Étude des sources plasma micro-onde à structure coaxiale pour la conception amont d'applicateurs à transformateur d'impédance intégré. Influence de la pression, de la géométrie et de la fréquence d'excitation

par Pierre Baële

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Ana Lacoste et de Pierre Darges.

Le président du jury était Khaled Hassouni.

Le jury était composé de Ana Lacoste, Pierre Darges, Eugen Stamate, François Silva.

Les rapporteurs étaient Ane Aanesland.


  • Résumé

    Le travail effectué dans le cadre de cette thèse porte sur l’étude des plasmas magnétisés et nonmagnétisés produits par des structures coaxiales qui font office à la fois de propagateur d’onde et de coupleur à impédance adaptée au plasma, mais aussi de sonde d’investigation et de caractérisation de la décharge. Une attention particulière est accordée à l’efficacité de couplage entre l’onde électromagnétique et la décharge et de production d’espèces, et ce pour différentes conditions opératoires : fréquence d’excitation (352 et 2450 MHz),configuration magnétique, géométrie de l’applicateur. L’analyse quantitative et comparative présentée dans ce travail s’appuie aussi bien sur une approche expérimentale que théorique. Les modèles analytiques développés etla simulation électromagnétique réalisée permettent d’extraire à partir des mesures expérimentales, d’une partl ’impédance du plasma décorrélée de celle de la structure de propagation de l’onde, et d’autre part, l’absorption globale et locale de l’onde. Du point de vue expérimental, des techniques et méthodes appropriées ont donc été développées et mises en oeuvre comme, par exemple la méthode de changement de plan d’impédance, ou encore l’auto-interférométrie. L’étude paramétrique, menée sur un domaine de pression étendu sur plusieurs décades(10-4 – 10 Torr) et pour une gamme de puissances allant de un à plusieurs centaines de watts, a permis une investigation minutieuse du type de couplage (capacitif, inductif, résistif) qui est fortement dépendant des caractéristiques de la décharge et donc des paramètres opératoires. Leur mise en corrélation, associée à l’analyse des modes de propagation dans un plasma magnétisé, a permis de localiser avec plus de précision les zones de couplage et d’identifier les principaux mécanismes d’absorption de l’onde mis en jeu. Les principaux résultats obtenus confirment une meilleure efficacité de production d’espèces chargées à une fréquence plus élevée (2450MHz), et la présence d’une population d’électrons chauds plus conséquente ainsi qu’une extension spatiale du plasma lorsque la fréquence est plus faible (352 MHz). Comme la technologie 352 MHz à état solide est plus avantageuse du point de vue du coût des composants, comparée à 2450 MHz, elle pourrait s’avérer intéressante pour des procédés visant la production d’espèces chimiquement actives. Toutefois, le couplage, peu efficace, de type capacitif induit par la diminution de la fréquence, requiert une attention accrue au niveau de la configuration du coupleur. Pour le développement en amont des coupleurs, les résultats issus de ce travail de thèse et les modèles analytiques développés devraient constituer un outil déterminant dans la conception de sources plasma micro-onde performantes.

  • Titre traduit

    Study of microwave plasma sources with coaxial structure for the upstream design of applicators with integrated impedance transformer : influence of the pressure, geometry and excitation frequency


  • Résumé

    The work done within the framework of this thesis focuses on the study of magnetized and nonmagnetizedplasmas produced by coaxial structures that serve both as wave propagator and as plasma matchedimpedance coupler but also as investigation and characterization probe of the discharge. Special attention isgiven to the efficiency of coupling between the electromagnetic wave and the discharge and of speciesproduction, for different operating conditions: excitation frequency (352 and 2450 MHz), magnetic configurationand geometry of the applicator. Quantitative and comparative analysis presented in this work is based both on anexperimental and a theoretical approach. Developed analytical models and conducted electromagnetic simulationare set in connection with the experimental measurements in order to determine, on the one hand, the plasmaimpedance de-embedded of the wave propagation structure and, on the other hand, the global and localabsorption of the wave. From the experimental point of view, appropriate techniques and methods have thereforebeen developed and implemented such as, for example, the impedance plane shift method, or autointerferometry.The parametric study, conducted on a pressure range extended over several decades (10-4 - 10Torr) and power ratings from one to several hundred watts, led to a thorough investigation of the coupling type(capacitive, inductive, resistive ) which is highly dependent on the discharge characteristics and thus of theoperating parameters. Their correlation, combined with the analysis of propagation modes in a magnetizedplasma, has helped locate more accurately the areas of coupling and to identify the main power absorptionmechanisms involved. The main results obtained for the two frequencies confirm a better production efficiencyof charged species at a higher frequency (2450 MHz), the presence of a more substantial hot electron populationand a spatial expansion of the plasma when the frequency is low (352 MHz). As the solid state 352 MHztechnology is more advantageous compared to that at 2450 MHz from the viewpoint of the cost of thecomponents, it could be interesting for processes aiming to produce active chemical species. However itsinefficient coupling, of capacitive type induced by frequency reduction, requires an increased attention at thelevel of coupler configuration. For upstream development of couplers, the analytical models and theexperimental results obtained in this thesis should be a key tool in the design of high-performance microwaveplasma sources.


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