Statistical hadronization of supercooled quark-gluon plasma

The fast simultaneous hadronization and chemical freeze-out of supercooled quark-gluon plasma, created in relativistic heavy ion collisions, can lead to the reheating of the expanding matter and to the change in a collective flow profile. We use the assumption of statistical nature of the hadronization process, and study quantitatively the freeze-out in the framework of hydrodynamical Bjorken model with different simple quark-gluon plasma equations of state.

Effect of substrate temperature on deposition rate of rf plasma-deposited hydrogenated amorphous silicon thin films

We present a study about the influence of substrate temperature on deposition rate of hydrogenated amorphous silicon thin films prepared by rf glow discharge decomposition of pure silane gas in a capacitively coupled plasma reactor. Two different behaviors are observed depending on deposition pressure conditions. At high pressure (30 Pa) the influence of substrate temperature on deposition rate is mainly through a modification of gas density, in such a way that the substrate temperature of deposition rate is similar to pressure dependence at constant temperature. On the contrary, at low pressure (3 Pa), a gas density effect cannot account for the observed increase of deposition rate as substrate temperature rises above 450 K with an activation energy of 1.1 kcal/mole. In accordance with laser‐induced fluorescence measurements reported in the literature, this rise has been ascribed to an increase of secondary electron emission from the growing film surface as a result of molecular hydrogen desorption.

Microstructure of highly oriented, hexagonal, boron nitride thin films grown on crystalline silicon by radio frequency plasma-assisted chemical vapor deposition

We present a high‐resolution electron microscopy study of the microstructure of boron nitride thin films grown on silicon (100) by radio‐frequency plasma‐assisted chemical vapor deposition using B2H6 (1% in H2) and NH3 gases. Well‐adhered boron nitride films grown on the grounded electrode show a highly oriented hexagonal structure with the c‐axis parallel to the substrate surface throughout the film, without any interfacial amorphous layer. We ascribed this textured growth to an etching effect of atomic hydrogen present in the gas discharge. In contrast, films grown on the powered electrode, with compressive stress induced by ion bombardment, show a multilayered structure as observed by other authors, composed of an amorphous layer, a hexagonal layer with the c‐axis parallel to the substrate surface and another layer oriented at random

Gas collisions and pressure quenching of the photoluminescence of silicon nanopowder grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition

The quenching of the photoluminescence of Si nanopowder grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition due to pressure was measured for various gases ( H2, O2, N2, He, Ne, Ar, and Kr) and at different temperatures. The characteristic pressure, P0, of the general dependence I(P) = I0¿exp(¿P/P0) is gas and temperature dependent. However, when the number of gas collisions is taken as the variable instead of pressure, then the quenching is the same within a gas family (mono- or diatomic) and it is temperature independent. So it is concluded that the effect depends on the number of gas collisions irrespective of the nature of the gas or its temperature.

Plasma-enhanced chemical vapor deposition of boron nitride thin films from B2H6-H2-NH3 and B2H6-N2 gas mixtures

Highly transparent and stoichiometric boron nitride (BN) films were deposited on both electrodes (anode and cathode) of a radio-frequency parallel-plate plasma reactor by the glow discharge decomposition of two gas mixtures: B2H6-H2-NH3 and B2H6-N2. The chemical, optical, and structural properties of the films, as well as their stability under long exposition to humid atmosphere, were analyzed by x-ray photoelectron, infrared, and Raman spectroscopies; scanning and transmission electron microscopies; and optical transmittance spectrophotometry. It was found that the BN films grown on the anode using the B2H6-H2-NH3 mixture were smooth, dense, adhered well to substrates, and had a textured hexagonal structure with the basal planes perpendicular to the film surface. These films were chemically stable to moisture, even after an exposition period of two years. In contrast, the films grown on the anode from the B2H6-N2 mixture showed tensile stress failure and were very unstable in the presence of moisture. However, the films grown on the cathode from B2H6-H2-NH3 gases suffered from compressive stress failure on exposure to air; whereas with B2H6-N2 gases, adherent and stable cathodic BN films were obtained with the same crystallographic texture as anodic films prepared from the B2H6-H2-NH3 mixture. These results are discussed in terms of the origin of film stress, the effects of ion bombardment on the growing films, and the surface chemical effects of hydrogen atoms present in the gas discharge.

