Mesure dynamique du pompage

L'activation des échantillons getters par traitements thermiques successifs ne permet pas d'apprécier les aspects dynamiques du pompage. En eet, les mesures de pression sont réalisées à température ambiante, à l'issue de chacun des traitements thermiques. L'analyse dynamique du pompage nécessite la mesure continue de la pression au sein de l'ampoule, au cours de l'activation des getters. Le banc expérimental d'analyse dynamique du pompage est mis en place à cet eet. Il autorise la mise en ÷uvre de traitements thermiques spéciques sur les échantillons en ampoule, tout en maintenant la bille d'acier inoxydable accessible à la tête de mesure de la jauge SRG-2. Par la même occasion, grâce au maintien de la bille métallique hors de la zone de chaue (démontré ci-après), il permet de s'aranchir de l'eet de dégazage de H2 par le métal, mis en lumière précédemment.

Une photographie et un schéma fonctionnel du banc d'analyse dynamique du pompage sont représentés sur la gure 3.12. Celui-ci se compose d'un four tubulaire de diamètre interne 14 mm et de longueur chauante 10 cm. L'alimentation est pilotée par le biais d'un

(a) photo (b) schéma

contrôleur Watlow. La mesure de la température est réalisée à l'aide d'un thermocouple K, xé à l'ampoule "I-bille". Seule la partie de l'ampoule contenant l'échantillon à caractériser est insérée dans le four. La bille métallique demeure ainsi à quelque 5 cm de la zone chauée, permettant la mise en place de la tête de mesure de la jauge de pression. La bille métallique se situant dans la partie de l'ampoule à l'extérieur du four tubulaire, il est possible de montrer que le gaz à son niveau demeure à la température ambiante.

La gure 3.13(a) présente un schéma thermique de l'ampoule. Celle-ci est modélisée par un tube de verre, clos à chaque extrémité, de rayon interne ri = 3mm et de rayon

externe re= 4mm : son épaisseur d'1 mm est notée ev. Une longueur LF de l'ampoule est

insérée dans le four, tandis qu'une longueur Lext demeure à l'extérieur. La température

sur la surface externe de l'ampoule, pour la zone insérée dans la four, est supposée être à la température TF(ext) du four, tandis que le gaz à l'intérieur est à la température

TF(int). Dans la partie à l'extérieur du four, la surface externe de l'ampoule est à la

température ambiante Te(ext) (vérié expérimentalement à l'aide d'un thermocouple),

et le gaz à l'intérieur à la température Te(int). La mesure de pression est eectuée à la

température Te(int). Entre les deux zones précédentes se situe une zone de transition de

longueur Lt et de température non-uniforme.

L'ampoule étant placée horizontalement dans le cadre de l'analyse dynamique de pompage, il est supposé que la convection du gaz est négligeable. Aussi le transfert thermique de la partie chaude vers la partie froide se fait-il uniquement par conduction. S'agissant de déterminer l'élévation de température maximale du gaz dans la partie de l'ampoule à l'extérieur du four, il est supposé qu'aucun transfert thermique vers l'extérieur n'intervient dans la zone de transition. Aussi l'ensemble du ux de chaleur pénétrant dans l'ampoule via Φ1 se retrouve dans Φ2 et Φ3, puis dans Φ4. Ceci permet d'établir l'analogie

électrique présentée sur la gure 3.13(b).

(a) schéma thermique (b) analogie électrique

Figure 3.13  Modèle thermique de l'ampoule pour l'analyse dynamique du pompage

L'analogie électrique permet d'exprimer les résistances thermiques de la gure 3.13(b) en fonction de λv la conductivité thermique du verre (1.0 W/m.K5) et λg celle de l'azote

(0.026 W/m.K6_{) :} 1 R1 = λv·  π · r2 e ev + 2π · re· LF ev  (3.3) 1 R2 = λg· π · r2 i Lt (3.4) 1 R3 = λv · π · (r2_e− r2 i) Lt (3.5)

5. source : Verre online [http ://www.verreonline.fr/] 6. source : WebElements [http ://www.webelements.com/]

