Introduction aux radicaux libres et espèces réactives de l’oxygène
ANALYSE DE PLASMA PAR SPECTROMÉTRIE DE …plasmasfroids.cnrs.fr/IMG/pdf/Francois_Boulard.pdfCV 2006...
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Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
ANALYSE DE PLASMA PAR SPECTROMÉTRIE DE MASSE
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450.0
2.0x105
4.0x105
6.0x105
8.0x105
1.0x106
Inte
nsité
[cp.
s-1]
m/z [u.m.a.]
| 2Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Expériences en spectrométrie de masse des plasmas
CV
2006 2008 2010 2012 2014 2016
SM de plasma de gravure à base de CH4 : - neutres, radicaux- Ions+,- produits de gravure
SM de plasma de gravure à base de Cl2 : - Résolution
temporelle- Chopper
Développement de détecteurs IR :- Dév de procédés- Intégration filière- SIMS
• L’exposé se fonde principalement sur d’anciens résu ltats• Les principes demeurent d’actualité
| 3
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Plasma : notions de base
Conclusion et bibliographie
Analyse des ions
- fonction de distribution en énergie
- réglages SM
- quantification
Analyse des neutres
- effet de l’énergie d’ionisation
- spectres de fragmentation
- analyse des radicaux par ionisation près du seuil
- quantification
Sélection des espèces : neutres/ions
| 4Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Gaz ionisé globalement neutre• Crée par un apport d’énergie
• Rayonnement ionisant• Puissance électrique DC-RF-MW• Pression
• Grande diversité de plasma• Ionisphère• Plasma froid en µélec• Laser mégajoule• Etc…
• 2 grandeurs caractéristiques• Densité électronique : ne (.cm-3) � Degrée d’ionisation : ����� =
��
����
• Température électronique : Te(eV)
1. PLASMA : NOTIONS DE BASE
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• Classification des plasmas
1. PLASMA : NOTIONS DE BASE
• Plasma « froid » de labo @10mtorr• n0 ~ 3E14.cm-4• ne ~ 1E10 à 1E11.cm-3• � alpha = 10E-3 à 10E-4
1mtorr
1torr
• quasi neutralité• Plasma électropositif � ne-~ni+
• � densité ions << densité neutres
• Longueur de Debye
• A.N. : Te 3eVNe 1E10.cm-3
� λd = 130µm
eV
.cm-3
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1. PLASMA : NOTIONS DE BASE
• Gaines et potentiel plasma• mions>>me-• Pulsations plasma
• Ex : Ar ne 1E10.cm-3• Omega e- = 1,3GHz• Omega Ar+ = 5MHz
• Excitation RF 13,56MHz• e- suivent le champ, pas les ions• Transfert d’energie aux e-• Mais les e- peuvent se
recombiner sur les parois
• Potentiel positif se forme dans le plasma pour limi ter la perte des e- sur les parois
| 7Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Ex : Plasma de CH4 (16uma) 4mtorr, espèces neutres• Plasma OFF
1. PLASMA : NOTIONS DE BASE
0 5 10 15 20 25 30 35 400
2x105
4x105
6x105
8x105
plasma "OFF"Ee=20eV
m/z [u.m.a.]
Inte
nsité
pla
sma
"OF
F"
[cp.
s-1]
CH4
CH3
CH2
| 8Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
1. PLASMA : NOTIONS DE BASE
0 5 10 15 20 25 30 35 400
2x105
4x105
6x105
8x105
plasma "OFF"Ee=20eV
m/z [u.m.a.]
Inte
nsité
pla
sma
"OF
F"
[cp.
s-1]
0,0
5,0x104
1,0x105
1,5x105
2,0x105
plasma "ON"
Intensité plasma "O
N" [cp.s
]
• Ex : Plasma de CH4 (16uma) 4mtorr, espèces neutres• Plasma ON (1000W)
| 9Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• σionisation : exemples
e- + CH4 � e- + Si2H6 �
1. PLASMA : NOTIONS DE BASE
H. Chatham, D. Hils, R. Robertson and A. Gallagher J.Chem. Phys. 1984, 81 1770.
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Plasma : notions de base
Conclusion et bibliographie
Analyse des ions
- fonction de distribution en énergie
- réglages SM
- quantification
Analyse des neutres
- effet de l’énergie d’ionisation
- spectres de fragmentation
- analyse des radicaux par ionisation près du seuil
- quantification
Sélection des espèces : neutres/ions
| 11Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Comment régler les potentiels pour analyser les neu tres ou les ions?
