FR2926161A1 - Source magnetron pour spectrometre a decharge luminescente. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une lampe à décharge luminescente (1) pour spectromètre à décharge luminescente comprenant un corps de lampe comprenant une enceinte à vide (6) apte à être raccordée d'une part à des moyens de pompage (8) de ladite enceinte, et d'autre part à des moyens d'injection d'un gaz inerte (10) dans ladite enceinte (6), une première électrode (2), une seconde électrode (4), apte à recevoir un échantillon (12) à analyser, des moyens pour appliquer une différence de potentiel continue (DC), radio-fréquence (RF) ou hybride aux bornes desdites électrodes (2) et (4), apte à générer un plasma (32) de décharge luminescente en présence du gaz (10), des moyens de couplage du corps de lampe à un spectromètre pour mesurer l'émission dudit plasma (32) et des moyens de génération de champ magnétique (34). Selon l'invention, les moyens de génération de champ magnétique (34) sont aptes à produire au moins pendant une durée T un champ magnétique présentant un grand degré de parallélisme à la surface (14) de l'échantillon (12) apte à être exposée audit plasma (32), entre ladite surface (14) et le plasma.

Description

La présente invention concerne une source pour spectromètre à décharge luminescente utilisée notamment pour l'analyse quantitative de la composition chimique élémentaire d'échantillons solides. Des systèmes de spectrométrie à décharge luminescente sont connus, permettant par exemple l'analyse d'empilements de couches minces. Dans ces systèmes, des atomes de la surface d'un matériau sont enlevés en exposant celle-ci à un plasma de gravure. L'émission produite par l'incorporation dans ce plasma d'espèces enlevées en surface du matériau est analysée. Le plasma remplit ainsi deux fonctions : l'ablation et l'émission. Io Dans les dispositifs antérieurs, une source de décharge luminescente permet l'ablation de la surface d'un matériau par un plasma réalisé dans une enceinte à vide en appliquant un champ électrique à un gaz inerte (par exemple de l'Argon ou du Néon) aux bornes des électrodes, l'échantillon à analyser formant l'une des électrodes du système. L'analyse des espèces is chimiques présentes dans le plasma par spectrométrie d'émission optique ou spectrométrie de masse permet l'analyse de la composition élémentaire des couches ablatées en surface du matériau ainsi que l'analyse du profil en profondeur du matériau en fonction de l'ablation réalisée. De nombreux spectromètres à décharge luminescente (ou Glow 20 Discharge Emission Spectrometers en anglais) existent dans le commerce, comprenant soit un spectromètre d'émission optique (GD-OES), soit un spectromètre de masse (GD-MS). Dans un dispositif de GD-OES, un spectromètre d'émission optique est couplé à l'enceinte dans laquelle se produit le plasma de la source de décharge luminescente, la lumière émise 25 par le plasma étant transmise au spectromètre optique à travers une fenêtre qui ferme l'enceinte de la source de décharge luminescente : une partie des photons émis par la décomposition des espèces présentes dans le plasma sont détectés par le spectromètre optique. Dans un dispositif de GD-MS, la chambre à ultra- vide d'un spectromètre de masse est couplée par des étages 30 de pression intermédiaires à l'enceinte à plasma de la lampe à décharge, des ions sont extraits à travers une ouverture prévue dans l'enceinte à plasma et sont transportés vers une chambre en ultra-vide pour la détection par le spectromètre de masse. La spectrométrie à décharge luminescente permet l'analyse de 35 matériaux solides, généralement de forme plane, mais également de tubes, ou de fils ou de matériaux en poudre. La spectrométrie de décharge luminescente permet l'analyse de nombreux matériaux, notamment des métaux. L'application de la GD-MS ou GD-OES à des matériaux plus fragiles tels que les polymères est possible avec une source Radio Fréquence pouvant éventuellement travailler en mode pulsé mais peut nécessiter de réduire la pression du plasma afin de réduire le bombardement électronique et/ou ionique destructeurs de la structure du polymère lors de l'ablation et/ou dans le plasma. Toutefois, une diminution de la pression entraîne une io diminution de la vitesse d'érosion et donc des signaux collectés et souvent une non-uniformité des cratères d'érosion. Les spectromètres à décharge luminescente actuels ne permettent pas toujours une résolution très fine en profondeur, du fait de défauts d'uniformité du plasma d'ablation. L'analyse de l'émission aux interfaces entre différents is matériaux est encore compliquée par des phénomènes d'interaction plasma-matériaux qui peuvent générer des artefacts de mesure. Or, il est souhaitable de conserver ou d'améliorer la fonction d'ablation du plasma, tout en diminuant la pression, ce qui semble à première vue contradictoire. 20 De manière générale, il est souhaitable d'augmenter la sensibilité des spectromètres à décharge luminescente qu'ils soient couplés à un spectromètre optique ou à un spectromètre de masse. En particulier un spectromètre de masse, opérant sous ultra-vide, ne détecte qu'une très faible quantité d'ions moléculaires. Il est donc souhaitable d'optimiser la fonction 25 d'émission du plasma vers le spectromètre de détection, optique ou atomique (spectromètre de masse).

