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Une nouvelle méthode pour contrôler la localisation de l’excitation dans un plasma : l’utilisation de formes d’onde en dent de scie

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Evolution spatiotemporelle de l’excitation : comparaison des simulations (PIC) et de l’expérience (PROES).
[en haut] Avec une excitation sinusoïdale classique, une excitation de faible intensité et symétrique est obtenue.
[en bas] Avec des formes d’onde en dent de scie, un pic d’excitation intense est observé près de l’électrode RF (à droite), pendant l’expansion de la gaine.

Les plasmas radio fréquence à couplage capacitif sont largement utilisés dans l’industrie pour la gravure et le dépôt de couches minces, ces deux processus étant essentiels notamment dans la fabrication de circuit intégrés CMOS. Des chercheurs de l’équipe Plasmas Froids du LPP, en collaboration avec des collègues d’un autre laboratoire de l’Ecole Polytechnique, le Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces (LPICM), travaillent depuis 2010 sur l’excitation de plasmas par formes d’onde sur mesure, qui permettent de contrôler le flux et l’énergie des ions de façon indépendante. Jusqu’à présent, toute l’attention avait été portée sur des formes d’ondes appelés « pics » (ou « vallées »), ressemblant à une succession de pics positifs (ou négatifs). Récemment, les auteurs ont étudié des formes d’onde en dent de scie, comprenant une pente négative forte suivi d’une pente positive douce (ou inversement). Des simulations PIC ont prédit que le chauffage des électrons serait fortement localisé proche de l’électrode où une expansion rapide de la gaine (couche entre le plasma et l’électrode qui contient des forts champs électriques) est observée, causant une augmentation significative de la densité d’électrons de haute énergie, et par conséquent une augmentation de l’ionisation en ce même point (les électrons d’énergie supérieure à 15 eV sont responsables de l’ionisation du gaz). Cet effet est directement lié au chauffage des électrons par expansion de la gaine, et crée un flux d’ions plus fort sur une électrode que sur l’autre. Des mesures de spectroscopie d’émission optique résolue temporellement et spatialement, menées en collaboration avec le York Plasma Institute, ont montré un accord excellent avec les simulations, et ont ainsi permis de confirmer les prédictions des simulations. Ces résultats, très prometteurs pour de futures applications industrielles, ont été récemment publiés dans Physical Review Letters.

Strong Ionization Asymmetry in a Geometrically Symmetric Radio Frequency Capacitively Coupled Plasma Induced by Sawtooth Voltage Waveforms
B. Bruneau, T. Gans, D. O’Connell, A. Greb, E V. Johnson and J.-P. Booth
Phys. Rev. Lett. 114, 125002 (2015)

Contacts :
Jean-Paul Booth : jean-paul.booth lpp.polytechnique.fr
Bastien Bruneau : bastien.bruneau polytechnique.edu
Erik Johnson : erik.johnson polytechnique.edu


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