Etude Expérimentale et Simulation Numérique de l’Effet des Paramètres Opératoires sur le Processus du Dépôt de Diamant

Abstract

Ce travail s’intéresse à la croissance des films de diamant par la technique du dépôt chimique en phase vapeur assisté par un plasma microonde (MPACVD) dont la fréquence est 2,45 GHz à partir de mélanges gazeux constitués de 1% du méthane CH4 contre 99% d’hydrogène H2. L’ajout de CH4 ne modifie que légèrement la température du mélange, alors cette modélisation numérique focalise l’étude des effets de paramètres essentiels tels que la position du substrat, la pression du mélange gazeux et la puissance incidente sur les caractéristiques physicochimiques d’un plasma micro-onde d’hydrogène pur à basse pression. Le modèle utilisé est un modèle fluide de dérive-diffusion développé sous COMSOL Multiphysics basé sur l’application de la méthode des éléments finis. Cette étude numérique a pour objectif la résolution d’un système d’équations composé de l’équation de continuité, équation de l’énergie des électrons couplées avec l’équation de Poisson. Le comportement physique de la décharge MPACVD, en particulier la densité du plasma, l’uniformité de la décharge ainsi que le volume de la décharge, est simulé et analysé. Les résultats obtenus s'avèrent en accord avec les mesures expérimentales et montrent que ce type de modèle nous permet de mieux comprendre les processus physiques intervenant dans ce type de réacteur à micro-ondes afin d’optimiser ce dispositif.

Microwave plasma assisted chemical vapor deposition (MPACVD) of diamond layers whose frequency is 2,45 GHz, have been obtained using a 1% of methane CH4 with 99% of hydrogen H2. The addition of CH4 has a slight effect on the CH4/ H2 mixture temperature, so this numerical modeling focuses a study of the effects of the main experimental parameters such as: the substrate position, the gas pressure and the incident power on the physicochemical characteristics of hydrogen microwave plasma at low pressure. This present model is a drift diffusion model developed under COMSOL Multiphysics using the finite element method. The governing equations consist of the continuity equation of electron in drift-diffusion approximation, as well as the energy equation of electron, coupled with the Poisson equation for self-consistent electric field. The physical behavior of the MPACVD discharge, such as plasma density, discharge’s uniformity and plasma volume, are simulated and analyzed. The obtained results turn out to be in agreement with previous measurements and show that this kind of model can lead to a better understanding of the physical processes occurring in this kind of microwave reactor and thus allow optimization of this device.