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Hiden EQP 1000
| 12Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Mesure des ions +
• Orifice spectro au potentiel des parois (à la masse)• Plasma à un potentiel Vp >0• Conséquence : ions + sont attirés vers le spectro• Si chambre ionisation est OFF � signal provient uniquement des ions du
plasma • Simple, mais /!\ à la quantification…(cf partie 4)
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
PlasmaVp>0
| 13Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
PlasmaVp>0
• Comment régler le spectro pour repousser les ions + ?
• Mesure des neutres
• Il faut ioniser les espèces neutres � chambre ionisation est ON • Mais il faut aussi repousser les ions+ • Et comme la pression dans le spectro n’est pas nulle, la quantification est
délicate (cf partie 3)
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2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Repousser les ions+• Extractor 30V, pour repousser les ions+ du plasma• Lens1 –15V, pour repousser les e- et les ions – du plasma
Ar 4mtorr 500W Ee 70eV
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10102
103
104
105
filament on
Inte
nsity
[c.s
-1]
Energy [eV]-10 -5 0 5 10
100
101
102
103
104
filament off
Energy [eV]
Fonction de Distribution en Energie des Ions (FDEI)
m/z=40uma m/z=40uma
Signal nul lorsque la chambre ionisation est off � les ions+ sont repoussésMais…
| 15Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Signal parasite qui suit le potentiel de Extractor• Extractor variable 30�0V• Réf potentiel utilisé pour repousser les ions+
Réf potentiel semble plus adapté que Extractor pour repousser les ions+
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35102
103
104
105
filament on
Inte
nsity
[c.s
-1]
Energy [eV]
réf 0V Extractor 30V réf 10V Extractor 20V réf 20V Extractor 10V réf 30V Extractor 0V
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35102
103
104
105
filament off
Energy [eV]
réf 0V Extractor 30V réf 10V Extractor 20V réf 20V Extractor 10V réf 30V Extractor 0V
Ar 4mtorr 00W Ee 70eV
Fonction de Distribution en Energie des Ions (FDEI)
| 16Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Influence de Réf potentiel • Extractor = 0V• Réf potentiel 30 � 0V
Réf potentiel > 5V � OK
Ar 4mtorr 500W Ee 70eV
Fonction de Distribution en Energie des Ions (FDEI)
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35102
103
104
105
106
30V 20V 10V 5V 0V
filament off
RT extractor 0V
réference potential
Energy [eV]
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35102
103
104
105
106
filament on
RT extractor 0Vréference potential
30V 20V 10V 5V 0V
Inte
nsity
[c.s
-1]
Energy [eV]
| 17Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 30V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =0V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0
Réf potientiel
| 18Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 20V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =10V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0
Réf potientiel
| 19Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 10V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =20V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0 Réf potientiel
| 20Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 0V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =30V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0
Réf potientiel
| 21Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 0V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =20V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0 Réf potientiel
| 22Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 0V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =10V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0
Réf potientiel
| 23Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 0V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =5V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0
Réf potientiel
| 24Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 0V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =0V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0
Réf potientiel
