Development and study of microdischarge arrays on silicon

par Mukesh Kumar Kulsreshath

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Rémi Dussart.

Le président du jury était Jean-Michel Pouvesle.

Le jury était composé de Rémi Dussart, Jean-Michel Pouvesle, Jörg Winter, Volker Schulz-Von der Gathen, Lawrence J. Overzet.

Les rapporteurs étaient Jörg Winter.

  • Titre traduit

    Développement et étude de matrices microdécharge sur silicium


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est de fournir une meilleure compréhension des différents phénomènes physiques liés aux microplasmas/microdécharges. Pour cela, des matrices de microréacteurs sur silicium ont été étudiées. De nombreuses configurations ont été construites de manière à analyser l’influence de chaque paramètre physique sur le fonctionnement de ces dispositifs. Le présent travail porte sur l'élaboration et la caractérisation de dispositifs micro-décharge à base de silicium. Dans ce travail de thèse, les régimes de courant continu (DC) et de courant alternatif (AC) sont étudiés en utilisant des configurations de décharges différentes. Pour la fabrication de ces réacteurs, nous sommes partis de wafers de Silicium que nous avons structurés et traités en salle blanche. La technologie de fabrication utilisée est compatible avec les méthodes de fabrication de dispositifs CMOS. Les microréacteurs sont constitués d’électrodes de nickel et de silicium séparés par une couche diélectrique de SiO2 de 6 μm d’épaisseur. L’épaisseur du diélectrique est ici beaucoup plus faible que celle des microréacteurs étudiés jusqu’à présent. Les dispositifs sont constitués de cavités de 25 à 150 microns de diamètre. Les essais de microdécharge ont été effectués dans des gaz inertes à une pression comprise entre 100 et 1000 Torrs. Nous avons d’abord étudié les phénomènes d’allumage et d’extinction à partir de microdispositifs monocavité en alumine. Puis, nous avons étudié le fonctionnement en DC/AC de microréacteurs en silicium comportant un nombre de cavité compris entre 1 et1024. Les caractéristiques des microdécharges ont été étudiées grâce à des mesures électriques, des mesures de spectroscopie d'émission optique (OES), de spectroscopie d’absorption à diode laser (DLAS) et de spectroscopie d'émission optique résolue en temps (PROES). Ces différents diagnostics nous ont permis de mettre en évidence les phénomènes d’allumage, d’extinction, d’instabilité et les mécanismes de défaillance de nos microdispositifs. Ce travail de thèse a permis de tester les performances et les limites technologiques des matrices de microdécharges sur silicium. Une attention particulière a été portée sur leur durée de vie.


  • Résumé

    The objective of this thesis is to provide a better understanding of various physical phenomena related to microplasmas/microdischarges. For this purpose, arrays of microreactors on silicon were studied. Different array configurations were fabricated to analyse the influence of each parameter on the physical operation of these devices. The present work focuses on the development and characterisation of micro-discharge devices based on silicon. In this thesis, direct current (DC) and alternating current (AC) regimes are studied using different discharge configurations. For the fabrication of these reactors, Silicon wafers are structured and processed in a cleanroom. Fabrication technology used is compatible with the CMOS technology. The microreactors are fabricated with nickel and silicon electrodes, separated by a dielectric layer of SiO2 with a thickness of 6 μm. The thickness of the dielectric is much lower here than the microreactors studied so far. The devices consist of cavities with 25 to 150 μm in diameter. Experiments of the microdischarges are performed in inert gases at a pressure between 100 and 1000 Torr. We first studied the phenomena of ignition and extinction for the microdevices based on alumina. Then, we studied the microreactors based on silicon containing 1 to 1024 cavities under DC and AC regimes. Characteristics of microdischarges were studied by electrical measurements, measurements of optical emission spectroscopy (OES), laser diode absorption spectroscopy (DLAS) and phase resolved optical emission spectroscopy (PROES). These diagnostics allowed us to investigate the phenomena of ignition, extinction, instability and failure mechanisms of the microplasma devices. This thesis work allowed testing the performance and technological limitations of the silicon based microdischarge arrays. Particular attention was paid to their life time.


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