EP3127140A1 - Procédé et appareil de mesure d'un echantillon solide organique par spectrometrie de décharge luminescente - Google Patents

Procédé et appareil de mesure d'un echantillon solide organique par spectrometrie de décharge luminescente

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EP3127140A1
EP3127140A1 EP15718972.1A EP15718972A EP3127140A1 EP 3127140 A1 EP3127140 A1 EP 3127140A1 EP 15718972 A EP15718972 A EP 15718972A EP 3127140 A1 EP3127140 A1 EP 3127140A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
glow discharge
plasma
spectrometry
species
mass spectrometer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15718972.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Patrick Chapon
Agnès TEMPEZ
Sébastien LEGENDRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Horiba Jobin Yvon SAS
Original Assignee
Horiba Jobin Yvon SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Horiba Jobin Yvon SAS filed Critical Horiba Jobin Yvon SAS
Publication of EP3127140A1 publication Critical patent/EP3127140A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/105—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation, Inductively Coupled Plasma [ICP]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/0027—Methods for using particle spectrometers
    • H01J49/0031—Step by step routines describing the use of the apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/24—Vacuum systems, e.g. maintaining desired pressures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/40—Time-of-flight spectrometers

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for measurement by glow discharge spectrometry of a solid sample comprising at least one layer of organic or polymeric material.
  • GDS Glow Discharge Spectrometry
  • a glow discharge spectrometer generally comprises a plasma reactor, also called a discharge lamp, comprising a vacuum chamber.
  • a sample to be analyzed is generally arranged to close the vacuum chamber.
  • the sample to be analyzed is exposed to an etching plasma that performs surface ablation.
  • plasma provides, through various physicochemical mechanisms, the excitation and ionization of eroded species.
  • the plasma reactor forms a source of ionized and / or excited species.
  • the monitoring of the species present in the plasma thus makes it possible to measure the elementary chemical composition, molecular and possibly the speciation of the chemical form of the detected elements.
  • the vacuum chamber of the plasma source is connected via an opening to a mass spectrometer for the detection of ionized species and / or respectively via an optical window to an optical spectrometer for the analysis of excited species .
  • Plasma analysis versus ablation time can be used to determine the depth-resolved sample composition when erosion occurs by uniformly digging the sample, ie when the crater ablation has a flat bottom and flanks perpendicular to the bottom.
  • the glow discharge spectrometry can thus make it possible to obtain the profile of the chemical composition of thick or thin-layer materials as a function of the erosion depth (from a few tens of nanometers to a few tens of microns thick) with a resolution nanometric in the most favorable cases.
  • glow discharge spectrometry now allows the analysis of semiconductor materials and insulators through the use of radio sources - frequency (RF).
  • DC direct current
  • RF radio sources - frequency
  • Glow discharge spectrometers give good results especially for samples on conductive or semiconductor substrates (eg silicon), which allow good coupling of the electric field in the plasma and rapid erosion (typically of the order of one micron per minute).
  • conductive or semiconductor substrates eg silicon
  • the erosion is generally much slower (the erosion rate is at least 100 times lower than for conductive or semi-conductive layers).
  • conductive and the plasma can produce a heating of the sample which can lead to the damage thereof.
  • the sides of the erosion crater are in this case generally not perpendicular to the crater bottom, which affects the resolution in depth.
  • a Grimm source type plasma reactor is generally used.
  • the carrier gas injected into the reactor to form the plasma is generally a pure noble gas.
  • Argon is the most common rare gas in glow discharge mass spectrometry for several reasons: argon ions are effective ablation agents and argon plasma energy levels are sufficient to ionize the majority of elements of the periodic table. In addition, argon has a simple spectrum that does not disturb spectrometric measurements.
  • rare gases such as argon or argon can also be used to increase the rate of erosion and / or ionization efficiencies.
  • Various gas mixtures have also been experimented for various applications of glow discharge spectrometry (with optical detection or mass detection).
  • Hartenstein et al. J. Anal., At. Spectrom., 1999, 14, pp. 1039-1048
  • the mixture of argon and helium makes it possible to increase the intensity of certain atomic emission lines and it is mentioned that the mixture of helium and argon increases the ionization efficiency during the analysis of glasses.
  • Hartenstein et al. The addition of helium to argon does not make it possible to achieve the maximum etching rate obtained with a pure argon plasma, whether for a glass type sample. or metal.
  • Oxygen may be present in a glow discharge spectrometer, either as an impurity in the carrier noble gas, or as a by-product of the etching of oxygen-containing materials, or as a component of a gaseous mixture forming the carrier gas.
  • the presence of oxygen in a glow discharge spectrometer is generally considered as an impurity generating parasitic lines, which are superimposed on the desired lines of the sample, such as for example the OH lines.
  • A. Bogaerts ("Effects of oxygen addition to argon glow discharges: A hybrid Monte Carlo-fluid modeling investigation") concerns a theoretical modeling of the effects of the addition of a molecular hydrogen gas H 2 , nitrogen N 2 or oxygen 0 2 to argon in a glow discharge spectrometry apparatus with DC source (dc-GDS). According to this publication, the addition of 0.05 to 5% oxygen produces a decrease in the density of Arm * type metastable excited species and a reduction in the density of eroded atoms, even at low oxygen concentrations.
  • the reduction of the etching rate in the presence of gaseous oxygen is attributed to the formation of an oxide layer on the cathode of the glow discharge spectrometer, which is also accompanied by a reduction in the intensity of the emission lines.
  • the analysis of organic samples by glow discharge spectrometry poses various problems.
  • the erosion rate is several microns / minute for samples of the metal type while it is generally less than 20 nm / minute for samples or organic layers. This low rate of erosion makes it very difficult to analyze samples or thick organic films.
  • the poor uniformity of etching obtained on organic samples does not allow a deep resolution to analyze surfaces or thin layers buried under a layer of thick organic material (several microns to several tens of microns thick). .
  • the patent document FR2965355 describes a method of measurement by glow discharge spectrometry adapted for an organic solid sample or polymer.
  • a radio-frequency type glow discharge is applied to a gaseous mixture comprising at least one rare gas and gaseous oxygen, the concentration of gaseous oxygen being between 1% and 10% by weight of the gaseous mixture and measuring by means of an optical spectrometer at least one signal representative of an excited species of said plasma and / or respectively, by means of a mass spectrometer at least one signal representative of an ionized species.
  • One of the aims of the invention is to propose a method and an apparatus for the analysis of organic or polymeric solid samples (or containing polymer or organic layers) by glow discharge spectrometry allowing both to etch a sample having a thickness ranging from a few nanometers to about a hundred microns, with excellent etching uniformity, while increasing the signal-to-noise ratio of the detected signals.
  • Another object of the invention is to improve the quality of measurements by glow discharge spectrometry to allow a more precise analysis of the elemental and / or molecular chemical composition of a solid sample comprising at least one layer of polymer or organic material .
  • the present invention aims to overcome the drawbacks of the prior art and more particularly relates to a measurement method by glow discharge spectrometry of the elemental and / or molecular chemical composition of a solid sample comprising at least one polymer or organic layer.
  • the method comprises the following steps: the sample is disposed so as to close a vacuum chamber of a plasma reactor, the plasma reactor forming an ion source for a mass spectrometer, the sample forming one of the electrodes of the glow discharge plasma reactor ,
  • a gaseous mixture comprising at least one rare gas and gaseous oxygen is injected into the vacuum chamber, the concentration of gaseous oxygen being between 0.1% and 15% by weight of the gaseous mixture, and the electrodes of the reactor are applied to an electrical discharge adapted to generate a glow discharge plasma so as to expose the solid sample to said plasma;
  • At least one signal representative of an ionized species of negative charge is selected and measured by means of the mass spectrometer.
  • the method makes it possible to etch a sample, for example a polymer or an organic sample, with a high etching rate, typically between 100 nanometers / minute and 1 micron / minute, with a flat-bottomed etching crater.
  • This method makes it possible, on the one hand, to detect and measure different ionized species than usually measured positive charge ionized species or excited species measured by optical emission spectrometry.
  • the method makes it possible to measure signals having a signal intensity and / or a signal-to-noise ratio that are much greater than the signals representative of positively charged ionised species or optical emission signals, under the same plasma and for the same sample.
  • the rare gas mixture gas is selected from argon, neon, krypton, helium or a mixture of said noble gases.
  • the solid sample comprises a stack of organic or polymeric layers.
  • the mass spectrometer being of the time-of-flight spectrometer type, at least one signal representative of an ionized species of negative charge is measured as a function of the respective flight time of said ionized species.
  • the sample to be measured comprises a stack of layers and the oxygen concentration of the gaseous mixture is modified during exposure to the glow discharge plasma as a function of the layer of the stack exposed to said plasma.
  • a pulsed radio-frequency or radio-frequency electric discharge is applied.
  • said method comprises the simultaneous application of a radio-frequency electric field or pulsed radio frequency and an axial or transverse magnetic field with respect to an axis of the glow discharge plasma reactor.
  • said method further comprises a calibration step according to which: placing a reference sample having a known composition in the vacuum chamber of the glow discharge plasma reactor, the reference sample forming one of the electrodes of the plasma reactor;
  • a gaseous mixture comprising at least one rare gas and gaseous oxygen is injected into the vacuum chamber, the concentration of gaseous oxygen being between 0.1% and 15% by weight of the gaseous mixture, the electrodes of the reactor are applied to plasma, an electrical discharge adapted to generate a glow discharge plasma, so as to expose said reference sample to said plasma;
  • At least one signal representative of an ionised species of negative charge of said plasma is measured by mass spectrometry
  • the measurement is calibrated by mass spectrometry of said ionized negative charge species relative to the known composition of said reference sample.
