Du fait de la réduction des dimensions en microélectronique, les procédés de gravure par plasmas ne peuvent plus satisfaire aux exigences de l'industrie. De nouvelles stratégies sont en cours de développement. Ce travail consiste en l'étude de plasmas pulsés de HBr/O2 comme une alternative pour la gravure du silicium. Divers diagnostics dans un réacteur industriel 300 mm sont utilisés pour caractériser le plasma tandis que la gravure du silicium est étudiée par XPS et par microscopie électronique. Lorsque le plasma est pulsé à faible rapport cyclique, sa température et sa dissociation sont fortement réduits. Le flux de Br radicalaire par rapport à la période ON du plasma augmente tandis que l'influence du radical O diminue, ce qui conduit à une amélioration de la sélectivité par rapport au SiO2 et à une gravure plus homogène. Les profils des structures gravées peuvent être contrôlés par la formation de la couche de passivation sur les flancs dépendant également du rapport cyclique.

Du fait de la réduction des dimensions en microélectronique, les procédés de gravure par plasmas ne peuvent plus satisfaire aux exigences de l'industrie. De nouvelles stratégies sont en cours de développement. Ce travail consiste en l'étude de plasmas pulsés de HBr/O2 comme une alternative pour la gravure du silicium. Divers diagnostics dans un réacteur industriel 300 mm sont utilisés pour caractériser le plasma tandis que la gravure du silicium est étudiée par XPS et par microscopie électronique. Lorsque le plasma est pulsé à faible rapport cyclique, sa température et sa dissociation sont fortement réduits. Le flux de Br radicalaire par rapport à la période ON du plasma augmente tandis que l'influence du radical O diminue, ce qui conduit à une amélioration de la sélectivité par rapport au SiO2 et à une gravure plus homogène. Les profils des structures gravées peuvent être contrôlés par la formation de la couche de passivation sur les flancs dépendant également du rapport cyclique. / The continuous downscaling in microelectronics imposes increasing demands on the plasma processes and traditional ways for process optimization reach their limits. New strategies are needed and innovations in the field of plasma processes are being developed: e.g. the use of pulsed plasmas. In this thesis, a pulsed HBr/O2 etch plasma is studied. Various in-situ diagnostics are used to characterize pulsed plasmas in an industrial 12” etch reactor. The silicon etching is investigated by XPS and electron microscopy. We show that the plasma dissociation and temperature are reduced if the plasma is pulsed at low duty cycles. The Br radical flux with respect to the on-time of the plasma is increased and the influence of the O radical is decreased, leading to enhanced time compensated silicon etch rates, a higher selectivity towards SiO2 and a more homogeneous etching. The pattern profiles can be controlled via the sidewall passivation layer formation that is closely linked to the duty cycle.

La technique laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), qui consiste à exploiter le spectre du plasma induit par laser sur la surface de l'échantillon pour déterminer sa composition élémentaire, a été inventée il y a plus de 50 ans. Récemment, elle connaît un développement rapide, poussée par des besoins d'application dans différents domaines, citons par exemple, exploration océanique, détection de pollution environnementale, ou contrôle de procédés industriels. Cette technique utilise le plasma généré par ablation laser comme la source spectroscopique. La particularité de LIBS est que le plasma induit par laser présente un comportement transitoire et une distribution spatiale qui ne soit pas uniforme en général. Bien que la détection résolue en temps puisse améliorer considérablement la performance de LIBS, surtout pour le procédé de LIBS autocalibration avec une meilleure détermination de température, l'évolution temporelle du plasma est souvent corrélée avec sa morphologie et son inhomogénéité spatiale. L'étude de la morphologie ainsi que la structure interne du plasma avec l'évolution pendant l'expansion de celui-ci dans un gaz ambiant, représente donc un point crucial pour l'optimisation du plasma entant qu'une source spectroscopique. Suite à la thèse de Qianli Ma réalisée dans notre équipe et soutenue en décembre 2012, qui a été notamment consacrée à l'étude de l'effet de la longueur d'onde du laser d'ablation sur les propriétés et l'évolution du plasma dans un gaz ambiant d'argon, la présente thèse s'intéresse aux effets des autres paramètres, la fluence du laser d'ablation, la durée de l'impulsion, et les différents gaz ambiants (argon ou air), sur la morphologie et la structure du plasma. Par ailleurs, les mécanismes microscopiques conduisant à l'onde de détonation soutenue par laser dans argon ou dans l'air sont aussi étudiés. Lors du refroidissant du plasma dans l'air, des oxydes métalliques peuvent se