Nouvelles technologies plasma pour l’industrie

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)


Réacteur plasmamulti-dipolaire

Réacteur PACVD

Réacteur PBII

Réacteur PAPVDDécharge luminescente

Réacteur plasma matriciel

Centre de Recherche Centre de Recherche PlasmasPlasmas--MatMatéériauxriaux--NanostructuresNanostructures

(CRPMN)(CRPMN)


SOMMAIRESOMMAIRE

Généralités sur les PlasmasDomaines d’étude et d’applicationsNouvelles technologies plasmaApplications des plasmas développés au CRPMNPrestations / Partenariats / Formation


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


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


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


SOMMAIRESOMMAIRE



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


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 …


SOMMAIRESOMMAIRE



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


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


Plasmas multiPlasmas multi--dipolairesdipolaires

Plasma multi-dipolaire cylindrique

RCE à 2,45 GHzdomaine du mtorr1011 à 1012 cm-3



Plasma multi-dipolaire plan

Oxygène 3 × 10-4 torr Oxygène 3 × 10-3 torr


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



Source de plasma élémentaire (dipolaire)

Aimant (dipôle magnétique)à l’extrémité d’une ligne micro-onde coaxiale

– RCE (B0 = BRCE)– Confinement

Aimant

Lignecoaxiale



Source

de plasma

élémentaire


Plasmas matricielsPlasmas matriciels

Plasma matriciel plan

Faible puissance micro-onde

domaine du torrdensité quelques1012 cm-3



Puissance micro-onde moyenne





Puissance micro-onde élevée




SOMMAIRESOMMAIRE



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)


PACVD ( CVD assistPACVD ( CVD assistéé par plasma)par plasma)


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)


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


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


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 %)


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


PACVD + PAPVD

Dépôt de matériaux nano-composites (métal - DLC)

Nano-cristaux CuTaille des grains ~ 10 nm

Matrice DLC


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)


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




Implantation d’azote sur substrats 3DTitanium

Avant AprèsTiAl6V4

(prothèse d’épaule)



Implantation d’oxygène sur lame de rasoir



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)


SOMMAIRESOMMAIRE



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…….


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


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)


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

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