Modélisation de la cinétique chimique dans les plasmas inductifs - Application aux procédés

Abstract

L'élaboration d'outils de modélisation spécifiques aux plasmas inductifs, utilisés au développement et à l'optimisation de procédés, apparaît aujourd'hui indispensable. Dans une application telle que la purification de silicium photovoltaïque, les outils actuels ne permettent pas de comprendre les spécificités qu'apporte le plasma et ne permettent donc pas l'optimisation du procédé. On se propose, dans cette thèse, de développer un tel outil et de l'appliquer au procédé de purification de silicium par plasma disponible au laboratoire. En fait, l'équilibre chimique (EC), souvent supposé comme première approximation dans la modélisation des procédés plasma thermique, ne permet pas toujours d'expliquer les résultats expérimentaux, notamment dans l'environ direct d'une paroi ou d'une surface placée sous le jet plasma. Un outil numérique permettant l'analyse des effets liés à la cinétique chimique dans les plasmas inductifs (ICP) à pression atmosphérique, a été développé sous FLUENT. Un soin particulier a été pris pour calculer les propriétés du mélange à partir de la théorie de Chapman-Enskog. La génération du plasma et la turbulence ont également été modélisés. Les premiers résultats montrent que l'hypothèse de l'EC est valide au sein du plasma, mais pas dans la zone interfaciale entre le plasma et la cible où un large écart à l'EC a été prédit. Par ailleurs, un volet expérimental, composé d'une étude spectroscopique d'une torche ICP et d'une étude globale de la cinétique au travers l'attaque d'une cible graphite par un plasma Ar-O2, a également été mené en parallèle, pour donner une première base quant à la validité du modèle numérique. Cette approche"procédé" a permis de mettre en évidence la plus haute réactivité du plasma par rapport à un simple jet de gaz froid. Le modèle numérique apporte une explication en prédisant une plus grande quantité de radicaux libre près de l'interface que ce qu'on aurait si l'EC était respecté. Finalement, il ressort que l'étude d'un procédé plasma chimiquement actif à l'aide d'un modèle à l'équilibre chimique n'est acceptable qu'en toute première approximation.