  • the method comprises another step in which another signal representative of another ionised species of positive charge is selected and measured by means of another mass spectrometer.
  • the invention also relates to a glow discharge spectrometry apparatus for the analysis of a solid sample, preferably comprising at least one organic or polymeric layer, said spectrometric apparatus comprising a glow discharge plasma reactor comprising a vacuum chamber connected to a fluidic plasma gas injection circuit, the glow discharge plasma reactor having an electrical circuit adapted to apply an electrical discharge, preferably radio frequency or pulsed radio frequency, between the solid sample to be analyzed and a electrode in the presence of said plasma gas so as to generate a glow discharge plasma, a mass spectrometer connected to the vacuum chamber of the glow discharge plasma reactor so as to extract ionized species from said glow discharge plasma, the spectrometer mass comprising a mass analyzer adapted for analysis r said ionized species and a detector adapted to detect said ionized species analyzed.
  • a glow discharge plasma reactor comprising a vacuum chamber connected to a fluidic plasma gas injection circuit, the glow discharge plasma reactor having an electrical circuit adapted to apply an electrical discharge, preferably radio frequency or pulsed radio frequency, between the solid
  • the fluidic gas injection circuit is adapted to inject into the vacuum chamber of the glow discharge plasma reactor a gaseous mixture comprising oxygen gas and at least one rare gas, the oxygen concentration. gaseous being between 0.1% and 15% by weight of the gaseous mixture, so as to expose the solid sample to the glow discharge plasma formed by glow discharge of said oxygenated gas mixture, and the mass spectrometer is arranged and adapted to detect and measure at the least one signal representative of an ionized species of negative charge.
  • the electrical circuit is adapted to apply a pulsed radio frequency or radio-frequency electric discharge.
  • the mass spectrometer comprises a time-of-flight mass analyzer.
  • the glow discharge spectrometry apparatus further comprises another mass spectrometer connected to the vacuum chamber of the glow discharge plasma reactor so as to extract other ionized species from said discharge plasma. wherein said other mass spectrometer is arranged and adapted to detect and measure at least one other signal representative of another ionized species of positive charge.
  • the glow discharge spectrometry apparatus makes it possible to simultaneously measure negatively charged ions and other positively charged ions.
  • the invention advantageously makes it possible to analyze the elementary chemical composition of materials or stacks of thin or thick layers, this analysis being resolvable in depth.
  • the invention will find a particularly advantageous application in the analysis of polymeric or organic solid materials of small thickness and / or thin layer and / or thick layer, up to several tens of microns thick in a limited time to a few minutes or a few tens of minutes.
  • the invention makes it possible to analyze stacks of different polymer materials and to differentiate these materials as a function of the engraving depth.
  • the method and system of the invention make it possible to analyze buried interface layers under an upper layer several tens of microns thick.
  • the present invention also relates to the features which will emerge in the course of the description which follows and which will have to be considered individually or in all their technically possible combinations.
  • FIG. 1 shows schematically a glow discharge spectrometry apparatus equipped with a gas mixing system
  • FIG. 2 shows schematically in exploded view a multilayer sample
  • FIG. 3 schematically represents a sectional view of a glow discharge plasma reactor coupled to a mass spectrometer
  • FIG. 4 schematically represents a glow discharge spectrometry apparatus coupled to a time-of-flight mass spectrometer
  • FIG. 5 schematically represents an exploded view of a multilayer sample
  • FIG. 6 illustrates an example of a time-of-flight mass spectrometer measurement of an organic sample, the mass spectrometer being configured in negative mode;
  • FIG. 7 illustrates an example of a time-of-flight mass spectrometer measurement of an organic sample similar to that of FIG. 5, the mass spectrometer being configured in a positive mode.
  • FIG. 1 diagrammatically shows a glow discharge spectrometry apparatus 1 equipped with a plasma discharge carrier gas supply system.
  • the glow discharge spectrometry apparatus 1 comprises a plasma reactor 2, generally of Grimm lamp type, in the form of a tube, within which the plasma is confined.
  • the gas pumping system is not shown in the diagram of Figure 1.
  • a solid sample is exposed to the glow discharge plasma.
  • the sample 10 forms one of the electrodes of the plasma reactor 2.
  • the glow discharge spectrometry apparatus 1 comprises a spectrometer 4, which is here a mass spectrometer (MS), for the analysis of the species ionized plasma.
  • MS mass spectrometer
  • a mass spectrometer measures elements and compounds according to their mass-to-charge ratio m / z. Compared to optical spectrometry, which is simpler, mass spectrometry generally allows for better sensitivity.
  • the mass spectrometer is for example of the type of time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS for Time Of Flight Mass Spectrometer).
  • TOF-MS Time Of Flight Mass Spectrometer
  • a time-of-flight mass spectrometer can record an entire mass spectrum in a nearly continuous manner (a complete spectrum every 30 microseconds), which allows continuous monitoring of all the species according to the etching depth in the sample.
  • the measurement dynamics of the detector makes it possible to measure both the elements and components forming the matrix of the sample, the majority elements, but also elements present in the state of traces.
  • mass spectrometry makes it possible to analyze the presence of isotopic markers used, for example, to detect the presence and diffusion of certain species in a material, for example for the study of corrosion.
  • a carrier gas supply line 5 connects one or more gas sources to the vacuum chamber of the reactor 2.
  • the gas supply line 5 is divided into two lines. 5a and 5b respectively connected to a first gas source 6 and a second gas source 7.
  • the first gas source 6 is for example a bottle comprising a mixture of argon and oxygen (for example at 4% by weight). in gaseous oxygen).
  • the second gas source 7 is a bottle of pure argon.
  • a first flowmeter 8a makes it possible to adjust the flow of gas on the line 5a from the first gas source 6 and directed towards the gas supply line 5 of the plasma reactor 2.
  • a second flowmeter 8b makes it possible to adjust the gas flow on the line 5b from the second gas source 7 and directed to the gas supply line 5 of the plasma reactor 2.
  • a controller 9 adjusts the controls of the flow meters 8a and 8b so as to obtain the desired concentration of the gaseous mixture injected via line 5 into the vacuum chamber of the plasma reactor.
  • the addition of oxygen gas to the plasma gas has positive effects (see patent document FR2965355).
  • gaseous oxygen to a neutral plasma gas makes it possible to produce at the same time rapid erosion of organic or polymeric materials and a flat-bottom erosion crater in these materials.
  • the proportion of gaseous oxygen in the gaseous mixture is preferably between 0.1% and 15% by weight of the gaseous mixture. This proportion is sufficient to obtain a sharp increase in the etching rate of a layer of organic or polymeric material.
  • the etching rate of a polymer or organic sample is generally between about 100 nanometers / minute and 1 micron / minute.
  • Argon or another rare gas, however, remains the predominant gaseous species in this gaseous mixture.
  • the preferred mode and the most used corresponds to the detection and measurement of ionized species of positive charge. Indeed, it is known that argon essentially generates positively charged ions.
  • gaseous mixture comprising a strong majority of argon (from 85% to 99.9% by mass, and preferably between 90% and 99% of the mass volume), it is expected that the gaseous mixture also produces a majority of positively charged ions.
  • FIG. 2 schematically represents an exploded view of an exemplary sample 10 that it is desired to analyze by glow discharge mass spectrometry.
  • the sample 10 comprises a substrate 11, an intermediate layer 12, for example an adhesion layer, a protective layer of the substrate, or interdiffusion elements between the substrate and the other layers.
  • the sample 10 may comprise a complex structure, for example a stack of layers 13, 14, 15.
  • FIG. 3 schematically represents a sectional view of a glow discharge plasma reactor 2 coupled to a mass spectrometer, according to one embodiment of the invention.
  • the glow discharge plasma reactor comprises a vacuum vessel 22.
  • a vacuum pump system 25 is connected to the vacuum vessel 22.
  • a gas supply line 5 is connected to the enclosure vacuum 22, to allow admission of the gaseous mixture comprising a mixture of gaseous oxygen and neutral gas.
  • a tubular electrode 23 is placed inside the plasma reactor. The tubular electrode 23 is for example connected to ground.
  • the sample 10 to be analyzed is placed against another electrode 3 connected to a power source.
  • a pulsed RF electric source is used which makes it possible to minimize the thermal stresses induced in the sample 10, in particular for fragile materials.
  • the vacuum chamber 22 of the glow discharge plasma reactor 2 is coupled to a mass spectrometer 4 which detects ionized species extracted from the plasma.
  • the use of a pulsed RF source offers particular advantages because the ionization mechanisms of the species present in the plasma vary during the period of the RF source.
  • An electric power supplied by an RF generator is applied to the electrode 3 so as to produce an electrical pulse for a limited time. Measurements are made by mass spectrometry just before the start of the electrical pulse, during the electrical pulse and after stopping this electrical pulse.
  • the mass spectrometry signal can be analyzed on different so-called prepeak (prepeak), plateau and post-pulse (afterglow) time zones respectively.
  • prepeak prepeak
  • plateau plateau
  • post-pulse (afterglow) time zones respectively.
  • the use of mass spectrometry signals over these three time zones offers original and rich analytical combinations of information not only for fragile materials but for all types of thin film materials and stacks.
  • the afterglow time domain is precisely the area of interest for material analysis, especially for polymeric or organic materials.
  • glow discharge mass spectrometry positively charged ionized species are conventionally measured.
  • the rare gas for example argon
  • the rare gas mainly generates ionized species of positive charge.
  • this method does not make it possible to increase the ionization efficiencies of the positively charged ionized species and therefore does not make it possible to improve the signal-to-noise ratio of the signals detected by mass spectrometry.
