La décharge luminescente comme outil analytique

La décharge luminescente comme outil analytique

Méthodologie de la mesure

Nous avons mesuré l’évolution de la tension de décharge en fonction de la puissance fournie au plasma « PP » à différentes pressions d’argon dans le réacteur. Ces mesures ont été effectuées pour un ensemble de matériaux conducteurs. Les matériaux ont été choisis de telle sorte qu’ils représentent une large gamme du coefficient d’émission d’électrons secondaires γ. Cette expérience a été effectuée dans les deux modes d’excitation de la décharge: DC et RF. Le spectromètre commercial rf-GD-OES « JY RF-5000 » (Horiba Jobin Yvon, Longjumeau, France) au laboratoire «EMPA» (Thun, Suisse) a été utilisé pour cette série d’expériences. Le diamètre intérieur de l’«anode» était de 4mm. La puissance électrique, en DC comme en RF, est fournie directement à l’échantillon (« la cathode »)I . Nous avons choisi une gamme de pressions de travail allant de 200 Pa à 1000 Pa, car cette gamme couvre les pressions standards utilisées lors de l’analyse par GD. La puissance électrique est calculée en utilisant l’équation.II.1: P=V⋅I Equation.II. 1. où P est la puissance électrique, V la différence de potentiel et I le courant électrique. On peut associer l’équation.II.1 avec la loi d’Ohm ( V =R⋅I ) pour obtenir: V 2=R⋅P Equation.II. 2. Si la résistance du plasma était constante, cette équation (associant V2 et P) décrirait simplement une droite passant par l’origine (y = mx) où R serait la pente de cette droite. Ceci n’est pas le cas pour une décharge luminescente1 car il faut une tension minimale de maintien de décharge. En dessous de cette tension le gaz n’est pas ionisé et aucun courant ne circule. Le choix original de présenter les résultats de mesure sous la forme de V2 = f(Pp) au lieu de V = f(I) est motivé par plusieurs raisons: • dans le cas de la décharge RF, le courant de décharge n’est pas seulement difficile à mesurer, en particulier dans un instrument commercial dédié à l’analyse, car le signal utile est noyé dans un fort courant de déplacement lié à la nature capacitive de la décharge RF ; • il est aussi fortement anharmonique et présente plusieurs composantes telles que : ◦ le courant de déplacement dû à la variation spatiale de la gaine, ◦ le courant ionique, ◦ le courant électronique. • Les courbes V-I sont en général fortement non linéaires. Il est alors difficile d’en extraire un paramètre permettant la comparaison entre différents matériaux. Il s’avère en revanche que les courbes V2 = f(Pp) sont plus facilement paramétrables et par conséquent plus facile à comparer entre elles. • L’expression de résultats de mesure sous la forme de V2 = f(Pp) permet d’interpréter les résultats en termes de « facilité d’injection » de la puissance dans la décharge. • Définir « un courant » RF comparable au courant d’une décharge DC. A chaque matériau correspond une courbe V 2 = f(Pp) particulière. Cette courbe dépend aussi de la pression de gaz plasmagène. Pour comparer les différentes courbes obtenues entre elles, nous avons défini une « Impédance Effective »:

Procédure en mode DC

Le générateur de tension continue (« Fug Elektronik GmbH », type: MCP 700-1250), utilisé pour l’expérience, peut délivrer une tension (V0) maximale de 1250 V et un courant (I ) maximal de 500 mA. Un ballast de 4 kOhms (R voir Figure.II.1) a été mis en série avec la décharge pour protéger le générateur. Impédance de la source varie entre 0 V et 1000 V. Le courant maximum utilisé est de 70 mA. Dans le cas d’une décharge DC, la puissance électrique délivrée au plasma, Pp , est donnée par : Pp=V p⋅I=(V 0−R⋅I )⋅I Equation.II. 5. La puissance délivrée au plasma est donc dans la gamme de 0 ÷ 70W.