former. L'étude de la formation de molécules, au-delà de l'intérêt pratique pour la LIBS, fournit également un aperçu de la cinétique chimique dans le plasma, ce qui est intéressant pour l'étude de la transformation du plasma en phase gazeuse à une phase recondensée de nanoparticules / Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been invented for more than 50 years, which analyzes the spectrum of the laser-induced plasma to determine the elemental composition of the ablated sample. Recently, LIBS technique has been well developed and applied in different domains, for example oceanic exploration, pollution monitoring in the environment. LIBS uses the ablation plasma as a light source that contains the elemental composition information of the sample. However, the laser-induced plasma exhibits a transient behavior. Although time-resolved and gated detection can greatly improve the performance of the LIBS technique especially that of calibration-free LIBS (CF-LIBS) with a better determination of plasma temperature, the temporal evolution of the plasma is correlated to its morphology and its spatial inhomogeneity. The determination of the morphology as well as the internal structure of the plasma together with their evolution during plasma expansion into the ambient gas is therefore crucial for the optimization of the use of ablation plasma as a spectroscopic emission source. Evolutions of the morphology and the internal structure of the ablation plasma are considered as the consequence of its hydrodynamic expansion into the ambient gas. Following the thesis of Qianli Ma which has studied the effect of laser wavelength on the behavior of the plasma induced in an ambient gas of argon, the present thesis has used the same diagnostic techniques (time- and space-resolved emission spectroscopy and fast spectroscopic images) together with 1064 nm ns laser pulse ablation of a target of aluminum to investigate the effects of other parameters, such as the fluence and the duration of laser pulse, the effect of different ambient gases (argon and air), on the morphology and internal structure of the plasma. Furthermore, in order to understand the effects of these parameters on the properties of the plasma, the microscopic mechanisms during post ablation and the propagation of the plasma are also studied. While the plasma cools down in air, molecules are formed, AlO for instance. So the thesis also studied the condition for the formation of the molecules in the plasma. Beyond the practical interest of this study for LIBS, it provides also insights to the kinetics of the AlO molecule formation in laserinduced plasma

The present thesis is the result of a research period at the Institute of Space and Astronautical Science of the Japanese Aerospace Exploration Agency, ISAS/JAXA within Funaki Laboratory of the Department of Space Flight Systems that followed the path of plume plasma diagnostics for space electric propulsion drives. During the experimental studies two high-current hollow cathodes and an innovative prototype of a low-voltage fully external discharge plasma thruster (XPT) had their plasma plumes diagnosed using electrostatic probes and retarding potential analyser (RPA). A Hall thruster and hollow cathode plume is defined as an unmagnetised quasi-neutral plasma which is mainly formed of neutral particles, electrons, singly and doubly charged ions. Plasma diagnostic techniques provide information through practical observations in order to fully understand the dynamics of the aforementioned plume components, the physical processes taking place within the plume and their effects on the spacecraft, for instance. Mastering these aspects of the plasma plume of space electric propulsion drives bolster the design processes, leading to highly efficient devices. Firstly, the introduction provides insights on the fundamental principles of hollow cathodes and Hall thrusters and a brief presentation of the plasma diagnostic techniques used during the research: single and double Langmuir probes, emissive probes and retarding potential analyser. Then, the fundamental plume diagnostics principles are depicted in an exhaustive way, departing from classical plasma kinetic theory, energy distribution functions and ending with an overview on the theory of charge collection by cylindrical probes. Subsequently, peculiarities of various analysis techniques are exposed for the Langmuir probes, emissive probes and RPA, with an emphasis on their strengths and demerits. The experimental setups for the cathodes and XPT plume diagnostic procedures are then outlined. The experimental logic, setup and electrical diagrams as well as a presentation of each probe design and manufacturing details are extensively discussed. The hollow cathodes experimental results are exposed with a discourse that aims of overviewing the difference between the various data analysis methods applied for the raw data. A discussion ensued based on the results in order to effectively identify mechanisms that produced the observed plasma parameters distributions. For the first time, the plume of a fully external discharge plasma thruster was diagnosed utilising double Langmuir probes.  