Réacteurs plasma

Données techniques du banc :

URANOS TAPIIR
Excitation plasma RF 13.56 MHz RF 13.56 MHz
Gaz N2, O2, H2, Ar, CH4 N2, O2, H2, Ar, CH4
Pression de travail 0.1 à 100 µb 0.1 à 10 µb 
Température de traitement 150 à 950 °C 150 à 950 °C
Polarisation de l’échantillon  Potentiel flottant  8 à 40 kV pulsée
Dimensions des échantillons 100 x 100 x 200 cm3 ; 1 kg Ø = 30 mm x L = 200 mm

Présentation du banc :

Réacteur d’implantation en immersion plasma TAPIIR

Les réacteurs de traitement de surface URANOS (Unité de Réaction Activée pour la Nitruration et l’Oxydation des Surfaces) et TAPIIR (Thermally Assisted Plasma Ion Implantation Reactor) ont pour objectif de modifier les propriétés de surface des matériaux par incorporation d’éléments chimiques dans le substrat. Le but est d’obtenir des propriétés de surface spécifiques, tribologiques par exemple, tout en conservant les propriétés du matériau de cœur. Dans les deux réacteurs, les échantillons sont immergés dans un plasma froid contenant les espèces chimiques que l’on souhaite incorporer au substrat. Dans le réacteur URANOS, l’échantillon est placé au potentiel flottant qui se situe quelque dizaines de volts seulement en dessous du potentiel du plasma. Cela permet de bénéficier de la très forte réactivité du milieu, en particulier des radicaux libres présents dans le plasma, tout en limitant l’énergie des ions incidents et donc la pulvérisation de la surface des échantillons. Les caractéristiques finales de la zone modifiée sont déterminées par trois facteurs principaux :

  • La réactivité de surface, qui détermine le taux d’incorporation des espèces chimiques et est grandement augmentée par l’utilisation des plasmas
  • La température de traitement, qui influence un peu la réactivité et détermine la vitesse de diffusion des espèces dans le substrat et la nature des composés obtenus
  • Le temps de traitement, qui permet d’ajuster l’épaisseur de la couche modifiée

Le réacteur TAPIIR présente les mêmes caractéristiques de base auxquelles vient s’ajouter la possibilité de polariser l’échantillon à une tension négative de plusieurs dizaines de kV. Il en résulte deux effets majeurs :

  • L’implantation d’espèces en sub-surface, i .e. quelques dizaines de nanomètres
  • Une modification profonde de la surface, jusqu’à l’amorphisation, qui augmente sa réactivité

Cela permet l’incorporation d’espèces très peu ou pas réactives comme par exemple des gaz rares.

Exemples de résultats :

Substrat

Echantillon nitruré

 

Mise en évidence de la rotation des grains au cours de la nitruration d’un acier inoxydable austénitique (analyse EBSD)

 

Profils d’azote obtenus par SDL dans des alliages CoCrMo traités à 400°C (a) par PBII et (b) au potentiel flottant. Influence de l’activation plasma, de la composition du gaz et de l’énergie des ions.

 

Profils d’azote obtenus par SDL dans des alliages CoCrMo traités à 400°C (a) par PBII et (b) au potentiel flottant. Influence de l’activation plasma, de la composition du gaz et de l’énergie des ions.