Paramètres du dispositif et de balayage

Il s’agit du même laser que celui utilisé pour la croissance de couches minces par ablation laser, les paramètres du faisceau de sortie sont identiques. Cependant, les optiques du banc d’homogénéisation du faisceau n’étant que prévu pour une longueur d’onde de 248 nm, le laser ne pourra être utilisé qu’avec un mélange gazeux KrF. À cette longueur d’onde, la durée d’impulsion est de 25 ns et l’énergie maximale en sortie du laser est de 600 mJ (pour un faisceau de 2 x 0,5 cm²). La fréquence de répétition des tirs est ajustable de 1 à 10 Hz. Les impulsions sont contrôlées directement depuis l’interface de commande de la table XYZ.

Comme pour la PLD, un des paramètres clé est l’énergie surfacique (fluence) à la surface de l’échantillon. Ce paramètre dépend de la surface du faisceau laser sur l’échantillon (S) et de l’énergie du laser à ce niveau (ESFC). Cependant, la surface d’impact sur l’échantillon n’est pas de dimensions fixes car elle dépend de la position en Z, c’est-à-dire de la distance entre l’échantillon et la lentille de focalisation du faisceau. Des mesures préliminaires ont été

Figure II.16: Enceinte de traitement laser placée sur la table XYZ.

Entrée du laser

92 réalisées afin de caractériser de manière précise, les dimensions du faisceau (L(z) et l(z)) et d’en déduire la surface du spot laser « top hat » (S(z)) sur l’échantillon traité.

Grâce à une forte amplitude des dimensions du faisceau, il est possible d’obtenir une gamme de fluence importante (de 0,01 à 2 J/cm2). Néanmoins, l’objectif étant de traiter avec des énergies modérées des surfaces assez importantes et de façon homogène, le choix est fait de conserver une surface constante et de contrôler la fluence grâce à l’énergie du laser. Dans ces conditions, le traitement se fait à une position fixe Z (adaptée en fonction de la présence ou non de la chambre de traitement). Le tableau récapitulatif des paramètres de traitements pour la position fixe déterminée est le suivant :

Longueur d’onde 248 nm

Durée d’impulsion 25 ns

Dimensions du faisceau 5,33 x 5,20 mm

Surface du faisceau 0,277 cm²

Gamme de fluence possible 0,01 – 0,37 J/cm2

Tableau II-4: Paramètres du dispositif de traitement laser pour la position Z choisie.

Les fluences de traitements sont environ 10 fois plus faibles que celles utilisées dans le procédé d’ablation et la surface choisie permet de traiter des zones d’environ 5 x 5 mm². Cette configuration sera notamment utilisée dans les essais préliminaires sous air et sous ambiance gazeuse, ces dimensions permettant de réaliser plusieurs traitements différents sur un même échantillon. Lors de ces traitements, l’utilisation du masque en acier inoxydable permet de restreindre le traitement sur quatre zones de l’échantillon en conservant intact la zone masquée (Fig. II.17). Les coordonnées des positions X et Y de la table ont fait l’objet d’une détermination précise permettant un placement optimal de l’échantillon sous le faisceau.

Figure II.17: Exemple de traitement d’une zone de 5 x 5 mm² sur un échantillon de 1 x 1 cm² par masquage des zones non traitées.

Echantillon de DLC

1 2

4 3

Zone à traiter Masque de protection des zones non traitées

Faisceau laser

10 mm

10 mm 5 mm

93 Le système complet est capable de traiter des zones de très grandes dimensions. Pour ce faire, il est nécessaire d’effectuer un balayage sur de grandes surfaces en tenant compte de la dimension limitée du faisceau à la surface. Dans notre cas, on distingue deux types de balayage.

