Spectroscopie et processus atomiques du gaz réactif dans un pulvérisateur cathodique

Abstract

L'étude de la cinétique du plasma lors du dépôt de couches minces est importante en raison de son rôle dans la compréhension de la formation des couches minces et leurs propriétés électroniques, optiques et piézométriques ; ces propriétés ont de nombreuses applications dans divers domaines industriels. Nous nous intéressons dans ce travail à l'étude des variations des sections efficaces et des taux de coefficients des processus élémentaires, à l’évolution des densités d'états excités d’Argon ainsi qu’aux contributions relatives des processus élémentaire dans le peuplement et le dépeuplement des différents états d’énergie. Pour cet objectif, nous avons utilisé un Modèle Collisionnel-Radiatif (CRM) puis nous avons appliqué notre modèle sur un pulvérisateur cathodique magnétron RF. Les résultats montrent que les processus de peuplement principaux des états 3p54s sont la désexcitation radiative des niveaux supérieures où ils représentent 77.69%, 65.75%, 81.72%et 36.17% pour les niveaux 1s5, 1s4, 1s3 et 1s2 respectivement. La contribution de l'excitation par impact électronique via l'état fondamental est importante, elle est 22.04 %, 17.86 % pour les états métastables 1s5 et 1s3 et elle est 31.89 %, et 63.36 % pour les états résonants 1s4, 1s2 respectivement. L’ionisation de type Penning est importante dans le dépeuplement des états métastables 3p54s (1s5, 1s3) où elle représente 90% des processus de perte, l’effet de diffusion ne contribue que par environ 5%. Pour les états résonants 3p54s (1s4, 1s2), la désexcitation radiative représente plus de 99% des processus de perte. Pour les autres processus, ils sont moins importants. Les résultats montrent également que les différentes propriétés du plasma ne sont pas symétriques par rapport au centre du réacteur en raison de l'existence du champ magnétique à la cathode

The study of plasma kinetics during the deposition of thin films is important because of its role in understanding the formation of thin films and their electronic, optical and piezometric properties; these properties have many applications in various industrial fields. In this work, we present a study of the variations of the cross sections and the rates of coefficients of the elementary processes in the evolution of excited state densities of Argon (Ar) as well as the relative contributions of the elementary processes in populating and depopulating of different energy states. For this objective, we used a Collisional-Radiative Model (CRM) and we applied our model on an RF magnetron sputtering. The results show that the populating processes of the 3p54s states are mainly the radiative de-excitation of the higher levels which represent 77.69%, 65.75%, 81.72% and 36.17% for the 1s5, 1s4, 1s3 and 1s2 levels respectively. The contribution of electron impact excitation via the ground state is significant since it represents 22.04% and 17.86% of the metastable states 1s5 and 1s3. Similarly it represents 31.89% and 63.36% of the resonant states of 1s4, 1s2 respectively. Penning ionization is important in the depopulation of metastable 3p54s (1s5, 1s3) states, where it accounts for 90% of loss processes; the diffusion effect contributes only of about 5%. For the 3p54s (1s4, 1s2) resonant states, the radiative de-excitation represents more than 99% of the loss processes. Other processes are not important thus they are not studied. The results also show that the various properties of the plasma are not symmetrical in respect to the center of the reactor due to the existence of the magnetic field at the cathode.

تعتبر دراسة حركية البلازما أثناء ترسب الطبقات الرقيقة مهمة بسبب دورها في فهم تكوين الطبقات الرقيقة و خواصها الإليكترونية و الضوئية و البيزومترية؛ هاته الخواص لها العديد من التطبيقات في مختلف المجالات الصناعية. نهتم في هذا العمل بدراسة التغيرات في المقاطع الفعالة ومعدلات معاملات العمليات الأولية، وتطور كثافات حالات الطاقة لذرة الأرغون و كذلك المساهمات النسبية للعمليات الأولية في الإسكان و فقد السكان لمختلف حالات الطاقة. لتحقيق هذا الهدف استخدمنا النموذج التصادمي الإشعاعي (CRM) ثم طبقنا نموذجنا على جهاز الرش المهبطي المغنطروني ذو التواتر المذياعي RF . تظهر النتائج أن العمليات الإسكانية الرئيسية للحالات الذرية p54s3 هي فقد الإثارة الإشعاعية للمستويات العليا حيث تمثل 77.69٪ و 65.75٪ و 81.72٪ و 36.17٪ للمستويات s51 و s41 و s31 و s21 على التوالي. مساهمة عملية الإثارة بالتصادم الإلكتروني انطلاقا من الحالة الأساسية كبيرة، فهي 22.04٪، 17.86٪ للحالات الطاقوية شبه المستقرة 1s5 و 1s3 و تمثل 31.89٪، و 63.36٪ للحالات الطاقوية الرنانة 1s4 ،1s2 على التوالي. يعد التأين من النوع بينينغ (Ionization de type Penning) مهمًا في تناقص كثافة الذرات في الحالات الطاقوية (3p54s: 1s5،1s3) الشبه المستقرة حيث يمثل 90 ٪ من عمليات الفقد، بينما لا يساهم تأثير الانتشار في التناقص إلا نسبة 5 ٪ تقريبًا. بالنسبة للحالات الطاقوية الرنانة (3p54s:1s4،1s2) يمثل عملية فقد الإثارة الإشعاعي أكثر من 99٪ من عمليات الخسارة؛ أما بالنسبة للعمليات الأخرى فتبقى أقل أهمية. كما تظهر النتائج أن الخصائص المختلفة للبلازما ليست متماثلة فيما يتعلق بمركز المفاعل بسبب وجود المجال المغناطيسي عند الكاتود.