Plus particulièrement, lorsqu'il s'agit d'améliorer la fonction d'ablation du plasma de la source de décharge luminescente, il est connu de mettre à profit 30 le couplage d'ondes électromagnétiques radio-fréquence (RF) pour exposer un échantillon conducteur ou non conducteur à un plasma d'ablation. Afin d'augmenter la vitesse de gravure d'un plasma, il est également connu dans le domaine des plasmas de gravure de superposer un champ magnétique au champ électrique appliqué (continu ou RF) dans l'enceinte du 35 plasma.

Ainsi la publication de Lieberman (Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, Wiley Editeur, 1994, p. 372-386) décrit l'amélioration d'un réacteur de gravure plasma (reactive ion etcher) par l'application simultanée d'un champ électrique RF avec un champ magnétique continu (de 50 à 200 G ) parallèle à la surface de l'électrode à laquelle est appliqué un champ électrique RF. Dans un tel système, appelé magnétron RF, Lieberman constate une augmentation de la densité du plasma, donc de la vitesse de gravure, mais qui s'accompagne d'une forte non uniformité de la gravure plasma sur la io surface de l'échantillon, cette non uniformité subsistant même en appliquant une rotation au champ magnétique dans le plan de l'échantillon.

Se basant sur le même principe appliqué dans les appareils de spectrométrie 15 d'émission, plusieurs auteurs ont combiné des champs électriques DC et/ou RF et magnétiques dans une lampe à décharge luminescente.

Ainsi Marcus (Inorganic Mass Spectrometry . Fundamentals and Applications, publié par Marcel Dekker Inc., éditeur C. Barshick et al., 2000, chapitre 7 p. 20 280-281) décrit l'amélioration d'une source à décharge luminescente par l'utilisation d'une source magnétron en configuration dite planaire, c'est-à-dire comprenant des aimants permanents concentriques localisés sur la face arrière de l'échantillon, afin que les aimants ne soient pas exposés au plasma de gravure. Dans cette configuration de magnétron planaire un aimant central 25 et un ou des aimants concentriques périphériques sont de polarité inverse. Le champ magnétique produit (> 100 G) permet de piéger des électrons du plasma au voisinage de la surface de l'échantillon, et donc de travailler à pression réduite. Toutefois Marcus constate une forte inhomogénéité de la gravure sur la surface de l'échantillon due à l'inhomogénéité du plasma 30 magnétron, qui produit des cratères circulaires, néfastes à une bonne résolution de l'analyse du profil en profondeur de l'échantillon.

Saprykin (Fresenius J. Anal Chem (1996) 355 : 831-835) décrit l'optimisation d'une source magnétron RF pour une lampe à décharge luminescente 35 couplée à un spectromètre de masse, dans laquelle des aimants permanents en anneaux sont placés sur la face arrière d'un échantillon (cf Fresenius J Anal Chem (1996) 355 : Fig 1 p. 832). Les lignes de champ magnétique partent du centre de l'échantillon et se referment sur sa périphérie (cf Fresenius J Anal Chem (1996) 355 : Fig 2b p. 833). L'efficacité de l'ablation plasma et de l'ionisation de la source sont améliorées par la superposition du champ électrique RF et du champ magnétique (-500 G). L'intensité des ions détectés par un spectromètre de masse couplé à la source RF magnétron planaire est augmentée en présence d'un champ magnétique. Toutefois Saprykin constate également que cette source planaire magnétron RF produit io sur l'échantillon un profil de gravure en anneau avec un cratère nettement moins uniforme que pour la même source sans application de champ magnétique (cf Fresenius J Anal Chem (1996) 355 : Figures 2a-2b P 833).

Heintz (Spectrochemica Acta Part B 50 (1995) 1109-1124) décrit également is une source RF magnétron planaire pour spectroscopie d'émission atomique de décharge luminescente, dans laquelle un aimant permanent cylindrique et un disque central magnétique sont placés sur la face arrière d'un échantillon plan, créant la superposition d'un champ magnétique de 600 à 800 G présentant des composantes parallèles et perpendiculaires à la surface de 20 l'échantillon, d'intensité très variable sur la surface de l'échantillon du fait de la courbure des lignes de champ magnétique. Heintz constate également, lors de l'application d'un champ magnétique, une augmentation de la vitesse de gravure accompagnée d'une forte asymétrie de gravure de l'échantillon (cf Spectrochemica Acta Part B 50 (1995) Fig 3b p. 1113). 25 En résumé, les publications de l'art antérieur décrivent des sources à décharge luminescente RF avec un magnétron planaire dans un spectromètre d'émission à décharge luminescente et ont analysé l'effet de ce champ magnétique. Dans ces publications, des aimants cylindriques sont placés sur 30 la face arrière d'un échantillon plan. Les auteurs ont constaté une augmentation de l'intensité du plasma, qui produit un double effet d'augmentation de la vitesse d'ablation ou de pulvérisation du matériau, et de l'intensité d'émission.

