Le but de ce travail est de mettre au point une nouvelle technologie de dépôts de matériaux par voie sèche. Pour ce faire, nous avons développé, par une approche théorique et expérimentale, un nouveau procédé qui met en oeuvre la technologie de la projection thermique dans le domaine des basses pressions (inférieures à 10 hPa). Le domaine des basses pressions concerné par cette étude permet de générer de fortes enthalpies au niveau de la source thermique, à pression élevées, et de travailler à faibles pressions au niveau du substrat. Ce qui d'une part évite les contaminations chimiques (oxydation, réactions chimiques,...) dans les matériaux du dépôt et d'autre part réduit le taux de porosité et améliore l'adhérence de la couche ainsi construite. Ainsi, les propriétés physiques des dépôts obtenus s'approchent de celles des dépôts réalisés par le procédé de déposition en phase vapeur sous vide (PVD) en ayant l'avantage d'en accroître la vitesse d'obtention. Pendant ce travail, une approche théorique par des moyens de calcul (FLUENT) a permis d'étudier les conditions d'écoulement du plasma et l'effet de l'injection du matériau. Les résultats ont permis de définir un divergent de géométrie Laval adaptable à une torche classique F4VB de projection thermique sous pression réduite (VLPPS). En parallèle, une enceinte de grand volume adoptée au procédé a été conçue, réalisée et testée au sein du laboratoire. Cette enceinte, constituée d'une chambre mobile et d'une chambre fixe, est équipée d'un robot, de différents systèmes de diagnostics (thermocouples, DPV, spectromètre optique, pyromètre optique, etc.), de systèmes de refroidissement d'un porte substrat. Différents essais de matériaux métalliques ont permis de valider le concept et le procédé. Ensuite l'étude a concerné l'obtention de différents dépôts de matériaux à base de cuivre, à différentes pressions. Pour étudier les différents constituants du matériau issu de la torche, une méthode spécifique a été développée, qui permet de caractériser les phases vapeurs et solides créées de manière séparée et indépendante. Les résultats ont permis de comparer la structure des dépôts obtenus par ce procédé et par le procédé PVD, et de confirmer la possibilité d'obtention de revêtements denses ou colonnaires.

Nous avons étudié un procédé de dépôt par décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique, pour l'obtention de films organosiliciés contenant des fonctions amine. Nous avons étudié l'effet du régime dans lequel opère la décharge sur la production de certaines espèces, telles que CN et CN2. En couplant ces résultats à l'analyse des films réalisés, nous avons pu mettre en évidence le fait que dans un régime filamentaire, le précurseur est fragmenté de manière plus importante. En particulier, les liaisons Si-CH3 sont détruites. Cependant, la quantité d'azote introduite dans le film, qui dépend pour beaucoup de celle de carbone, est plus importante dans le cas d'une décharge de Townsend, et le taux de fonctions amines est plus important. Le taux d'azote dépend également de la nature du substrat. La quantité d'azote introduite dans les films est en effet supérieure dans le cas d'un dépôt sur verre. Aucune explication n'a cependant été apportée à ce phénomène. Des cratères son également apparu dans les films obtenus sur cuivre en régime filamentaire.

La gravure plasma de structures à fort rapport d'aspect dans le silicium est une étape clé dans la fabrication de microsystèmes et de composants de microélectronique de puissance. L'objectif de ce travail est de développer un procédé de gravure profonde du silicium, qui fonctionne à plus haute température de substrat que le procédé cryogénique en chimie plasma SF6/O2 et qui présente une meilleure stabilité en température et en concentration de gaz passivant(s). Dans ce but, de nouvelles voies de passivation non polymérisante ont été explorées. Nous avons évalué les possibilités de passivation par l'apport de SO2 en remplacement de O2. A température cryogénique, les propriétés de gravure sont semblables en plasma SF6/SO2 et SF6/O2 ; elles sont corrélées aux densités de neutres mesurées par spectrométrie de masse et actinométrie. La majeure partie des recherches a été consacrée à l'étude de la molécule SiCl4 comme précurseur de passivation. Nous avons au préalable analysé les interactions entre espèces générées en plasma SF6/SiCl4. Les expériences de caractérisation du plasma montrent que les réactions aux parois entre atomes F et espèces SiClx contrôlent la chimie du plasma et donc les propriétés de gravure du silicium. En mélange SF6/O2/SiCl4, ces réactions influent également sur la vitesse de gravure du substrat, mais l'ajout de SiCl4 à SF6/O2 a surtout pour effet de favoriser l'attaque chimique latérale. Nous avons finalement étudié la possibilité de former une couche de passivation par plasma SiCl4/O2 à température de substrat de -20 °C. Les résultats de cette étude permettent de proposer un nouveau procédé, basé sur l'alternance d'étapes de gravure par plasma SF6 et d'étapes de passivation par plasma SiCl4/O2.