  • One aspect of the present invention is based on the selection of negative charge ions and the detection of a mass spectral signal of these negative ions in combination with plasma exposure in the presence of a gaseous mixture of oxygen. and rare gas.
  • the mass spectrometer 4 is configured in negative mode, so as to extract only negative charge ions from the glow discharge plasma formed in the presence of a mixture of rare gas and oxygen.
  • the ionization mechanisms depend on the chemical species and the electrical charge of the ionized species. It is surprisingly observed that, unlike the signals relating to the positively charged ionized species, the mass spectrometry signals relating to the negatively charged ionized species have a high intensity even in pulsed mode in the time zone after the end of the draw ( afterglow in English), when the gaseous mixture comprises oxygen, in particular when analyzing samples comprising an organic or polymeric layer.
  • a mass spectrometer makes it possible to measure ionized species, either of negative charge or of positive charge. It is not practically possible to simultaneously measure these two types of species in the same spectrometer.
  • the electrodes of a mass spectrometer must be gradually connected to an electrical potential of several hundred to a few thousand volts.
  • the polarization change of the electrodes of a mass spectrometer must therefore be carried out progressively.
  • a too fast reversal of the polarities of a mass spectrometer can in some cases damage the mass spectrometer. It is therefore not possible to quickly reverse the polarity of the electrodes of a mass spectrometer for the detection of negative ionized species.
  • the mass spectrometer is configured for the detection of negative ionized species before starting the glow discharge plasma.
  • FIG. 4 schematically represents a glow discharge spectrometry apparatus coupled to a polarized time-of-flight mass spectrometer 4 for detecting and measuring the negatively charged ionized species.
  • the glow discharge spectrometry apparatus comprises a glow discharge plasma reactor 2 comprising a vacuum chamber connected to a gas supply line 5.
  • a bottle 6 comprising a mixture of oxygen and rare gas, for example argon with 4% by mass oxygen, and another bottle 7 comprising rare gas (argon) are connected to the gas supply line 5.
  • the sample 10 is placed in the plasma reactor in contact with a counter -electrode 3.
  • a pulsed RF power source 33 is electrically connected to the counter-electrode 3.
  • the average applied power is generally between a few watts to a hundred watts, the pressure of the gas mixture is a few torr.
  • the time-of-flight mass spectrometer 4 is connected to the vacuum chamber of the plasma reactor so as to extract ionized species of negative charge from the glow discharge plasma and to analyze them on the one hand as a function of their mass ratio on charge and secondly as a function of time.
  • the time-of-flight mass spectrometer 4 illustrated in FIG. 4 comprises a valve 40, a skimmer 41, an ion optics system 42, 43, an orthogonal mass spectrometer (48) with its electronics (blower 44). and ion mirror 45), and a detector 46 which typically detects a mass spectrum, for example about every 30 microseconds.
  • the time-of-flight mass spectrometer 4 is equipped with a three-stage turbo-molecular pump system 50, 51, 52.
  • the time-of-flight mass spectrometer 4 is configured and adapted to extract only negative charge ionized species from the glow discharge plasma formed in the plasma reactor 2, in the presence of a gas mixture of oxygen and rare gas.
  • the time-of-flight mass spectrometer 4 makes it possible to analyze the ionized species of negative charge as a function of their mass-to-charge ratio m / z.
  • Figure 5 is a schematic perspective view of an exemplary sample 10 that is analyzed by glow discharge mass spectrometry.
  • the sample 10 comprises a stack consisting of a substrate 13 of polyethylene, a layer 14 of polyvinylidenechloride approximately 2 microns thick, and a layer 15 of nylon about 10 microns thick.
  • FIG. 7 illustrates an example of a pulsed RF time-of-flight mass spectrometer measurement of an organic sample, the time-of-flight mass spectrometer 4 being configured in positive mode and the plasma being carried out in a mixture of oxygen and rare gas, with a proportion of 5% oxygen by volume of the mixture.
  • FIG. 7 represents, as a function of the depth of etching D in the sample, the intensity I (in ion intensities) of the signals relating to different ionized species associated respectively with different mass-to-charge ratios m / z.
  • Other known methods of analysis make it possible to identify the ionized species detected as a function of their mass-to-charge ratio. More particularly, in FIG. 7, different signals associated respectively with the presence of the following ionized species have been identified: hydrogen nitride (NH 3 + ), sodium (Na + ), and chlorine oxide (CIO + ion).
  • the etching depth D in the sample is calibrated by calibration methods known elsewhere. On an axis parallel to the abscissa axis, the layers 13, 14, 15 corresponding to the engraving depth D in the sample are represented.
  • the intensity scale of the time-of-flight mass spectrometry signals relative to the positively charged ionized species remains limited to a measurement dynamic of between approximately 10 ⁇ 4 and 1.
  • the signals representative of the hydrogen nitride ion (NH 3 + ) and the sodium ion (Na + ) each reach a plateau.
  • the mass spectrometry signals relating to the chlorinated ionized species (CIO + ion) are very weak, and almost undetectable because of the same order of magnitude as the signal noise.
  • FIG. 6 illustrates an example of a time-of-flight mass spectrometer measurement of an organic sample similar to that of FIG. 5, the mass spectrometer being configured in a negative mode, always in the presence of a gaseous oxygen mixture and rare gas.
  • the intensity scale of the time-of-flight mass spectrometry signals relative to the negatively charged ionized species ranges from about 10 ° to about 10 5 .
  • the time-of-flight mass spectrometer can detect abundantly ionized species such as C10 " , CI “ , CN “ , CNO " and C 2 H " combined with a gaseous mixture of oxygen.
  • the intensity of the signals measured in the negative mode is much higher than that of the signals measured in the positive mode, and the changes in the layers are clearly observed, for an etching depth D of between 0 and approximately 8 microns.
  • the nylon layer 15 has essentially representative signals of the nitride ions CN “ and CNO " which are non-halogenated ionized species, whereas during the etching of the chlorinated polyvinyldene layer 14, r an etching depth D between about 8 and 12 microns, there is a sharp increase in signals representative of chlorine ions C10 " and CI " . Finally, during the etching of the polyethylene layer 13, for an etching depth D of between approximately 12 and 25 microns, an increase in the signal representative of the C 2 H " ion is observed and a relative decrease in the signals representative of chlorine ions IOC "and IC" and nitride ions CN “and NOC".
  • the signal to noise ratio measurements by spectrometry glow discharge mass is significantly increased in the negative mode as compared to the positive mode.
  • This increase in the intensity of Signals measured by mass spectrometry are particularly interesting in the application to a sample comprising at least one layer of organic or polymeric material.
  • Measurement by mass spectrometry of negatively charged ionized species makes it possible to analyze different ionized species of positively charged ionized species obtained under the same plasma conditions and with the same sample. It appears that the presence of oxygen in the plasma gas makes it possible to increase the production of ionised species of negative charge in the glow discharge plasma and thus to greatly increase the intensity of the mass spectrometry measurement signals. ionized species of negative charge. Thus, mass spectrometry measurements of ionized species of negative charge are detected which have a signal-to-noise ratio much better than in positive mode.
  • the negative mode mass spectrometry combines the advantages of high etching rate, etching with an erosion crater. flat bottom and can be deep (several tens of microns) and obtaining mass spectrometry measurements that have a high intensity, and a significant signal-to-noise ratio, especially in the region of the afterglow of a glow discharge of RF mode pulsed.
  • These negative-mode mass spectrometry measurements in the presence of a glow discharge in a mixture of rare gas and oxygen, provide signals of greater intensity than the intensity of positive mass spectrometry signals, including including and surprisingly for the detection of non halogenated ionized species and most particularly for the detection of non halogenated ionized species, such as metal species or organic species (i.e. composed essentially of carbon elements, hydrogen, oxygen and / or nitrogen).
  • non halogenated ionized species such as metal species or organic species (i.e. composed essentially of carbon elements, hydrogen, oxygen and / or nitrogen).
  • the apparatus and method of the invention are particularly applicable to the analysis of a stack of different polymer layers.
  • the apparatus and method of the invention also apply to the analysis of hybrid samples comprising a polymer layer deposited on a metal substrate, or a polymer layer deposited on a glass substrate, or a metal layer deposited on a polymer substrate.

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Abstract

La présente invention concerne un système et un procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente de la composition chimique élémentaire et/ou moléculaire d'un échantillon solide organique (10). Selon l'invention: on dispose l'échantillon (10) de manière à fermer un réacteur à plasma de décharge luminescente (2), on injecte dans le réacteur (2) un mélange gazeux comprenant au moins un gaz rare et de l'oxygène gazeux, la concentration en oxygène gazeux étant comprise entre 0.1 % et 15% massique du mélange gazeux, on applique une décharge électrique de type radio-fréquence aux électrodes du réacteur à plasma (2) pour générer un plasma de décharge luminescente, et on expose l'échantillon solide (10) audit plasma de manière à graver un cratère d'érosion dans l'échantillon solide (10); on sélectionne et on mesure au moyen d'un spectromètre de masse (4) au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative.

Description

PROCÉDÉ ET APPAREIL DE MESURE D'UN ÉCHANTILLON SOLIDE ORGANIQUE PAR
SPECTROMETRIE DE DÉCHARGE LUMINESCENTE
La présente invention se rapporte à un procédé et à un appareil de mesure par spectrométrie de décharge luminescente d'un échantillon solide comprenant au moins une couche de matériau organique ou polymère.
La spectrométrie de décharge luminescente (GDS en anglais pour Glow Discharge Spectrometry) est une technique d'analyse élémentaire et/ou moléculaire des solides qui permet notamment de mesurer la composition chimique élémentaire de matériaux ou d'empilements de couches minces (de quelques nanomètres à quelques centaines de nm) ou épaisses (jusqu'à plusieurs dizaines ou centaines de microns), cette analyse pouvant être résolue en profondeur.
