Plasmas froids de décharge - Applications et diagnostic

Les plasmas ont représenté de prime abord une toute petite branche de la physique, et leur champ d’application paraissait modeste (ondes radios dans l’ionosphère, tubes à décharges, lampes, arcs). Mais les développements en vue du contrôle de la fusion thermonucléaire dans des réacteurs du type « pinch », « tokamak », ou « stellarator », de la génération de puissance par la magnétohydrodynamique, ou de la compréhension des plasmas en astrophysique ou en planétologie (fusion thermonucléaire dans les étoiles, plasma interstellaire, ionosphère et magnétosphère terrestres, foudre et aurore boréale) ont stimulé une recherche de base florissante.

Puis d’autres champs d’applications technologiques ont contribué à relancer la physique des décharges. Outre les enseignes lumineuses et les lampes à décharges, les nouvelles sources optiques, UV, X incohérentes ou cohérentes (lasers) font largement appel à la mise en œuvre de plasmas de décharge. Apparaissent maintenant des panneaux d’affichage par plasma. Les sources de faisceaux d’ions ont été développées pour leurs applications dans le domaine de la propulsion de satellites ainsi que pour le traitement ou l’analyse de matériaux. Les plasmas d’arcs électriques sont étudiés tant par leur importance dans les phénomènes de coupure en électrotechnique que comme source thermique pour la métallurgie. Les touches à plasma sont couramment utilisées pour l’analyse spectroscopique de la composition chimique d’échantillons sous forme d’aérosols. Enfin les plasmas de gaz réactifs sont maintenant abondamment exploités pour la richesse de leurs processus physico-chimiques tant en volume (chimie des plasma) qu’en interaction avec des matériaux (dépôt, pulvérisation ou gravure, oxydation ou réduction…).

A cet égard, le développement spectaculaire de la micro-électronique est exemplaire. Initialement, pour réaliser des transistors sur des plaquettes de silicium, on avait recours à des procédés de gravure en phase liquide ou à des procédés de dépôt chimique en phase liquide ou vapeur par voie thermique. Mais cela imposait une limite inférieure à la taille des motifs gravés (autour de 10 µm), de plus les procédés liquides pouvaient poser des problèmes de contamination tandis que les températures élevées empêchaient la mise en œuvre de matériaux moins stables thermiquement que le silicium. C’est là que les plasmas de décharge ont pu apporter toute leur richesse en combinant :

• un couplage direct de la puissance électrique dans le gaz, évitant ainsi un chauffage excessif des parois ;

• la possibilité d’obtenir de hauts degrés de dissociation de molécules à basse pression en créant des espèces actives (électrons, ions, atomes, radicaux) hors d’équilibre thermodynamique par rapport à la température du gaz ou des parois ;

• le contrôle sélectif des réactions de surface sur le bombardement ionique ou par des espèces à haute enthalpie (atomes et radicaux libres).

Depuis lors, la course à l’intégration de plus en plus poussée de dispositifs électroniques sur des plaquettes de silicium a poussé dans ses retranchements l’art de développer de nouvelles configurations de décharges électriques à basse ou haute fréquence (radiofréquence à 13,56 MHz, micro-onde à 2,45 GHz) et des procédés plasmas pour atteindre des précisions de l’ordre du nanomètre dans la définition des motifs gravés ou déposés. Autrement dit, l’informatique et les télécommunications reposent, souvent à notre insu, sur les performances des plasmas de décharge.

Le génie des procédés à plasmas est aussi très répandu dans de nombreux autres secteurs technologiques où il gagne de plus en plus de terrain. De la microélectronique on est passé à la macroélectronique (écrans plats, photopiles solaires ou détecteurs) où l’on dépose en grande surface sur du verre des couches minces de semiconducteurs, d’isolants ou de conducteurs métalliques. En mécanique, on s’efforce de durcir ou d’améliorer les propriétés tribologiques des aciers par nitruration ou cémentation, ou par un revêtement tel que le TiN, le carbone adamantin ou le diamant. De même, on traite par plasma des polymères ou des fibres organiques pour permettre l’adhérence de peintures, de revêtements métalliques ou de couches protectrices, ou bien améliorer leur mouillabilité, voire leur biocompatibilité. Plus simplement les plasmas sont devenus particulièrement attractifs pour le nettoyage de pièces diverses dans l’industrie depuis le bannissement des CFC. Enfin, la chimie en volume des gaz par plasma, déjà exploitée pour la synthèse d’ozone (purification de l’eau), est en passe d’être exploitée pour la dépollution d’effluents.

Cet article passe en revue les principales configurations de sources et de systèmes ou réacteurs à plasmas de décharge en mentionnant leurs applications technologiques pour le traitement des matériaux et des gaz. Enfin on présente les principales méthodes de diagnostic in situ permettant de caractériser le comportement d’un plasma de décharge et éventuellement de contrôler en temps réel un procédé plasma.