Influence of pressure and radio frequency power on deposition rate and structural properties of hydrogenated amorphous silicon thin films prepared by plasma deposition

The influence of radio frequency (rf) power and pressure on deposition rate and structural properties of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films, prepared by rf glow discharge decomposition of silane, have been studied by phase modulated ellipsometry and Fourier transform infrared spectroscopy. It has been found two pressure regions separated by a threshold value around 20 Pa where the deposition rate increases suddenly. This behavior is more marked as rf power rises and reflects the transition between two rf discharges regimes. The best quality films have been obtained at low pressure and at low rf power but with deposition rates below 0.2 nm/s. In the high pressure region, the enhancement of deposition rate as rf power increases first gives rise to a reduction of film density and an increase of content of hydrogen bonded in polyhydride form because of plasma polymerization reactions. Further rise of rf power leads to a decrease of polyhydride bonding and the material density remains unchanged, thus allowing the growth of a-Si:H films at deposition rates above 1 nm/s without any important detriment of material quality. This overcoming of deposition rate limitation has been ascribed to the beneficial effects of ion bombardment on the a-Si:H growing surface by enhancing the surface mobility of adsorbed reactive species and by eliminating hydrogen bonded in polyhydride configurations.

Nanoparticles in SiH4-Ar plasma: Modelling and comparison with experimental data

Experimental and theoretical investigations for growth of silicon nanoparticles (4 to 14 nm) in radio frequency discharge were carried out. Growth processes were performed with gas mixtures of SiH4 and Ar in a plasma chemical reactor at low pressure. A distinctive feature of presented kinetic model of generation and growth of nanoparticles (compared to our earlier model) is its ability to investigate small"critical" dimensions of clusters, determining the rate of particle production and taking into account the influence of SiH2 and Si2Hm dimer radicals. The experiments in the present study were extended to high pressure (≥20 Pa) and discharge power (≥40 W). Model calculations were compared to experimental measurements, investigating the dimension of silicon nanoparticles as a function of time, discharge power, gas mixture, total pressure, and gas flow.

Blackbody emission under laser excitation of silicon nanopowder produced by plasma-enhanced chemical-vapor deposition

Previous results concerning radiative emission under laser irradiation of silicon nanopowder are reinterpreted in terms of thermal emission. A model is developed that considers the particles in the powder as independent, so under vacuum the only dissipation mechanism is thermal radiation. The supralinear dependence observed between the intensity of the emitted radiation and laser power is predicted by the model, as is the exponential quenching when the gas pressure around the sample increases. The analysis allows us to determine the sample temperature. The local heating of the sample has been assessed independently by the position of the transverse optical Raman mode. Finally, it is suggested that the photoluminescence observed in porous silicon and similar materials could, in some cases, be blackbody radiation

Gas collisions and pressure quenching of the photoluminescence of silicon nanopowder grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition

The quenching of the photoluminescence of Si nanopowder grown by plasma-enhanced chemical vapor deposition due to pressure was measured for various gases ( H2, O2, N2, He, Ne, Ar, and Kr) and at different temperatures. The characteristic pressure, P0, of the general dependence I(P)=I0exp(-P/P0) is gas and temperature dependent. However, when the number of gas collisions is taken as the variable instead of pressure, then the quenching is the same within a gas family (mono- or diatomic) and it is temperature independent. So it is concluded that the effect depends on the number of gas collisions irrespective of the nature of the gas or its temperature

Élaboration d’un simulateur de gravure par plasma de haute densité basé sur une approche cellulaire pour l’étude de profils dans divers matériaux