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs antérieurs et concerne une source ou lampe à décharge luminescente assistée par un champ magnétique externe qui permet d'augmenter la densité du plasma et d'améliorer ainsi les propriétés d'ablation du plasma sur l'échantillon tout en maintenant une bonne uniformité de l'ablation en surface de cet échantillon. Cela permet une réduction de la durée de mesure ou une réduction de la pression dans l'enceinte plasma et une diminution du bombardement ionique et/ou électronique des espèces dans le plasma. Ce dispositif permet également d'améliorer les propriétés d'émission io du plasma et permet d'obtenir une augmentation de la sensibilité de l'analyse par spectrométrie d'émission (optique ou par spectromètre de masse) de la composition de l'échantillon avec une très bonne résolution en profondeur.

Plus particulièrement, l'invention concerne une lampe à décharge is luminescente (DC ou RF) avec magnétron pour spectromètre d'émission à décharge luminescente comprenant des moyens de génération de champ magnétique aptes à être couplés à ladite lampe à décharge luminescente de manière à générer au moins pendant une durée T un champ magnétique présentant un grand degré de parallélisme à la surface d'un échantillon apte à 20 être exposée à ladite décharge luminescente, entre ladite surface et le plasma.

Un premier objectif de l'invention est de proposer une lampe à décharge luminescente permettant d'intensifier/d'amplifier ou maintenir la 25 fonction d'ablation d'un plasma de décharge luminescente pour spectromètre d'émission, tout en maintenant ou réduisant la pression de travail. Un second objectif de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'améliorer l'uniformité d'ablation d'un plasma de décharge luminescente sur la surface d'un échantillon. 30 Un troisième objectif de l'invention est de proposer un dispositif permettant d'améliorer la détection de l'émission d'un plasma de décharge luminescente, soit par un spectromètre optique soit par un spectromètre de masse, en augmentant l'intensité du signal détecté.

A ces fins, la présente invention concerne premièrement une lampe à décharge luminescente pour spectromètre à décharge luminescente comprenant : - un corps de lampe comprenant une enceinte à vide apte à être raccordée 5 d'une part à des moyens de pompage de ladite enceinte, et d'autre part à des moyens d'injection d'un gaz inerte dans ladite enceinte ; - une première électrode ; - une seconde électrode, apte à recevoir un échantillon à analyser ; - des moyens pour appliquer une différence de potentiel continue (DC), radio-fréquence (RF) ou hybride aux bornes desdites électrodes, apte à générer un plasma de décharge luminescente en présence du gaz ; - des moyens de couplage du corps de lampe à un spectromètre pour mesurer l'émission dudit plasma ; et - des moyens de génération de champ magnétique. is Selon l'invention, les moyens de génération de champ magnétique sont aptes à produire au moins pendant une durée T un champ magnétique présentant un grand degré de parallélisme à la surface de l'échantillon apte à être exposée audit plasma, entre ladite surface et le plasma. Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de 20 génération de champ magnétique sont aptes à produire un champ magnétique d'intensité uniforme sur la surface de l'échantillon.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la lampe à décharge comporte en outre : 25 - des moyens de génération d'un champ magnétique aptes à produire au moins pendant une durée T' un champ magnétique dirigé suivant un axe joignant la lampe à décharge et un spectromètre de masse, de manière à favoriser le transport des ions du plasma vers le spectromètre de masse, sur une durée T' pendant laquelle aucun champ magnétique n'est appliqué 30 parallèlement à la surface de l'échantillon.

Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de génération de champ magnétique sont disposés autour d'une des électrodes ou autour d'un applicateur placé contre une des électrodes. 35 Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de génération de champ magnétique sont disposés autour du corps de lampe.

Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de génération de champ magnétique comprennent en outre des moyens de mise en rotation du champ magnétique dans un plan parallèle à la surface de l'échantillon.

Suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, les moyens de io génération de champ magnétique (34) comprennent un ensemble d'électro-aimants répartis sur des secteurs annulaires autour de la lampe à décharge et aptes à être commandés électriquement de manière à produire une rotation du champ magnétique dans un plan parallèle à la surface de l'échantillon.

is La présente invention concerne également un spectromètre d'émission à décharge luminescente comprenant : - une lampe à décharge luminescente, selon l'un des modes de réalisation mentionnés ci-dessus, - un spectromètre d'émission optique, ou 20 - un spectromètre de masse, et -des moyens d'acquisition et de stockage des mesures détectées par le ou les spectromètres.

