Source `a pulv´erisation cathodique type ”MIT”

mat´eriaux et gaz porteurs [Kringhøj 01]. L’introduction d’hydrog`ene, mˆeme en faible quantit´e se traduit par une modification de l’´etat de surface de la cathode [Hodoroaba 01]. Dans le cas de l’or, la chute de l’efficacit´e d’arrachage du m´etal `a la surface de la cathode peut s’expliquer par une concentration relative trop importante en gaz l´eger, qui diminue alors la pulv´erisation. Un ph´enom`ene d’auto-adsorption du m´etal `a la surface de la cathode est aussi possible.

Les d´echarges luminescentes sont couramment utilis´ees dans les industries de traite-ment des surfaces que ce soit pour le d´epˆot contrˆol´e ou au contraire pour le nettoyage par abrasion. Le plasma est le si`ege de cr´eations d’esp`eces instables ou dont les temp´eratures de formation sont tr`es ´elev´ees. Cette technique est utilis´ee ici pour fabriquer l’hydrure de nickel. Ce processus est directement conditionn´e par la quantit´e d’atomes de nickel pulv´eris´e.

2.3 Source `a pulv´erisation cathodique type ”MIT”

La premi`ere g´en´eration de source mol´eculaire `a pulv´erisation cathodique est fortement inspir´ee de la source d´evelopp´ee par E.J. Friedman-Hill [Hill 90]. Ce dispositif est constitu´e d’une cathode cylindrique de 10 mm de longueur perc´ee d’un trou d’un diam`etre de 1.2 mm suivant son axe de r´evolution (figure C.1 en annexe). La partie inf´erieure pr´esente une coupole dont le rayon est 3.8 mm. La partie haute est viss´ee sur un tube de cuivre qui permet d’acheminer le m´elange gazeux Ar/H2. L’anode est compos´ee d’une simple tige de cuivre de 2 mm de diam`etre et qui se termine en forme de pointe. La distance entre les deux ´electrodes est variable et couramment utilis´ee `a 5 mm de la cathode. Le gaz utilis´e est un m´elange de 10% d’hydrog`ene dans de l’argon. La zone de production et d’´etude mol´eculaire se situe quelques centim`etres au-dessous des ´electrodes figure 2.6.

2.3. SOURCE `A PULV´ERISATION CATHODIQUE TYPE ”MIT”

Fig. 2.6: Dispositif exp´erimental `a cathode creuse inspir´e des travaux de J.A. Gray et E.J. Friedman-Hill.

2.3.1 Fonctionnement du dispositif

L’alimentation ´electrique utilis´ee est une alimentation haute tension dont la borne n´egative est reli´ee `a la terre du r´eseau ´electrique. Les dimensions de la source ne doivent pas exc´eder 40 cm pour pouvoir l’ins´erer sans difficult´e entre les miroirs de la cavit´e externe. Avec cette configuration, les parois ext´erieures du dispositif sont tr`es proches des ´electrodes. Un ph´enom`ene d’arc peut alors avoir lieu entre l’anode et le bˆati du dispositif. En plus de d´estabiliser la d´echarge, ceci constitue un risque pour les personnes qui manipulent le

2.3. SOURCE `A PULV´ERISATION CATHODIQUE TYPE ”MIT”

syst`eme. Aussi, le choix a ´et´e fait de disposer d’´electrodes aux potentiels flottant. Il est alors important de garder `a l’esprit que l’eau de refroidissement qui circule dans l’´echangeur est `a un potentiel diff´erent de la terre. Les risques ´electriques sont alors r´eduits en utilisant une grande longueur de tuyaux en plastique. L’alimentation est utilis´ee `a une tension de 480 V, 100 mA avec une r´esistance de ballast de 2.5 kΩ.

Les param`etres contrˆolables du dispositif sont la pression de gaz en amont et aval de la cathode ainsi que le courant ou la tension entre les ´electrodes suivant le mode d’utilisation de l’alimentation haute tension stabilis´ee. Le gaz est inject´e avec une pression de l’ordre de plusieurs dizaines de torrs alors que la pression dans la chambre en-dessous des ´electrodes est de l’ordre du torr. Il est alors en aucun cas question d’obtenir un refroidissement important du gaz mol´eculaire car la diff´erence de pression est bien trop faible. En revanche, lors de l’enregistrement des spectres de fluorescence, des ph´enom`enes collisionnels ont pu ˆetre mis en ´evidence. Ces derniers diminuent lorsque la pression dans la chambre d´ecroˆıt (figure 2.7).

