Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La couche la plus externe de l’atmosphère solaire, la couronne, est composée de plasma dont la température dépasse de plusieurs ordres de grandeur celle de la surface.Expliquer comment la couronne est chauffée à des températures de l’ordre d’un million de degrés constitue un défi majeur de la physique solaire.Dans ce contexte, je m’intéresse au chauffage des boucles coronales (qui sont des structures composées de plasma confiné dans des tubes de champ magnétique) et plus particulièrement aux cycles de non-équilibre thermique (TNE).L’étude de ces cycles permet de caractériser le chauffage des boucles.Ces cycles se développent dans des boucles soumises à un chauffage fortement stratifié, localisé près de leurs pieds.Ils se traduisent notamment par une variation périodique de la température et de la densité du plasma dans la boucle.Ces variations engendrent des pulsations d’intensité de longue période, qui sont détectées depuis peu dans l’émission en extrême-ultraviolet (EUV) de certaines boucles coronales.Par ailleurs, des écoulements périodiques de plasma à températures coronales se produisent durant ces cycles.Dans certains cas, le plasma qui s’écoule peut refroidir de plusieurs ordres de grandeur et former de la pluie coronale périodique.Durant ma thèse, j’ai travaillé à la première détection de ces écoulements à haute et à basse température.En utilisant des séries temporelles de spectres EUV de l’instrument Hinode/EIS, j’ai mesuré la vitesse Doppler du plasma dans des boucles dans lesquelles on détecte des pulsations d’intensité.Cela m’a permis de détecter des écoulements de plasma à température coronale associé à certaines pulsations d’intensité.Par ailleurs, j’ai participé à la détection d’un événement de pluie coronale périodique (à température plus froide) dans des séries d’images de l’instrument SDO/AIA.Ces détections permettent de confirmer que les pulsations d’intensité de longue période sont bien le résultat de cycles de TNE, ainsi que d’apporter de nouvelles contraintes sur le chauffage des boucles coronales.Cela permet notamment de conclure que le chauffage des boucles coronales est localisé près de leurs pieds et que son temps de répétition est inférieur au temps de refroidissement du plasma.Afin de détecter les écoulements à haute température, j’ai dû corriger de nombreux effets instrumentaux de EIS.J’ai notamment développé une nouvelle méthode pour aligner les spectres avec des images de l’instrument AIA, qui permet de corriger l’angle de roulis et la variation aléatoire du pointage de EIS.En appliquant cette méthode à un grand nombre de spectres, j’ai réalisé la première mesure systématique de l’angle de roulis de l’instrument.Par la suite, j’ai réalisé des simulations numériques du cas de pluie coronale périodique.Dans ces simulations, j’ai calculé l’évolution du plasma dans la boucle pour différents paramètres de chauffage et différentes géométries du champ magnétique.Cela m’a permis d’identifier les paramètres de chauffage permettant de reproduire le comportement observé.Avec ces simulations, j’ai par ailleurs pu comprendre comment l’asymétrie de la boucle et du chauffage conditionnent la température minimale atteinte par les écoulements qui se forment lors des cycles de non-équilibre thermique. / The outermost layer of the solar atmosphere, the corona, is composed of plasma which is hotter than the surface by several orders of magnitude.One of the main challenges in solar physics is to explain how the corona is formed and heated to temperatures of a few million degrees.In this context, I focus on the heating of coronal loops (which are structures composed of plasma confined in magnetic field tubes), and more precisely on thermal non-equilibrium (TNE) cycles.Studying these cycles allows us to characterize the heating of coronal loops.These cycles occur in loops with a highly stratified heating, localized near their footpoints.Among other effects, they cause periodic variations of the temperature and density of the plasma in the loop.These variations result in long-period intensity pulsations, which have recently been detected in the extreme-ultraviolet (EUV) emission of some coronal loops.In addition, periodic flows of plasma at coronal temperatures occur during these cycles.In some cases, the flowing plasma can cool down by several orders of magnitude, and thus form periodic coronal rain.During my thesis, I worked on the first detection of these periodic plasma flows at coronal and lower temperatures.Using time series of spatially-resolved EUV spectra from the instrument Hinode/EIS, I measured the Doppler velocity of plasma in loops undergoing long-period intensity pulsations.This allowed me to detect flows of plasma at coronal temperatures associated with some maxima of the intensity pulsations.In addition, I took part in the detection of an event of periodic coronal rain (at cooler temperatures), using series of images from the instrument SDO/AIA.These detections confirm that the long-period intensity pulsations detected in coronal loops are indeed the result of TNE cycles, and allow better constrain the heating of the loops.From this, conclude that the heating of coronal loops is highly stratified, localized near their footpoints, with a repetition time shorter than the cooling time of the plasma.Detecting the flows of plasma at coronal temperatures required that I correct many EIS instrumental effects.To that aim, I developed a new method for coalinging EIS spectra with images from AIA.This method can correct the roll angle and the jitter (a random variation of the pointing) of EIS.By applying it to a large number of spectra, I carried out a comprehensive determination of the EIS roll angle.I also performed numerical simulations of the periodic coronal rain event.In these simulations, I computed the evolution of the plasma in the loop for different values of the heating parameters, as well as several magnetic field geometries.This allowed me to determine the heating parameters which are required to reproduce the observed behavior of this loop.By analyzing these simulations, I was also able to understand how the asymmetry of the loop and of the heating determine the minimum temperature of the plasma flows which form during thermal non-equilibrium cycles.