Soutenance de Thèse. Par Nicolas Naudé. Sous la direction de F. Massines & J-P Cambronne

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1 Toulouse, 1 octobre 5 Soutenance de Thèse Étude électrique de la physique d une décharge de Townsend à la pression atmosphérique et de son interaction avec un générateur : Modèle et Expérience Par Nicolas Naudé Sous la direction de F. Massines & J-P Cambronne Laboratoire de Génie Électrique de Toulouse

2 Introduction Plasmas Froids pour le traitement de surface Microélectronique Applications : gravure, dépôts de couches minces Basse pression Plasma homogène Réacteur micro-onde pour gravure et dépôt sur wafer de Si (LGET) 1 T T ambiante Basse pression = Réacteur étanche + groupe de pompage Traitement en ligne et taille des surfaces traitées Traitement de films polymères Application : activation de surface (Procédé Corona) Pression atmosphérique Traitement en ligne T T ambiante Décharge non homogène Traitement non homogène Traitement en ligne de film polymère par procédé Corona Plasma homogène à pression atmosphérique?

3 Introduction Plasmas à pression atmosphérique Rupture d un gaz dépend du produit pression distance Pour un gaz non excité si p d > qq dizaines de Torr.cm claquage de type streamer Le faible libre parcours moyen conduit à une mise à l équilibre thermodynamique transition à l arc! T qq dizaines de milliers de K Risque de destruction du matériau Comment éviter la transition à l arc? Solution robuste et facile : Décharge contrôlée par Barrière Diélectrique (DBD) Siemens 1857 électrode diélectrique électrode + - Formation d un canal de décharge Accumulation de charges sur le diélectrique (V ds ) ~ Courant(mA) temps (µs) Décharges bloquées Répartition plus uniforme des micro-décharges Tension appliquée (kv)

4 Introduction DBD homogènes à pression atmosphérique 3 Bartnikas (199) puis Okazaki (1988), Massines et Roth (199) Décharge Luminescente à la Pression Atmosphérique (DLPA) obtenue en Hélium Cathode Massines (199) Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) obtenue en Azote Cathode Tension appliquée (kv) 1,5 1,,5, -,5-1, Anode Décharge homogène radialement -1,5 8 1 temps (µs) Périodicité du courant et durée du pic - - Tension appliquée (kv) Anode Décharge homogène radialement temps (µs) 1 pic de courant par alternance 1 5-5

5 Introduction Objectifs DTPA compatible avec les procédés de traitement en ligne de matériaux (activation de surface, dépôts de couches minces, ). Dépôts réalisés en N-NO-SiH (S. Carré) DTPA Filamentaire Néanmoins : les conditions d obtention de la DTPA sont encore trop limitées temps de traitement ( P) trop long pour des applications industrielles Exemple de vitesse de dépôt en N - NO HMDSO (A. Fornelli) vitesse de dépôt (nm/min) D où l intérêt d augmenter la puissance transmise ,,5 1, 1,5 Puissance dissipée (W/cm),

6 Introduction Objectifs 5 Amélioration de la compréhension de la physique de la DTPA Compréhension des causes de déstabilisation de la DTPA Définir des solutions permettant d augmenter la puissance transmise Étude du couplage générateur décharge Réalisation d un modèle Alim + DTPA

7 Plan de l exposé Dispositif expérimental Caractéristiques de la Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) Modélisation de la DTPA Augmentation de la puissance transmise à la DTPA Conclusion et perspectives

8 Dispositif expérimental Enceinte et cellule de décharge A l intérieur de l enceinte se trouve la cellule de décharge 7 Électrode Décharge Électrode Diélectriques HT Injection de gaz

9 Dispositif expérimental Circuit d alimentation électrique 8 Amplificateur : 8 VA Transformateur : VA, V / 9 kv V a R a GBF Amplificateur de Puissance m R m V Rm I m

10 Plan de l exposé 9 Dispositif expérimental Caractéristiques de la Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) Modélisation de la DTPA Augmentation de la puissance transmise à la DTPA Conclusion et perspectives

