Plasmas froids de décharge - Applications et diagnostic

Les plasmas ont représenté de prime abord une toute petite branche de la physique, et leur champ d’application paraissait modeste (ondes radios dans l’ionosphère, tubes à décharges, lampes, arcs). Mais les développements en vue du contrôle de la fusion thermonucléaire dans des réacteurs du type « pinch », « tokamak », ou « stellarator », de la génération de puissance par la magnétohydrodynamique, ou de la compréhension des plasmas en astrophysique ou en planétologie (fusion thermonucléaire dans les étoiles, plasma interstellaire, ionosphère et magnétosphère terrestres, foudre et aurore boréale) ont stimulé une recherche de base florissante.

Puis d’autres champs d’applications technologiques ont contribué à relancer la physique des décharges. Outre les enseignes lumineuses et les lampes à décharges, les nouvelles sources optiques, UV, X incohérentes ou cohérentes (lasers) font largement appel à la mise en œuvre de plasmas de décharge. Apparaissent maintenant des panneaux d’affichage par plasma. Les sources de faisceaux d’ions ont été développées pour leurs applications dans le domaine de la propulsion de satellites ainsi que pour le traitement ou l’analyse de matériaux. Les plasmas d’arcs électriques sont étudiés tant par leur importance dans les phénomènes de coupure en électrotechnique que comme source thermique pour la métallurgie. Les touches à plasma sont couramment utilisées pour l’analyse spectroscopique de la composition chimique d’échantillons sous forme d’aérosols. Enfin les plasmas de gaz réactifs sont maintenant abondamment exploités pour la richesse de leurs processus physico-chimiques tant en volume (chimie des plasma) qu’en interaction avec des matériaux (dépôt, pulvérisation ou gravure, oxydation ou réduction...).

A cet égard, le développement spectaculaire de la micro-électronique est exemplaire. Initialement, pour réaliser des transistors sur des plaquettes de silicium, on avait recours à des procédés de gravure en phase liquide ou à des procédés de dépôt chimique en phase liquide ou vapeur par voie thermique. Mais cela imposait une limite inférieure à la taille des motifs gravés (autour de 10  µ m), de plus les procédés liquides pouvaient poser des problèmes de contamination tandis que les températures élevées empêchaient la mise en œuvre de matériaux moins stables thermiquement que le silicium. C’est là que les plasmas de décharge ont pu apporter toute leur richesse en combinant :

• un couplage direct de la puissance électrique dans le gaz, évitant ainsi un chauffage excessif des parois ;

• la possibilité d’obtenir de hauts degrés de dissociation de molécules à basse pression en créant des espèces actives (électrons, ions,...