Un spectromètre de décharge luminescente comprend généralement un réacteur plasma, aussi appelé lampe à décharge, comprenant une enceinte à vide. Un échantillon à analyser est en général disposé de manière à fermer l'enceinte à vide. L'échantillon à analyser est exposé à un plasma de gravure qui effectue une ablation de surface. Par ailleurs, le plasma assure, via différents mécanismes physico-chimiques, l'excitation et l'ionisation des espèces érodées. Le réacteur plasma forme une source d'espèces ionisées et/ou excitées. Le suivi des espèces présentes dans le plasma permet ainsi de mesurer la composition chimique élémentaire, moléculaire et éventuellement la spéciation de la forme chimique des éléments détectés. A cet effet, l'enceinte à vide de la source plasma est reliée via une ouverture à un spectromètre de masse pour la détection d'espèces ionisées et/ou respectivement via une fenêtre optique à un spectromètre optique pour l'analyse d'espèces excitées.
Or, une exposition prolongée de l'échantillon au plasma d'ablation produit un cratère d'érosion en profondeur. Une analyse du plasma en fonction de la durée d'ablation peut permettre de déterminer la composition de l'échantillon résolue en profondeur lorsque l'érosion se produit en creusant uniformément l'échantillon, c'est-à-dire quand le cratère d'ablation a un fond plat et des flancs perpendiculaires au fond. La spectrométrie de décharge luminescente peut ainsi permettre d'obtenir le profil de la composition chimique de matériaux épais ou en couches minces en fonction de la profondeur d'érosion (de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de microns d'épaisseur) avec une résolution nanométrique dans les cas les plus favorables.
Initialement limitée aux matériaux et aux couches conductrices du fait de l'utilisation de sources à courant continu (DC), la spectrométrie de décharge luminescente permet désormais l'analyse de matériaux semi-conducteurs et d'isolants grâce à l'utilisation de sources radio- fréquence (RF).
Les spectromètres de décharge luminescente donnent de bons résultats en particulier pour les échantillons sur support conducteur ou semi-conducteur (par ex. silicium), qui permettent un bon couplage du champ électrique dans le plasma et une érosion rapide (typiquement de l'ordre du micron par minute). Par contre, dans le cas d'un échantillon sur substrat isolant ou comprenant des couches organiques ou polymères, l'érosion est généralement beaucoup plus lente (la vitesse d'érosion est au moins 100 fois plus faible que pour des couches conductrices ou semi-conductrices) et le plasma peut produire un échauffement de l'échantillon qui peut entraîner l'endommagement de celui-ci. De plus, les flancs du cratère d'érosion ne sont dans ce cas généralement pas perpendiculaires par rapport au fond du cratère, ce qui nuit à la résolution en profondeur.
Pour former un plasma, on utilise généralement un réacteur plasma de type source de Grimm. Le gaz porteur injecté dans le réacteur pour former le plasma est en général un gaz rare pur. L'argon est le gaz rare le plus utilisé en spectrométrie de masse à décharge luminescente pour plusieurs raisons : les ions argon sont des agents d'ablation efficaces et les niveaux d'énergie dans un plasma d'argon sont suffisants pour ioniser la majorité des éléments du tableau périodique. De plus, l'argon a un spectre simple qui ne perturbe pas les mesures spectrométriques.
D'autres gaz rares que l'argon peuvent aussi être utilisés, comme le néon ou le krypton, dans le but d'augmenter la vitesse d'érosion et/ou les rendements d'ionisation. Différents mélanges gazeux ont également été expérimentés pour diverses applications de spectrométrie de décharge luminescente (avec détection optique ou détection masse).
Premièrement, un mélange d'argon et d'un autre gaz rare a été testé. La publication Hartenstein et al. (J. Anal. At. Spectrom., 1999, 14, pp. 1039-1048), évalue les effets de l'utilisation d'un mélange d'argon et d'hélium dans une source de décharge luminescente RF pour l'analyse par spectrométrie optique de décharge luminescente de solides de type métaux ou verres. Le mélange d'argon et d'hélium permet d'augmenter l'intensité de certaines raies d'émission atomique et il est mentionné que le mélange d'hélium et d'argon augmente l'efficacité d'ionisation lors de l'analyse de verres. Cependant, selon la publication Hartenstein et al., l'adjonction d'hélium à de l'argon ne permet pas d'atteindre la vitesse maximum de gravure obtenue avec un plasma d'argon pur, que ce soit pour un échantillon de type verre ou métal.
Deuxièmement, plusieurs groupes ont essayé un mélange d'argon et d'un gaz moléculaire. Toutefois, les phénomènes de collision et de rayonnement se produisant dans un plasma en présence d'un mélange de gaz et les interactions avec la surface de l'échantillon sont extrêmement complexes et ne sont pas encore compris totalement.
La publication A. Martin et al. (« Modifying argon glow discharges by hydrogen addition : effects on analytical characteristics of optical émission and mass spectrometry détection modes », Anal. Bioanal. Chem, 2007, 388 :1573-1582) passe en revue différentes études sur les effets de l'ajout d'hydrogène à de l'argon en spectrométrie de décharge luminescente. L'ajout d'une faible quantité d'hydrogène (1 -10%) dans un plasma d'argon produit généralement une augmentation des rendements d'ionisation, importante en spectrométrie de masse. Cependant, les espèces hydrogénées induisent une multiplication de raies dans le spectre de masse qui compliquent celui ci et peuvent modifier considérablement l'analyse quantitative de l'intensité des raies. De plus, l'hydrogène affecte négativement la vitesse de gravure pour des échantillons métalliques.
De l'oxygène peut être présent dans un spectromètre de décharge luminescente, soit comme impureté dans le gaz rare porteur, soit comme sous-produit de la gravure de matériaux contenant de l'oxygène, soit encore comme composant d'un mélange gazeux formant le gaz porteur. La présence d'oxygène dans un spectromètre de décharge luminescente est généralement considérée comme une impureté génératrice de raies parasites, qui se superposent aux raies recherchées de l'échantillon, comme par exemple les raies OH.
Certains auteurs ont évalué les effets de l'ajout volontaire d'oxygène gazeux à un gaz rare pour modifier les conditions de la décharge luminescente.
La publication A. Bogaerts (« Effects of oxygen addition to argon glow discharges : A hybrid Monte Carlo-fluid modeling investigation ») concerne une modélisation théorique des effets de l'ajout d'un gaz moléculaire d'hydrogène H2, d'azote N2 ou d'oxygène 02 à de l'argon dans un appareil de spectrométrie de décharge luminescente avec source à courant continu (dc-GDS). Selon cette publication, l'ajout de 0,05 à 5% d'oxygène produit une diminution de la densité en espèces excitées métastables de type Arm* et une réduction de la densité d'atomes érodés, même pour de faibles concentrations en oxygène.
En outre la réduction de la vitesse de gravure en présence d'oxygène gazeux est attribuée à la formation d'une couche d'oxyde sur la cathode du spectromètre de décharge luminescente, qui s'accompagne aussi d'une réduction de l'intensité des raies d'émission.
D'autre part, l'article de Fernandez et al. (« Investigations of the effects of hydrogen, nitrogen or oxygen on the in-depth profile analysis by radiofrequency argon glow discharge- optical émission spectrometry », J. Anal. AT. Spectrom. 2003, 18, 151 -156) a analysé les effets d'un mélange d'argon et d'oxygène (0.5-10% v/v) en spectrométrie à décharge luminescente radio-fréquence et constate également une réduction drastique de la vitesse de gravure aussi bien pour des échantillons de type métallique ou verre, qui limite l'analyse SDL à des couches de quelques nanomètres d'épaisseur.
L'analyse d'échantillons organiques par spectrométrie de décharge luminescente pose différents problèmes. Dans un appareil de GDS classique par exemple à détection optique et utilisant un plasma d'Argon pur, la vitesse d'érosion est de plusieurs microns/minute pour des échantillons de type métallique tandis qu'elle est généralement inférieure à 20nm/minute pour des échantillons ou des couches organiques. Cette faible vitesse d'érosion rend très difficile l'analyse d'échantillons ou de films organiques épais. D'autre part, la mauvaise uniformité de gravure obtenue sur des échantillons organiques ne permet pas une résolution en profondeur pour analyser des surfaces ou des couches minces enfouies sous une couche de matériau organique épais (plusieurs microns à plusieurs dizaines de microns d'épaisseur). Enfin, les nombreuses espèces chimiques provenant de l'érosion de l'échantillon (par exemple des raies d'émission moléculaire de type CH, OH, NH ou CO) sont susceptibles d'interférer avec le(s) gaz porteur(s) du plasma et ainsi de réduire les signaux détectés et de perturber l'analyse quantitative par spectrométrie de décharge luminescente.
Le document de brevet FR2965355 décrit un procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente adapté pour un échantillon solide organique ou polymère. Dans ce procédé, on applique une décharge luminescente de type radio-fréquence à un mélange gazeux comprenant au moins un gaz rare et de l'oxygène gazeux, la concentration en oxygène gazeux étant comprise entre 1 % et 10% massique du mélange gazeux et on mesure au moyen d'un spectromètre optique au moins un signal représentatif d'une espèce excitée dudit plasma et/ou respectivement, au moyen d'un spectromètre de masse au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée. Le procédé décrit dans ce document de brevet FR2965355 permet d'augmenter la vitesse de gravure notamment pour les matériaux organiques ou polymères, tout en assurant une excellente uniformité de gravure, et permet ainsi d'obtenir un cratère de gravure à fond plat. Dans de nombreuses applications, les mesures par spectrométrie d'émission optique utilisant ce procédé offrent une amélioration du rapport signal sur bruit, comparés aux procédés de spectrométrie de décharge luminescente de l'art antérieur pour des échantillons solides organiques ou polymères.