| 25Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
2. SÉLECTION DES ESPÈCES : NEUTRES VS. IONS
• Bilan• Extractor = 0V• Lens1 = -15V• Réf potentiel =5V
40
30
20
10
0
-10
-20
V
Vp>0
Réf potientielCe réglage permet de repousser les ions+ sans introduire des ions énergétique dans la chambre d’ionisation
• Réglage spécifique à un plasma
• Règle générale pour repousser ions+ et analyser les neutres � Systématiquement vérifier l’abscence de signal en fi lament OFF
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Plasma : notions de base
Conclusion et bibliographie
Analyse des ions
- fonction de distribution en énergie
- réglages SM
- quantification
Analyse des neutres
- effet de l’énergie d’ionisation
- spectres de fragmentation
- analyse des radicaux par ionisation près du seuil
- quantification
Sélection des espèces : neutres/ions
| 27Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Effet de l’énergie d’ionisation• 2 paramètres importants• Energie des électrons : Ee (eV)• Courant électronique : Ie (mA)
3. ANALYSE DES NEUTRES
CH4+e- � CH4++2e-
Insérer courbe Ie fct Eequi se trouve dans manuel Hiden
| 28Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Effet de l’énergie d’ionisation• Ex plasma CH4
3. ANALYSE DES NEUTRESCH4+e- � CH4++2e-
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
7x105
8x105
Ee=20eV
CH4 16sccm 4mtorr
Inte
nsité
[cps
]
Masse [uma]
off on100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500,0
5,0x105
1,0x106
1,5x106
Ee=70eV
CH4 16sccm 4mtorr
Inte
nsité
[cps
]
Masse [uma]
off on100
• Intensités absolues et relatives sont fortement imp actées par Ee
| 29Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Effet de l’énergie d’ionisation• @ Ee = 70eV � nombreux processus en parallèle• Ex du CH4
• Plasma OFF : • Ionisation directe : e- + CH4 � CH4+ + 2e-• Ionisation dissociatives : � CH3+ + H + 2e-
� CH2+ + 2H + 2e-� CH+ + 3H + 2e-
3. ANALYSE DES NEUTRES
• /!\ � mesurer un signal à une masse donnée ne signifie pa s que l’espèce de cette masse est présente dans le plasma
• Plasma ON :• Espèces neutres du plasma : CH4, CH3, CH2, CH, C, H2, H, C2Hx, etc…• Qui peuvent donner lieu à des ionisations directes, et dissociatives …
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Plasma : notions de base
Conclusion et bibliographie
Analyse des ions
- fonction de distribution en énergie
- réglages SM
- quantification
Analyse des neutres
- effet de l’énergie d’ionisation
- spectres de fragmentation
- analyse des radicaux par ionisation près du seuil
- quantification
Sélection des espèces : neutres/ions
| 31Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Spectre de fragmentation• Tables de Cornu• Ces tables présentent pour un composé les intensités relatives des
principaux fragments à 70eV• Ex du CH4 (16uma)
3. ANALYSE DES NEUTRES
A. Cornu, and R. Masot, Compilation of mass spectral data, Heyden&Son, (1975).
β 12 13 14 15 16 17
Cornu 0.37 8 29 75 754 1000 12
Mesure @ IMN 2008
9 30 75 746 1000 12
| 32Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Spectre de fragmentation• Tables de Cornu• Ces tables présentent pour un composé les intensités relatives des
principaux fragments à 70eV• Ex du CH4 (16uma)
• Ex C2Hx
3. ANALYSE DES NEUTRES
A. Cornu, and R. Masot, Compilation of mass spectral data, Heyden&Son, (1975).
β 12 13 14 15 16 17
Cornu 0.37 8 29 75 754 1000 12
Mesure @ IMN 2008
9 30 75 746 1000 12
Cornu β 24 25 26 27 28 29 30
C2H2 1.01 56 205 1000
C2H4 0.55 18 73 501 545 1000 22
C2H6 0.92 36 235 336 1000 212 241
| 33Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Spectre de fragmentation• Cas concret : • plasma de CH4/H2 + addition N2. Formation de HCN?
3. ANALYSE DES NEUTRES
23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35103
104
105
106
Plasma ON
In
tens
ité [c
ps]
m/z [uma]
CH4/H
2
+ 8sccmN2
+ 20 sccm N2
Ee=70eV
C2H6 (0.3)
C2H6 (1)
C2H4 (1)
CO (1)
N2 (1)
C2H6 (0.3)
C2H4 (0.6)
HCN (1)
C2H4 (0.6)
C2H2 (1)
HCN (0.17)
| 34Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Spectre de fragmentation• Cas concret : • plasma de CH4/H2 + addition N2. Formation de HCN?
• A partir des tables de fragmentation, ajustement manuel des fortes vers les faibles masses, avec/sans HCN.