Les méthodes de croissance de couches minces dites « pulsées » présentent certaines spécificités, notamment la présence d'espèces très énergétiques venant se déposer à la surface du substrat. L'ablation laser (PLD) est à ce jour la technique pulsée la plus connue et permet de former des couches minces de composés complexes, et d'oxydes particulièrement. Mais la méthode atteint ses limites dans le cas de cibles de matériaux peu absorbants à la longueur d'onde laser comme les semi-conducteurs à large bande interdite. L'ablation par faisceau pulsé d'électrons (PED) est une technique de croissance encore peu connue et très similaire à la PLD. L'objectif de ce travail est de maîtriser les paramètres de la PED pour obtenir des couches minces présentant un intérêt pour des applications en microélectronique. Chaque étape du processus de dépôt a fait l'objet d'une étude et d'une comparaison avec la PLD. La modélisation de l'interaction électron-matière a permis d'obtenir l'évolution de la température de la cible soumise au bombardement par les électrons. Le plasma d'ablation a été étudié en détail grâce à la spectroscopie d'émission optique et à l'imagerie rapide afin notamment de connaître l'énergie des espèces du plasma. Le matériau choisi pour ce travail est l'oxyde de zinc (ZnO). Des films minces de ZnO ont été formés par PED et l'étude montre que ces couches sont de bonne composition chimique et que la qualité cristalline des couches est équivalente aux films formés par PLD nanoseconde. Ces couches sont transparentes à plus de 80% dans le visible et assez conductrices pour imaginer des applications en tant qu'oxyde transparent conducteurs par exemple.

Nous avons étudié un procédé de dépôt par décharge à barrière diélectrique à la pression atmosphérique, pour l'obtention de films organosiliciés contenant des fonctions amine. Nous avons étudié l'effet du régime dans lequel opère la décharge sur la production de certaines espèces, telles que CN et CN2. En couplant ces résultats à l'analyse des films réalisés, nous avons pu mettre en évidence le fait que dans un régime filamentaire, le précurseur est fragmenté de manière plus importante. En particulier, les liaisons Si-CH3 sont détruites. Cependant, la quantité d'azote introduite dans le film, qui dépend pour beaucoup de celle de carbone, est plus importante dans le cas d'une décharge de Townsend, et le taux de fonctions amines est plus important. Le taux d'azote dépend également de la nature du substrat. La quantité d'azote introduite dans les films est en effet supérieure dans le cas d'un dépôt sur verre. Aucune explication n'a cependant été apportée à ce phénomène. Des cratères son également apparu dans les films obtenus sur cuivre en régime filamentaire.

Les cellules solaires en couches minces à base d'absorbeurs de type Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) représentent une technologie d'avenir à haut rendement de conversion d'énergie. Plusieurs techniques sont utilisées pour synthétiser le CIGS. La pulvérisation cathodique réactive est une technique de dépôt adaptée aux grandes surfaces offrant la possibilité d'effectuer un scale-up industriel. L'objectif de ce travail est de développer et d'optimiser un procédé alternatif hybride de co-pulvérisation/évaporation pour la synthèse du composé CIGS. Pour répondre à cet objectif, différentes études ont été réalisées afin d'assurer le contrôle des différents paramètres de dépôt. Dans un premier temps, la phase plasma a été étudiée à l'aide de la spectroscopie d'émission optique pour pouvoir établir des corrélations entre la composition des couches déposées et les espèces présentes dans le plasma. Ceci a permis d'établir des courbes d'étalonnage et de suivi in-situ de la composition et l'homogénéité de l'épaisseur des couches déposées, ainsi que de déterminer l'existence de différentes modes de pulvérisation, reliés à la température appliquée pour l'évaporation du sélénium. Dans un deuxième temps, différents absorbeurs de CIGS ont été synthétisés à partir du procédé hybride développé. Ces absorbeurs ont été déposés en une et en trois étapes pour analyser l'influence des gradients de composition sur leurs propriétés morphologiques, structurales et optoélectroniques. Un absorbeur de CIGS avec un rendement de conversion maximum de 10,4 % a été fabriqué à partir d'une séquence de dépôt en une étape. Un rendement de 9,4 % a été obtenu avec une séquence dépôt en trois étapes. / Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) thin film solar cells are a very promising technology for high efficiency energy conversion. Several techniques are used to synthesize CIGS absorbers. Magnetron reactive sputtering is an attractive deposition technique for depositing CIGS absorbers because of its potential for providing uniform coatings over large areas, thus offering the possibility for more competitive industrial scale-up. The objective of this work is to develop and optimize a hybrid alternative co-sputtering/evaporation CIGS deposition process. To meet this goal, various studies have been conducted to ensure control of the various deposition parameters. Initially, plasma was studied with Optical Emission Spectroscopy in order to establish correlations between plasma species and thin film composition, structure and morphology. This has allowed to establish in-situ calibration curves for monitoring the deposited layers composition and their homogeneity, and to determine the existence of different sputtering modes, linked to the selenium evaporation temperature. Then, different CIGS absorbers were synthesized with the stabilized hybrid process. These absorbers were deposited in one and three stages to analyze the influence of composition gradients on their morphological, structural and optoelectronic properties. A CIGS absorber giving a maximum conversion efficiency of 10.4 % was fabricated with a one step process. A 9.3 % efficiency solar cell was obtained with a three-stage deposition process.