Procédure en mode RF

Mesure de la tension

Le générateur de puissance RF utilisé pour cette expérience (Hilight, Advanced Energy) peut délivrer une puissance maximale de 300 W. Un système d’adaptation automatique d’impédance (Advanced Energy-montage en « L »)5 est utilisé pour adapter l’impédance du réacteur à l’impédance de sortie du générateur. Le mode d’excitation par radiofréquence ne permet pas d’accéder facilement aux paramètres externes de la décharge (courant, tension). Le courant de décharge est difficilement accessible , car il est superposé à un fort courant de déplacement dû à la capacité de la source. Figure.II. 1. Schéma du dispositif expérimental pour le mode DC. Impédance de la source Chapitre II. La tension appliquée à la cathode est accessible à la mesure directe. Elle présente deux composantes, une continue « Vdc » et une alternative « Vrf sin (ωt) » respectivement (Equation.II.6). V =−V dc+V rf sin(ω⋅t) Equation.II. 6. avec ω fréquence d’excitation. La composante continue, Vdc , est constante entre la sortie du système d’adaptation d’impédance et l’échantillon. L’endroit de la prise de mesure n’a pas d’influence sur le résultat de la mesure. Dans le dispositif expérimental utilisé, la sonde mesurant le Vdc est intégrée dans le système d’adaptation d’impédance (Model VM700A-JY, Advanced Energy, USA), à l’intérieur du blindage (cage de Faraday) de celui-ci. Elle ne perturbe pas le bon fonctionnement du système. La sonde emploie un diviseur de tension classique, associant en série une inductance et une résistance. La composante alternative Vrf varie le long de la ligne d’alimentation. Elle est notamment différente à la sortie du système d’adaptation d’impédance et sur l’échantillon. Elle doit donc, pour être représentative, être mesurée au plus prés de la cathode, ce qui peut perturber facilement le couplage de la puissance dans le plasma, car cette partie de la ligne d’alimentation comporte le plus souvent des composants mobiles (de manière à permettre l’analyse d’échantillons de tailles et formes variées). Pour les applications analytiques toutefois, la décharge est utilisée en mode abnormal. Dans ces conditions la tension d’auto-polarisation est seulement légèrement plus faible que l’amplitude de la composante oscillatoire de la tension alternative . La valeur efficace de la tension d’alimentation de la décharge (Equation.II. 7) est, dans ces conditions, proportionnelle à la tension d’auto-polarisation : V eff =√V dc 2 +1/2⋅Vrf 2≈√3/2⋅V dc Equation.II. 7. Nous avons donc choisi la tension d’auto-polarisation de la décharge RF comme équivalent de la tension de décharge, à la fois pour des raisons de facilité de mesure dans un instrument dédié à l’analyse et parce qu’elle détermine l’énergie moyenne des ions bombardant la surface de l’échantillon

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. La GD-OES comme technique d’analyse4
Introduction
I.1.Présentation de la technique d’analyse
I.1.1.Points forts de la GD-OES
I.1.2.Limitations de la GD-OES
I.1.3.Importance de la GD-OES
I.1.4.Brève histoire de la GD-OES
I.1.5.Marché de la GD-OES et domaines d’applications
I.2.Principe de fonctionnement de la GD-OES
I.2.1.Régime de fonctionnement de la décharge en GD-OES
I.2.2.La source
I.2.2.1.Sources DC et RF
I.2.3.Pulvérisation cathodique
I.2.4.Grandeurs externes
I.3.Couplage source/spectromètres
I.3.1.Couplage avec le(s) Spectromètre(s) Optique(s
I.3.2.Couplage avec le Spectromètre de Masse (MS)
I.4.Quantification des Résultats
I.4.1.Influence de la Tension, du Courant et de la Pression sur la quantification
I.4.2.Le taux d’émission d’électrons secondaires
Conclusion
Références