La présente invention concerne également un procédé amélioré de 25 décharge luminescente dans un spectromètre d'émission à décharge luminescente comprenant les étapes suivantes : - application d'un champ électrique continu (DC), radio-fréquence (RF) ou hybride aux bornes des électrodes d'une lampe à décharge en présence d'un gaz inerte et d'un échantillon placé sur une des électrodes, apte à générer un 30 plasma de décharge luminescente au dessus d'une surface de l'échantillon, - détection au moyen d'un spectromètre couplé à ladite lampe à décharge luminescente des propriétés d'émission du plasma. Selon l'invention, le procédé comporte l'étape suivante : û application pendant au moins une durée T d'un champ magnétique présentant un grand degré de parallélisme à la surface de l'échantillon entre ladite surface et le plasma.

s Suivant un mode de réalisation particulier, le procédé amélioré de décharge luminescente de l'invention comprend en outre les étapes suivantes : - détection au moyen d'un spectromètre de masse couplé à ladite lampe à décharge luminescente des ions émis par le plasma et io -application d'un champ magnétique dirigé suivant un axe joignant la lampe à décharge et le spectromètre de masse, de manière à favoriser le transport des ions du plasma vers le spectromètre de masse, pendant une durée T' où aucun champ magnétique n'est appliqué parallèlement à la surface de l'échantillon. 15 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. 20 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 une vue en coupe horizontale d'une lampe à 25 décharge luminescente selon l'état antérieur de la technique ; - la figure 2 représente une vue en coupe horizontale d'une lampe à décharge luminescente selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente une vue de face d'une lampe à décharge luminescente selon le premier mode de réalisation de l'invention de la figure 30 2 ; -la figure 4 représente une vue en coupe horizontale d'une lampe à décharge luminescente selon un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 représente une vue en coupe verticale d'une lampe à décharge luminescente selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 représente un schéma d'un spectromètre d'émission selon l'invention ; - la figure 7 représente une simulation des lignes de champ magnétiques générées par des aimants dans une lampe à décharge selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 8A-8D représentent des simulations de lignes de champ magnétiques générées par des électro-aimants dans une lampe à décharge selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 9 représente un chronogramme d'un procédé amélioré io d'émission dans une lampe à décharge luminescente selon l'invention.

La figure 1 représente une vue en coupe horizontale d'une lampe à décharge (1) pour spectromètre d'émission selon l'état antérieur de la technique. is La lampe à décharge comporte un corps de lampe comprenant une enceinte à vide (6), ou chambre à plasma, dans laquelle est fait le vide, par raccordement de l'enceinte (6) à des moyens de pompage (8) et puis dans laquelle est introduit un gaz porteur (10) sous pression contrôlée. Une différence de potentiel est appliquée aux bornes d'une électrode (2) 20 généralement cylindrique ou tubulaire et d'une électrode (4) généralement plane constituée par l'échantillon (12) à analyser. Un générateur (18) de champ électrique continu (DC), radio-fréquence (RF) ou hybride peut être couplé à l'électrode portant l'échantillon, afin d'appliquer une décharge électrique continue, RF ou hybride. Sous l'effet du champ électrique appliqué 25 à l'enceinte de gaz raréfié se forme un plasma froid (32), composé d'électrons (3), d'ions (5), de photons (À) et de particules (atomes) neutres dans un état fondamental ou excité (9). Les espèces positives du plasma soumises au champ électrique continu sont attirées par l'électrode (échantillon) et entrent en collision avec la surface (14) de l'échantillon. Elles communiquent alors 30 leur quantité de mouvement, provoquant ainsi l'ablation des atomes de surface sous forme de particules neutres qui sont éjectées vers le plasma. Sous l'effet de collisions avec les électrons (3) ou les ions du plasma, ces particules sont ensuite ionisées et/ou émettent des photons (À). Les photons émis peuvent être détectés par un spectromètre optique d'émission (20), et 35 des ions (7) créés peuvent être extraits du plasma et transportés vers un spectromètre de masse (22) pour analyse atomique. L'électrode (4) peut être munie de moyens de refroidissement (26), par exemple un circuit de refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur, afin de limiter l'échauffement de l'échantillon du fait du bombardement ionique.