Par ailleurs, le document « Rosario Pereiro et al., Présent and future of glow discharge Time of flight mass spectrometry in analytical chemistry, Spectrochemica Acta Part B : Atomic spectroscopy, vol. 66, no. 6, pages 399-412 » est un article de revue qui divulgue différents développements instrumentaux récents d'appareils couplant une décharge luminescente à un spectromètre de masse à temps de vol (GD-TOFMS) ainsi que diverses applications à l'analyse élémentaire ou moléculaire de matériaux et de couches minces. Un des buts de l'invention est de proposer un procédé et un appareil pour l'analyse d'échantillons solides organiques ou polymères (ou contenant des couches polymères ou organiques) par spectrométrie de décharge luminescente permettant à la fois de graver un échantillon ayant une épaisseur pouvant aller de quelques nanomètres jusqu'à environ une centaine de microns, avec une excellente uniformité de gravure, tout en accroissant le rapport signal sur bruit des signaux détectés.
Un autre but de l'invention est d'améliorer la qualité des mesures par spectrométrie de décharge luminescente pour permettre une analyse plus précise de la composition chimique élémentaire et/ou moléculaire d'un échantillon solide comprenant au moins une couche de matériau polymère ou organique.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques antérieures et concerne plus particulièrement un procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente de la composition chimique élémentaire et/ou moléculaire d'un échantillon solide comprenant au moins une couche polymère ou organique.
Selon l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes : on dispose l'échantillon de manière à fermer une enceinte à vide d'un réacteur à plasma , le réacteur à plasma formant une source d'ions pour un spectromètre de masse, l'échantillon formant une des électrodes du réacteur à plasma de décharge luminescente,
on injecte dans l'enceinte à vide un mélange gazeux comprenant au moins un gaz rare et de l'oxygène gazeux, la concentration en oxygène gazeux étant comprise entre 0.1 % et 15% massique du mélange gazeux, on applique, aux électrodes du réacteur, une décharge électrique adaptée pour générer un plasma de décharge luminescente de manière à exposer l'échantillon solide audit plasma ;
on sélectionne et on mesure au moyen du spectromètre de masse au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative.
Le procédé permet de graver un échantillon, par exemple polymère ou organique, avec une vitesse de gravure importante, typiquement comprise entre 100 nanomètres/minute et 1 micron/minute, avec un cratère de gravure à fond plat. Ce procédé permet d'une part de détecter et de mesurer des espèces ionisées différentes des espèces ionisées de charge positive habituellement mesurées ou des espèces excitées mesurées par spectrométrie d'émission optique. D'autre part, le procédé permet de mesurer des signaux ayant une intensité et/ou un rapport signal sur bruit bien supérieurs aux signaux représentatifs d'espèces ionisées de charge positive ou aux signaux d'émission optique, dans les mêmes conditions de plasma et pour un même échantillon.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le gaz rare du mélange gazeux est choisi parmi de l'argon, du néon, du krypton, de l'hélium ou un mélange desdits gaz rares.
Dans un mode de réalisation particulier, l'échantillon solide comporte un empilement de couches organiques ou polymères.
Selon un autre aspect particulier, le spectromètre de masse étant de type spectromètre à temps de vol, on mesure au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative en fonction du temps de vol respectif de ladite espèce ionisée.
Selon un mode de réalisation particulier et avantageux du procédé, l'échantillon à mesurer comprend un empilement de couches et on modifie la concentration en oxygène du mélange gazeux au cours de l'exposition au plasma de décharge luminescente en fonction de la couche de l'empilement exposée audit plasma.
Selon un aspect particulier, on applique une décharge électrique radio-fréquence ou radio-fréquence puisée.
Selon un autre aspect particulier, ledit procédé comprend l'application simultanée d'un champ électrique radio-fréquence ou radio fréquence puisé et d'un champ magnétique axial ou transverse par rapport à un axe du réacteur à plasma de décharge luminescente.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, ledit procédé comprend en outre une étape d'étalonnage selon laquelle : on place un échantillon de référence ayant une composition connue dans l'enceinte à vide du réacteur à plasma de décharge luminescente, l'échantillon de référence formant une des électrodes du réacteur à plasma ;
on injecte dans l'enceinte à vide un mélange gazeux comprenant au moins un gaz rare et de l'oxygène gazeux, la concentration en oxygène gazeux étant comprise entre 0.1 % et 15% massique du mélange gazeux, on applique, aux électrodes du réacteur à plasma, une décharge électrique adaptée pour générer un plasma de décharge luminescente, de manière à exposer ledit échantillon de référence audit plasma ;
on mesure par spectrométrie de masse au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative dudit plasma ;
on étalonne la mesure par spectrométrie de masse de ladite espèce ionisée de charge négative relativement à la composition connue dudit échantillon de référence.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé comprend une autre étape selon laquelle on sélectionne et on mesure au moyen d'un autre spectromètre de masse au moins un autre signal représentatif d'une autre espèce ionisée de charge positive.
L'invention concerne aussi un appareil de spectrométrie de décharge luminescente pour l'analyse d'un échantillon solide, comprenant de préférence au moins une couche organique ou polymère, ledit appareil de spectrométrie comportant un réacteur à plasma de décharge luminescente comportant une enceinte à vide reliée à un circuit fluidique d'injection de gaz de plasma, le réacteur de plasma de décharge luminescente comportant un circuit électrique adapté pour appliquer une décharge électrique, de préférence radio-fréquence ou radio fréquence puisée, entre l'échantillon solide à analyser et une électrode en présence dudit gaz de plasma de manière à générer un plasma de décharge luminescente, un spectromètre de masse relié à l'enceinte à vide du réacteur à plasma de décharge luminescente de manière à extraire des espèces ionisées dudit plasma de décharge luminescente, le spectromètre de masse comportant un analyseur de masse adapté pour analyser lesdites espèces ionisées et un détecteur adapté pour détecter lesdites espèces ionisées analysées.
Selon l'invention, le circuit fluidique d'injection de gaz est adapté pour injecter dans l'enceinte à vide du réacteur à plasma de décharge luminescente un mélange gazeux comprenant de l'oxygène gazeux et au moins un gaz rare, la concentration en oxygène gazeux étant comprise entre 0.1 % et 15% massique du mélange gazeux, de manière à exposer l'échantillon solide au plasma de décharge luminescente formé par décharge luminescente dudit mélange gazeux oxygéné, et le spectromètre de masse est agencé et adapté pour détecter et mesurer au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative.
Selon un mode de réalisation particulier et avantageux de l'appareil de spectrométrie de décharge luminescente, le circuit électrique est adapté pour appliquer une décharge électrique radio-fréquence ou radio-fréquence puisée.
Selon un mode de réalisation préféré, le spectromètre de masse comporte un analyseur de masse à temps de vol. Selon un mode de réalisation particulier, l'appareil de spectrométrie de décharge luminescente comporte en outre un autre spectromètre de masse relié à l'enceinte à vide du réacteur à plasma de décharge luminescente de manière à extraire d'autres espèces ionisées dudit plasma de décharge luminescente, dans lequel ledit autre spectromètre de masse est agencé et adapté pour détecter et mesurer au moins un autre signal représentatif d'une autre espèce ionisée de charge positive.
Ainsi, l'appareil de spectrométrie de décharge luminescente permet de mesurer simultanément des ions de charge négative et d'autres ions de charge positive.
L'invention permet avantageusement d'analyser la composition chimique élémentaire de matériaux ou d'empilements de couches minces ou épaisses, cette analyse pouvant être résolue en profondeur.
L'invention trouvera une application particulièrement avantageuse dans l'analyse des matériaux solides polymères ou organiques de faible épaisseur et/ou en couche mince et/ou en couche épaisse, pouvant atteindre plusieurs dizaines de microns d'épaisseur en un temps limité à quelques minutes ou quelques dizaines de minutes.
L'invention permet d'analyser des empilements de différents matériaux polymères et de différencier ces matériaux en fonction de la profondeur de gravure.
Le procédé et le système de l'invention permettent d'analyser des couches d'interface enterrées sous une couche supérieure de plusieurs dizaines de microns d'épaisseur.
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles.
Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement un appareil de spectrométrie de décharge luminescente équipé d'un système de mélange de gaz ;
- la figure 2 représente schématiquement en vue éclatée un échantillon multicouches ;
- la figure 3 représente schématiquement une vue en coupe d'un réacteur à plasma de décharge luminescente couplé à un spectromètre de masse ;
- la figure 4 représente schématiquement un appareil de spectrométrie de décharge luminescente couplé à un spectromètre de masse à temps de vol ;
- la figure 5 représente schématiquement en vue éclatée un échantillon multicouche
- la figure 6 illustre un exemple de mesure par spectromètre de masse à temps de vol d'un échantillon organique, le spectromètre de masse étant configuré en mode négatif ;
- la figure 7 illustre un exemple de mesure par spectromètre de masse à temps de vol d'un échantillon organique analogue à celui de la figure 5, le spectromètre de masse étant configuré en mode positif.
La figure 1 représente schématiquement un appareil de spectrométrie de décharge luminescente 1 équipé d'un système d'alimentation en gaz porteur de la décharge plasma. L'appareil de spectrométrie de décharge luminescente 1 comprend un réacteur à plasma 2, généralement de type lampe de Grimm, en forme de tube, à l'intérieur duquel est confiné le plasma. Le système de pompage des gaz n'est pas représenté sur le schéma de la figure 1 . Un échantillon solide 10 est exposé au plasma de décharge luminescente. En général, l'échantillon 10 forme l'une des électrodes du réacteur à plasma 2. L'appareil de spectrométrie de décharge luminescente 1 comprend un spectromètre 4, qui est ici un spectromètre de masse (MS), pour l'analyse des espèces ionisées du plasma.