Le premier consiste en un balayage unidirectionnel de l’échantillon (ici selon X). Dans cette opération, la surface de l’échantillon est balayée selon une direction par le faisceau laser et selon des positions et des nombres de tirs bien définis. Ces positions sont déterminées par rapport aux positions de référence de placement de l’échantillon, de la zone à traiter, des dimensions du faisceau (LX et LY) et du recouvrement souhaité choisi entre deux positions du faisceau (« Overlap », noté OX et OY). Avec ces données, on détermine dans un premier temps la position de départ du balayage (XREF et YREF). Considérant le déplacement de l’échantillon selon une seule direction, il est possible de déterminer les positions successives selon l’axe de balayage grâce à la relation suivante (Y restant le même pour l’ensemble du procédé) :

𝑋(𝑛) = 𝑋_𝑅𝐸𝐹+ (𝑛 ∗ 𝐿_𝑋∗ (1 − 𝑂_𝑋))

On obtient alors un ensemble de coordonnées qui constitue la séquence de tirs à opérer à la surface. Il est ensuite nécessaire de déterminer le nombre de tirs à effectuer par position (NZ) en fonction du nombre de tirs total (NT) souhaité lors du traitement. On peut alors écrire :

𝑁_𝑍 = 𝑁_𝑇∗ (1 − 𝑂_𝑋)

Bien entendu, plus le recouvrement entre deux positions est élevé, plus le nombre de tirs par zone est réduit. Grâce à tous ces paramètres, il est possible de réaliser un traitement homogène sur une longueur importante (plus d’une dizaine de centimètres) et sur une largeur correspondante à la largeur du faisceau. Ce mode de fonctionnement est utilisé la plupart du temps pour traiter des zones de 0,5 par 1 cm (soit deux zones par échantillon) permettant ainsi d’offrir une zone traitée plus importante pour certaines analyses. Un masque spécifique a également été développé pour protéger la partie non-traitée de l’échantillon.

94 Cependant, avec cette méthode de balayage, il n’est pas simple de traiter de grandes surfaces de façon homogène. Ce qui nous amène à présenter une seconde possibilité de balayage à savoir le déplacement bidirectionnel. Le principe reste identique à la version précédente à la différence qu’il est nécessaire de mettre en œuvre un recouvrement bidirectionnel de la surface. On détermine une matrice de coordonnées de l’ensemble des positions calculées selon l’axe X et selon l’axe Y. On obtient ces positions grâce aux deux relations suivantes :

(𝑋(𝑛); 𝑌(𝑚)) = {^{𝑋(𝑛) = 𝑋𝑅𝐸𝐹± (𝑛 ∗ 𝐿𝑋∗ (1 − 𝑂𝑋))} 𝑌(𝑚) = 𝑌_𝑅𝐸𝐹± (𝑚 ∗ 𝐿_𝑌∗ (1 − 𝑂_𝑌))

Dans cette expression, l’opérateur ± dépend du sens de déplacement sur la surface à traiter ainsi que des positions de départ définies par l’utilisateur. De même que pour le balayage unidirectionnel, il est nécessaire de calculer le nombre de tirs à effectuer à chaque position afin de pouvoir garantir un traitement homogène sur l’ensemble de la zone à irradier. On a la formule suivante :

𝑁_𝑍 = 𝑁_𝑇∗ (1 − 𝑂_𝑋) ∗ (1− 𝑂_𝑌)

On peut présenter (Fig. II.19) un exemple de balayage bidirectionnel permettant de traiter une surface de 1 cm par 1 cm (échantillon standard). L’ensemble de l’échantillon est traité (pas de masque) de manière uniforme garanti par un nombre de tirs identique en tout point de la surface. On peut également préciser que, plus le recouvrement est important, plus le nombre de tirs par position sera faible.

Figure II.18: Exemple de balayage unidirectionnel avec masquage de la zone non traitée (à gauche) et positions de chaque tir pour un recouvrement de 90 % (à droite).

Echantillon de DLC

1 2

Zone à traiter

Masque de protection de la zone non traitée

Faisceau laser lors de la première position de traitement 10 mm 10 mm 5 mm Ligne de balayage

95 Notons enfin que pour la grande majorité des traitements effectués et afin de garantir une homogénéité importante, les recouvrements selon X et selon Y sont choisis de manière identique. Nous avons choisi un recouvrement de 90 %. Un programme Matlab® a été réalisé de manière à automatiser la procédure de calcul des coordonnées de tirs et de pouvoir obtenir un aperçu des positions de faisceau. Grace à ce dispositif automatisé, Il est possible d’envisager le traitement de très grandes surfaces.