Principe des decharges a barriere dielectrique

Les travaux réalisés durant la thèse font partie d’un projet financé par le Fonds National de la Recherche au Luxembourg intitulé TRASU, dont l’objectif est de répondre aux besoins d’industriels en matière d’innovation dans le domaine du traitement de surface. C’est un projet coordonné entre les deux centres de recherche luxembourgeois, Le CRP Gabriel Lippmann et le CRP Henri Tudor, où neuf industriels luxembourgeois sont partenaires. Neuf laboratoires et centres de recherche dont le LGPPTS(1) sont aussi associés au projet. Une des activités du projet est notamment dédiée à la recherche et au développement de surfaces fonctionnalisées, afin de répondre à des problématiques d’adhésion entre supports conducteurs et/ou isolants. La fonctionnalisation de la surface est apportée par le dépôt d’un film mince portant des fonctions amines ou acides carboxyliques. On a choisi de répondre à cette problématique par l’élaboration de couches minces organosiliciées pour plusieurs raisons. La première est liée à la grande variété de précurseurs disponibles et dont l’utilisation ne nécessite pas de mesures de sécurité trop importantes. La seconde se rapporte à la gamme de films pouvant être élaborée qui est suffisamment large pour permettre une optimisation fine du procédé (de films très organiques au dépôt de silice amorphe). Enfin, en associant une couche mince aux fonctions chimiques nécessaires à l’adhésion, on peut répondre à une autre problématique importante, la protection des métaux contre la corrosion, sujet également abordé dans le projet TRASU. Les films sont déposés à partir d’une décharge à barrière diélectrique, à la pression atmosphérique. Les travaux réalisés depuis une vingtaine d’année ont montré que ce type de procédé avait un intérêt au niveau industriel ; il permet en effet des traitements au défilé, il ne nécessite pas de système de pompage couteux et la vitesse de dépôt obtenue à partir d’une décharge à barrière diélectrique, est comparable à celle obtenue avec un procédé PECVD basse pression. Malheureusement, à l’heure actuelle, les mécanismes de dépôt sont encore méconnus et par conséquent le contrôle du procédé reste délicat.

PRINCIPE DES DECHARGES A BARRIERE DIELECTRIQUE

Une décharge à barrière diélectrique est produite entre deux électrodes entre lesquelles est disposé au moins un matériau diélectrique. Ce diélectrique doit permettre d’éviter le passage à l’arc de la décharge. La décharge produite est hors équilibre thermodynamique et peut être développé dans une grande plage de pression, c’est à dire entre 10² Pa et 10⁸ Pa. Cependant, la décharge à barrière diélectrique est majoritairement utilisée autour de la pression atmosphérique (entre 10⁴ et 10⁵ Pa). En effet, la plupart des avantages de cette technologie est liée à sa pression de fonctionnement proche de la pression atmosphérique. Le terme DBD est généralement utilisé pour qualifier une décharge à barrière diélectrique. Il sera donc utilisé régulièrement tout au long de ce mémoire.

La DBD : un plasma hors équilibre thermodynamique 

Les plasmas peuvent être classés en deux grandes familles ; la première, celle dites des plasmas thermiques ou chauds, englobe l’ensemble des plasmas en équilibre thermodynamique complet ou partiel. Dans ce cas, les électrons, les ions et les espèces neutres ont tous une distribution énergétique similaire ; une seule température définit alors l’état du plasma ; elle est au moins égale à 5000 K. Ceux sont les plasmas d’arc, les plasmas de fusion et les torches radiofréquences notamment. Ces plasmas sont obtenus à pression élevée, c’est à dire entre 10³ Pa et 10⁸ Pa. L’importante fréquence de collisions favorise en effet les échanges d’énergie entre les espèces et donc l’obtention d’un équilibre entre les espèces.

La pression ne peut définir à elle seule le caractère thermique ou non de la décharge. Par exemple, les décharges microどonde à pression atmosphérique sont des plasmas HET. Cependant, la température du gaz peut tout de même atteindre 3000 K. Les décharges à barrière diélectrique son également hors équilibre thermodynamique. Lors de la création de ce type de plasma, l’arc électrique est évité par la présence du diélectrique. En effet, les charges créées dans le plasma sont accélérées sous l’effet du champ vers l’une ou l’autre des électrodes. Lorsque ces charges arrivent à la surface du diélectrique, elles s’y accumulent, ce qui génère un champ électrique s’opposant à celui appliqué. Lorsque la résultante devient trop faible, c’est à dire inférieure à la tension de maintien de la décharge, il y a extinction. Ainsi les conditions du passage à l’arc ne peuvent être atteintes, car l’avalanche électronique est très rapidement stoppée.