Dans le domaine médical, l’évolution des techniques et des technologies ainsi que l’apparition de nouveaux matériaux ont favorisé le développement de dispositifs médicaux (DM) toujours plus performants et légers. Certains de ces matériaux sont difficilement stérilisables de par leur fragilité aux agents stérilisants (physiques ou chimiques). De nombreuses études ont montré l’efficacité des plasmas froids sur des souches bactériennes pathogènes mais le maintien à l’état stérile des DM fragiles et sensibles à la température reste un verrou technique à lever. Cette thèse CIFRE s’inscrit dans le cadre du projet ANR PLAS’STER. Il vise à développer un procédé industriel pouvant répondre à une certification comme stérilisateur par plasmas froids basse pression. Le caractère innovant réside en la création et au confinement d’un plasma à l’intérieur d’un sac de stérilisation assurant la préservation de l’état stérile du DM stérilisé. Une première partie a été consacrée à la caractérisation physique des décharges plasmas confinées dans le sac de stérilisation. Cette étude a permis d’identifier les espèces potentiellement bactéricides et de définir des conditions favorables à leur production. Dans un second temps, l’efficacité bactéricide du procédé a été démontrée sur des bactéries à Gram négatif et à Gram positif selon la norme EN556. En parallèle, l’étude paramétrique réalisée sur E. coli a apporté des éléments de réponse sur les mécanismes de stérilisation et a ouvert des pistes sur l’optimisation du procédé. Enfin, l’analyse post-traitement des propriétés de biomatériaux a démontré l’absence de modifications macromoléculaires et a validé la potentialité du procédé PLAS’STER comme alternative aux méthodes usuelles de stérilisation. / Standard sterilization methods such as autoclave, ethylene oxide or irradiation can affect the biocompatibility of medical devices, especially those sensitive to heat or chemicals products. Numerous studies have demonstrated the possibility to use low pressure plasmas as an alternative sterilization process: low process temperature, treatment time competitive to autoclave and without any toxic agent. However, the sterile state preservation is still a problem. In the framework of the ANR PLAS'STER project, this CIFRE thesis focus on a new sterilization process development based on low pressure cold plasmas. The innovation resides in the creation and the confinement of a plasma inside a sterilization bag, thereby ensuring the conservation of the sterile state. The first part was dedicated to the physical characterization of the plasmas discharges confined inside the bag of sterilization. Secondly, the bactericidal efficiency of the process was demonstrated on Gram negative and Gram positive bacteria according to the EN556 standard. Additional tests on E. coli lead to hypothesis on the sterilization mechanisms and opened tracks on the optimization of our process. Finally, the properties analysis of biomaterials demonstrated the absence of macromolecular modifications and validated the potentiality of the process PLAS' STER as the sterilization method alternative.

