Modélisation d'une décharge magnétron DC dans l'argon et en mélanges argon-oxygène par un modèle fluide

par Claudiu Costin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Gérard Gousset et de Gheorghe Popa.


  • Résumé

    Cette thèse est dédiée à la modélisation d'une décharge magnétron en courant continu (DC) par un modèle de fluide. La motivation de ce travail de recherche est l'extension de cette approche aux décharges basse pression magnétisées, dont l'intérêt est le temps de calcul réduit par rapport aux d'autres techniques de simulation numériques (particulaires, hybride}. Le transport d'espèces chargées est décrit, dans un modèle bidimensionnel 2D (radial-axial) par les trois premiers moments de l'équation de Bolfemann alors que le transport de neutres est traité par la théorie de diffusion généralisée multi-composantes. Une approche originale pour récriture des flux de particules chargées permet aisément de linéariser le système d'équations fluide. Cependant les difficultés de ce traitement des magnétrons sont dues à la basse pression de travail de ces décharges et au champ magnétique cathodique, fortement inhomogène et anisotrope. Le modèle a été appliqué pour un magnétron fonctionnant en argon et en mélange argon-oxygène. Les principaux paramètres plasma (potentiel, champ électrique, densités, flux,…) issus du modèle rend bien compte des phénomènes essentiels identifiés antérieurement dans ces décharges. Particulièrement sont discutées les tendances d'évolution du système en fonction de la tension appliquée sur la cible, la pression de travail, la fraction de gaz réactif dans le mélange Ar/O2. De plus, le modèle permet d'obtenir une expression analytique du coefficient d'émission d'électrons secondaires induite par bombardement ionique à la cathode. Il est remarquable que le modèle fluide puisse rendre compte de la variation de ce coefficient avec les paramètres de décharge, uniquement en introduisant la réflexion d'électrons à la paroi, comme paramètre externe. En mode réactif à basse pression, la densité de particules lourdes présente un caractère non-local. L'approche développée est validée par la comparaison directe des résultats de ce modèle d'autres simulations numériques (PIC-MC, hybride) et des mesures expérimentales. Cette validation justifie a posteriori l'extension de l'applicabilité du modèle fluide utilisé pour la première fois en 2D à la modélisation des réacteurs magnétrons.

  • Titre traduit

    Modeling of a DC magnetron discharge working in argon and in argon-oxygen mixture by a fluid model


  • Résumé

    This thesis is dedicated to the modeling of a DC magnetron discharge using the fluid model. The motivation of this research is the extension of this approach to the magnetized low-pressure discharges, having the advantage of a reduced CPU time comparing to other numerical simulations (particles, hybrid). The transport of the charged species is described following two space dimensions (2D, radial-axial) through the first three moments of Boltzmann equation, while the transport of the neutral particles is treated in the generalized diffusion theory of multi-species. An original approach for the charged particle fluxes facilitates the linearization of the equations system. Hence, the use of this treatment to magnetrons is difficult and complex due to the low working pressure and to the presence of the magnetic field, strongly inhomogeneous and anisotropic. The model was applied to an Ar and Ar/O2 magnetron. The principal plasma parameters (potential, electric field densities fluxes,… ) issued from the model are property described allowing to identify the essential phenomena previously reported for these discharges. In particular, there are discussed the evolution tendencies of the system versus external discharge parameters, such as applied voltage, working pressure, oxygen fraction in Ar/O2 mixture, etc. The model permits as well to obtain an analytic expression for the coefficient of the secondary electron emission induced by ion bombardment at the cathode. It is remarkable that the fluid model is able to describe the variation of this coefficient as a function of the discharge parameters, considering an unique external parameter which is the electron reflection at the surface. In the reactive mode, at low pressure, the heavy species exhibit a non-local behavior. The present approach is validated by direct comparison of the model results with others obtained from different numerical simulations (PIC-MC, hybrid) and experimental measurements. This validation justifies a posteriori the extension of the fluid model applicability, used for the first time in 2D for magnetron discharges modeling.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (110 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.105-110

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 0g ORSAY(2005)275
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