11 Caractéristiques de la DTPA Tension appliquée sur le gaz et courant de décharge 1 Courant mesuré (ma) I m V a Temps (µs) Tension appliquée (kv) Pour modéliser la DTPA, il faut déterminer sa caractéristique courant - tension Or pour les DBD, la tension appliquée sur le gaz et le courant de décharge ne peuvent être mesurés Comment les calculer? Schéma électrique équivalent de la cellule de décharge section DTPA = section électrode V ds I m I m I g C ds I d I p I Cg V a V a C p R p C g G g V g R m R m

12 Caractéristiques de la DTPA Analyse temporelle de l évolution des grandeurs électriques 11 I m I g C ds I d V a I C C p R p C g g G g V g R m 8 C ds C dv t g a C + C dt ds g ( ) V a 8 - I d I m - Tension (kv) - V g I g Temps (µs) - -8

13 Caractéristiques de la DTPA Analyse temporelle de l évolution des grandeurs électriques Mécanismes de création de charges dans un gaz 1 e - Avalanche électronique Sous l effet du champ électrique, les électrons sont accélérés et entraînent l ionisation des atomes ou des molécules par collision. α = nombre d électrons produits sur le trajet d un seul électron parcourant 1 cm n atome ou molécule e - e - n e - e - n e - e - Émission secondaire à la cathode hν A* A + cathode A Courant I Tension I= I exp( α d) d : distance inter-électrodes Le bombardement de la cathode par des ions ou des états excités permet de créer des électrons dit «électrons secondaire». e - Le nombre moyen d électrons émis par la cathode par ion ou état excité incident est défini par γ

14 Caractéristiques de la DTPA Analyse temporelle de l évolution des grandeurs électriques 13 Amorçage de la décharge Lorsque est V g > V gα I d et I Cg Le gaz passe d un état capacitif à un état résistif - - I Cg I d V g I d =f(v g ) V gα - Tension (kv) V gα Temps (µs) - I 1 3 Tension (kv) Claquage de Townsend mécanismes Ionisation dans le gaz (α) Émission secondaire à la cathode (γ)

15 Caractéristiques de la DTPA Analyse temporelle de l évolution des grandeurs électriques 1 V g cste V g = cste toutes les variations de V a sont reportées sur C ds 1 Ig( t) Cds dva t = dt Courant I d imposé par l alimentation ( ) Tension (kv) Décharge alimentée par une source de courant (amplitude à C ds et V f) Temps (µs) 1 Arc,1 1E-3 Décharge Luminescente Courant (A) 1E-5 1E-1 1E-1 1E-1 1E-1 I Décharge de Townsend Avalanches électroniques Drainage des charges crées par une source extérieure V gα Tension (V) Décharge de Townsend

16 Caractéristiques de la DTPA Effet mémoire d une décharge à la suivante Effet mémoire d une décharge à la suivante : Le courant de décharge n est pas nul entre décharges ,,, -, -, Tension (kv) Le gaz ne revient pas au repos entre décharges (I d =I ). Ce courant provient de la diffusion des métastables N (A 3 Σ u+ ) créés pendant la décharge précédente qui induit une émission continue d électrons à la cathode Temps (µs) 1, Tension de claquage (kv) 3 1 V a =15 kv cc I (ma),8,,, V a =15 kv cc, Fréquence (khz) Fréquence (khz) de V claquage pour partie due à l effet mémoire

17 Caractéristiques de la DTPA Variation de l émission secondaire 1 Variation de l émission secondaire durant la décharge : I d =f(v g ) Hystérésis sur la caractéristique I d =f(v g ) V gα γ Lors de l amorçage, le diélectrique recouvrant la cathode est chargé négativement γ fort (jusqu à,5) γ = γ i I Tension (kv) V g V ds I g Annulation de V ds Temps (µs) Tension (kv) Lorsque la charge du diélectrique alors γ L ionisation dans le gaz (donc V g ) Lorsque le diélectrique recouvrant la cathode est entièrement déchargé : γ γ i (,1)

18 Caractéristiques de la DTPA Conclusion 17 La modélisation de la DTPA devra rendre compte : du claquage de type Townsend qui conduit à une décharge de Townsend de la variation de l émission secondaire pendant la décharge de l effet mémoire d une décharge à la suivante

19 Plan de l exposé 18 Dispositif expérimental Caractéristiques de la Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) Modélisation de la DTPA Augmentation de la puissance transmise à la DTPA Conclusion et perspectives