La figure 2 représente une vue en coupe horizontale d'une lampe à décharge (1) pour spectromètre d'émission selon l'invention, et comporte l'ensemble des éléments décrits en lien avec la figure 1 en y combinant des moyens de génération d'un champ magnétique externe (34). Sur la figure 2 io sont représentés deux ensembles d'aimants disposés de chaque côté de l'applicateur (19) relié à l'échantillon (12). Chacun de ces ensembles est avantageusement composé de trois aimants. Les aimants ainsi disposés et distants de plusieurs centimètres génèrent un champ magnétique transverse à l'axe de la lampe, et dont les lignes de champ magnétique sont parallèles à is la surface de l'échantillon entre la surface de cet échantillon et le plasma (32) de décharge luminescente. Cette configuration permet de superposer au champ électrique appliqué aux bornes des électrodes un champ magnétique présentant un grand degré de parallélisme à la surface (14) de l'échantillon entre l'échantillon et le plasma (32) pendant au moins une durée T. 20 Il doit être compris ici que le meilleur parallélisme possible est recherché. En effet, plus le champ magnétique produit est parallèle à l'échantillon, plus le fonds du cratère de gravure est plat, ce qui est le but visé. C'est en ce sens que le champ magnétique est dit parallèle à la surface de l'échantillon. C'est donc une définition physique du parallélisme et pas 25 mathématique. Les mêmes considérations s'appliquent au terme uniforme pour définir l'intensité du champ magnétique sur la surface de l'échantillon.

Selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention représenté en coupe horizontale figure 2 et en vue de face figure 3, les moyens de 30 génération de champ magnétique comprennent deux aimants ou ensembles d'aimants (34) disposés de part et d'autre d'un applicateur, lui-même placé sur la face arrière (16) de l'échantillon. Les aimants peuvent être des aimants permanents. De préférence, on utilise des électro-aimants ce qui permet de contrôler et d'ajuster la polarité 35 des aimants, l'intensité et la durée du champ magnétique appliqué.

Le champ magnétique ainsi créé focalise le plasma au dessus de la surface de l'échantillon. A pression constante, la vitesse d'ablation est ainsi accrue ce qui permet notamment d'attaquer de façon plus efficace des matériaux relativement fragiles et donc de pouvoir les analyser sans les endommager. Cette intensification permet aussi de réduire la pression dans l'enceinte (par exemple de 650 Pa à 350 Pa) sans réduire l'intensité des signaux d'émission détectés par spectromètre optique. Une diminution de la pression permet de diminuer les collisions entre espèces dans le plasma. De cette manière il devient possible de détecter des ions moléculaires complexes io plus fragiles, qui auraient été rapidement détruits dans un plasma à pression standard. Afin d'optimiser l'homogénéité de l'érosion de l'échantillon, liée à l'homogénéité de l'intensité du champ magnétique sur la surface de l'échantillon, des moyens complémentaires de mise en rotation du champ is magnétique dans un plan parallèle à la surface (14) de l'échantillon peuvent être adjoints. Dans le cas où on utilise des aimants permanents, il peut d'agir de moyens de rotation mécanique, comprenant par exemple une couronne rotative éventuellement motorisée, sur laquelle sont fixés les aimants, et permettant la rotation de l'ensemble des aimants autour de l'axe de la source 20 (en pointillé sur la figure 2), de manière à produire une rotation des lignes de champ magnétique dans un plan sensiblement parallèle à la surface de l'échantillon. Cette couronne peut être réalisée avec un matériau de grande perméabilité magnétique (Fe mou ou Ni par exemple) similaire à celui utilisé pour des tôles de transformateur. 25 Selon un second mode de réalisation de l'invention, représenté en vue de coupe horizontale figure 4, les moyens de génération de champ magnétique comprennent des aimants ou un ensemble d'aimants (34) disposés de part et d'autre de l'électrode (2) de manière à générer le champ magnétique parallèle à la surface de l'échantillon . 30 Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, représenté en vue de coupe verticale figure 5, les moyens de génération de champ magnétique comprennent un ensemble d'aimants (34) répartis sur des secteurs annulaires autour de la lampe à décharge et aptes à être commandés électriquement de manière à produire une rotation du champ magnétique dans un plan parallèle à la surface (14) de l'échantillon (12). Ce mode de réalisation permet de n'appliquer un courant électrique sélectivement qu'à certains des électro-aimants et de manière séquentielle.

Dans un premier temps, on active un couple d'aimants disposés transversalement de part et d'autre de la lampe à décharge de manière à générer des lignes de champ magnétique parallèles à la surface de l'échantillon et orientées selon une direction transerve à l'axe de la cavité plasma. Dans un second temps, le premier couple d'électro-aimants est io inactivé, et on active un second couple d'aimants, adjacent au premier couple suivant un sens de rotation. Les lignes de champ magnétique suivent ainsi la rotation des aimants activés séquentiellement, ce qui produit une rotation des lignes de champ magnétique dans un plan sensiblement parallèle à la surface de l'échantillon. La vitesse de rotation du champ magnétique est typiquement 15 de 0,2 à 200 Hz en fonction des différentes applications et de préférence dans la gamme 0,5 -50 Hz.