3. ANALYSE DES NEUTRES
1E+03
1E+04
1E+05
1E+06
25 26 27 28 29 30 31
donnéesexpérimentalessimulationavec HCN
simulation sans HCN
1E+03
1E+04
1E+05
1E+06
25 26 27 28 29 30 31
donnéesexpérimentalessimulationavec HCN
simulation sans HCN
N2 8sccm N2 20sccm
� Oui, il y a formation de HCN, mais I 27uma n’est pas à attribuer uniquement à HCN
| 35
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Plasma : notions de base
Conclusion et bibliographie
Analyse des ions
- fonction de distribution en énergie
- réglages SM
- quantification
Analyse des neutres
- effet de l’énergie d’ionisation
- spectres de fragmentation
- analyse des radicaux par ionisation près du seuil
- quantification
Sélection des espèces : neutres/ions
| 36Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Analyse des radicaux par ionisation près du seuil • Ex du radical CH3 en plasma de CH4• Dans la chambre d’ionisation du spectro, CH3+ peut provenir :
• Ionisation dissociative de CH4 :CH4+ e- � CH3
+ + 2 e-
• Ionisation directe de CH3 : CH3 + e- � CH3
+ + 2 e-
3. ANALYSE DES NEUTRES
Parent neutre CH4+ CH3
+ CH2+ CH+ C+
CH4 12.6 14.3 15.1 22.2 25
CH3 9.8 15.1 17.7 25
CH2 10.3 17.4 20.2
CH 13.0 20.3
C 16.8
Potentiels d’ionisation des CH x+ à partir des espèces
neutres mentionnées [Sugai92].
H. Sugai and H. Toyoda, , J. Vac. Sci. Technol, A 10, (4), 1193 2000,(1992).
| 37Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Analyse des radicaux par ionisation près du seuil • Ex du radical CH3 (15uma) en plasma de CH4
• Enceinte sous vide
3. ANALYSE DES NEUTRES
0 5 10 15 20 25 30 35100
101
102
103
104
105
106
M=15uma
CH4 16sccm 4mtorr
BackgroundIn
tens
ity [c
.s-1]
Electron Energy [eV]
| 38Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Analyse des radicaux par ionisation près du seuil • Ex du radical CH3 (15uma) en plasma de CH4
• Enceinte sous vide
• CH4 4mtorr plasma OFF
3. ANALYSE DES NEUTRES
0 5 10 15 20 25 30 35100
101
102
103
104
105
106
M=15uma
CH4 16sccm 4mtorr
Background
OFF
Inte
nsity
[c.s
-1]
Electron Energy [eV]
Ionisation dissociative
| 39Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Analyse des radicaux par ionisation près du seuil • Ex du radical CH3 (15uma) en plasma de CH4
• Enceinte sous vide
• CH4 4mtorr plasma OFF
• Plasma ON
3. ANALYSE DES NEUTRES
0 5 10 15 20 25 30 35100
101
102
103
104
105
106
M=15uma
CH4 16sccm 4mtorr
Background
ON 100W
OFF
Inte
nsity
[c.s
-1]
Electron Energy [eV]
Ionisation dissociative
Ionisation directe
| 40Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Analyse des radicaux par ionisation près du seuil • Ex du radical Cl (35uma) en plasma de Cl2
• Attachement électronique @11,9eV complique un peu l’analyse
3. ANALYSE DES NEUTRES
10 11 12 13 14 15 16 17 18 190
1x105
2x105
3x105
4x105
5x105
6x105
Inte
nsity
@ m
=35
electron energy [eV]
Plasma OFF Plasma ON
Cl2 + e- Cl+ + Cl + 2 e-
Eth =15.7 eV
Cl2 + e-
Cl++Cl-+ e-Eth =11.9 eV
Cl + e- Cl+ + 2 e-
Eth ≅13 eV
| 41
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Plasma : notions de base
Conclusion et bibliographie
Analyse des ions
- fonction de distribution en énergie
- réglages SM
- quantification
Analyse des neutres
- effet de l’énergie d’ionisation
- spectres de fragmentation
- analyse des radicaux par ionisation près du seuil
- quantification
Sélection des espèces : neutres/ions
| 42Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Quantification : cps � at.cm -3 …• Méthode « Sugai » sur CH3
3. ANALYSE DES NEUTRES
H. Sugai and H. Toyoda, , J. Vac. Sci. Technol, A 10, (4), 1193-1200, (1992).
| 43Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Quantification : cps � at.cm -3 …• Méthode « Sugai » sur CH3