Décharge homogène
Sous la nomenclature « décharge homogène », sont regroupées deux régimes différents : le régime luminescent et le régime de Townsend. Quelque soit ce régime de décharge, son initiation reste la même. Nous présenterons donc dans un premier temps le mécanisme d’amorçage de Townsend ; c’est un mécanisme bien connu, notamment à basse pression. La différence entre les deux régimes dans une décharge à barrière diélectrique, opérant à pression atmosphérique est ensuite présentée.

Décharge de Townsend dans l’azote
L’ionisation Penning est en revanche impossible avec les espèces métastables de l’azote, dont l’énergie est beaucoup plus faible (6,7 eV). En revanche, ces métastables, qui sont majoritairement créés à l’anode pendant la décharge (zone lumineuse, cf. Figure I5), se retrouvent au niveau de la cathode lorsque la polarité change. Ainsi ils peuvent être à l’origine d’une émission d’électrons provenant de la cathode. Plus la densité en espèces métastables sera élevée, plus cette émission sera importante ; cela permet de répondre au critère d’une initiation de Townsend. Pendant la décharge, les métastables sont produits à proximité de l’anode ; le mécanisme d’émission secondaire par les métastables ne peut donc pas se produire et l’ionisation du gaz est donc moins importante.

D’autres résultats montrent qu’un contrôle au niveau de l’alimentation électrique, ou une configuration particulière des électrodes permettent aussi d’obtenir une décharge homogène dans une DBD à pression atmosphérique. Ces travaux ne correspondent pas tout à fait à ceux qui sont entrepris dans ce projet, aussi, ne sont ils pas traités ici.

Décharge filamentaire
Une décharge filamentaire consiste en la création d’une multitude de microdécharges localisées et indépendantes les unes des autres, aussi appelées streamers. Dans le paragraphe précédant, il a été vu que le claquage sous faible champ électrique est une des conditions pour l’initiation de Townsend. Lorsque ce champ devient trop fort, le mécanisme change entre les deux électrodes et il conduit à l’obtention d’une décharge filamentaire.