La réalisation de dispositifs à des dimensions sous-micrométriques et nanométriques demande une maîtrise parfaite des procédés de fabrication, notamment ceux de gravure. La réalisation des ces dispositifs est complexe et les exigences en termes de qualité et de géométrie des profils de gravure imposent de choisir les conditions opératoires les mieux adaptées. Les simulations de l'évolution spatio-temporelle des profils de gravure que nous proposons dans cette thèse s'inscrivent parfaitement dans ce contexte. Le simulateur que nous avons réalisé offre la possibilité de mieux comprendre les processus qui entrent en jeu lors de la gravure par plasma de profils dans divers matériaux. Il permet de tester l'influence des paramètres du plasma sur la forme du profil et donc de déterminer les conditions opératoires optimales. La mise au point de ce simulateur s'appuie sur les concepts fondamentaux qui gouvernent la gravure par plasma. À partir de l'état des lieux des différentes approches numériques pouvant être utilisées, nous avons élaboré un algorithme stable et adaptable permettant de mettre en évidence l'importance de certains paramètres clés pour la réalisation de profils de gravure par un plasma à haute densité et à basse pression. Les capacités de cet algorithme ont été testées en étudiant d'une part la pulvérisation de Si dans un plasma d'argon et d'autre part, la gravure chimique assistée par les ions de SiO2/Si dans un plasma de chlore. Grâce aux comparaisons entre profils simulés et expérimentaux, nous avons montré l'importance du choix de certains paramètres, comme la nature du gaz utilisé et la pression du plasma, la forme initiale du masque, la sélectivité masque/matériau, le rapport de flux neutre/ion, etc. Nous avons aussi lié ces paramètres à la formation de défauts dans les profils, par exemple celle de facettes sur le masque, de parois concaves, et de micro-tranchées. Enfin, nous avons montré que le phénomène de redépôt des atomes pulvérisés entre en compétition avec la charge électrique de surface pour expliquer la formation de profils en V dans le Pt pulvérisé par un plasma d'argon.

Étude critique de la densité électronique et des températures (excitation et ionisation) d'un plasma d'aluminium induit par laser

La caractérisation de matériaux par spectroscopie optique d’émission d’un plasma induit par laser (LIPS) suscite un intérêt qui ne va que s’amplifiant, et dont les applications se multiplient. L’objectif de ce mémoire est de vérifier l’influence du choix des raies spectrales sur certaines mesures du plasma, soit la densité électronique et la température d’excitation des atomes neutres et ionisés une fois, ainsi que la température d’ionisation. Nos mesures sont intégrées spatialement et résolues temporellement, ce qui est typique des conditions opératoires du LIPS, et nous avons utilisé pour nos travaux des cibles binaires d’aluminium contenant des éléments à l’état de trace (Al-Fe et Al-Mg). Premièrement, nous avons mesuré la densité électronique à l’aide de l’élargissement Stark de raies de plusieurs espèces (Al II, Fe II, Mg II, Fe I, Mg I, Halpha). Nous avons observé que les densités absolues avaient un comportement temporel différent en fonction de l’espèce. Les raies ioniques donnent des densités électroniques systématiquement plus élevées (jusqu’à 50 % à 200 ns après l’allumage du plasma), et décroissent plus rapidement que les densités issues des raies neutres. Par ailleurs, les densités obtenues par les éléments traces Fe et Mg sont moindres que les densités obtenues par l’observation de la raie communément utilisée Al II à 281,618 nm. Nous avons parallèlement étudié la densité électronique déterminée à l’aide de la raie de l’hydrogène Halpha, et la densité électronique ainsi obtenue a un comportement temporel similaire à celle obtenue par la raie Al II à 281,618 nm. Les deux espèces partagent probablement la même distribution spatiale à l’intérieur du plasma. Finalement, nous avons mesuré la température d’excitation du fer (neutre et ionisé, à l’état de trace dans nos cibles), ainsi que la température d’ionisation, à l’aide de diagrammes de Boltzmann et de Saha-Boltzmann, respectivement. À l’instar de travaux antérieurs (Barthélémy et al., 2005), il nous est apparu que les différentes températures convergeaient vers une température unique (considérant nos incertitudes) après 2-3 microsecondes. Les différentes températures mesurées de 0 à 2 microsecondes ne se recoupent pas, ce qui pourrait s’expliquer soit par un écart à l’équilibre thermodynamique local, soit en considérant un plasma inhomogène où la distribution des éléments dans la plume n’est pas similaire d’un élément à l’autre, les espèces énergétiques se retrouvant au cœur du plasma, plus chaud, alors que les espèces de moindre énergie se retrouvant principalement en périphérie.