1 R4 = λv·  π · r2 e ev + 2π · re· Lext ev (3.6) 1 Req = 1 R2 + 1 R3 (3.7) Les équations (3.3) et (3.6) modélisent les transferts thermiques à travers la paroi cylindrique de l'ampoule et par les extrémités fermées, supposées planes et circulaires. Les équations (3.4) et (3.5) modélisent quant à elles le transfert de chaleur de la partie chaude vers la partie froide à travers la zone de transition Lt. Ce transfert peut se faire soit

à travers le gaz, soit dans le verre. Ces deux chemins interviennent donc en parallèle. Le schéma électrique permet nalement de déterminer l'expression de la température Te(int)

en fonction des deux températures extérieures : Te(int) = R4 R1 + Req+ R4 · TF(ext) + R1+ Req R1+ Req+ R4 · Te(ext)

En considérant une zone de transition de 2 cm (la température mesurée sur la surface extérieure de l'ampoule à cette distance du four correspond à la température ambiante), l'augmentation de Te(int) lorsque TF(ext) = 450°C est inférieure à 0.3°C. Compte-tenu

de l'équation (3.1) (page 117), la variation de pression engendrée par cette élévation de température est inférieure à 0.1%. La précision de la jauge à bille étant indiquée au mieux à 1% de la valeur mesurée, cette contribution de l'élévation de température peut être négligée. Aussi est-il considéré dans le reste de ce mémoire que la mesure de pression dans l'ampoule est réalisée à température ambiante tout au long des analyses dynamiques.

ˆ Protocole expérimental

Les échantillons sont conditionnés selon le protocole de mise en ampoule n°2. Leur activation est obtenue par une méthode de sauts de température. Elle consiste à soumettre l'échantillon en ampoule à une succession de paliers de température et suivre l'évolution de la pression tout au long de l'expérience. La durée des paliers est xée à 10 minutes. Ceux-ci vont de 50 à 450°C, par pas de 25°C. Le temps de transition entre chaque palier est réduit au maximum, tout en minimisant les risques d'overshoot7 _{: il est d'environ 2 minutes. La}

réduction du temps de transition entre un palier et le suivant a pour objectif de déterminer la vitesse de pompage de l'échantillon pour chaque température, en régime permanent. Cette évolution doit permettre d'accéder à la valeur de l'énergie d'activation apparente du mécanisme de pompage.

ˆ Mesures préliminaires

L'évolution de la pression au sein de l'ampoule lors des traitements thermiques peut avoir plusieurs causes, autres que le pompage de l'échantillon getter : l'agitation thermique du gaz contenu dans l'ampoule, le dégazage du verre et le dégazage du substrat de silicium. An de déterminer la contribution de chacun de ces phénomènes, deux analyses préliminaires sont réalisées : l'analyse d'une ampoule sans échantillon et celle d'une ampoule contenant un échantillon de silicium.

La courbe d'évolution de pression pour l'ampoule ne contenant que le gaz d'intérêt (0.2 mbar de N2) est présentée sur la gure 3.14. La pression initiale dans l'ampoule est de

2.01 × 10−1mbar, et de 2.03 × 10−1mbar à l'issue du cycle de température. Compte-tenu

7. en raison de l'inertie du four, si une rampe de température trop rapide est mise en ÷uvre, la température réelle dépasse la température de consigne lors de l'arrivée sur le palier.

Figure 3.14  Analyse dynamique d'une ampoule sans échantillon

de la précision de la mesure de la jauge, donnée au mieux à 1 % de la valeur mesurée, il peut être considéré qu'aucun dégazage n'a eu lieu au cours du traitement thermique. Par conséquent, la quantité de matière au sein du système est supposée constante, et peut être estimée, dans l'hypothèse des gaz parfaits, à environ 3.5 × 10−8_{moles de N}

2.