Un spectromètre de masse mesure les éléments et composés en fonction de leur rapport masse sur charge m/z. Comparée à la spectrométrie optique qui est plus simple, la spectrométrie de masse permet en général une meilleure sensibilité.
Il existe différents types d'appareils de spectrométrie de masse en fonction du type d'analyseur et de détecteur. Le spectromètre de masse est par exemple du type spectromètre de masse à temps de vol (TOF-MS pour Time Of Flight Mass Spectrometer). Comparé à un analyseur de masse séquentiel, un spectromètre de masse à temps de vol permet d'enregistrer un spectre de masse en entier et de manière quasi-continue (un spectre complet toutes les 30 microsecondes), ce qui permet un contrôle continu de toutes les espèces en fonction de la profondeur de gravure dans l'échantillon. La dynamique de mesure du détecteur permet de mesurer à la fois les éléments et composants formant la matrice de l'échantillon, les éléments majoritaires, mais aussi des éléments présents à l'état de traces. De plus, la spectrométrie de masse permet d'analyser la présence de marqueurs isotopiques utilisés par exemple pour mettre en évidence la présence et la diffusion de certaines espèces dans un matériau, par exemple pour l'étude de la corrosion.
Une ligne 5 d'alimentation en gaz porteur relie une ou plusieurs sources de gaz à l'enceinte à vide du réacteur 2. Dans l'exemple représenté sur la figure 1 , la ligne d'alimentation en gaz 5 est divisée en deux lignes d'alimentation 5a et 5b reliées respectivement à une première source de gaz 6 et une seconde source de gaz 7. La première source de gaz 6 est par exemple une bouteille comprenant un mélange d'argon et d'oxygène (par exemple à 4% massique en oxygène gazeux). La seconde source de gaz 7 est une bouteille d'argon pur. Un premier débitmètre 8a permet d'ajuster le débit de gaz sur la ligne 5a provenant de la première source de gaz 6 et dirigée vers la ligne d'alimentation en gaz 5 du réacteur à plasma 2. Un second débitmètre 8b permet d'ajuster le débit de gaz sur la ligne 5b provenant de la seconde source de gaz 7 et dirigé vers la ligne d'alimentation en gaz 5 du réacteur à plasma 2. Un contrôleur 9 permet d'ajuster les commandes des débitmètres 8a et 8b de manière à obtenir la concentration souhaitée du mélange gazeux injecté via la ligne 5 dans l'enceinte à vide du réacteur à plasma.
En particulier pour l'analyse par spectrométrie de décharge luminescente de matériaux comportant au moins une couche organique ou polymère, l'ajout d'oxygène gazeux au gaz de plasma présente des effets positifs (voir le document de brevet FR2965355). En effet, on observe que l'ajout d'oxygène gazeux à un gaz de plasma neutre permet de produire à la fois une érosion rapide des matériaux organiques ou polymères et un cratère d'érosion à fond plat dans ces matériaux. La proportion en oxygène gazeux dans le mélange gazeux est de préférence comprise entre 0.1 % et 15% massique du mélange gazeux. Cette proportion est suffisante pour obtenir une forte augmentation de la vitesse de gravure d'une couche de matériau organique ou polymère.
La vitesse de gravure d'un échantillon polymère ou organique est comprise en général entre environ 100 nanomètres/minute et 1 micron/minute.
L'argon, ou un autre gaz rare, reste cependant l'espèce gazeuse majoritaire dans ce mélange gazeux.
Or, en spectrométrie de masse d'un plasma d'argon pur, le mode privilégié et le plus utilisé correspond à la détection et la mesure d'espèces ionisées de charge positive. En effet, il est connu que l'argon génère essentiellement des ions de charge positive.
En présence d'un mélange gazeux comportant une forte majorité d'argon (de 85% à 99,9 % en volume massique, et de préférence entre 90% et 99 % du volume massique) on s'attend à ce que le mélange gazeux produise aussi une majorité d'ions de charge positive.
La publication S. Canulescu, I.S. Molchan, C. Tauziede, A. Tempez, J.A Whitby, G. E. Thompson, P. Skeldon, P. Chapon, J. Michler «Détection of négative ions in glow discharge mass spectrometry for analysis of solid spécimens " décrit l'analyse d'un film de tantale comprenant du fluor, exposé à un plasma de décharge luminescente rf puisé d'argon, qui permet de détecter des ions de charge négative, notamment d'espèces ionisées halogénées. Cependant, l'intensité des signaux mesurés est très faible (quelques dizaines d'ions/extraction). La publication G. Lotito, D. Gunther « Négative ion laser ablation glow discharge-time of flight mass spectrometry of organic molécules » Int. Journ. Of Mass Sepctrometry 315 (2012) 60-65 décrit l'ablation laser de molécules organiques transférées dans une décharge plasma d'argon, couplée à un spectromètre de masse configuré pour mesurer des ions de charge négative (LAGD-TOFMS). Cependant, la sensibilité des mesures par spectrométrie de masse en mode négatif pour ces molécules organiques est extrêmement faible, de plusieurs ordres de grandeur, par comparaison avec des mesures de type MALDI (Matrix Absorption Laser Assisted lonization).
La figure 2 représente schématiquement en vue éclatée, un exemple d'échantillon 10 que l'on souhaite analyser par spectrométrie de masse de décharge luminescente. L'échantillon 10 comprend un substrat 1 1 , une couche intermédiaire 12, par exemple une couche d'adhérence, une couche protectrice du substrat, ou des éléments d'interdiffusion entre le substrat et les autres couches. L'échantillon 10 peut comporter une structure complexe, par exemple un empilement de couches 13, 14... 15.
Enfin, l'échantillon comporte une couche supérieure 16, qui est par exemple une couche protectrice, une couche d'oxyde natif, une couche de protection anti-corrosion ou encore une couche de revêtement tribologique. Dans l'application envisagée, l'échantillon 10 comporte au moins une couche de matériau organique ou polymère. La figure 3 représente schématiquement une vue en coupe d'un réacteur à plasma de décharge luminescente 2 couplée à un spectromètre de masse, selon un mode de réalisation de l'invention. Le réacteur à plasma de décharge luminescente comporte une enceinte à vide 22. Un système de pompage sous vide 25 est branché sur l'enceinte à vide 22. D'autre part, une ligne d'arrivée de gaz 5 est reliée à l'enceinte à vide 22, pour permettre l'admission du mélange gazeux comportant un mélange d'oxygène gazeux et de gaz neutre. Une électrode tubulaire 23 est placée à l'intérieur du réacteur à plasma. L'électrode tubulaire 23 est par exemple reliée à la masse. L'échantillon 10 à analyser est placé contre une autre électrode 3 reliée à une source d'alimentation électrique. De manière particulièrement avantageuse, on utilise une source électrique RF puisée qui permet de minimiser les contraintes thermiques induites dans l'échantillon 10, notamment pour les matériaux fragiles. L'enceinte à vide 22 du réacteur à plasma de décharge luminescente 2 est couplée à un spectromètre de masse 4 qui détecte des espèces ionisées extraites du plasma.
En spectrométrie de masse de décharge luminescente, l'utilisation d'une source RF puisée offre des avantages particuliers du fait que les mécanismes d'ionisation des espèces présentes dans le plasma varient durant la période de la source RF. On applique sur l'électrode 3 une puissance électrique fournie par un générateur RF de manière à produire une impulsion électrique pendant une durée limitée. On effectue des mesures par spectrométrie de masse juste avant le début de l'impulsion électrique, pendant l'impulsion électrique et après l'arrêt de cette impulsion électrique. Le signal de spectrométrie de masse peut être analysé sur différentes zones temporelles dites respectivement pré-pic (prepeak), plateau et post-impulsion (afterglow). L'exploitation des signaux de spectrométrie de masse sur ces trois zones temporelles offre des combinaisons analytiques originales et riches d'informations non seulement pour les matériaux fragiles mais pour tout type de matériaux et empilements de couches minces.
En particulier, on a observé que les signaux ioniques apparaissent généralement plus intenses dans la zone afterglow après l'extinction d'une impulsion plasma. La publication de N. Tuccito et al. (Rapid Comm. Mass Spectrom. 2009, 23 : 549-556) indique que la distribution temporelle des maxima de signaux de spectrométrie de masse est propre à chaque élément. Cette publication démontre également que l'on peut non seulement optimiser la mesure de chaque élément avec un spectromètre de masse à temps de vol mais aussi analyser des fragments moléculaires ionisés, ce qui permet de discriminer des polymères de composition élémentaire similaire mais de structure moléculaire différente. La publication de L. Lobo et al. (A Comparison of non-pulsed radiofrequency and pulsed radiofrequency glow discharge orthogonal time-of-flight mass spectrometry for analytical purposes, J. Anal. At. Spectrom., 2009, 24, 1373-1381 ) a montré qu'il est possible d'obtenir en spectrométrie de masse de décharge luminescente des rapports signal/fond et donc des sensibilités bien supérieures en mode puisé à celles obtenues en mode continu (non puisé). De plus, la publication Lobo et al. met en évidence qu'une sélection précise de l'intervalle temporel d'intégration en mode puisé permet d'optimiser les performances en termes de séparation ionique et de précision et reproductibilité des mesures de ratios d'isotopes.
Il apparaît aujourd'hui tout à fait décisif de pouvoir réaliser des mesures en spectrométrie de masse simultanée ou quasi simultanée (comme dans les appareils temps de vol) en mode puisé.
