Nouvelles technologies plasma pour l’industrie · 9Cibles en matériaux magnétiques 9Nettoyage...
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AUEG / Présentation LPSC-CRPMN - 15 mai 2008 1
Nouvelles technologies plasma Nouvelles technologies plasma pour lpour l’’industrieindustrie
Centre de Recherche Centre de Recherche PlasmasPlasmas--MatMatéériauxriaux--NanostructuresNanostructures
(CRPMN)(CRPMN)
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Réacteur plasmamulti-dipolaire
Réacteur PACVD
Réacteur PBII
Réacteur PAPVDDécharge luminescente
Réacteur plasma matriciel
Centre de Recherche Centre de Recherche PlasmasPlasmas--MatMatéériauxriaux--NanostructuresNanostructures
(CRPMN)(CRPMN)
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SOMMAIRESOMMAIRE
Généralités sur les PlasmasDomaines d’étude et d’applicationsNouvelles technologies plasmaApplications des plasmas développés au CRPMNPrestations / Partenariats / Formation
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IntIntéérêt des plasmas ?rêt des plasmas ?
Sourcesd’espèces nouvelles
atomes réactifsradicauxmétastables
espèces excitéesphotons (UV, visibles, IR)
ions positifsions négatifsions multi-chargés
électrons
Applications
Chimie en volume
Chimie en surface- gravure- dépôt
Sources d’ions
Sources d'électrons
Sources de photons
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Comment produire une dComment produire une déécharge ?charge ?
Accélération des électrons dans un champ électrique- DC, BF (50 Hz), RF (13,56 MHz), micro-ondes (2,45 GHz)
Collisions élastiques Collisions inélastiquesexcitation
dissociationionisation
production dproduction d’’espespèèces nouvellesces nouvelles
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Classification des plasmasClassification des plasmas
Plasmas chauds– Réactions thermonucléaires : étoiles, soleil, tokamaks
• Te = Ti ≈ 20 × 106 K (20 keV)
Plasmas froids– Plasmas thermiques (ETL) : plasmas très collisionnels
(torches, arcs)• Te ≈ Ti = Tg = 20 000 K (2 eV)
– Plasmas froids (hors ETL) : plasmas peu collisionnels• Te ≈ 30 000 K (3 eV) >> Ti = Tg = 300 K
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SOMMAIRESOMMAIRE
Généralités sur les PlasmasDomaines d’étude et d’applicationsNouvelles technologies plasmaApplications des plasmas développés au CRPMNPrestations / Partenariats / Formation
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Domaines dDomaines d’é’étude et dtude et d’’applications des plasmasapplications des plasmas
Fusion thermonucléaire contrôlée
Astrophysique et physique de l’environnement spatial
Recherche et industrie
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Domaines dDomaines d’é’étude et dtude et d’’applications des plasmasapplications des plasmas
Recherche et industrie– Éclairage (tubes néon, lampes UV) - (200 millions / jour)– Lasers (pompage optique)– Écrans plasma (2 000 000 / an)– Analyse chimique (40 000 installations)
– Chimie dans les plasmas (ozone, dépollution, purification)– Traitements de surface et élaboration des matériaux
(microélectronique / nanotechnologies / métallurgie / biomatériaux / polymères)
– Stérilisation (stérilisation froide par photons UV / atomes oxydants)– Sources d’ions (négatifs, positifs mono- ou multichargés) pour
accélérateurs, hadron-thérapie (cancer), usinage ionique …
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SOMMAIRESOMMAIRE
Généralités sur les PlasmasDomaines d’étude et d’applicationsNouvelles technologies plasmaApplications des plasmas développés au CRPMNPrestations / Partenariats / Formation
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Axes de recherche du CRPMNAxes de recherche du CRPMN
Technologies plasma (micro-onde)
– CVD assisté par plasma (PACVD)– Pulvérisation assistée par plasma (PAPVD)– PAPVD + PACVD– Implantation ionique par immersion plasma (PBII)– Gravure
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Avantages et performances Avantages et performances
Hautes performances (densité, uniformité)Flexibilité (configurations, procédés)Conditions opératoires étendues (pression)FiabilitéGrandes surfaces (extension d’échelle / m2)
Concept de distribution (2D / 3D)de sources plasma élémentaires
