Réacteurs microplasmas intégrés sur dispositifs en silicium
Résumé
Des réacteurs plasma à l’échelle micrométrique sont élaborés sur plaquettes de silicium [1,2]. Une fois le dispositif réalisé, un microplasma est créé en appliquant une haute tension à ses bornes. La microdécharge fonctionne à une pression entre 100 et 750 Torrs dans différents gaz tels que l’hélium, l’argon ou l’azote en régime de courant continu. Au laboratoire GREMI, ces dispositifs sont fabriqués par des technologies de salle blanche habituellement utilisées pour la conception des composants de microélectronique. Ils sont ensuite caractérisés par des diagnostics électrique et optique (spectroscopie, caméra rapide). Le schéma de principe d’un microréacteur à plasma est représenté en figure 1. Une résistance de ballast est insérée pour limiter le courant de décharge. La figure 2 montre un microplasma fonctionnant dans l’argon à une pression de l’ordre de 350 Torr. Bien que fonctionnant à une pression assez élevée, le plasma reste en régime hors équilibre et le plasma reste « froid ». C’est le rapport surface/volume très élevé par rapport aux plasmas à l’échelle macroscopique qui permet d’éviter de basculer en régime d’équilibre thermodynamique local.
La figure 3 montre plusieurs caractéristiques tension – courant obtenues dans de l’hélium à 3 pressions différentes avec un zoom du microplasma à 750 Torr. A 200 Torr, la tension de claquage est d’environ 270 V. On observe ensuite une augmentation de la tension de décharge en fonction du courant (régime anormal). A 500 et 750 Torr, la tension de claquage est de l’ordre de 400V. La tension reste constante en fonction du courant. A faible courant, un régime d’instabilités apparait (régime auto-impulsionnel). Les dispositifs peuvent se présenter sous forme de matrices ou en monotrou comme sur la figure 2. Des dispositifs débouchant ont également été mis au point et testés. Leurs caractéristiques seront comparées aux dispositifs non-débouchant. [1] V. Felix et al Origin of microplasma instabilities during DC operation of silicon based microhollow cathode devices Plasma Sources Sci. Technol. 25 025021 (2016) [2] Michaud, R. et al. Direct current microhollow cathode discharges on silicon devices operating in argon and helium. Plasma Sources Sci. Technol. 27, 025005 (2018)