Or, en spectrométrie de masse de décharge luminescente mode RF puisée, on observe que la présence d'oxygène dans le plasma a un effet négatif dit d'extinction (ou quenching effect) sur les espèces métastables, qui sont la source principale d'ionisation des espèces positives dans le domaine afterglow.
Autrement dit, il semble que les espèces ionisées positives sont très rapidement désactivées en présence d'oxygène dans le gaz de plasma. Les mécanismes physicochimiques qui se produisent dans un plasma de décharge luminescente et qui sous-tendent cette désactivation sont très complexes.
Néanmoins, le domaine temporel d'afterglow est justement la zone d'intérêt privilégiée pour l'analyse de matériaux, en particulier pour les matériaux polymères ou organiques.
En spectrométrie de masse de décharge luminescente, on mesure classiquement les espèces ionisées de charge positive. En effet, le gaz rare, par exemple de l'argon, génère surtout des espèces ionisées de charge positive. Dans le cas de l'analyse par spectrométrie de masse, l'utilisation d'un mélange de gaz rare et d'oxygène, avec une proportion d'oxygène comprise entre 1 % et 10% massique, permet d'augmenter la vitesse de gravure dans des échantillons comprenant au moins une couche polymère ou organique. Cependant ce procédé ne permet pas d'augmenter les rendements d'ionisation des espèces ionisées de charge positives et ne permet donc pas d'améliorer le rapport signal sur bruit des signaux détectés par spectrométrie de masse.
La mesure des espèces négatives en spectrométrie de masse à décharge luminescente a été étudiée notamment par S. Canulescu (Anal. Bioanal. Chem. (2010) 396:2871 -2879) pour des matériaux halogénés exposés à un plasma d'argon.
G. Lotito et D. Gunther, International Journal of Mass Spectrometry 315 (2012) 60- 65 décrivent l'analyse par spectrométrie de décharge luminescente d'espèces ionisées de charge négative issues d'un plasma d'argon en mode rf-pulsé dans lequel sont injectées des molécules organiques obtenues par ablation laser. Cependant, les auteurs concluent que la sensibilité de cette technique est inférieure de plusieurs ordres de grandeurs à la sensibilité obtenue par la technique MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption lonization). Un aspect de la présente invention repose sur la sélection des ions de charge négative et sur la détection d'un signal de spectrométrie de masse de ces ions négatifs en combinaison avec l'exposition à un plasma en présence d'un mélange gazeux d'oxygène et de gaz rare. A cet effet, le spectromètre de masse 4 est configuré en mode négatif, de manière à extraire uniquement des ions de charge négative du plasma de décharge luminescente formé en présence d'un mélange de gaz rare et d'oxygène. Or, les mécanismes d'ionisation dépendent des espèces chimiques et de la charge électrique des espèces ionisées. On observe de manière surprenante que, contrairement aux signaux relatifs aux espèces ionisées de charge positive, les signaux de spectrométrie de masse relatifs aux espèces ionisées de charge négative présentent une forte intensité y compris en mode puisé dans la zone temporelle après la fin du puise (afterglow en anglais), lorsque le mélange gazeux comporte de l'oxygène, en particulier lors de l'analyse d'échantillons comprenant une couche organique ou polymère.
Un spectromètre de masse permet de mesurer des espèces ionisées, soit de charge négative, soit de charge positive. Il n'est pas en pratique possible de mesurer simultanément dans un même spectromètre ces deux types d'espèces. Les électrodes d'un spectromètre de masse doivent être reliées progressivement à un potentiel électrique de plusieurs centaines à quelques milliers de volts. Le changement de polarisation des électrodes d'un spectromètre de masse doit donc être conduit progressivement. Une inversion trop rapide des polarités d'un spectromètre de masse peut dans certains cas endommager le spectromètre de masse. Il n'est donc pas possible d'inverser rapidement la polarité des électrodes d'un spectromètre de masse pour la détection des espèces ionisées négatives.
Selon un aspect de l'invention, on configure le spectromètre de masse pour la détection d'espèces ionisées négatives avant le démarrage du plasma de décharge luminescente.
La figure 4 représente schématiquement un appareil de spectrométrie de décharge luminescente couplé à un spectromètre de masse à temps de vol 4 polarisé de manière à détecter et mesurer les espèces ionisées de charge négative.
L'appareil de spectrométrie de décharge luminescente comporte un réacteur à plasma de décharge luminescente 2 comprenant une enceinte à vide reliée à une ligne d'arrivée de gaz 5. Une bouteille 6 comprenant un mélange d'oxygène et de gaz rare, par exemple d'argon avec 4% massique d'oxygène, et une autre bouteille 7 comprenant du gaz rare (argon) sont reliées à la ligne d'arrivée de gaz 5. L'échantillon 10 est placé dans le réacteur à plasma en contact avec une contre-électrode 3. Une source d'alimentation électrique RF puisée 33 est reliée électriquement à la contre-électrode 3. La puissance appliquée moyenne est comprise en général entre quelques watts à une centaine de watts, la pression du mélange gazeux est de quelques torrs.
Le spectromètre de masse à temps de vol 4 est relié à l'enceinte à vide du réacteur à plasma de manière à extraire des espèces ionisées de charge négative du plasma de décharge luminescente et à les analyser d'une part en fonction de leur rapport masse sur charge et d'autre part en fonction du temps. Le spectromètre de masse à temps de vol 4 illustré sur la figure 4 comprend une valve 40, un filtre (skimmer) 41 , un système d'optique ionique 42, 43, un spectromètre de masse orthogonal (48) avec ses électroniques (pulseur 44, et miroir ionique 45), et un détecteur 46 qui détecte typiquement un spectre de masse, par exemple environ toutes les 30 microsecondes. Le spectromètre de masse à temps de vol 4 est équipé d'un système de pompes turbo- moléculaires à trois étages 50, 51 , 52.
Le spectromètre de masse à temps de vol 4 est configuré et adapté pour extraire uniquement des espèces ionisées de charge négative du plasma de décharge luminescente formé dans le réacteur à plasma 2, en présence d'un mélange gazeux d'oxygène et de gaz rare.
Le spectromètre de masse à temps de vol 4 permet d'analyser les espèces ionisées de charge négative en fonction de leur rapport masse sur charge m/z.
La figure 5 représente schématiquement en perspective d'un exemple d'échantillon 10 que l'on analyse par spectrométrie de masse de décharge luminescente. A titre d'exemple illustratif et nullement limitatif, l'échantillon 10 comporte un empilement constitué d'un substrat 13 de polyéthylène, d'une couche 14 de polyvinyldènechloré d'environ 2 microns d'épaisseur, et d'une couche 15 de nylon d'environ 10 microns d'épaisseur.
Il est à noter que la mesure de cet échantillon avec un plasma d'argon seul est impossible, la vitesse de gravure étant réduite à quelques nm/min.
La figure 7 illustre un exemple de mesure par spectromètre de masse à temps de vol en mode RF puisé d'un échantillon organique, le spectromètre de masse à temps de vol 4 étant configuré en mode positif et le plasma étant effectué dans un mélange d'oxygène et de gaz rare, avec une proportion de 5% d'oxygène en volume massique du mélange.
Plus précisément, la figure 7 représente en fonction de la profondeur de gravure D dans l'échantillon, l'intensité I (en intensités ioniques) des signaux relatifs à différentes espèces ionisées associées respectivement à différents rapports masse sur charge m/z. Des méthodes d'analyse connues par ailleurs permettent d'identifier les espèces ionisées détectées en fonction de leur rapport masse sur charge. Plus particulièrement, sur la figure 7, on a identifié différents signaux associés respectivement à la présence des espèces ionisées suivantes : nitrure d'hydrogène (NH3 +), sodium (Na+), et oxyde de chlore (ion CIO+). La profondeur de gravure D dans l'échantillon est calibrée par des méthodes de calibration connues par ailleurs. Sur un axe parallèle à l'axe des abscisses, on a représenté les couches 13, 14, 15 correspondant à la profondeur de gravure D dans l'échantillon.
L'utilisation du mélange d'oxygène et de gaz rare permet de graver un cratère d'érosion de plusieurs dizaines de microns dans l'échantillon solide (voir échelle en abscisse de la figure 7).
On observe que l'échelle d'intensité des signaux de spectrométrie de masse à temps de vol relatifs aux espèces ionisées de charge positive reste limitée à une dynamique de mesure comprise entre environ 10~4 et 1 . De manière plus détaillée, après une profondeur de gravure d'une douzaine de microns dans l'échantillon (entre 10 et 15 microns), on observe sur la figure 7, une baisse du signal représentatif de l'ion nitrure d'hydrogène (NH3 +) et une augmentation du signal relatif à l'ion sodium (Na+). Après une profondeur de gravure d'environ 15 microns dans l'échantillon, les signaux représentatifs de l'ion nitrure d'hydrogène (NH3 +) et de l'ion sodium (Na+) atteignent chacun un plateau. On note que les signaux de spectrométrie de masse relatifs à l'espèce ionisée chlorée (ion CIO+) sont très faibles, et quasiment indétectables car du même ordre de grandeur que le bruit du signal.
La figure 6 illustre un exemple de mesure par spectromètre de masse à temps de vol d'un échantillon organique analogue à celui de la figure 5, le spectromètre de masse étant configuré en mode négatif, toujours en présence d'un mélange gazeux d'oxygène et de gaz rare.