Plasmas multi-dipolairesPlasmas matriciels
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Plasmas multiPlasmas multi--dipolairesdipolaires
Plasma multi-dipolaire cylindrique
RCE à 2,45 GHzdomaine du mtorr1011 à 1012 cm-3
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Plasmas multiPlasmas multi--dipolairesdipolaires
Plasma multi-dipolaire plan
Oxygène 3 × 10-4 torr Oxygène 3 × 10-3 torr
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Plasma multiPlasma multi--dipolaire plandipolaire plan(R(Rééacteur acteur «« GalixGalix »» LPICM LPICM -- ÉÉcole Polytechnique / Palaiseau)cole Polytechnique / Palaiseau)
– Pompage : 2000 l/s Puissance 25 × 160 W (2,45 GHz) 50 cm × 50 cm– Répartition de l’arrivée des gaz– PECVD SiH4 / O2 pour dépôt de SiO2– Uniformité meilleure que 3% sur Ø 200 mm / vitesse de dépôt 13 nm/s
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Plasmas multiPlasmas multi--dipolairesdipolaires
Source de plasma élémentaire (dipolaire)
Aimant (dipôle magnétique)à l’extrémité d’une ligne micro-onde coaxiale
– RCE (B0 = BRCE)– Confinement
Aimant
Lignecoaxiale
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Plasmas multiPlasmas multi--dipolairesdipolaires
Source
de plasma
élémentaire
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Plasmas matricielsPlasmas matriciels
Plasma matriciel plan
Faible puissance micro-onde
domaine du torrdensité quelques1012 cm-3
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Plasmas matricielsPlasmas matriciels
Puissance micro-onde moyenne
domaine du torrdensité quelques1012 cm-3
Plasma matriciel plan
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Plasmas matricielsPlasmas matriciels
Puissance micro-onde élevée
domaine du torrdensité quelques1012 cm-3
Plasma matriciel plan
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SOMMAIRESOMMAIRE
Généralités sur les PlasmasDomaines d’étude et d’applicationsNouvelles technologies plasmaApplications des plasmas développés au CRPMNPrestations / Partenariats / Formation
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Applications des plasmas au Applications des plasmas au CRPMNCRPMN
PACVD– Dépôt de W – Dépôt de Cu– Épitaxie de Si (dopage)– Épitaxie de SiGe– Dépôt de SiO2 jusqu’à 1,0 µm / min– Dépôt de Si (amorphe où microcrystallin) jusqu’à 1,0 µm / min
PAPVD– Dépôt métalliques par Pulvérisation assistée par plasma – Dépôt d'alliages par Pulvérisation directe ou réactive
PACVD + PAPVD– Dépôt de Matériaux composites (Cu / DLC)
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PACVD ( CVD assistPACVD ( CVD assistéé par plasma)par plasma)
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DDéépôt de films pôt de films SiCNHSiCNHen plasma matriciel Nen plasma matriciel N2 2 / TMS/ TMS
1 2 3
pN2 = 15 PapTMS = 15 PaP = 1000 W
pN2 = 20 PapTMS = 15 PaP = 1000 W
pN2 = 10 PapTMS = 15 PaP = 450 W
– Uniformité meilleure que 5% sur Ø 100 mm– Vitesse de dépôt > 16 nm/s (> 1 μm /min)
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PulvPulvéérisation magnrisation magnéétron (PAPVD)tron (PAPVD)
Usure non uniforme de la cible
Rendement matière 30 %
Pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire
Usure non uniforme d’une cible de Ti utilisée dans une configuration magnétron circulaire
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PulvPulvéérisation assistrisation assistéée par plasma e par plasma multimulti--dipolairedipolaire
Gaz
Pompage
Sources plasma
Substrat
Cible
Ar, Ne, KrO2, N2SiH4 , C2H2, CH4
Usure uniformeMatériaux magnétiques
Basse pression (0,1 à 1 Pa)pour PVD, PECVD ouPVD + PECVD
GénérateurDCRFDC pulsé
GénérateurDCRFDC pulsé
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PulvPulvéérisation assistrisation assistéée par plasma e par plasma multimulti--dipolairedipolaire
AvantagesUsure uniforme des cibles
Cibles en matériaux magnétiques
Nettoyage des cibles et substrats
Assistance ionique sur substrat
Simplification des cibles
Co-pulvérisation (alliages de 0 à 100 %)
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PulvPulvéérisation assistrisation assistéée par plasma multie par plasma multi--dipolairedipolaire
CoCo--pulvpulvéérisation assistrisation assistéée par plasmae par plasma
