Formation and transport of particles in low temperature plasmas
La formation et le transport des particules dans le plasma froid
Résumé
This thesis studies the dust particles in plasmas. It consists of two parts. The first part is the formation of dust particles, that is to study how the dust particles are generated from the reactive gas in the plasmas. The second part is the transport behaviour of dust particles, that is to study how the dust particles act in the plasmas.In the part of the formation of dust particles, carbon dust particles are generated in the plasmas. It is known that the formation process of dust particles in plasmas can be determined by 3 steps: nucleation, agglomeration and surface grow. The nucleation step is focused. The results of experiments show that the nucleation process occurs faster in higher power, higher pressure and lower temperature. The dependency of the nucleation time on the temperature is explained by the vibration-transition energy relaxation mechanism, and that on the RF power and pressure is explained by the ratio of the charge and diffusion time of the small dust particles.In the part of the transport behaviours of dust particles, industrially fabricated particles with determined size are injected into Ar plasmas. The particles in the plasmas are observed by laser scattering with a CCD camera. The diagnostics of plasma are performed by a double langmuir probe. Pulse-time modulation to the Ar RF plasmas is studied to be a factor to influence and to control the transport of dust particles. Particles of mono-dispersed size are firstly studied in the plasmas. It is shown that the levitating positions and falling down processes can be controlled by the RF power and pulse-time modulation. Secondly, two sizes particles are injected into the plasma at same time. The different transport behaviours, as like the segmentation of levitation and different timing of falling down basis on their size, are observed. Particles of mixture sizes can be separated one size particles from other sizes. The mechanisms of transport behaviours of the dust particles are investigated by the combination of the diagnostic of plasma parameters (electron temperature and ion density in principle) by the double langmuir probe and calculation of the forces acting on the dust particles. Calculation methods adjusting to the specific experiment setup are established. The calculation results have a good agreement with that of the experiments.
Les plasma poudreux sont des plasmas qui contiennent des particules solides dont les tailles vont quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres. La présence de ces particules solides, dans les plasmas, a été découverte dans les procédés de l'industrie de microélectronique. Les particules dans le plasma étaint considérées comme la source principale de la contamination de ces procédés. Les premiers travaux de recherche était focalisées sur les méthodes et moyens de les éliminer et d'empêcher leur formation. Suite à l'identification des différentes phase de formation et la découverte de la structure cristalline des nanoparticules qui se forment dans la première phase des applications très prometteuses ont commencé à se développer dans différents domaines tels que le photovoltaïque, la nanoélectronique etc., Ceci a donné une nouvelle impulsion aux activités de recherches sur les propriétés du plasma poudreux ont attiré l'attention de plus en plus de chercheurs à travers le monde.Les plasmas poudreux sont des plasmas qui contiennent des particules solides dont les tailles vont de quelques nanomètres à quelques dizaines de micromètres. La présence de ces particules solides, dans les plasmas, a été découverte dans les procédés de l'industrie de microélectronique. Les particules dans le plasma étaient considérées comme la source principale de la contamination de ces procédés. Les premiers travaux de recherche étaient focalisées sur les méthodes et moyens deles éliminer et d’empêcher leur formation. Suite à l’identification des différentes phases de formation et la découverte de la structure cristalline des nanoparticules qui se forment dans la première phase des applications très prometteuses ont commencé à se développer dans différents domaines tels que le photovoltaïque la nanoélectronique etc…, Ceci a donné une nouvelle impulsion aux activités de recherches sur les propriétés du plasma poudreux et ont attiré l’attention de plus en plus de chercheurs à travers le monde.Les travaux de recherche, entrant dans le cadre de cette thèse, sur les plasmas poudreux, ont été focalisés essentiellement sur le contrôle de la formation des particules solides et leur transport dans le plasma. Par conséquent, cette thèse est composée par deux parties, la première concerne la formation des particules en phase gazeuse dans le plasma et la deuxième traitera du comportement et du transport du nuage dense de particules dans le plasma. Ces travaux ont été effectués au sein du laboratoire GRMI (Université d’Orléans, France) et du Département d’électronique du Kyoto Institute of technology (Japon), respectivement, dans le cadre d’une co-tutelle.Les travaux sur la formation des particules a été réalisée dans un plasma RF généré dans un mélange gazeux composé d’Argon (Ar, 98%) et d’Acétylène (C2H2, 2%). Le processus de formation des particules s’effectue en trois étapes: la nucléation (phase chimique), l'agglomération, et la croissance par dépôt radicalaire sur la surface des particules. Nous sommes intéressés à l'étape de nucléation. L'influence de la puissance, la pression et la température des gaz sur le temps de nucléation est étudiée. L'évolution temporelle de la tension d'auto polarisation de la décharge est utilisée comme un indice pour détecter la fin de l'étape de nucléation. Les résultats montrent que le temps de nucléation augment avec l'augmentation de la température mais diminue avec celle de la puissance et de la pression. Cela dit, plus la température est basse, la puissance et la pression sont élevées, plus la phase de nucléation est rapide. La dépendance de la nucléation de la température est expliquée par le mécanisme de la relaxation de l’excitation translationnelle-vibrationnelle des molécules du gaz précurseur. En effet l’énergie d’excitation vibrationnelle joue le rôle d’énergie d’activation pour les réactions chimiques ayant lieu lors de cette phase. Par contre, celles sur la puissance et la pression, elles sont expliqué
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Origine : Version validée par le jury (STAR)