Sur la figure 6, on observe que l'échelle d'intensité des signaux de spectrométrie de masse à temps de vol relatifs aux espèces ionisées de charge négative s'étend d'environ 10° à environ 105. De plus, en mode négatif, le spectromètre de masse à temps de vol permet de détecter des espèces ionisées en abondance telles que CIO", CI", CN", CNO" et C2H". Combinée à un mélange gazeux d'oxygène et de gaz rare, la spectrométrie de masse configurée pour détecter des espèces ionisées de charge négative permet ainsi de détecter des espèces ionisées telles que le chlore, qui n'apparaissaient pas, ou en quantité infime, dans le spectre de masse des espèces ionisées de charge positive. De plus, l'intensité des signaux mesurés en mode négatif est bien supérieure à celle des signaux mesurés en mode positif. On observe nettement les changements de couches. Ainsi, pour une profondeur de gravure D comprise entre 0 et environ 8 microns, la couche 15 de nylon présente essentiellement des signaux représentatifs des ions nitrure CN" et CNO" qui sont des espèces ionisées non halogénées. Lors de la gravure de la couche 14 de polyvinyldène chloré, pour une profondeur de gravure D comprise entre environ 8 et 12 microns, on observe une forte augmentation des signaux représentatifs des ions chlorés CIO" et CI". Enfin, lors de la gravure de la couche 13 de polyéthylène, pour une profondeur de gravure D comprise entre environ 12 et 25 microns, on observe une augmentation du signal représentatif de l'ion C2H" et une diminution relative des signaux représentatifs des ions chlorés CIO" et CI" et des ions nitrure CN" et CNO". Le rapport signal sur bruit des mesures par spectrométrie de masse de décharge luminescente est considérablement augmenté en mode négatif par comparaison au mode positif. Cette augmentation de l'intensité des signaux mesurés par spectrométrie de masse est particulièrement intéressante dans l'application à un échantillon comprenant au moins une couche de matériau organique ou polymère.
Les mécanismes liés à la formation d'espèces ionisées de charge négative et respectivement positive sont très différents. Cependant, les mécanismes de formation des espèces ionisées dans un plasma de décharge luminescente sont très complexes et difficilement prévisibles en fonction de la nature physico-chimiques de l'échantillon, des gaz de plasma et selon les conditions de la décharge électrique.
La mesure par spectrométrie de masse d'espèces ionisées de charge négative permet d'analyser des espèces ionisées différentes des espèces ionisées de charge positive, obtenues dans les mêmes conditions de plasma et avec un même échantillon. Il semble que la présence d'oxygène dans le gaz de plasma permette d'augmenter la production d'espèces ionisées de charge négative dans le plasma de décharge luminescente et ainsi d'augmenter fortement l'intensité des signaux de mesure de spectrométrie de masse d'espèces ionisées de charge négative. On détecte ainsi des mesures de spectrométrie de masse d'espèces ionisées de charge négative qui présentent un rapport signal sur bruit bien meilleur qu'en mode positif.
Combinée à l'utilisation d'un mélange de gaz comprenant de l'oxygène gazeux et un gaz neutre, la spectrométrie de masse en mode négatif permet d'allier les avantages de vitesse de gravure importante, de gravure avec un cratère d'érosion à fond plat et pouvant être profond (plusieurs dizaines microns) et l'obtention de mesures de spectrométrie de masse qui présentent une intensité élevée, et un rapport signal sur bruit important, tout particulièrement dans la région de l'afterglow d'une décharge luminescente de mode RF puisé.
Ces mesures de spectrométrie de masse en mode négatif, en présence d'une décharge luminescente dans un mélange de gaz rare et d'oxygène, fournissent des signaux d'intensité supérieure à l'intensité de signaux de spectrométrie de masse en mode positif, y compris et de manière surprenante pour la détection d'espèces ionisées non halogénées et tout particulièrement pour la détection d'espèces ionisées non halogénées, telles que des espèces métalliques ou des espèces organiques (c'est-à-dire composées essentiellement des éléments carbone, hydrogène, oxygène et/ou azote).
L'appareil et le procédé de l'invention s'appliquent en particulier à l'analyse d'un empilement de différentes couches polymères.
L'appareil et le procédé de l'invention s'appliquent aussi à l'analyse d'échantillons hybrides comprenant une couche polymère déposée sur un substrat métallique, ou une couche polymère déposée sur un substrat de verre, ou encore une couche métallique déposée sur un substrat polymère.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente de la composition chimique élémentaire et/ou moléculaire d'un échantillon solide (10) comportant au moins une couche (12, 13, 14, 15, 16) organique ou polymère, caractérisé en ce que ledit procédé comprend les étapes suivantes :
on dispose l'échantillon (10) de manière à fermer une enceinte à vide (22) d'un réacteur à plasma de décharge luminescente (2),
- on injecte dans l'enceinte à vide (2) un mélange gazeux comprenant au moins un gaz rare et de l'oxygène gazeux, la concentration en oxygène gazeux étant comprise entre 0.1 % et 15% massique du mélange gazeux, on applique, aux électrodes du réacteur (2), une décharge électrique adaptée pour générer un plasma de décharge luminescente, de manière à exposer l'échantillon solide (10) audit plasma ;
- on sélectionne et on mesure au moyen d'un spectromètre de masse (4) au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative.
2. Procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente, selon la revendication 1 dans lequel le au moins un gaz rare est choisi parmi de l'argon, du néon, du krypton, de l'hélium ou un mélange desdits gaz rares.
3. Procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente, selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel l'échantillon solide (10) comporte un empilement de couches (12, 13, 14, 15, 16) organiques ou polymères.
4. Procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente, selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le spectromètre de masse (4) étant de type spectromètre à temps de vol, on mesure au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative en fonction du temps de vol respectif de ladite espèce ionisée.
5. Procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente, selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'échantillon solide (10) à mesurer comporte un empilement de couches, et dans lequel on modifie la concentration en oxygène du mélange gazeux au cours de l'exposition au plasma de décharge luminescente en fonction de la couche de l'empilement exposée audit plasma.
6. Procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente, selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ledit procédé comprend l'application simultanée d'un champ électrique radio-fréquence ou radio fréquence puisé, et d'un champ magnétique axial ou transverse par rapport à un axe du réacteur à plasma de décharge luminescente.
7. Procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente, selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que ledit procédé comprend en outre une étape d'étalonnage selon laquelle :
on place un échantillon de référence ayant une composition connue dans l'enceinte à vide du réacteur à plasma de décharge luminescente, l'échantillon de référence formant une des électrodes du réacteur à plasma ;
- on injecte dans l'enceinte à vide un mélange gazeux comprenant au moins un gaz rare et de l'oxygène gazeux, la concentration en oxygène gazeux étant comprise entre 0.1 % et 15% massique du mélange gazeux, on applique, aux électrodes du réacteur à plasma, une décharge électrique adaptée pour générer un plasma de décharge luminescente, de manière à exposer ledit échantillon de référence audit plasma ;
- on mesure par spectrométrie de masse au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative dudit plasma ;
on étalonne la mesure par spectrométrie de masse de ladite espèce ionisée de charge négative relativement à la composition connue dudit échantillon de référence.
8. Procédé de mesure par spectrométrie de décharge luminescente selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel ledit procédé comprend une autre étape selon laquelle on sélectionne et on mesure au moyen d'un autre spectromètre de masse au moins un autre signal représentatif d'une autre espèce ionisée de charge positive.
9. Appareil de spectrométrie de décharge luminescente pour l'analyse d'un échantillon solide (10) comprenant de préférence au moins une couche (12, 13, 14, 15, 16) organique ou polymère, ledit appareil de spectrométrie comportant :
- un réacteur à plasma de décharge luminescente (2) comportant une enceinte à vide (22) reliée à un circuit fluidique d'injection de gaz de plasma (5, 6, 7) , le réacteur à plasma de décharge luminescente (2) comportant un circuit électrique adapté pour appliquer une décharge électrique, de préférence radio-fréquence ou radio-fréquence puisée, entre l'échantillon solide (10) à analyser et une électrode (3, 23) en présence dudit gaz de plasma de manière à générer un plasma de décharge luminescente,
- un spectromètre de masse (4) relié à l'enceinte à vide du réacteur à plasma de décharge luminescente (2) de manière à extraire des espèces ionisées dudit plasma de décharge luminescente, le spectromètre de masse (4) comportant un analyseur de masse adapté pour analyser lesdites espèces ionisées et un détecteur (46) adapté pour détecter lesdites espèces ionisées analysées,
caractérisé en ce que : le circuit fluidique d'injection de gaz est adapté pour injecter dans l'enceinte à vide (22) du réacteur à plasma de décharge luminescente un mélange gazeux comprenant de l'oxygène gazeux et au moins un gaz rare, la concentration en oxygène gazeux étant comprise entre 0.1 % et 15% massique du mélange gazeux, de manière à exposer l'échantillon solide (10) au plasma de décharge luminescente formé par décharge luminescente dudit mélange gazeux oxygéné, et
- dans lequel le spectromètre de masse (4) est agencé et adapté pour détecter et mesurer au moins un signal représentatif d'une espèce ionisée de charge négative.
10. Appareil de spectrométrie de décharge luminescente selon la revendication 9 dans lequel le circuit électrique est adapté pour appliquer une décharge électrique radio- fréquence ou radio-fréquence puisée.
1 1 . Appareil de spectrométrie de décharge luminescente selon l'une des revendications 9 ou 10 dans lequel le spectromètre de masse (4) comporte un analyseur de masse à temps de vol.
12. Appareil de spectrométrie de décharge luminescente selon l'une des revendications 9 à 1 1 comportant en outre un autre spectromètre de masse relié à l'enceinte à vide du réacteur à plasma de décharge luminescente (2) de manière à extraire d'autres espèces ionisées dudit plasma de décharge luminescente, dans lequel ledit autre spectromètre de masse est agencé et adapté pour détecter et mesurer au moins un autre signal représentatif d'une autre espèce ionisée de charge positive.
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