Simulation de profils de gravure et de dépôt à l’échelle du motif pour l’étude des procédés de microfabrication utilisant une source plasma de haute densité à basse pression

En lien avec l’avancée rapide de la réduction de la taille des motifs en microfabrication, des processus physiques négligeables à plus grande échelle deviennent dominants lorsque cette taille s’approche de l’échelle nanométrique. L’identification et une meilleure compréhension de ces différents processus sont essentielles pour améliorer le contrôle des procédés et poursuivre la «nanométrisation» des composantes électroniques. Un simulateur cellulaire à l’échelle du motif en deux dimensions s’appuyant sur les méthodes Monte-Carlo a été développé pour étudier l’évolution du profil lors de procédés de microfabrication. Le domaine de gravure est discrétisé en cellules carrées représentant la géométrie initiale du système masque-substrat. On insère les particules neutres et ioniques à l’interface du domaine de simulation en prenant compte des fonctions de distribution en énergie et en angle respectives de chacune des espèces. Le transport des particules est effectué jusqu’à la surface en tenant compte des probabilités de réflexion des ions énergétiques sur les parois ou de la réémission des particules neutres. Le modèle d’interaction particule-surface tient compte des différents mécanismes de gravure sèche telle que la pulvérisation, la gravure chimique réactive et la gravure réactive ionique. Le transport des produits de gravure est pris en compte ainsi que le dépôt menant à la croissance d’une couche mince. La validité du simulateur est vérifiée par comparaison entre les profils simulés et les observations expérimentales issues de la gravure par pulvérisation du platine par une source de plasma d’argon.

Étude de la cinétique et des dommages de gravure par plasma de couches minces de nitrure d’aluminium

Une étape cruciale dans la fabrication des MEMS de haute fréquence est la gravure par plasma de la couche mince d’AlN de structure colonnaire agissant comme matériau piézoélectrique. Réalisé en collaboration étroite avec les chercheurs de Teledyne Dalsa, ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant la cinétique ainsi que la formation de dommages lors de la gravure de l’AlN dans des plasmas Ar/Cl2/BCl3. Dans un premier temps, nous avons effectué une étude de l’influence des conditions opératoires d’un plasma à couplage inductif sur la densité des principales espèces actives de la gravure, à savoir, les ions positifs et les atomes de Cl. Ces mesures ont ensuite été corrélées aux caractéristiques de gravure, en particulier la vitesse de gravure, la rugosité de surface et les propriétés chimiques de la couche mince. Dans les plasmas Ar/Cl2, nos travaux ont notamment mis en évidence l’effet inhibiteur de l’AlO, un composé formé au cours de la croissance de l’AlN par pulvérisation magnétron réactive et non issu des interactions plasmas-parois ou encore de l’incorporation d’humidité dans la structure colonnaire de l’AlN. En présence de faibles traces de BCl3 dans le plasma Ar/Cl2, nous avons observé une amélioration significative du rendement de gravure de l’AlN dû à la formation de composés volatils BOCl. Par ailleurs, selon nos travaux, il y aurait deux niveaux de rugosité post-gravure : une plus faible rugosité produite par la présence d’AlO dans les plasmas Ar/Cl2 et indépendante de la vitesse de gravure ainsi qu’une plus importante rugosité due à la désorption préférentielle de l’Al dans les plasmas Ar/Cl2/BCl3 et augmentant linéairement avec la vitesse de gravure.

Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.