Outils de diagnostic de la décharge HiPIMS

L’étude de la post-décharge HiPIMS ne peut se faire sans l’acquisition d’instru-ments capables de suivre et de mesurer les différents paramètres liés au plasma généré et à sa post-décharge. Ces instruments de mesures se distinguent en deux grandes familles, ceux appartenant aux diagnostics électriques et ceux que l’on attribue aux diagnostics optiques. Par commodité, les diagnostics électriques sont plus largement utilisés que les diagnostics optiques car ils sont généralement plus simples à mettre en place et coûtent généralement moins chers. Cette étude n’échappe pas à la règle. Il est à noter que par le biais des mesures, les informations fournies par l’ensemble des diagnostics sont complé-mentaires et doivent rendre compte d’un même phénomène physique selon différents points de vue. Dans sa quête d’observation et de compréhension des phénomènes physiques, cette notion est essentielle et doit être omniprésente chez l’expérimentateur. Cette sous-section fait mention de l’ensemble des outils utilisés pour cette étude.

30 Chapitre 2. Étude du régime HiPIMS pour le dépôt de catalyseurs ...

Sondes électriques

Le régime HiPIMS induit nécessairement l’utilisation de la haute tension (de l’ordre du kV). Une sonde haute tension Tektronixr P6015A permet la mesure de la ten-sion HiPIMS à l’arrière du magnétron. Celle-ci se caractérise notamment par un temps de montée bref de 4 ns, par une utilisation pour des tensions pouvant aller jusqu’à 20 kV, par une impédance d’entrée de 75 MΩ pour 3 pF et par une plage d’utilisation pour des si-gnaux électriques situés entre 0 et 75 MHz. Ses caractéristiques lui confèrent une utilisation standard dans le cadre de cette étude. Une autre sonde de tension, plus petite (TESTEC HVP-15HF), est raccordée sur le porte échantillon. Les deux sondes se raccordent sur un oscilloscope par branchement BNC.

Les mesures de tensions sont complétées par les mesures de courants. En fonction des régimes électriques (impulsionnel, périodique, intense, faible, etc), les sondes de courant doivent remplir certaines conditions : elles doivent fournir une image homothétique de la grandeur mesurée et doivent posséder un facteur de mesure (noté K) quasi-constant dans le temps. Le régime HiPIMS par exemple, est un régime pulsé provoquant des montées rapides et intenses des courants électriques induits. La mesure du courant généré dans le circuit électrique du magnétron doit alors être capable de rendre compte de la réalité. Pour ce faire, le choix s’est porté sur un capteur de courant de type transformateur. Ce type de capteur, constitué généralement de deux enroulements liés par un circuit magnétique permet de mesurer un courant en assurant une séparation galvanique entre le mesurant (deuxième enroulement) et la mesure (premier enroulement). Ce mode de mesure peut présenter une plage d’utilisation limitée par les phénomènes de saturation magnétique.

Cependant, étant donné les caractéristiques du générateur HiPIMS utilisé pour cette étude (voir section 2.2.2), ce type de capteur de courant est tout indiqué. Deux sondes de courant sont connectées au dispositif expérimental. La sonde de courant StangenesrCT0.5-0.1W raccordée au circuit électrique du magnétron est caractérisée par une mesure maximale de 5 kA_pic, 50 A_{RM S}, un temps de montée de pulse de 20 ns et par une chute de l’impulsion de 0.001 %. µs⁻¹. Cette dernière caractéristique fait référence au facteur de mesure K.

La sonde de courant Stangenesr CT2-1.0W , quant à elle raccordée au circuit électrique du porte échantillon, est caractérisée par une mesure maximale de 500 A_pic, 7.5 A_{RM S}, un temps de montée de pulse de 20 ns et par une chute de l’impulsion de 0.08 %. µs⁻¹. Notons que ces deux sondes de courant large bande (20 MHz) ne sont pas conçues pour une mesure de courant continu.

Une troisième sonde de courant, conçue et élaborée au GREMI, est utilisé pour des mesures spécifiques par analyseur d’énergie (Retarding Field Energy Analyser : RFEA) rapportées à la détection de très faibles courants sur des temps longs. Sa conception fait l’objet d’une description en annexe A.