20 Modélisation de la DTPA Présentation du modèle 19, Claquage de type Townsend 3 1,1 e.ibv+i IBV+I I, BV BV+NBV.kT/q 3, 3,5 paramètres : BV, IBV, NBV.kT/q et I Tension (kv) V ds I m I g I d C ds I p I Cg V z Variation de γ + Effet mémoire V a C p R p C g V g C γ R γ V γ R m Modèle réalisé sous Orcad PSpice

21 Modélisation de la DTPA Principe de fonctionnement V a I m I g I d R m C p Amorçage I p R p V ds C ds C g I Cg V z V g C γ R γ V γ V z (t)=v g (t)-v γ (t) Amorçage de la Zener > > < pour V g < BV Pendant la décharge I d : C γ se charge et V γ qui était de signe change de signe et Entre deux décharges Les diodes sont bloquées : C γ dans R γ et donc V γ se décharge V γ (V) Couran nt (ma) Tension (kv) on off Hystérésis Résultats de simulation (1 khz, 15 kv cc ) - Effet mémoire - 9 9, 9, 9, 9,8 1 temps (ms)

22 Modélisation de la DTPA Détermination des paramètres 1 Les valeurs de R γ et C γ sont déterminées à partir de l hystérésis de I d =f(v g ) et de la variation de la tension de claquage de la DTPA. Connaissant R γ et C γ, la tension aux bornes des diodes est calculée et les paramètres des Zeners sont déterminés graphiquement à partir de la caractéristique I d =f(v z ). 1,,8 Modèle Expérimental I d (ma),, e.ibv+i,1,5, IBV+I I, 3 BV BV+NBV.kT/q, V z (kv)

23 Modélisation de la DTPA Effet de la puissance sur les paramètres du modèle t=1 s t=3 s I g V a =15 kv cc et f= khz V C (kv) temps (µs) V a Courbe de Paschen Tension (kv) Les paramètres du modèle ont été déterminés dans une condition de puissance Lorsque t P et V claquage Effet thermique? p V = n R T à p et V constants si T alors n donc V c Température (K) à p=1 mbar , 1 p ref =p atm T p = pref. Tref 1 1 T ref =T amb 1 de Vc (kv) 1,5 1,,5-8 V + 1 C Pd (bar.mm) Détermination de la température du gaz, Pression (mbar) à T=3 K

24 Modélisation de la DTPA Détermination de la température du gaz 3 La température du gaz est déterminée à partir de : Température en surface d un diélectrique lorsque l équilibre thermique est atteint Température rotationnelle du gaz (déduite de mesures de spectroscopie d émission optique) Eurotherm C T diélectrique ( C) temps (s) unité de comptage de photon photomultiplicateur lentille hublot en quartz 3 Spectre expérimental Spectre synthétique T vib =183 K T rot =397 K monochromateur Intensité (u.a.) Longueur d'onde (nm)

25 Modélisation de la DTPA Détermination de la température du gaz Température du gaz en régime établi en fonction de la puissance T dielec T rota T gaz ( C) 1 8,,5 1, 1,5, Puissance dissipée (W.cm - ) ( 1,5 7,7) T= P v gaz + Conditions : P : puissance moyenne (W.cm - ) v gaz : vitesse du gaz (m.s -1 ) à l équilibre (temps long) 1 < f < 1 khz 13 < V a < 19 kv cc Relation liant la puissance à l élévation de température à l équilibre En régime transitoire?

26 Modélisation de la DTPA Détermination de la température du gaz 5 Tous les paramètres du modèles ont été déterminés dans toutes les conditions (à temps court et à temps long) puis corrélés avec la puissance dissipée dans la décharge. 3 Détermination de BV (Zener) (à partir de mesures expérimentales) temps court temps long, 1,5 Comparaison avec Paschen Paschen temps court temps long (kv) BV 1 de BV (kv) 1,,5,,5 1, 1,5,,5 Puissance dissipée (W.cm - ), 5 3 Température (K) à p=1 mbar Calculée à partir de : T= P v gaz + ( 1,5 7,7) à chaque instant : T t = P t + gaz ( ) ( ) ( 1,5 v 7,7) gaz

