Diagnostic de la décharge plasma

5.1.1. Appareil et paramètres de mesure

Le principe de la technique a déjà été exposé au cours du Chapitre II (section 3.2.1). Les mesures spectroscopiques ont été effectuées à l’aide d’un spectrophotomètre UV-Visible SpectruMM Spectrapro 500i équipé d’un détecteur matriciel à transfert de charges (CDD) de 1024x128 photodiodes. L’émission du plasma est recueillie à travers une fibre optique en silice de 200 µm de diamètre et de 47° d’angle d’acceptance (Sedi Fibres Optiques). La fibre a été placée sur un support en Teflon et l’ensemble fibre- réacteur est recouvert par un tissu noir afin de réduire au minimum la lumière ambiante parasite. Le spectrophotomètre a une distance focale de 0,5 m et il est équipé de trois réseaux d’analyse différents :

1) 150 traits/mm (extension spectrale : ∆λ = 300-400 nm), 2) 1200 traits/mm (extension spectrale : ∆λ = 35-400 nm), 3) 3600 traits/mm (extension spectrale : ∆λ = 2,5-400 nm).

Ces réseaux permettent de diffracter la lumière collectée par la fibre optique. Au cours de l’étude, le réseau à 1200 traits/mm a été utilisé afin de couvrir une large zone de longueurs d’onde.

Le rayonnement émis par le plasma est ensuite analysé par un contrôleur SpectruMM destiné à la spectroscopie à haute performance rapide qui assure la conversion du signal de l’analogique au numérique, ainsi que le transfert des données à la vitesse d’un mégapixel par seconde. L’ensemble est piloté par un ordinateur équipé d’une carte d’acquisition et d’un logiciel (Princeton Instrument’s Spectrasense) permettant de visualiser et d’emmagasiner les spectres obtenus sous forme d’une matrice de 128 lignes par 1024 colonnes.

Avant d’effectuer toute mesure, un étalonnage en longueur d’onde a été effectué à l’aide de lampes spectrales à basse pression (mercure et argon). Les mesures ont été effectuées en balayant sur un intervalle de longueurs d’ondes comprises entre 300 et 900 nm, et en utilisant des temps d’acquisition d’une seconde pour chaque spectre. Les spectres présentés sont le résultat de la moyenne de 10 acquisitions pour chaque condition de traitement.

5.1.2. Caractérisation énergétique de la décharge : détermination de la température électronique

Afin d’évaluer le caractère énergétique des électrons présents au sein de la décharge, la méthode élaborée par Ricard et al. a été retenue [18]. Cette méthode consiste à déterminer le rapport de l’intensité entre deux bandes (Figure III.6) associées aux transitions suivantes :

1) la transition (0,0) du premier système négatif de N2+ située à une longueur

d’onde λ = 391,4 nm :

N2+ (B2Σu+, υ’ = 0) → N2+ (X2Σg+, υ’’ = 0),

2) et la transition (2,5) du second système positif de N2 située à une longueur

d’onde λ = 394,3 nm

0,00E+00 3,00E+03 6,00E+03 9,00E+03 1,20E+04 1,50E+04 388 390 392 394 396 398 Longuer d'onde (nm) In te n s it é ( u .a .)

Figure III.6: Bandes d’émission utilisées pour le calcul de la

température électronique

Cette méthode peut être utilisée lorsque les deux hypothèses suivantes sont appliquées :

1) La fonction de distribution des électrons est proche d’une distribution maxwellienne.

2) Les niveaux émetteurs N2(C) et N2+(B) sont uniquement excités par impact

électronique direct à partir de l’état fondamental N2(X).

Ces hypothèses sont valables dans le cas d’un plasma à basse pression (P < 0,4 mbar). Pour des valeurs de pression supérieures, il faut tenir compte d’un facteur correctif A, causé par le quenching des états radiatifs de N2 et N2+, qui permet d’ajuster la valeur du

rapport I(N2+)/I(N2) [18]. Les valeurs du coefficient A à utiliser pour les différentes

conditions de pression sont résumées au Tableau III.4. Les valeurs de rapport I(N2+)/I(N2) peuvent être alors corrélées aux valeurs de température électronique à

l’aide de la courbe de la Figure III.7.

N2+ (0,0)

N2* (2,5)

Pression (mbar) 0,8 1,0 1,5 2,0 3,0

Coefficient de correction (A) 0,83 0,79 0,73 0,61 0,52

Tableau III.4: Valeurs du coefficient de correction à différentes

pressions utilisées pour le calcul de la température électronique [18]

Figure III.7: Evolution de la température électronique

en fonction du rapport I(N2+)/I(N2) [18]

5.2. Spectrométrie de masse

Le principe de la technique a été présenté au cours du Chapitre II (section 3.3.1). Les analyses de spectrométrie de masse ont été effectuées en utilisant un spectromètre de type quadripolaire PrismaPlus QME 200 M1 (Pfeiffer) placé dans la zone de post- décharge du réacteur plasma basse pression. Afin de limiter l’adsorption des espèces à analyser sur les parois de la tuyauterie ou leur recombinaison, la distance entre le réacteur et la chambre d’ionisation du spectromètre a été minimisée. Une vanne de fuite placée sur la ligne permet un pompage différentiel dans le spectromètre.

Dans le cas de la présente étude cet appareil a été utilisé en modalité RGA (Residual Gas Analysis). Au cours des expériences, la pression dans la chambre d’ionisation est maintenue constante à 5,0x10-6 mbar. Les électrons produits par le filament pour l’ionisation des atomes et des molécules provenant de la décharge ont une énergie de 70 eV. Le choix de la valeur d’énergie d’ionisation est justifié par le fait qu’il existe dans la littérature un grand nombre de spectres de fragmentation de composés organiques correspondant à cette valeur d’énergie d’ionisation [19].

Te (eV) I( N2 + )/ I( N2 )

Le système utilisé permet d’effectuer des enregistrements, à l’aide du logiciel QUADSTAR 422, soit en balayant toute une gamme de rapports m/z (mode Scan Bargraph), soit en suivant l’évolution du courant ionique correspondant à une certaine espèce en fonction du temps (mode MID). Dans le premier cas, le domaine de rapports m/z de 0 à 100 uma est balayé lors des acquisitions. Pour chaque mesure, dix cycles d’acquisition sont réalisés. Une intensité moyenne est calculée pour chaque rapport m/z, l’analyse mathématique et la représentation graphique de ces mesures est ensuite effectuée sur ces valeurs moyennes. Lors de l’acquisition des spectres des différentes espèces en fonction du temps (MID), la décharge plasma n’est pas initiée dès la prise de mesure. Ainsi, le spectre obtenu est composé de deux parties, avant la décharge et pendant la décharge. La durée totale de la mesure est de l’ordre de neuf minutes, dont une avant la décharge.

6. Caractérisation des dépôts