doctorat de l`universite de toulouse modelisation particulaire et

THESE
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITE DE TOULOUSE
Délivré par l’Université de Toulouse III – Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Ingénierie et Physique des Plasmas de Décharge
Présentée et soutenue par Djilali BENYOUCEF
Le 10 Mai 2011
Titre :
MODELISATION PARTICULAIRE ET
MULTIDIMENSIONNELLE DES DECHARGES HORS
EQUILIBRE A BASSE PRESSION EXCITEES PAR
CHAMPS ELECTROMAGNETIQUES
JURY
O. Eichwald Professeur à l’Université de Toulouse, LAPLACE Président
J. F. Loiseau Professeur à l’Université de Pau et des pays de l’Adour Rapporteur
A. Hennad Professeur à l’Université d’Oran, Algérie Rapporteur
N. Bonifaci HDR Chargée de recherche au CNRS, Grenoble Examinateur
B. Belmadani Professeur à l’Université de Chlef, Algérie Co-Directeur de thèse
M. Yousfi Directeur de recherche au CNRS, LAPLACE Toulouse Directeur de thèse
Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Unité de recherche : U.M.R-5213

I
Abstract:
The aim is to develop a particle model in the case of a multidimensional geometry to
analyse the kinetic and energetic behaviours of the reactive plasma generated by low pressure
RF discharges excited by electric field and confined by a crossed magnetic field. A better
understanding of the properties of such plasmas as a function of operating parameters is
essential for new nano-electronic applications using thin film deposition from cathode
sputtering. The particle model is based on Monte Carlo simulation for the treatment of
collisions including the optimization of the free path calculations and comparisons with the
free time of flight calculations. The coupling of the kinetics of charged particles with the
calculation of the space charge electric field has also been also optimized. The validation of
the particle model was first performed from the coherent results obtained in Ar RF discharge
and from comparisons with literature measurements of electron densities in Ar RF discharges.
The model is then applied to a cylindrical configuration with plate parallel electrodes in
asymmetrical geometry taking into account the self-bias voltage. In the case of Ar/O2
mixtures, the ion-gas collision cross sections have been supplemented by calculations based
on interaction potentials and validated from comparisons with measurements of transport
coefficient as a function of reduced electric field. Then, the energetic and electrical properties
of RF discharges at 13.56 MHz were analyzed according to the partial pressure of O2 in Ar
for pressures between 50 and 100 mTorr and also for various amplitudes of the crossed
magnetic field from 0 to 50 Gauss. The confinement at the center of discharge and the
increasing of the plasma density which is 10 times greater at 50 Gauss were clearly shown.
The energy distribution of different ions near the cathode was also analyzed due to their
specific roles in the sputtering process.
Keyword:
RF electrical discharge, low pressure reactive, electromagnetic field, particle model,
Monte Carlo method, optimized free path, Ar/O2 mixture,

III
Résumé
L’objectif est de développer un modèle particulaire en géométrie multidimensionnelle pour
l’étude énergétique et cinétique des plasmas froids réactifs formés dans les décharges excitées
par un champ électrique RF et confinés par un champ magnétique croisé. Une meilleure
compréhension des propriétés de ces plasmas en fonction des paramètres opératoires est
indispensable aux nouvelles applications en nanoélectronique utilisant les dépôts de couches
minces par pulvérisation cathodique. Le modèle est basé sur la méthode de Monte Carlo pour
le traitement des collisions en optimisant notamment la technique de calcul du libre parcours.
Le couplage de la cinétique des particules chargées avec le calcul du champ de charges
d’espace a également fait l’objet d’optimisations spécifiques. La validation du modèle
particulaire a été d’abord effectuée par comparaison avec les mesures de densités
électroniques de la littérature dans les décharges RF dans l’argon. Le modèle est appliqué à un
réacteur cylindrique avec des électrodes planes et parallèles dans une configuration
symétrique puis asymétrique en tenant compte de la tension d’auto-polarisation. Dans le cas
du mélange Ar-O2 étudié, les sections efficaces de collision notamment ion-gaz ont été
complétées par des calculs basés sur les potentiels d’interaction et validées par des
comparaisons avec des mesures de coefficient de transport en fonction du champ réduit.
Ensuite, les propriétés énergétiques et électriques de la décharges RF à 13,56 MHz ont été
analysées en fonction de la pression partielle de O2 dans Ar pour des pressions du mélange
entre 50 et 100 mTorr et surtout en fonction de l’amplitude du champ magnétique croisé allant
de 0 à 50 Gauss. Le confinement au centre de la décharge et l’augmentation de la densité
plasma qui est 10 fois plus grande à 50 Gauss ont été clairement montrés. Les distributions en
énergie des différents ions à proximité de la cathode a également fait l’objet d’analyses
spécifiques en raison de leurs rôles dans les processus de pulvérisation.
Mots clés :
Décharges électriques RF, plasmas réactifs basse pression, champ électromagnétique,
Réacteur magnétron, Modèle particulaire, Méthode de Monte Carlo, Libre parcours optimisé,
Mélanges Ar/O2,