27 Modélisation de la DTPA Modèle complet (alim + DTPA) v g (t) i d (t) Calcul de la puissance moyenne P R γ (P) C γ (P) BV(P), IBV(P), NBV(P), I (P) R γ, C γ Paramètres des diodes Zener V ds Vz R a R t L t C ds I m I g I d GBF Amplificateur C 1 R f L µ C m I p I Cg V a C s C p R p V g C g C γ R γ V γ R m Modèle de l alimentation Modèle de la cellule de décharge Modèle auto-adaptatif : pas d ajustement des paramètres

28 Modélisation de la DTPA Validation du modèle Le modèle de la DTPA a été validé par comparaison entre les résultats expérimentaux et les simulations de V a (t), V g (t) et I g (t). 1, V a (t),5, -,5 I g (t) V g (t) t=1 s 1 khz, 15 kv cc -1, Expérimental Simulation temps (µs) Tension (kv) - - f I g (t) V a (t) V g (t) t=1 s khz, 15 kv cc Sinus Triangle temps (µs) 1, V a (t),5, -,5 I g (t) t=1 s 1 khz, 15 kv cc -1, temps (µs) V g (t) Tension (kv) Tension (kv) 15 V a (t) I g (t) 1 V g (t) t=3 s 1 khz, 15 kv cc temps (µs) durée d allumage t= s 1 khz, 15 kv cc - Bonne description du comportement électrique de la DTPA qq soient les conditions I g (t) temps (µs) V g (t) V a (t) Tension (kv) Tension (kv)

29 Modélisation de la DTPA Bilan 8 Le modèle montre que le comportement de la DTPA est contrôlée par : - la variation de l émission secondaire durant la décharge - l effet mémoire d une décharge à la suivante - l élévation de la température du gaz

30 Plan de l exposé 9 Dispositif expérimental Caractéristiques de la Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) Modélisation de la DTPA Augmentation de la puissance transmise à la DTPA Conclusion et perspectives

31 Augmentation de la puissance Domaine de fonctionnement 3 Le domaine de fonctionnement V a =f(f) permettant d obtenir une DTPA est limité : Limite supérieure = limite du générateur ou tension de transition DT / DF Limite du générateur Tension appliquée (kv CC ) Filamentaire 18 Townsend Fréquence (khz) Temps (µs) 3 1 Limite inférieure = tension de recouvrement des électrodes 1 3 Temps (µs)

32 Augmentation de la puissance Déstabilisation durant l amorçage de la décharge Temps (µs) Modèle DTPA + Modèle Alim Modèle DTPA + Alim parfaite V a V a 1 1 Courant (m ma) I g f=11 khz, V a =17,8 kv cc 5-5 Te ension (kv) Courant (m ma) I g f=11 khz, V a =17,8 kv cc 5-5 Te ension (kv) Temps (µs) Temps (µs) En simulation : apparition d oscillation durant la de I g uniquement lorsque le modèle de la DTPA est couplé à celui de l alim!

33 Augmentation de la puissance Déstabilisation durant l amorçage de la décharge C ds.dv a /dt (C ds.c g /(C ds +C g )).dv/dt a temps (µs) Lors de l amorçage, la charge vue par l alimentation bascule d une source de courant contrôlée par C ds et C g vers une source contrôlée par C ds Amplitude de la variation de charge : Cds k c = + C g 1 Si la variation de charge est trop rapide et/ou trop importante Oscillations du courant dues aux éléments parasites de l alimentation solutions possibles pour éviter les oscillations l amplitude de la variation (k c ) la vitesse de la variation

34 Augmentation de la puissance Déstabilisation durant l amorçage de la décharge 33 de l amplitude de la variation de charge (3 cas étudiés) k c Cds = + 1 C g k c =,5 : conditions standards (C ds =37, pf, C g =1, pf) k c =8 : gap à mm (C ds =37, pf, C g =5,31 pf) k c =8 : épaisseur des diélectriques et cellule (C ds =1 pf, C g =15 pf) Amplitude de la tension ap ppliquée (kv cc ) k c =,5 k c =8 k c =8 Townsend Filamentaire Fréquence (khz) P? Puissance moyenne e (W.cm -3 ) k c =,5 k c =8 k c =8 1, Fréquence (khz) Fréquence maximale dépend de k c : + k c, + f max k c =8 k c =,5 f max,5 et P max 1,