Les plasmas froids d’air à pression atmosphérique sont très utiles pour un grand nombre d’applications grâce à leur chimie hors-équilibre et leur souplesse d’utilisation. Leur intérêt réside dans la production de certaines espèces réactives ou chargées avec un coût énergétique plus avantageux que la chimie à l’équilibre. L’objectif de cette thèse est de combiner les décharges nanosecondes répétitives pulsées (NRP) avec une géométrie micrométrique. Par cette combinaison, nous souhaitons palier au chauffage excessif des étincelles qui génèrent pourtant des fortes densités d’espèces. Notre étude se concentre en trois points principaux. Dans un premier temps la phase de claquage est étudiée ; c’est pendant cette étape que l’énergie est déposée et que les espèces sont produites. La combinaison des diagnostics électriques et de spectroscopie d’émission optique montrent que l’air est presque complètement dissocié et ionisé. Ensuite, nous nous intéressons à la phase de recombinaison qui conditionne la durée de vie de ces espèces. Les résultats mettent en évidence une réaction à trois corps comme mécanisme de recombinaison principal. Et enfin, le dernier point concerne le transport des espèces vers un substrat conducteur. En lui appliquant une tension, celui-ci nous permet de générer un écoulement de vent ionique provenant de la décharge. L’écoulement est étudié par vélocimétrie d’images de particules et imagerie Schlieren. Ce travail a permis de démontrer la capacité des NRP micro-plasmas dans la production contrôlée d’espèces réactives et chargées, mais aussi dans leur transport vers une surface par panache électro-aérodynamique. / Non-thermal plasmas generated in air at atmospheric pressure have numerous potential applications due to their non-equilibrium chemistry and ease of use. Their main advantages lie in the cost-efficient production of reactive and charged species compared to that of equilibrium chemistry. The aim of this thesis is to combine nanosecond repetitively pulsed discharges (NRP) with a microscale geometry. Using this combination, we seek to reduce the excessive heat release of NRP sparks, while nonetheless reaching high densities of reactive species and electrons. This work is comprised of three main parts. Our first goal is to study the breakdown phase, in which energy is deposited and charged species are produced. We employ both electrical characterization and optical emission spectroscopy in order to show that the NRP microplasma fully ionizes and dissociates the gas. The second part consists of the study of the recombination phase, in which the produced species recombine or survive. Results show that three-body recombination can explain the electron lifetime in this phase. Finally, we study the transport of plasma chemical species from the microplasma to a DC-biased conductive plate representing a substrate. By applying a voltage to this third electrode, we drive an electro-thermal plume via an ionic wind from the microplasma to the plate. This flow is investigated mainly by particle image velocimetry as well as Schlieren imaging. This work shows the capability of NRP microplasmas to produce high densities of reactive and charged species and transport them to a surface using an electrohydrodynamic plume.

Les procédés de projection thermique permettent de fabriquer des revêtements d’une grande versatilité (métaux, céramiques, polymères ou autres composites), relativement épais (de quelques microns à plusieurs centimètres) avec une vitesse de dépôt relativement importante. Cependant des contraintes existent notamment l’impossibilité d’utiliser des précurseurs à fusion non congruente tels que les nitrures (TiN par exemple) limitant leur application industrielle (aéronautique, énergie, biomédical, etc.). Ce type de revêtement est principalement obtenu par les procédés couches minces. La projection plasma sous très basse pression (VLPPS) ouvre un potentiel pour s’affranchir de cette problématique d’obtenir des revêtements nitrures et présente en plus l’avantage d’avoir des vitesses de dépôt élevées au contraire des procédés couche mince. Pour cela, la phase liquide habituellement créée par l’injection de la poudre dans la source thermique des procédés de projection peut s’élever à l’état de vapeur du fait des conditions de très basse pression. En conséquence, des revêtements denses à microstructure lamellaire, de vapeurs condensées ou mixte sont formés. Mais encore, le matériau à l’état vapeur peut être mis en contact avec un gaz réactif (azote, oxygène, etc.) pour former un composé nitruré, oxydé.Ce travail a consisté à étudier la réalisation de revêtements céramiques oxydes et nitrures par projection plasma sous très basse pression réactive (R-VLPPS) à partir d’une poudre pure de titane. Tout d’abord, le diagnostic du jet plasma sous très basse pression (gaz plasmagène et réactif, précurseur) a été réalisé dans le but de corréler la présence des espèces détectés avec les propriétés des revêtements. Ainsi, des revêtements de nitrure et d’oxyde de titane ont été fabriqués par R-VLPPS. Les paramètres de réalisation des dépôts (distance de projection, méthode d’injection du gaz réactif) ont été analysées. Les caractéristiques mécaniques des compositions obtenues ont été déterminées. Le jet plasma a aussi été testé comme moyen de post traitement pour améliorer la proportion de phases nitrurées ou oxydées. Enfin, le mécanisme de construction des revêtements a été développé à partir des résultats expérimentaux. / Thermal spraying processes allow the manufacturing of high versatility coatings (metals, ceramics, polymers or other composites), relatively thick (from few microns to several centimeters) with a high deposition rate. However, drawbacks exist in particular the impossibility to use non-congruent fusion precursors such as nitrides (TiN for example) limiting their industrial application (aeronautics, energy, biomedical, etc.). This kind of coating is mainly obtained by thin-film processes. Very low-pressure plasma spraying (VLPPS) opens a potential to overcome this problem to obtain nitride/oxide/carbide coatings with high deposition rates unlike thin-film processes. For this purpose, the liquid phase usually generated by the particles injection into the thermal source of the spray jet can rise to the vapor state due to the conditions of the very low pressure. As a result, dense coatings with a lamellar, condensed vapors or a mix of both microstructures are manufactured. Furthermore, a reactive gas (nitrogen, oxygen, etc.) can be injected with the vapors to form oxide, nitride materials.This work consisted in studying the fabrication of oxides and nitrides ceramic coatings by reactive - very low-pressure plasma spraying (R-VLPPS) from a pure powder of titanium. Firstly, the diagnostic of the plasma jet under very low pressure (plasma and reactive gases, precursor) was carried out with the aim of correlating the presence of the detected species with the properties of the coatings. Titanium nitrides and oxides coatings were manufactured by R-VLPPS. The spraying parameters of the deposits (spraying distance, reactive gas injection method) were analyzed. The composition and the mechanical characteristics of the coatings are determined. Moreover, the plasma jet has also been tested as post-treatment process to improve the amount of nitrided or oxidized phases. Finally, the manufacturing mechanism of the coatings was developed from the experimental results.