A1
A1
A
A2
A2
A2 A1
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PACVD + PAPVD
Dépôt de matériaux nano-composites (métal - DLC)
Nano-cristaux CuTaille des grains ~ 10 nm
Matrice DLC
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PBII• Plasmas de grand volume (impulsions de - 50 kV)• Plasmas basse pression (gaines ioniques non-collisionnelles)• Modification des propriétés des films (propriétés de surface fonctionnelles)• Revêtements décoratifs• Traitement de substrats 3-D• Co-incorporation d’éléments
PBII et dépôt (PBII&D)• Contrôle des contraintes• Mixage ionique (adhérence)• Dopage plasma (PLAD)
Implantation ionique par immersion plasma (PBII)
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Implantation ioniqueImplantation ioniquepar immersion plasma par immersion plasma (PBII)(PBII)
Principe des procédés PBII
Impulsions haute tension
+-
Vide
0
- V0
V t
N+ implantation in Ni V0 = 50 kVRp = 52.9 nmΔRp = 23.9 nm
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Implantation ioniqueImplantation ioniquepar immersion plasma par immersion plasma (PBII)(PBII)
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Implantation d’azote sur substrats 3DTitanium
Avant AprèsTiAl6V4
(prothèse d’épaule)
Implantation ioniqueImplantation ioniquepar immersion plasma par immersion plasma (PBII)(PBII)
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Implantation d’oxygène sur lame de rasoir
Implantation ioniqueImplantation ioniquepar immersion plasma par immersion plasma (PBII)(PBII)
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Ce quCe qu’’il faut reteniril faut retenir……
– Grande souplesse d’utilisation des sources distribuées (plasmas multi-dipolaires et matriciels) en termes de configuration, conditions opératoires et procédés (procédés séquentiels et/ou duplex)
– Grande fiabilité comme conséquence directe de l’application du concept de distribution (faible puissance par source élémentaire)
– Simplicité– Pas de limitation physique (ou technologique) à l’extension
d’échelle des réacteurs et des procédés– Équipement convivial– Haute reproductibilité des procédés plasma – Équipements déjà opérationnels en production industrielle
(PACVD, PAPVD, nitruration, nettoyage)
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SOMMAIRESOMMAIRE
Généralités sur les PlasmasDomaines d’étude et d’applicationsNouvelles technologies plasmaApplications des plasmas développés au CRPMNPrestations / Partenariats / Formation
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Prestations proposPrestations proposééeses
Mise en œuvre de réacteurs et de sources plasmaRéalisation d’études spécifiquesPulvérisation assistée par plasma micro-ondeDépôt PACVD grande vitesseGravureImplantation O2, N2, SF6, H2, CO2…….
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Partenariats / CoopPartenariats / Coopéérationsrations
Partenariats industriels– ERT Plasmas HF
– Thèses CIFRE
– Accueil d’équipes R&DPartenariats scientifiques et programmes industriels
– projets internationaux– programmes européens– cessions de licences
Coopérations au niveau académique– Réseau Plasmas froids du CNRS / Réseau Plasmas Froids Rhône-Alpes
– Laboratoire International de Technologies et Applications des Plasmas
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Formation en Physique des PlasmasFormation en Physique des Plasmas
Formation initiale– Master 2 “Physique et Applications des Plasmas"
(UJF / INPG)– Master 1 "Introduction à la Physique des Plasmas"
(UJF / Polytech / INPG)
Formation continue (depuis 24 ans)– "Introduction à l’interaction plasma-surface“
(INPG / UJF / CNRS)– Formation à la carte (en milieu industriel)
Formation par la recherche– Stages / DRT / Doctorat (CIFRE)
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Centre de Recherche Centre de Recherche PlasmasPlasmas--MatMatéériauxriaux--Nanostructures Nanostructures
(CRPMN)(CRPMN)Jacques PELLETIERDirecteur de Recherche au CNRS
Tél. : (33) 4 76 28 40 [email protected]
Ana LACOSTEProfesseur à l’UJF (Grenoble 1)
Tél. : (33) 4 76 28 40 [email protected]
Laboratoire de Laboratoire de Physique Subatomique et de CosmologiePhysique Subatomique et de Cosmologie