Chapitre II. Impédance de la source
Introduction
II.1.Méthodologie de la mesure
II.1.1.Procédure en mode DC
II.1.2.Procédure en mode RF
II.1.2.1.Mesure de la tension
II.1.2.2.Mesure de la puissance perdue
II.1.2.3.Mesure de la puissance injectée dans le plasma
II.2.Lien entre gamma et le couplage de la puissance
II.2.1.Couplage en mode D
II.2.2.Couplage en mode RF
II.3.Variation de l’impédance avec la pression
Conclusion
Références
Chapitre III. Le taux d’émission d’électrons secondaires à la cathode
Introduction
III.1.Définition de « gamma »
III.1.1.Gamma ionique
III.1.2.Gamma atomique
III.1.3.Gamma photonique
III.1.4.Gamma électronique
III.1.5.Gamma effectif
III.1.5.1.Étude paramétrique : influence des paramètres alpha et gamma sur la courbe
de Paschen
III.1.6.Discussion des résultats
III.2.Dispositif expérimental
III.2.1.Mécanique
III.2.2.Vide
III.2.3.Électronique
III.2.4.Automatisation
III.2.5.Détermination de gamm
III.3.Résultats
III.3.1.Résultats préliminaires
III.3.2.Résultats avec dispositif automatisé permettant un grand nombre de claquages
III.3.2.1.Dérives
III.3.2.2.Influence de alpha
III.3.2.3.Influence du nettoyage par plasma
Conclusion / Discussion
Références
Chapitre IV. Validation et application :étude d’un matériau complexe en couche mince
Introduction
IV.1.Caractéristiques et fabrication du LiPON
IV.1.1.Méthode de dépôt du LiPON
IV.1.1.1.Précurseurs utilisés6
IV.1.2.Problématiques induites par le procédé8
IV.1.3.Réponse à la problématique8
IV.2.Mise au point de la méthodologie d’analyse0
IV.2.1.Optimisation des paramètres analytiques0
IV.2.1.1.Choix des paramètres pour l’analyse des couches LiPON
IV.2.2.Optimisation avec un dépôt de composition chimique connue
IV.2.2.1.Mesures à basse température
IV.2.2.2.Impédance du LiPON
IV.3.Analyse du LiPON déposées par PECVD
IV.4.Quantification des mesures GD-OES0
IV.4.1.Étalonnage
IV.4.1.1.Échantillons choisis pour l’étalonnage
IV.4.2.Résultats de quantification
Conclusions et perspectives
Références
Annexe A.I. Techniques d’analyse de
surface
A.I.1.Techniques concurrentes
A.I.1.1.XPS (Spectrométrie de Photo-électrons X) ou ESCA (Spectrométrie d’ Electrons
pour Analyses Chimiques)
A.I.1.1.1.Principe physique
A.I.1.1.2.Informations fournit par la technique
A.I.1.1.3.Applications
A.I.1.2.AES (Spectrométrie d’Electrons Auger)
A.I.1.2.1.Principe physique
A.I.1.2.2.Informations fournit par la technique
A.I.1.2.3.Applications
A.I.1.3.RBS (Spectrométrie de rétrodiffusion Rutherford)
A.I.1.3.1.Principe physique
A.I.1.3.2.Informations fournit par la technique
A.I.1.3.3.Applications
A.I.1.4.SIMS
(Spectroscopie de Masse d’Ions Secondaires)
A.I.1.4.1.Principe physique
A.I.1.4.2.Informations fournit par la technique
A.I.1.4.3.Applications
Références
Annexe A.II. La géométrie de la décharge
A.II.1.Géométrie de la décharge
A.II.1.1.La gaine cathodique
A.II.1.2.Région luminescente
négative
A.II.1.3.La colonne positive
A.II.1.4.La gaine anodique
Références
Annexe A.III Matériaux utilisées pour la détermination de l’impédance en DC-GDOES et en RF-GDOES
Conclusion générale
Liste des publications