La gure 3.14 met en évidence une augmentation de la pression mesurée par la jauge à bille au cours du cycle de température. Ayant fait l'hypothèse de la conservation de la quantité de gaz dans l'ampoule, il peut être considéré que l'augmentation de pression observée est uniquement liée à l'agitation thermique du gaz dans l'ampoule. Dans le cadre de cette étude, l'agitation thermique est prise en compte en tant que bruit de fond. La variation de volume des ampoules au cours des traitements thermiques étant négligeable (démontré page 121), l'hypothèse des gaz parfaits permet d'exprimer la pression mesurée Pm (Pa) dans l'ampoule à une température T (K) par :

Pm(t) = n(t) ·

R · T V

où n(t) est le nombre de moles de gaz à l'instant t dans l'ampoule. Or, dans le cas de l'ampoule sans échantillon, le nombre de moles de gaz est supposé constant. Dès lors, la pression s'y exprime par :

Pref(t) = n0· R · T V (3.8) d'où : n(t) = n0· Pm(t) Pref(t) (3.9) En conséquence, dans le cas d'une ampoule contenant un échantillon, et pour laquelle la position de la bille à l'extérieur de la zone de chaue du four implique une mesure à la température ambiante T0 (K), la pression réelle P (Pa) s'exprime par :

P (t) = n(t) · R · T0

V (3.10)

P (t) = n0· Pm(t) Pref(t) ·R · T0 V (3.11) soit : P (t) = P0· Pm(t) Pref(t) (3.12) où P0 est la pression de référence mesurée à température ambiante pour l'ampoule sans

échantillon, et Pm la pression mesurée sur l'ampoule avec échantillon. Cette équation est

mise en ÷uvre an de corriger l'eet de l'agitation thermique dans les ampoules, lors de l'analyse dynamique de pompage des NEG couches minces.

La mise en ÷uvre de cette correction sur la mesure de l'évolution de pression pour une ampoule contenant un échantillon de silicium permet d'apprécier le dégazage de ce dernier. L'échantillon de substrat silicium présente une face polie et une face rugueuse. Celles-ci sont couvertes d'une couche d'oxyde natif. La gure 3.15 présente l'évolution de pression mesurée au cours du cycle thermique (valeurs de pression non corrigées, courbe "P mesuré"). La courbe d'évolution de pression correspondant à l'ampoule sans échantillon, donc représentant l'agitation thermique, est également représentée pour comparaison (courbe "P agitation thermique"). La gure 3.15 met en évidence l'écart à partir du palier à 275°C de la courbe correspondant à l'ampoule avec l'échantillon de silicium. Un dégazage se produit dans l'ampoule à partir de cette température.

Figure 3.15  Analyse dynamique d'une ampoule contenant un échantillon de substrat silicium

La courbe "P corrigé" de la gure 3.15 correspond aux valeurs de pression corrigées à l'aide de l'équation (3.12) pour l'ampoule contenant l'échantillon de silicium. Son évolution met en évidence le dégazage au sein de l'ampoule à partir de 275°C. Ainsi, en dessous de cette température, la courbe présente un plateau, indiquant que l'évolution observée sur la courbe non corrigée (courbe "P mesuré") est uniquement liée à l'agitation thermique. A partir de 275°C, la pression augmente sous le fait d'un dégazage. Ce dernier est continu jusqu'au palier à 375°C, où il s'arrête. Le plateau observé pour les paliers de température suivants témoigne du maintien du nombre de moles de gaz dans l'ampoule à partir de 375°C. Ce maintien reste valable également au cours des premières minutes du refroidissement de l'ampoule.

L'analyse par RGA permet de déterminer la nature du dégazage de l'échantillon de silicium. Le spectre de masse obtenu (gure 3.16) met en évidence un accroissement à

Figure 3.16  Spectre RGA de l'ampoule contenant l'échantillon de substrat de silicium

5.1 × 10−9A de la quantité d'hydrogène dans l'ampoule à l'issue du cycle thermique, par rapport aux 3.6 × 10−10_{A mesurés après conditionnement (gure 3.10(a), page 125).}

Compte-tenu de la géométrie du dispositif expérimental, la bille étant restée à l'extérieur du four, le dégazage de H2 ne saurait lui être attribué. Aussi le relargage d'hydrogène

peut-il être imputé au silicium.