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer et de caractériser diverses sources de neutres réactifs destinées à des études fondamentales des interactions plasmas-surfaces. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une vaste étude de la physique des interactions plasmas-parois mises en jeu dans les procédés de gravure par plasma des matériaux de pointe. Une revue de la littérature scientifique sur les diverses méthodes permettant de générer des faisceaux de neutres réactifs nous a permis de sélectionner deux types de sources. La première, une source pyrolitique, a été caractérisée par spectrométrie de masse en utilisant le C2F6 comme molécule mère. Nous avons montré que le C2F6 était dissocié à plus de 90% à 1000ºC et qu’il formait du CF4, lui-même dissocié en CF2 vers 900ºC. Ces résultats ont été validés à l’aide d’un modèle basé sur des calculs d’équilibres chimiques, qui a aussi prédit la formation de F à 1500ºC. La seconde source, un plasma entretenu par une onde électromagnétique de surfaces, a été caractérisée par spectroscopie optique d’émission et par interférométrie haute fréquence. Dans le cas du plasma d’argon créé par un champ électromagnétique (>GHz), nos travaux ont révélé une distribution en énergie des électrons à trois températures avec Te-low>Te-high<Te-tail. Nous avons conclu que la formation d’électrons suprathermiques était liée à la génération d’instabilités de plasma au point de résonance au voisinage des parois du réacteur et à des mécanismes d’amortissement de ces instabilités de type Landau. Le même phénomène a été observé dans le plasma de Cl2, mais cet effet disparaissait pour des pressions élevées du au fait de l’amortissement collisionnel. Nous avons aussi montré que ces sources pouvaient conduire à des degrés de dissociation du Cl2 près de 100%. / The goal of this Master thesis goal is to develop and characterize different sources of reactive neutrals aimed at fundamental studies of plasma-surface interactions. This project is part of a broader study on the physics driving plasma-wall interactions during plasma etching of advanced materials. Following our literature review of the various approaches used to generate radical beams, we have selected two types of sources. The first one, a thermal cracker, was characterized by line-of-sight mass spectrometry using C2F6 as the mother. We have shown that more than 90% of the C2F6 was dissociated at 1000ºC, producing CF4 that dissociates into CF2 at temperatures close to 900ºC. These results were in good agreement with the predictions of a model based on chemical equilibrium calculations, which also predicted the formation of F radicals at 1500 ºC. The second source, a surface-wave plasma, was characterised by optical emission spectroscopy and microwave interferometry. For a high-frequency (>1GHz) argon plasmas, we have shown a three temperature electron energy distribution function with Te-low>Te-high<Te-tail. We have concluded that the formation of suprathermal electrons was linked to the generation of plasma instabilities at the resonance point near the chamber walls, and to Landau damping of these instabilities. The same phenomenon was observed in Cl2 plasma, but this effect vanished at high pressures because of collisional damping. We have shown that this type of source could produce near 100% dissociation of Cl2, depending on operating conditions.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer et de caractériser diverses sources de neutres réactifs destinées à des études fondamentales des interactions plasmas-surfaces. Ce projet s’inscrit dans le cadre d’une vaste étude de la physique des interactions plasmas-parois mises en jeu dans les procédés de gravure par plasma des matériaux de pointe. Une revue de la littérature scientifique sur les diverses méthodes permettant de générer des faisceaux de neutres réactifs nous a permis de sélectionner deux types de sources. La première, une source pyrolitique, a été caractérisée par spectrométrie de masse en utilisant le C2F6 comme molécule mère. Nous avons montré que le C2F6 était dissocié à plus de 90% à 1000ºC et qu’il formait du CF4, lui-même dissocié en CF2 vers 900ºC. Ces résultats ont été validés à l’aide d’un modèle basé sur des calculs d’équilibres chimiques, qui a aussi prédit la formation de F à 1500ºC. La seconde source, un plasma entretenu par une onde électromagnétique de surfaces, a été caractérisée par spectroscopie optique d’émission et par interférométrie haute fréquence. Dans le cas du plasma d’argon créé par un champ électromagnétique (>GHz), nos travaux ont révélé une distribution en énergie des électrons à trois températures avec Te-low>Te-high<Te-tail. Nous avons conclu que la formation d’électrons suprathermiques était liée à la génération d’instabilités de plasma au point de résonance au voisinage des parois du réacteur et à des mécanismes d’amortissement de ces instabilités de type Landau. Le