2.3. SOURCE `A PULV´ERISATION CATHODIQUE TYPE ”MIT” 13750 14000 14250 14500 14750 15000 0 500 1000 Nombre d'onde (cm -1 ) Pression à l'intérieur de la chambre : 2,8 Torr 13750 14000 14250 14500 14750 15000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Pression à l'intérieur de la chambre : 0,4 Torr raies collisionnelles raies collisionnelles

Fig. 2.7: Spectres de fluorescence extra-cavit´e de ⁵⁸N iH excit´e par σ_laser = 17462 cm⁻¹.L’´echelle en ordonn´ee est norm´ee par rapport `a l’intensit´e de la raie `a 13747 cm−1.

L’enregistrement de la fluorescence de la mol´ecule NiH nous renseigne de mani`ere qualitative sur la quantit´e de mol´ecule produite (sauf cas de saturation). Les divers essais ont permis d’optimiser les param`etres de pression de gaz amont-aval de la cathode. La pression de fonctionnement amont est de 55 torr et la pression `a l’int´erieur de la chambre est de 1.3 torr. Avec ces pressions, le d´ebit de gaz mesur´e `a l’aide d’un volume connu est de 0.3_{ 10}−3mol. s−1, soit un d´ebit volumique de 0.390 l . min⁻¹dans les conditions standard de temp´erature et de pression. Pour optimiser de fa¸con dynamique le signal de fluorescence en fonction de la pression, il est n´ecessaire d’utiliser un groupe de pompage de type roots, capable d’´evacuer rapidement de grandes quantit´es de gaz..

2.3. SOURCE `A PULV´ERISATION CATHODIQUE TYPE ”MIT”

2.3.2 Am´eliorations du dispositif

Les conditions de travail du dispositif `a cathode creuse sont tr`es similaires `a celle utilis´ees par Hill et al. [Hill 90]. L’observation directe de la d´echarge montre une fluorescence verte du jet libre form´e par le dispositif. Apr`es dispersion de cette fluorescence `a l’aide d’un monochromateur basse r´esolution, la couleur verte provient de la d´esexcitation de l’atome d’hydrog`ene et plus particuli`erement de la raie H<sub>β</sub> `a 486 nm de la s´erie de Balmer. Cela signifie que tout l’hydrog`ene ne r´eagit pas pour former la mol´ecule NiH. Toutefois, comme nous l’avons vu au paragraphe 2.2.2, l’introduction d’hydrog`ene dans la d´echarge a pour effet de faciliter la pulv´erisation des atomes de la cathode. Bien que des raies d’hydrures soient observ´ees `a l’occasion de ces exp´eriences [Hodoroaba 03], le fait d’optimiser la pulv´erisation cathodique ne signifie pas que tout l’hydrog`ene r´eagit pour former l’hydrure. L’´emission de fluorescence verte nous renseigne alors sur l’´ecoulement du jet mol´eculaire apr`es la cathode. L’usage d’une pointe comme anode freine consid´erablement l’´ecoulement du flux de gaz. Aussi, pour augmenter la concentration de mol´ecules dans la zone d’interaction avec le laser, j’ai mis en place une anode annulaire (figure 2.8) qui canalise le flux de gaz issu de la cathode.

Fig. 2.8: Comparaison d’une d´echarge avec une anode en pointe (gauche) et une anode annulaire (droite).

De cette mani`ere, la concentration de mol´ecule dans le jet augmente. Toutefois, le maximum de densit´e du radical NiH est obtenu `a 1 cm de la cathode. Pour enregistrer les spectres, un cache lumi`ere est dispos´e sous les ´electrodes de fa¸con `a bloquer le rayonnement de la d´echarge tout en laissant passer le jet de gaz.

Lors d’un enregistrement, nous avons remarqu´e une baisse du signal de fluorescence d’un facteur 2 sans qu’aucun des param`etres de tension, courant et pressions amont aval