L'extension d'échelle des procédés plasma fonctionnant à très faibles pressions est l'une des problématiques à résoudre pour leur essor au niveau industriel. Une solution consiste à distribuer uniformément des sources de plasma élémentaires dans lesquelles le plasma est produit par couplage à la résonance cyclotronique électronique (RCE). Ces sources élémentaires sont constituées d'un aimant permanent cylindrique (dipôle magnétique) disposé à l'extrémité d'une structure coaxiale d'amenée des micro-ondes. Bien que conceptuellement simple, l'optimisation de ces sources de plasma dipolaires est complexe. Elle requiert la connaissance, d'une part, des configurations de champ magnétique statique et électrique micro-onde, et, d'autre part, des mécanismes de production du plasma, dans les zones de champ magnétique fort (condition RCE), et des mécanismes de diffusion. Ainsi, une caractérisation expérimentale des domaines de fonctionnement et des paramètres plasma par sonde de Langmuir et par spectroscopie d'émission optique a été menée sur différentes configurations de sources dipolaires. Parallèlement, une première modélisation analytique a permis de calculer des champs magnétiques de configurations simples, le mouvement et la trajectoire des électrons dans ces champs magnétiques, l'accélération des électrons par couplage RCE. Ces résultats ont permis ensuite de valider la modélisation numérique des trajectoires électroniques par une méthode hybride Particle In Cell / Monte-Carlo. L'étude expérimentale a mis en évidence des domaines de fonctionnement pression/puissance très larges, entre 15 et 200 W de puissance micro-onde et depuis 0,5 jusqu'à 15 mTorr dans l'argon. L'étude des paramètres plasma a permis de localiser la zone de couplage RCE près du plan équatorial de l'aimant et de confirmer l'influence de la géométrie de l'aimant sur cette dernière. Ces caractérisations appliquées à un réacteur cylindrique utilisant 48 sources ont montré la possibilité d'atteindre au centre de l'enceinte des densités entre 1011 et 1012 cm-3 pour des pressions d'argon de quelques mTorr. La modélisation des trajectoires électroniques au voisinage des aimants indique un meilleur confinement radial pour des aimants présentant un rapport longueur/diamètre élevé. De plus, cette étude numérique confirme les résultats de l'étude expérimentale, à savoir une zone de couplage RCE près du plan équatorial et non au voisinage de l'extrémité du guide coaxial micro-onde. Enfin, ces résultats ont été appliqués avec succés à la pulvérisation assistée par plasma multi-dipolaire de cibles, permettant en particulier une usure uniforme de ces dernières.