même phénomène a été observé dans le plasma de Cl2, mais cet effet disparaissait pour des pressions élevées du au fait de l’amortissement collisionnel. Nous avons aussi montré que ces sources pouvaient conduire à des degrés de dissociation du Cl2 près de 100%. / The goal of this Master thesis goal is to develop and characterize different sources of reactive neutrals aimed at fundamental studies of plasma-surface interactions. This project is part of a broader study on the physics driving plasma-wall interactions during plasma etching of advanced materials. Following our literature review of the various approaches used to generate radical beams, we have selected two types of sources. The first one, a thermal cracker, was characterized by line-of-sight mass spectrometry using C2F6 as the mother. We have shown that more than 90% of the C2F6 was dissociated at 1000ºC, producing CF4 that dissociates into CF2 at temperatures close to 900ºC. These results were in good agreement with the predictions of a model based on chemical equilibrium calculations, which also predicted the formation of F radicals at 1500 ºC. The second source, a surface-wave plasma, was characterised by optical emission spectroscopy and microwave interferometry. For a high-frequency (>1GHz) argon plasmas, we have shown a three temperature electron energy distribution function with Te-low>Te-high<Te-tail. We have concluded that the formation of suprathermal electrons was linked to the generation of plasma instabilities at the resonance point near the chamber walls, and to Landau damping of these instabilities. The same phenomenon was observed in Cl2 plasma, but this effect vanished at high pressures because of collisional damping. We have shown that this type of source could produce near 100% dissociation of Cl2, depending on operating conditions.

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de développer des outils de diagnostics non-invasifs et de caractériser in-situ les dérives de procédé dans un réacteur industriel utilisé en production pour la gravure profonde du silicium par le procédé Bosch. Ce dernier repose sur l’alternance d’un plasma de SF6 pour la gravure isotrope du Si et d’un plasma de C4F8 pour la passivation des parois dans l’optique d’obtenir des tranchées profondes et étroites. Dans un premier temps, nous avons installé une sonde courant-tension sur la ligne de transmission du signal rf au porte-substrat pour l’étude de son impédance caractéristique et un spectromètre optique pour l’étude de l’émission optique du plasma. Nos travaux ont montré que l’évolution temporelle de l’impédance constitue un excellent moyen pour identifier des changements dans la dynamique du procédé, notamment une gravure complète de la photorésine. De plus, à partir des spectres d’émission, nous avons pu montrer que des produits carbonés sont libérés du substrat et des parois lors de l’alternance passivation/gravure et que ceux-ci modifient considérablement la concentration de fluor atomique dans le plasma. Dans un second temps, nous avons développé un réacteur à « substrat-tournant » pour l’analyse in-situ des interactions plasma-parois dans le procédé Bosch. Nos travaux sur ce réacteur visaient à caractériser par spectrométrie de masse l’évolution temporelle des populations de neutres réactifs et d’ions positifs. Dans les conditions opératoires étudiées, le SF6 se dissocie à près de 45% alors que le degré de dissociation du C4F8 atteint 70%. Le SF6 est avant tout dissocié en F et SF3 et l’ion dominant est le SF3+ alors que le C4F8 est fragmenté en CF, CF3 et CF4 et nous mesurons plusieurs ions significatifs. Dans les deux cas, la chaîne de dissociation demeure loin d’être complète. Nous avons noté une désorption importante des parois de CF4 lors du passage du cycle de passivation au cycle de gravure. Un modèle d’interactions plasmas-parois est proposé pour expliquer cette observation. / The purpose of this master thesis is to develop non-invasive diagnostic tools for in-situ characterization of process drifts in an industrial reactor used in production for deep silicon etching by the Bosch process. This process alternates between a SF6 plasma for isotropic Si etching and a C4F8 plasma for sidewall passivation to achieve deep and narrow trenches. In this context, a current-voltage probe was installed on the rf transmission line to the substrate holder for impedance studies and an optical spectrometer for plasma optical emission spectroscopy. We have shown that the time evolution of the impedance represents an excellent tool for monitoring changes in the process dynamics, including the complete removal of the photoresist due to process drifts. In addition, based on emission spectroscopy, we have demonstrated that carbon products are released from the substrate and reactor walls during etching. A « spinning-wall » reactor was also developed for in-situ analysis of plasma-wall interactions. The main objective of our work on this reactor was to characterize the time evolution of the population of reactive neutrals and positive ions by plasma sampling mass spectrometry. Over the range of experimental conditions investigated, the percent dissociation of SF6 was 45%, while the one of C4F8 was 70%. SF6 was mostly dissociated in F and SF3, with SF3+ as the dominant ion. C4F8 is essentially fragmented in CF, CF3 and CF4 with many significant ions. In both cases, the dissociation chain remained incomplete. An important desorption of CF4 from the reactor walls was observed when going from passivation to etching cycles. A plasma-wall interaction model was proposed to explain such observation.