• Plasma ON
• Plasma OFF
3. ANALYSE DES NEUTRES
H. Sugai and H. Toyoda, , J. Vac. Sci. Technol, A 10, (4), 1193-1200, (1992).
Ed
(1)
(2)
| 44Atelier Spectrométrie de Masse@IMN/ F.Boulard / Jeudi 24 Novembre 2016
• Quantification : cps � at.cm -3 …• Méthode « Sugai » sur CH3• mesure référence en plasma OFF
• CH4 4mtorr : PV=nRT � [CH4]• Connaissance des sections
efficaces d’ionisation• σCH4�CH3+ et σCH3�CH3+• linéaire juste après le seuil� λCH3�CH3+ et λCH4�CH3+
• mesure des pentes iON et iOFF
• Les relations (1) et (2) conduisent à :
3. ANALYSE DES NEUTRES
� [CH3]100W= 7.1+-0.1 1010.cm-3
9 10 11 12 13 14 15 160
1x102
2x102
3x102
4x102
5x102
0
1x103
2x103
3x103
4x103
5x103
CH3
+CH4 + e-
CH3
+CH3 + e-
ION- IFOND
m/z = 15 u.m.a.
inte
nsité
pla
sma
ON
[cps
.s-1]
énergie électronique [eV]
intensité plasma O
FF
[cps.s-1]
IOFF- IFOND
100 W 4 mtorr CH4
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• Quantification : quelques compléments• CH4 4mtorr : PV=nRT � [nCH4] � hypothèse sur la température du plasma• Tspectro(directe) vs (dissociatif)
� Hypothèse sur l’efficacité d’extraction de la chamb re d’ionisation
3. ANALYSE DES NEUTRES
Harmeet Singh, J. W. Coburn, and David B. Graves J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 18, No. 2, 2000
Ionisation dissociative
Ionisation directe
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• Quantification : quelques compléments• Soustraction du background
• Chopper + détection synchrone
� la nature de l’espèce (stable ou réactive) influence l’intensité du background…
3. ANALYSE DES NEUTRES
F. Boulard, et al - 63rd GEC – Plasma Diagnostics III : Reactive Plasmas
0 10 20 30 40 50 600
5x104
1x105
Time [ms]
0
5x103
1x104
Intensity [c.s-1]
0
2x105
4x105
6x105
finish to close finish to open
start to open
O2 beam
O2 backgrd
start to close
O beam
O backgrd
O+ beam
plasma chamber
• Ex en plasma O2
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MENU
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Plasma : notions de base
Conclusion et bibliographie
Analyse des ions
- fonction de distribution en énergie
- réglages SM
- quantification
Analyse des neutres
- effet de l’énergie d’ionisation
- spectres de fragmentation
- analyse des radicaux par ionisation près du seuil
- quantification
Sélection des espèces : neutres/ions
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4. ANALYSE DES IONS
• Fonction de Distribution en Energie des Ions (FDEI)
Energie de passage du filtre définie par Vaxis = 40eV� Accé/Décélaration des ions en amont du filtre pour mesurer la FDEI
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• Fonction de distribution en énergie des ions
4. ANALYSE DES IONS
EAG.Hamers, et.al., International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 173 (1998) 91-98
Aberration chromatique
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• Exemple en plasma pulsé
4. ANALYSE DES IONS
L.Godet, thèse Univ Nantes, 2006
Conditions type:30 à 100mTorr (BF 3)100 à 1500V500Hz à 2.5kHz – 20 à 50µs "on
"
� Transmission spectro chute avec l’énergie
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• Solution � réf potential
4. ANALYSE DES IONS
- Décélération des ions entre la cathode et Extractor
- Maintient de la focalisation de l’optique ionique entre L1 et L2
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• Résultat
4. ANALYSE DES IONS
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• Quantification : • Ex en plasma ICP de CH4-H2-Ar-N2• Spectre des ions
• � comment convertir l’intensité mesurée par le spectro en densité ionique dans le plasma?
4. ANALYSE DES IONS
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450.0
2.0x105
4.0x105
6.0x105
8.0x105
1.0x106
Inte
nsité
[cp.
s-1]
m/z [u.m.a.]50 75 100 125 150
0.0
5.0x104
1.0x105
1.5x105
2.0x105
Te+ TeH+
TeH2
+
Cd+
x+y=7x+y=6
x+y=5
x+y=4
CxN
yH
z
+
Inte
nsité
[cp.
s-1]
m/z [u.m.a.]
