Étude spectroscopique et électrique de décharges contrôlées par barrières diélectriques en régime multi-pics

Abstract

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) à la pression atmosphérique en gaz d’hélium dans un régime homogène, mais présentant un caractère multi-pics, c’est-à-dire qui manifeste plus d’un pic de courant par demi-cycle de la tension appliquée. L’intention ici est de mettre en lumière non seulement différents paramètres fondamentaux de ces décharge (température, densité d’atomes métastables, etc.), mais aussi leur évolution spatio-temporelle. Dans ce contexte, nous avons réalisé des mesures électriques et spectroscopiques de DBD comprenant un ou plusieurs pics de courant de décharge en incorporant une ou plusieurs impuretés dans le gaz vecteur (argon, oxygène diatomique et/ou hexaméthyldisiloxane). En ayant recours à des mesures des populations des niveaux n=2 et n=3 par spectroscopie optique d’émission et d’absorption couplées aux prédictions d’un modèle collisionnel-radiatif, nous avons pu montrer que l’incorporation d’impuretés dans l’hélium joue un rôle crucial dans l’émergence des multi-pics. De plus, elle a tendance à faire apparaitre des pics de températures électroniques entre les décharges au fil d’un demi-cycle, tout en désexcitant de manière collisionnelle les métastables d’hélium. La signature spectroscopique des métastables devient néanmoins rapidement négligeable au fur et à mesure que l’impureté est rajoutée. L’étude s’est étendue par la suite à des conditions de décharges pertinentes pour le dépôt de couches minces, c’est-à-dire en présence d’oxygène et de précurseur organosilicié. Dans ces conditions de plasmas réactifs, il s’est avéré impossible de faire de l’imagerie spatio-temporelle et de mesurer les métastables. Nous avons donc étudié la décharge en moyennant sur un demi-cycle de la tension appliquée et sur tout l’espace inter-électrodes. La tendance de la température électronique moyenne est à la hausse lors de l’augmentation de la concentration d’impuretés dans le plasma d’hélium. La même tendance a été observée dans les mesures électriques pour la puissance absorbée ou dissipée en moyenne par électron, en excellent accord avec les prédictions de l’équation de transport de l’énergie des électrons.

The purpose of this master thesis is to characterize a Dielectric Barrier Discharge (DBD) at atmospheric pressure in helium in homogeneous regime, but with multi-peaks, which means that it exhibits more than one discharge current peak per half-cycle of the applied tension. The intention here is to shed some light not only over fundamental parameters (temperature, metastable density, etc.), but also their respective space and time evolution. In that line of thought, electrical and spectroscopic measurements of these discharges with one or more discharge current was done, with impurities mixed in the main gas (namely argon, diatomic oxygen and/or hexamethyldisiloxane). With the help of measurements of populations of n=2 and n=3 levels in optical emission and absorption spectroscopy, coupled with a collisional-radiative model, we were able to show that the incorporation of impurities play a crucial role in the emergence of multipeaks. Moreover, that incorporation has the effect of making the electron temperature spike in between discharges through a half cycle, as well as quenching the helium metastables. The metastable spectroscopic signature is rapidly decreasing and becomes negligible as the impurity is added. The study extended thereafter to conditions useful to thin film depositions, that is to say in presence of oxygen and an organosilicated precursor. In these conditions of reactive plasmas, it was impossible to take any spatio-temporal imaging and to measure metastables densities. We therefore studied the discharges in terms of space and time averaged measurements for a half-cycle of the applied voltage. The trend of the mean electronic temperature is going up while the concentration of impurities is increasing in the helium plasma. The same trend is observed in the absorbed and dissipated power by electron, which is predicted by the transport equation of the electron’s energy.