Les aimants sont généralement placés à l'extérieur du corps de lampe, tels que représentés sur les figures 2 et 3, mais ils peuvent aussi être placés à 20 l'intérieur du corps de lampe entre la paroi externe et l'électrode (2), tels que représentés sur les figures 4 et 5. Lorsque les aimants sont placés à l'extérieur, cela permet d'assurer une distance convenable pour assurer l'uniformité du champ magnétique à l'intérieur dans la zone d'analyse, et il est également plus facile d'adapter le 25 dispositif conforme à l'invention aux systèmes de lampe à décharge luminescente antérieurs, ne disposant pas de source magnétron. Une configuration avec des aimants externes est en outre plus facile à modifier en ajoutant des aimants ou bobines supplémentaires pour différentes applications spécifiques. 30 Lorsque les aimants sont placés à l'intérieur on dispose d'un système plus compact mais il est alors plus difficile de changer les aimants. Cette solution est en revanche la solution privilégiée pour des electro-aimants. Toutefois la distance entre aimants reste supérieure à la dimension du plasma de manière 35 à assurer l'homogénéité du champ dans la partie intéressant l'analyse.

L'invention concerne également un spectromètre d'émission à décharge luminescente comprenant une lampe à décharge améliorée, comprenant des moyens de génération d'un champ magnétique parallèle à la surface de l'échantillon telle que décrite en lien avec les figures 2 à 5. Un spectromètre à décharge luminescente selon l'invention est représenté schématiquement figure 6 et comporte une lampe à décharge luminescente dans laquelle est injectée un gaz inerte, couplée à un spectromètre d'émission optique (pour la GD-OES), ou un spectromètre de masse (pour la GD-MS), un échantillon sur io lequel est plaqué un applicateur, et des moyens d'acquisition et de stockage des mesures détectées par le ou les spectromètres. Selon un mode de réalisation de l'invention des moyens de génération d'un champ magnétique (34) sont disposés de part et d'autre de l'échantillon, de manière à générer un champ magnétique parallèle à la surface de l'échantillon entre cette surface et is le plasma de décharge luminescente. Dans le mode de réalisation représenté figure 6, la source magnétron comporte en outre des moyens de génération (36) d'un champ magnétique suivant un axe joignant la lampe à décharge et le spectromètre de masse, de manière à favoriser le transport des ions du plasma vers le spectromètre de masse, pendant une durée T' où aucun 20 champ magnétique n'est appliqué parallèlement à la surface (14) de l'échantillon. Dans le mode de réalisation représenté figure 6, les moyens de contrôle du spectromètre à décharge luminescente selon l'invention comprennent des moyens pour contrôler l'injection et la pression du gaz dans la lampe à décharge, des moyens de contrôle du champ électrique DC/ RF ou 25 hybride appliqué à l'échantillon et des moyens de commande de l'application du champ magnétique sur l'échantillon. Ces moyens de contrôle peuvent être synchronisés de manière à utiliser les différents moyens de manière séquentielle dans le temps.

30 La figure 7 représente une simulation des lignes de champ magnétique générées par des aimants dans une lampe à décharge selon un mode de réalisation de l'invention. Les deux aimants (34) sont typiquement distants de quelques centimètres (1 à 10 cm) et générent un champ magnétique dont l'intensité est typiquement de l'ordre de 50 à 1000 G. Le diamètre d'une lampe 35 à décharge luminescente est de l'ordre de 1 à 10 mm. L'écartement entre les aimants permet de générer des lignes de champ magnétiques (représentées par des lignes dont les flèches indiquent la direction du champ magnétique) sensiblement parallèles et uniformes sur une section correspondant à la surface d'un échantillon de lampe à décharge. La configuration représentée figure 7 permet de générer des lignes de champ magnétique parallèles en particulier dans une zone située entre ces aimants. En plaçant les aimants autour de l'échantillon, ou autour d'une des électrodes, ou autour du corps de lampe, on obtient une source magnétron, avec des lignes de champ parallèles à la surface de l'échantillon. Préférentiellement, l'échantillon est placé entre io les aimants, qui sont éloignés d'une distance suffisamment grande par rapport à la taille de l'échantillon pour que les lignes de champ magnétiques soient parallèles à la surface de l'échantillon, dans un volume situé entre la surface de l'échantillon et le plasma.

