déterminer la FDEE d’un plasma ayant une électronégativité environ cinq fois plus grande (égale à 0,47).
4.3.2 Variation des paramètres plasma en fonction des conditions ex-