Critère d’amorçage de la décharge [5]
Les décharges filamentaires sont initiées, tout comme les décharges homogènes, par une avalanche électronique primaire. Mais du fait du fort champ perçu par les électrons, ils subissent une accélération bien plus importante et donc une plus forte ionisation. Rapidement, entre les électrons très mobiles et les ions beaucoup plus statiques, un champ de charge d’espace est créé. Le schéma de cette situation est donné sur la Figure I8. Trois zones distinctes sont visualisables. Dans la zone I, le champ de charge d’espace s’ajoute au champ appliqué ; le champ perçu par les électrons est très fort et permet aux électrons d’accélérer vers l’anode ; le front d’ionisation progresse dans le même sens que les électrons (Figure I9). Dans la zone II, là où le champ est faible, un plasma faiblement ionisé est créé. Dans la zone III, la propagation est différente. L’émission de photons par les espèces excitées, générées pendant l’avalanche primaire, peut engendrer une ionisation secondaire ; les électrons sont ensuite accélérés vers les ions positifs, créant une avalanche secondaire ; les nouveaux ions positifs forment alors une nouvelle charge d’espace positive.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I. INTRODUCTION AUX DECHARGES A BARRIERE DIELECTRIQUE
1. PRINCIPE DES DECHARGES A BARRIERE DIELECTRIQUE
1.1. LA DBD : UN PLASMA HORS EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE
1.1.1. NOTION D’EQUILIBRE THERMODYNAMIQUE
1.1.2. CAS DE LA DECHARGE A BARRIERE DIELECTRIQUE
1.1.3. REGIMES DE FONCTIONNEMENT D’UNE DBD
2. HISTOIRE DES DECHARGES A BARRIERE DIELECTRIQUE
3. TRANSITION DU REGIME DE TOWNSEND VERS LE REGIME FILAMENTAIRE
3.1. INFLUENCE DES PARAMETRES OPERATIONNELS SUR LE REGIME DE DECHARGE
3.2. INFLUENCE DE LA FREQUENCE DU SIGNAL APPLIQUE
3.3. INFLUENCE DE LA COMPOSITION GAZEUSE
4. INTERACTION PLASMAどSURFACE SUR DES SUBSTRATS POLYMERES
5. DEPOT DE COUCHE MINCE A PARTIR DE HMDSO/N2 PAR DBD
6. RESULTATS TRAITANT DE L’EMISSION DU CN
7. CONCLUSION DU CHAPITRE I
CHAPITRE II. METHODE, EQUIPEMENT ET OUTILS D’ANALYSE
1. METHODE EXPERIMENTALE
2. DISPOSITIF EXPERIMENTAL
2.1. LE REACTEUR DBD
2.1.1. CIRCUIT GAZEUX
2.1.2. LE GENERATEUR
2.1.3. DISPOSITIFS DE CARACTERISATION
3. METHODES DE CARACTERISATION
3.1. CARACTERISATION DE LA PHASE GAZ
3.1.1. PROPRIETES ELECTRIQUES DE LA DECHARGE
3.1.2. CALCUL DE LA PUISSANCE DISSIPEE DANS LA DECHARGE
3.1.3. PROPRIETES CHIMIQUES DE LA DECHARGE
3.1.4. ABSORPTION PAR LES ESPECES METASTABLES DE L’AZOTE
3.2. CARACTERISATION DE LA COUCHE MINCE DEPOSEE
3.2.1. MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE
3.2.2. SPECTROSCOPIE DE PHOTOELECTRONS X
3.2.3. ABSORPTION INFRAROUGE PAR TRANSFORMEE DE FOURIER SUR LES ECHANTILLONS
3.2.4. SPECTROMETRIE DE MASSE D’IONS SECONDAIRES A HAUTE RESOLUTION LATERALE
4. CONCLUSION DU CHAPITRE II
CHAPITRE III. QUALIFICATION DE LA DECHARGE DANS L’AZOTE : EVALUATION DES OUTILS D’ANALYSE
1. METHODE EXPERIMENTALE
2. DECHARGE SUR UN SUBSTRAT EN VERRE
2.1. PROPRIETES DU SUBSTRAT EN VERRE
2.2. PROPRIETES DE LA DECHARGE DE TOWNSEND DANS L’AZOTE
2.2.1. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES DE LA DECHARGE DE TOWNSEND
2.2.2. SPECTRE D’EMISSION DE LA DECHARGE DE TOWNSEND
2.3. INFLUENCE DU SIGNAL APPLIQUE SUR LE REGIME DE LA DECHARGE
2.3.1. EFFET DE LA TENSION SUR LES PROPRIETES DE LA DECHARGE
2.3.2. EFFET DE LA FREQUENCE SUR LES PROPRIETES DE LA DECHARGE
2.3.3. EFFET DE LA DISTANCE INTER ELECTRODE
2.4. DISCUSSION
2.5. MESURES DES METASTABLES DE L’AZOTE : METHODE D’IBBCEAS
3. DECHARGE SUR UN SUBSTRAT DE CUIVRE
3.1. PROPRIETES DU SUBSTRAT EN CUIVRE
3.2. EFFET DE L’ETAT DE SURFACE DU SUBSTRAT EN CUIVRE
3.3. ETUDE DE LA DECHARGE DANS L’AZOTE, SUR UN SUBSTRAT EN CUIVRE
3.3.1. PROPRIETES DE LA DECHARGE EN FONCTION DES CONDITIONS EXPERIMENTALES
3.3.2. DISTRIBUTION DES STREAMERS SUR LE SUBSTRAT EN CUIVRE
4. SYNTHESE DU CHAPITRE III
4.1. EVALUATION DES METHODES DE CARACTERISATION DE LA DECHARGE
4.2. QUALIFICATION DE LA DECHARGE
4.2.1. TRANSITION DU REGIME DE DECHARGE
4.2.2. COMPARAISON DE LA DECHARGE EN FONCTION DU SUBSTRAT
CONCLUSION

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