is Les figures 8A-8D représentent des simulations de lignes de champ magnétiques générées par des électro-aimants dans une lampe à décharge selon un autre mode de réalisation de l'invention. Quatre électro-aimants sont répartis sur un cercle, dont le rayon est typiquement de quelques centimètres (1 à 10 cm). Les électro-aimants (34) sont disposés sur une couronne (38) 20 fabriquée dans un matériau de grande perméabilité magnétique (Fe mou ou Ni par exemple) qui permet de refermer les lignes de champ magnétique. On applique à chaque aimant un courant et une polarité de manière à générer des lignes de champ magnétique dont l'intensité est typiquement de l'ordre de 50 à 1000 G. Sur la figures 8A-8C les polarités des aimants face à face sont 25 identiques entre elles, et opposées à celles des aimants adjacents. Ces configurations permettent de générer des lignes de champ magnétiques parallèles entre elles sur une zone centrale où est placé la surface (14) de l'échantillon exposée au plasma. L'inversion du sens des polarités (entre 8B et 8C) permet d'inverser la direction des lignes de champ magnétique. 30 L'inversion des polarités des électro-aimants (entre 8A et 8B) permet de faire tourner les lignes de champ magnétique de 90° dans le plan de la figure. Selon une autre configuration de commande des électro-aimants (figure 8D), l'uniformité des lignes de champ magnétique sur la zone centrale est encore améliorée, et la direction des lignes a basculé de 45° par rapport à la figure 35 8B.

L'homme du métier comprendra aisément comment générer des lignes de champ magnétique parallèles à la surface de l'échantillon dans une lampe à décharge luminescente, et comment uniformiser l'érosion de l'échantilllon, par la commande des électro-aimants de manière à obtenir une rotation des lignes de champ magnétique dans un plan parallèle à la surface de l'échantillon.

L'invention concerne également un procédé amélioré de décharge io luminescente dans un spectromètre d'émission à décharge luminescente. Dans ce procédé, on applique les étapes suivantes : - application d'un champ électrique (DC, RF ou hybride) aux bornes des éléctrodes (2) et (4) d'une lampe à décharge en présence d'un gaz inerte et d'un échantillon formant une des électrodes (4), apte à générer un plasma 15 (32) de décharge luminescente au dessus d'une surface (14) de l'échantillon, - détection au moyen d'un spectromètre couplé à ladite lampe à décharge luminescente des propriétés d'émission du plasma (32). Selon l'invention ce procédé comporte l'étape suivante : ù application pendant au moins une durée T d'un champ magnétique 20 parallèle à la surface (14) de l'échantillon entre ladite surface (14) et le plasma (32).

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, on utilise un spectromètre de décharge luminescente couplé à un spectromètre de masse, 25 pour effectuer des mesures de GD-MS. Le spectromètre de masse peut être un spectromètre de masse temps de vol à extraction orthogonale capable d'enregistrer l'évolution temporelle d'une décharge pulsée (GD-oTOFMS). Conformément à un aspect de l'invention, illustré figure 9, afin d'améliorer le transport des ions du plasma vers le spectromètre de masse, on applique un 30 champ magnétique supplémentaire (36) et séquentiellement suite au procédé d'amplification de décharge luminescente dans un spectromètre d'émission à décharge luminescente suivant laquelle : - on applique un champ magnétique dirigé suivant un axe joignant la lampe à décharge et le spectromètre de masse, de manière à favoriser le 35 transport des ions du plasma vers le spectromètre de masse, pendant une durée T' où aucun champ magnétique n'est appliqué parallèlement à la surface (14) de l'échantillon.

En spectrométrie de masse, de façon privilégiée, la source selon l'invention fonctionne en mode pulsé et un double champ magnétique (transverse puis axial) est intéressant. Dans un premier temps, un champ magnétique parallèle à la surface est appliqué durant les impulsions du champ électrique de manière à augmenter la densité ionique, puis dans un second temps, un champ magnétique axial est appliqué simultanément ou non avec le champ io parallèle à la surface pour favoriser le transport des espèces vers le spectromètre de masse.

Cet aspect de l'invention permet notamment d'amplifier les signaux de GD-MS et/ou de GD-TOFMS tout en diminuant la pression dans le plasma de is décharge luminescente, et permet ainsi la détection de ions moléculaires complexes, indétectables dans les spectromètres de décharge luminescente antérieurs. La différence de pression entre la décharge et le spectromètre de masse est en outre réduite, ce qui simplifie les étages d'interface entre les deux. 20 La lampe à décharge luminescente selon l'invention permet d'obtenir une excellente uniformité radiale de l'ablation plasma. En effet, l'uniformité de l'ablation plasma dépend de l'uniformité du champ magnétique dans la région du cratère. Selon l'invention, l'uniformité des lignes de champ magnétiques 25 sur la surface de l'échantillon est assurée d'une part par la configuration des aimants, et d'autre part en éloignant les aimants de l'axe de la lampe. Ce résultat peut être obtenu du fait que la dimension caractéristique de la surface du cratère est beaucoup plus petite que la distance entre les aimants.

30 Selon un aspect de l'invention, la rotation du champ magnétique dans un plan parallèle à la surface de l'échantillon permet en outre de réduire la non uniformité azimutale de l'ablation plasma.