35 Augmentation de la puissance Déstabilisation durant l amorçage de la décharge 3 t= s t=39 s f=1 khz et V a =15,5 kv cc 8 temps (µs) - f=1 khz et V a =15,5 kv cc 8 temps (µs) 3 temps court temps long La vitesse de la variation de charge dépend de la température du gaz : NBV.kT/q Plus T augmente plus la variation de l ionisation dans le gaz en fonction de la tension devient lente. 1,,5 1, 1,5, Puissance dissipée (W.cm - ) L augmentation de la température du gaz entraîne une stabilisation de la décharge

36 Augmentation de la puissance Déstabilisation après le maximum de courant 35 Une étude optique (E. Croquesel) a permis de mettre en évidence que cette déstabilisation est due à des micro-décharges qui se développent dans le gaz Temps (µs) Quelle est l origine de ces micro-décharges? Elles apparaissent toujours après le maximum de I g, dans la zone où : le courant est imposé par le circuit extérieur la charge du diélectrique recouvrant la cathode s annule I g (t)=c ds.dv a (t)/dt de γ V g V ds I g Annulation de V ds Temps (µs) Tension (kv) Afin de compenser la perte d ionisation liée à la de γ, l ionisation dans le gaz du champ E qui peut entraîner la formation de grandes avalanches lorsque celui-ci devient suffisamment élevé

37 Augmentation de la puissance Déstabilisation après le maximum de courant Comment augmenter P? Objectifs : la durée d allumage de la décharge maintenir le courant maximum durant toute la durée de la décharge Commutateur de courant I g (t) 5 I d (t) -5 V a (t) V g (t) Résultats de simulation temps (µs) Tension (kv) I K 1 K 3 K K 3 Tension sinusoïdale vs Commutateur de courant f=1 khz k c =,5 Tension Courant V a (kv cc ) 3, I max (ma),7,7 P (W.cm -3 ) 38 5 (+ %) t on /t total 75 % 95 % (x 1,5) expérimental simulation P de % (à valider expérimentalement) 5 % < t on /t total < 95 % Ne nécessite pas d adaptation d impédance

38 Augmentation de la puissance Bilan 37 La compréhension des causes de déstabilisation de la DTPA a permis de définir des solutions permettant d augmenter la puissance transmise à la décharge : Puissance moyenne e (W.cm -3 ) k c =8 k c =,5 W.cm -3 Commutateur de courant 38, W.cm -3 5 W.cm -3 Départ de l étude

39 Plan de l exposé 38 Dispositif expérimental Caractéristiques de la Décharge de Townsend à la Pression Atmosphérique (DTPA) Modélisation de la DTPA Augmentation de la puissance transmise à la DTPA Conclusion et perspectives

40 Conclusion 39 Modèle électrique de type circuit de la DTPA : Modèle auto adaptatif valide sur l ensemble du domaine de fonctionnement Vision macroscopique de la DTPA Mise en évidence de l importance : - de la variation de l émission secondaire durant la décharge - de l effet mémoire d une décharge à la suivante - de l élévation de la température du gaz L étude de la température du gaz a permis : De corréler les mesures de températures de surface aux mesures de température rotationnelle De définir une relation, valable en régime instantané, liant l élévation de température du gaz à la puissance dissipée dans la décharge et à la vitesse du gaz

41 Conclusion L utilisation de ce modèle a permis : de prouver qu une cause de déstabilisation de la DTPA est liée à des oscillations dues aux éléments parasites de l alimentation d aider au dimensionnement et à la conception d une alimentation pour un prototype industriel basé sur l utilisation d une DTPA de séparer la contribution de l effet thermique et de l effet mémoire d une décharge à la suivante L étude du couplage entre l alimentation et la décharge a permis de définir des solutions afin d accroître la puissance transmise à la décharge : La réduction du rapport C ds /C g L utilisation d une source de créneaux de courant (commutateur de courant) afin de maintenir un courant maximal durant la durée la plus grande possible

42 Perspectives 1 Test avec un commutateur de courant Étude de l influence de la température sur la stabilité de la décharge et sur la puissance transmise en découplant T et P Étude du mécanisme de déstabilisation au maximum de courant : Valeur maximale de courant de décharge (effet de la température, de γ,...)