The thesis highlights the main results obtained for the XPT far-field plume plasma diagnostics. The experimental findings for both thruster centreline positions and 2D plume maps for several axial distances away from the anode plate offer a ground basis for future measurements, a comparison term and a database to support ongoing computational codes. The results are discussed and related to the thruster performances data obtained during previous experiments. The thesis includes consistency analyses between the experimental data and the numerical simulation results and the uncertainties in measured plasma parameters associated with each data analysis procedure are evaluated for each data set. Last, the conclusions underline the main aspects of the research and further work on the previously mentioned plasma diagnostic techniques for hollow cathodes and XPT is suggested. / La présente thèse est le résultat d'une période de recherche à l'Institut des Sciences Spatiales et Astronautiques de l'Agence Spatiale Japonaise, ISAS / JAXA qui a suivi la voie des diagnostics du plasma de la plume de propulseurs électriques spatiaux. Au cours des études expérimentales, deux cathodes creuses à fort courant et un prototype innovant d'un propulseur basse tension à décharge externe de plasma (XPT) avaient leurs faisceaux de plasma diagnostiqués en utilisant des sondes électrostatiques et un analyseur à potentiel retardé. La plume d’un propulseur à effet Hall et d’une cathode creuse est définie comme un plasma quasi-neutre non-magnétisé qui est principalement formé de particules neutres, d’électrons, d’ions monovalents et bivalents. Les techniques de diagnostic du plasma fournissent des informations, via des observations pratiques, afin de bien comprendre la dynamique des composants de la plume mentionnés ci-dessus, les processus physiques qui se déroulent dans la plume et leurs effets sur une sonde spatiale, par exemple. La maîtrise de ces aspects du plasma de la plume généré par les propulseurs électriques spatiaux renforce les processus de conception de ce type de propulsion, ce qui conduit à des dispositifs hautement efficaces. Tout d'abord, l'introduction donne un aperçu sur les principes fondamentaux de cathodes creuses et de propulseurs à effet Hall, et une brève présentation des techniques de diagnostic du plasma utilisées lors de la recherche : sondes de Langmuir simples et doubles, des sondes émissives et d’analyseur à potentiel retardé. Ensuite, les principes fondamentaux de diagnostic de la plume sont représentés de manière exhaustive, d’abord la théorie cinétique classique du plasma, les fonctions de distribution en énergie et pour terminer une vue d'ensemble de la théorie de la collecte de charge par des sondes cylindriques. Par la suite, les particularités des diverses techniques d'analyse sont exposées pour les sondes de Langmuir, les sondes émissives et RPA, en mettant l'accent sur leurs avantages et leurs inconvénients. Les montages expérimentaux pour les procédures de diagnostic de la plume-plasma de cathodes et du XPT sont ensuite décrits. La logique expérimentale, les schémas électriques ainsi qu'une présentation de la conception et de la fabrication de chaque sonde sont largement discutés. Les résultats expérimentaux pour les cathodes creuses sont exposés de façon à présenter la différence entre plusieurs méthodes d'analyse de données appliquées aux données brutes. Une discussion s’ensuit, basée sur les résultats afin d'identifier efficacement les mécanismes qui ont produits les propriétés électroniques observées. Pour la première fois, la plume d'un propulseur à décharge externe de plasma a été diagnostiquée en utilisant des sondes de Langmuir doubles. La thèse met en évidence les principaux résultats obtenus pour le diagnostic en champ lointain de la plume-plasma du XPT. Les résultats expérimentaux pour les positions sur l'axe du propulseur et le cartes 2D de la plume pour plusieurs distances axiales loin de l’anode offrent une base pour de futures mesures, un terme de comparaison et une base de données pour appuyer les codes numériques. Les résultats sont discutés et sont rapportés aux données de performances du propulseur obtenus lors des essais précédents. La thèse comprend des analyses de la cohérence entre les données expérimentales et les résultats de simulation numérique, et les incertitudes des paramètres mesurés du plasma associées à chaque procédure d'analyse des données sont évaluées pour chaque ensemble de données. Enfin, les conclusions soulignent les principaux aspects de la recherche et une poursuite des travaux sur les techniques de diagnostic de plasma pour les cathodes creuses et le XPT est suggérée.