La lampe à décharge et le procédé selon l'invention permettent de pouvoir 35 réduire la pression dans une lampe pour spectromètre à décharge luminescente, qui est typiquement de quelques centaines de Pascal, d'un facteur de deux à dix, sans compromettre le rapport signal sur bruit des mesures de spectrométrie optique ou de masse.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Lampe à décharge luminescente (1) pour spectromètre à décharge luminescente comprenant : - un corps de lampe comprenant une enceinte à vide (6) apte à être raccordée d'une part à des moyens de pompage (8) de ladite enceinte, et d'autre part à des moyens d'injection d'un gaz inerte (10) dans ladite enceinte (6) ; - une première électrode (2) ; io - une seconde électrode (4), apte à recevoir un échantillon (12) à analyser ; -des moyens pour appliquer une différence de potentiel continue (DC), radio-fréquence (RF) ou hybride aux bornes desdites électrodes (2) et (4), apte à générer un plasma (32) de décharge luminescente en présence du gaz (10) ; - des moyens de couplage du corps de lampe à un spectromètre pour is mesurer l'émission dudit plasma (32) ; et - des moyens de génération de champ magnétique (34) ; caractérisée en ce que : - les moyens de génération de champ magnétique (34) sont aptes à produire au moins pendant une durée T un champ magnétique présentant un grand 20 degré de parallélisme à la surface (14) de l'échantillon (12) apte à être exposée audit plasma (32), entre ladite surface (14) et le plasma.

2. Lampe à décharge selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de génération de champ magnétique (34) sont aptes à produire 25 un champ magnétique d'intensité uniforme sur la surface de l'échantillon (14).

3. Lampe à décharge selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre : - des moyens de génération d'un champ magnétique (36) aptes à produire 30 au moins pendant une durée T' un champ magnétique dirigé suivant un axe joignant la lampe à décharge et un spectromètre de masse, de manière à favoriser le transport des ions du plasma vers le spectromètre de masse, sur une durée T' pendant laquelle aucun champ magnétique n'est appliqué parallèlement à la surface (14) de l'échantillon. 35 l0

4. Lampe à décharge selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les moyens de génération de champ magnétique (34) sont disposés autour d'une des électrodes (2, 4) ou autour d'un applicateur (19) placé contre l'électrode (4).

5. Lampe à décharge selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que les moyens de génération de champ magnétique (34) sont disposés autour du corps de lampe.

6. Lampe à décharge selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens de génération de champ magnétique (34) comprennent en outre des moyens de mise en rotation du champ magnétique dans un plan parallèle à la surface (14) de l'échantillon. 15

7. Lampe à décharge selon la revendication 6 caractérisée en ce que les moyens de génération de champ magnétique (34) comprennent un ensemble d'électro-aimants répartis sur des secteurs annulaires autour de la lampe à décharge et aptes à être commandés électriquement de manière à 20 produire une rotation du champ magnétique dans un plan parallèle à la surface (14) de l'échantillon (12).

8. Spectromètre d'émission à décharge luminescente comprenant : - une lampe à décharge luminescente, 25 - un spectromètre d'émission optique, ou - un spectromètre de masse, et - des moyens d'acquisition et de stockage des mesures détectées par le ou les spectromètres, caractérisé en ce que 3o - la lampe à décharge est une lampe à décharge selon l'une des revendications 1 à 7.

9. Procédé amélioré de décharge luminescente dans un spectromètre d'émission à décharge luminescente comprenant les étapes suivantes :-application d'un champ électrique continu (DC), radio-fréquence (RF) ou hybride aux bornes des électrodes (2) et (4) d'une lampe à décharge en présence d'un gaz inerte et d'un échantillon placé sur l'électrode (4), apte à générer un plasma (32) de décharge luminescente au dessus d'une surface (14) de l'échantillon, - détection au moyen d'un spectromètre couplé à ladite lampe à décharge luminescente des propriétés d'émission du plasma (32) et caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante : û application pendant au moins une durée T d'un champ magnétique io présentant un grand degré de parallélisme à la surface (14) de l'échantillon entre ladite surface (14) et le plasma (32).

10. Procédé amélioré de décharge luminescente selon la revendication 9 dans lequel : 15 - l'étape de détection comprend la détection au moyen d'un spectromètre de masse couplé à ladite lampe à décharge luminescente des ions émis par le plasma (32) et est caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire : - d'application d'un champ magnétique dirigé suivant un axe joignant la 20 lampe à décharge et le spectromètre de masse, de manière à favoriser le transport des ions du plasma vers le spectromètre de masse, pendant une durée T' où aucun champ magnétique n'est appliqué parallèlement à la surface (14) de l'échantillon. 25