2.2. Dispositif expérimental 31

Figure2.8 – a) Diagramme des potentiels de l’analyseur d’énergie pour les mesures d’ions positifs. b) Installation du RFEA pendant les mesures sur cible d’or.

Analyseur d’énergie

Puisque le régime HiPIMS est susceptible de fournir des ions métalliques pendant les phases de pulvérisation, l’étude de la post-décharge doit rendre compte de l’évolution de cette production d’ions au cours du temps. En effet, la maîtrise d’un dépôt de catalyseur sur son substrat ne peut passer que par la connaissance des caractéristiques physiques de cette vapeur métallique, telles que l’énergie des ions qui la composent ou encore ses évolu-tions au cours du temps. L’utilisation d’un analyseur d’énergie avec résolution temporelle de type RFEA (Retarding Field Energy Analyser) permet d’obtenir de tels résultats. Ce diagnostic électrique permet de suivre dans le temps l’évolution de la fonction de distribu-tion en énergie des ions incidents. L’étude de la post décharge du régime HiPIMS implique cependant certaines conditions d’utilisation pour cet instrument de mesure. En l’absence d’un tel outil au laboratoire GREMI, il a été convenu d’en concevoir un qui soit dédié à l’étude des flux ioniques et plus particulièrement à l’étude du régime HiPIMS. Sa concep-tion et sa réalisaconcep-tion sont décrites en annexe B. Cet analyseur d’énergie se compose de quatre grilles conductrices et d’un plateau de collection portés à des potentiels spécifiques pour écranter l’analyseur du plasma (masse/ground), sélectionner la nature de la charge (repeller), discriminer l’énergie des charges sélectionnées (discriminator) et pour limiter les phénomènes d’émissions d’électrons secondaires (suppressor) sur le collecteur de charges qui se trouve alors en dernière position (collector) dans l’analyseur (voir fig 2.8). Les po-tentiels appliqués sur chacune des grilles en partant du plasma vers le collecteur sont notés V₀, V_r, V_d, V_s et V_c.

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Spectromètre de masse

La connaissance de l’évolution de la fonction de distribution en énergie des ions qui participent au dépôt du catalyseur doit être complétée par une identification de ces derniers. En effet, il est probable que les ions incidents soit multi-chargés [91] et qu’ils soient accompagnés par ceux du gaz plasmagène. L’analyseur d’énergie à lui seul ne per-met pas d’obtenir une telle information sans avoir préalablement recours à des diagnostics électriques dédiés à cette tâche. Un moyen de caractérisation efficace pour remédier à ce problème est la spectrométrie de masse. Dans le cadre de cette étude, son fonctionnement se base sur une discrimination en masse et en énergie des particules chargées incidente au point de mesure. Cet outil permet, lui aussi, de connaitre la fonction de distribution en énergie des particules chargées mais surtout, différencie les masses de celles-ci. Néan-moins, les dimensions que requiert un tel équipement induisent une résolution temporelle absolue qui peut être très discutable. Ce point sera évoqué lors de l’analyse des résul-tats de spectrométrie de masse. Le spectromètre de masse utilisé pour cette étude est un Hidenr HAL7 EQP HIGH ENERGY (voir fig 2.9). Il est caractérisé, entre autres, par un analyseur d’énergie à secteur électrostatique de 45 degrés d’une résolution en largeur à mi-hauteur (FWHM) de 0.25 eV et d’un triple filtre quadripolaire qui permet une sélection en masse des ions pouvant aller jusqu’à 2500 uma (unité de masse atomique). Les ions qui

Figure 2.9 – Vue en coupe du spectromètre de masse HAL7 EQP HIGH ENERGY et disposition de l’analyseur d’énergie à secteur électrostatique ainsi que du triple filtre quadripolaire.

2.2. Dispositif expérimental 33

franchissent l’analyseur et le quadrupôle sont collectés sur le détecteur qui transfert à son tour l’information électrique.