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• Mesure complémentaire en sonde ionique:• Sonde plane, sonde de Langmuir, etc
4. ANALYSE DES IONS
V.Raballand, thèse Univ Nantes, 2006
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• Quantification : courant ionique total vs flux ioni que• Ex en plasma ICP de CH4-H2-Ar-N2
4. ANALYSE DES IONS
Au centreVariation spatiale de ne
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Plasma : notions de base
Conclusion et bibliographie
Analyse des ions
- fonction de distribution en énergie
- réglages SM
- quantification
Analyse des neutres
- effet de l’énergie d’ionisation
- spectres de fragmentation
- analyse des radicaux par ionisation près du seuil
- quantification
Sélection des espèces : neutres/ions
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• Recommandations pour analyse plasma• La pression n’est jamais assez basse dans le spectro (� ø orifice)• ø orifice < longueur de Debye mais il faut avoir du signal…
• Analyse des espèces neutres du plasma• Observer un pic à m/z=x ne veut pas dire que l’espèce de masse x est dans le
plasma• Double ionisation : m/z=20uma peut provenir de Ar2+
• Nature de l’ion : m/z=28uma N2+, CO+, C2H4
+ ?• Fragmentation : m/z=15uma ionisation dissociative ou directe de CH3 ?
• Vérifier l’abscence de signal en filament OFF• Ionisation près du seuil, i.e. la mesure Im(Ee) en plasma OFF et ON, est nécessaire
pour identifier la présence de radicaux• La quantification est possible, mais attention aux dérives, incertitudes, et écarts.
• Analyse des ions positifs• Ions positifs entrent naturellement dans le spectro• Etre vigilent sur les réglages de l’optique ionique• Les populations relatives sont facilement accessibles• La quantification n’est envisageable qu’à condition de coupler la mesure avec une
autre technique (sonde plane,etc…)
5. CONCLUSION
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• Plasma basse pression• Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, 2nd Edition
Michael A. Lieberman, Alan J. Lichtenberg• Spectrométrie de masse
• Technique de l’Ingénieur, R.Botter,G.Bouchoux• Pièges en spectrométrie de masse, A. Granier
http://plasmasfroids.cnrs.fr/IMG/pdf/AGranier_Pieges_en_spectrometrie_de_masse.pdf
• Mass spectrometry measurements in low temperature plasmas, C. Hollenstein, dans Frontiers in Low Temperature Plasmas Diagnostics, Les Houches Janvier 1995
• Le Vide, Juillet-Août Septembre 1997 N°285 pp 336-405: Analyse de Gaz par spectrométrie de masse – Instrumentation :• [7-a] Détection et mesure des courants d'ions en spectrométrie de
masse, pp 339-351• [7-b] Le filtre quadripolaire, G.L. Devant, pp 352-366• [7-c] Base de données, pp 374-387
5. BIBLIOGRAPHIE
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• Sections efficaces• https://www.nist.gov/pml/electron-impact-cross-sections-ionization-and-excitation-
database• H. Chatham, D. Hils, R. Robertson and A. Gallagher J.Chem. Phys. 1984, 81 1770.
• Spectre de fragmentation• A. Cornu, and R. Masot, Compilation of mass spectral data, Heyden&Son, (1975).• https://www.nist.gov/srd/nist-standard-reference-database-1a-v14
• Ionisation près du seuil et quantification• H. Sugai and H. Toyoda, , J. Vac. Sci. Technol, A 10, (4), 1193 2000,(1992)• H. Toyoda, H.Kojima and H. Sugai, Appl. Phys. Lett. 1989, 54 1507• H. Singh, J. W. Coburn, and David B. GravesJ. Vac. Sci. Technol. A 18.2., MarÕApr
2000• H. Singh, John W. Coburn, and David B. Graves, J. Vac. Sci. Technol. A, Vol. 17, No.
5, Sep/Oct 1999• P. Kae-Nune, J. Perrin, J. Guillon and J. Jolly, Plasma Sources Sci. Technol. 1995, 4
250• Analyse des ions
• EAG.Hamers, et.al., International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 173 (1998) 91-98
• L. Godet, thèse Univ de Nantes, 2006
5. BIBLIOGRAPHIE