Balance à quartz polarisable

Toujours dans l’optique d’accéder à une compréhension globale des mécanismes de dépôt de couches minces de catalyseurs en régime HiPIMS, l’étude doit pouvoir donner une réponse quant à la quantité d’ions métalliques qui composent la vapeur métallique au moment du dépôt. La connaissance du ratio entre les ions et les atomes métalliques permettra d’évaluer le niveau d’action permis pour contrôler le dépôt de catalyseur. Les dépôts à réaliser s’effectuent en post-décharge, donc sur une position relativement éloignée du plasma, rejetant ainsi l’utilisation de diagnostics optiques. Une possibilité évoquée fut de réaliser d’épais dépôts de catalyseurs sur substrats de silicium tout en polarisant positivement, ou non, ceux-ci pour sélectionner la participation des ions métalliques lors du dépôt. Avec la connaissance de la porosité et en mesurant l’épaisseur des couches métalliques, il est donc possible de remonter au ratio recherché. Ce plan d’expérience n’est pas réalisable d’un point de vue financier : une érosion importante des cibles catalytiques ainsi que l’utilisation de moyens de caractérisation tels que MEB (Microscopie Électronique à Balayage) et RBS (Rutherford backscattering spectrometry) rendraient cette expérience trop coûteuse. Afin de répondre à la problématique scientifique, mais aussi économique, une approche originale et simple a donc été employée. Une balance à quartz est un système compact et communément utilisé dans les procédés de dépôts en phase vapeur pour mesurer l’épaisseur des couches déposées. Par la variation progressive de la valeur de la fréquence du quartz au fur et à mesure du dépôt, cet outil de mesure donne accès à la vitesse à laquelle se dépose la couche et à son épaisseur. Une modification succincte d’une balance à quartz est alors réalisée pour établir le ratio entre les ions et les atomes présents dans la

post-Figure 2.10 – a) Photographie de la balance à quartz et du système de polarisation sur sa gauche. b) Assemblage du système de polarisation avec la balance à quartz pour former la BQP.

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décharge. Pour ce faire, on superpose deux grilles électriques devant le quartz de la balance comme montré sur la photographie de la figure 2.10. Ces grilles sont en acier inoxydable et sont isolées électriquement l’une de l’autre en plus du corps de la balance à quartz.

La première grille est portée au potentiel de l’anode du magnétron (masse du système) et joue le rôle d’écran entre la post-décharge du plasma et la seconde grille. Intercalée entre la grille écran et le quartz de la balance, la deuxième grille permet de discriminer la partie ionisée de la vapeur métallique par l’application d’un potentiel positif suffisamment grand pour repousser les ions. En fonction du potentiel appliqué entre la grille écran et la grille discriminative, la balance à quartz se comporte comme un filtre de flux ions-neutres : ce diagnostic électrique sera dénommé Balance à Quartz Polarisable (BQP). Les caractéristiques de mesure de la BQP sont identiques à la balance à quartz d’origine du système Maxtek TM-400 avec une précision minimale de 0.01 nm.s⁻¹ sur la vitesse de dépôt et de 0.01 nm sur l’épaisseur.

Photomultiplicateur et spectromètre optique

Afin de réaliser le plus grand nombre de croisements entre les résultats des dif-férents diagnostics électriques, ceux-ci sont complétés par quelques mesures optiques.

Contrairement à la plupart des diagnostics électriques, la spectrométrie d’émission est un diagnostic non-invasif au sens où elle n’engendre pas de perturbations locales au ni-veau de la mesure. Le revers de celui-ci est une résolution spatiale relativement faible (sans l’utilisation d’optique permettant de sonder localement le plasma) de par la nature même de l’émission isotrope de la lumière. La spectrométrie d’émission nécessite donc un trai-tement de données important pour sélectionner les mesures d’intérêt. Deux instruments optiques sont utilisés pour compléter l’étude : un tube photomultiplicateur et un spectro-mètre optique. Le photomultiplicateur joue le rôle de détecteur de photon et permet de détecter les variations d’intensité de la lumière émise. Il est constitué d’une photocathode

Figure 2.11 – a) photomultiplicateur. b) Schéma de principe d’un spectromètre.