Brevet FR3135141A1 — publié le 20231103

L’invention concerne un appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente comprenant une lampe (1) à décharge luminescente et un spectromètre optique d’émission apte à recevoir un faisceau lumineux (20) émis par un plasma (2) de décharge luminescente. Selon l’invention, le spectromètre optique d’émission comprend un composant optique dispersif (7) et un réseau à échelle (8) disposés et configurés pour former un spectre bidimensionnel (26) du faisceaux lumineux, le spectre bidimensionnel (26) étant dispersé dans une pluralité d’ordres de diffraction (P1, …Pj,…PT), la pluralité d’ordres de diffraction (P1, …Pj,…PT) s’étendant suivant une première direction (X) et chaque ordre de diffraction (P1, …Pj,…PT) s’étendant spectralement suivant une seconde direction (Y) transverse à la première direction (X) et un détecteur CMOS (10) à matrice de pixels disposé et configuré pour acquérir le spectre bidimensionnel (26) en fonction du temps. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Appareil et procédé de spectrométrie de décharge luminescente à haute résolution spectrale et temporelle La présente invention se rapporte aux dispositifs et procédés d’analyse d’échantillons solides par spectrométrie de décharge luminescente. La spectrométrie de décharge luminescente (SDL ou GDS pour glow discharge spectrometry) est une technique d’analyse qui permet de mesurer la composition chimique élémentaire et/ou moléculaire d’échantillons solides homogènes ou multicouches. La mesure peut se faire à cœur ou être résolue en profondeur. En outre, on distingue les dispositifs ou sources à décharge luminescente qui permettent l’analyse d’échantillons solides par spectrométrie de masse (GD-MS pour glow discharge mass spectrometry) ou par spectrométrie optique d’émission (GD-OES pour glow discharge optical emission spectrometry). Le principe de la spectrométrie de décharge luminescente consiste à éroder une surface d’un échantillon par plasma, puis à exciter et/ou ioniser les espèces chimiques érodées et à détecter les espèces ionisées par spectrométrie de masse, ou respectivement les espèces excitées par spectrométrie optique d’émission, pour en déduire la composition de l’échantillon. Un gaz, dit gaz de plasma, est injecté dans l’enceinte à vide d’une lampe à décharge et une puissance électrique est appliquée entre les électrodes de la lampe pour générer un plasma. Le gaz de plasma est généralement un gaz inerte tel que de l’argon, du néon, du krypton ou de l’hélium. Le gaz de plasma peut aussi être formé d’un mélange de gaz, par exemple un mélange d’argon et d’un autre gaz tel que l’oxygène, l’hydrogène, l’azote ou l’hélium. La surface de l’échantillon placé dans l’enceinte à vide de la lampe est ainsi exposée à un plasma d’ablation. Ce plasma assure à la fois l’érosion du matériau solide à analyser ainsi que l’excitation et/ou l’ionisation des espèces érodées en phase gazeuse. Un spectromètre de masse ou un spectromètre d’émission optique, couplé à l’enceinte à vide, permet d’analyser les espèces chimiques présentes dans le plasma. En fonction de la durée d’érosion, la GDS permet une analyse quantitative de certains échantillons résolue en profondeur, fournissant ainsi un profil de composition de l’échantillon analysé. La GDS est relativement simple d’utilisation et a des applications variées. Elle permet l’analyse d’éléments présents sous forme de traces, mineurs et majeurs dans des échantillons solides métalliques ou non métalliques. La spectrométrie de décharge luminescente (SDL ou GDS) permet l’analyse de la composition chimique de matériaux solides à cœur (bulk) mais aussi en fonction de la profondeur (depth profile). La capacité d’obtenir des profils en profondeur est clairement ce qui distingue la SDL d’autres techniques d’analyse élémentaire tels que la spectrométrie étincelle, la spectroscopie d'émission de plasma induit par laser (LIBS pour Laser Induced Breakdown Spectroscopy) ou encore la fluorescence de rayons X. Les montages optiques utilisés dans les appareils commercialisés en SDL (ou GDS) reposent en général sur l’utilisation d’un polychromateur en montage Paschen-Runge associé à des détecteurs photomultiplicateurs (PM) pour acquérir le signal à plusieurs longueurs d’onde et/ou à une série de détecteurs CCD disposés pour acquérir chacun une partie du spectre. Toutefois, l’intensité des signaux en SDL est beaucoup plus faible qu’en LIBS. Pour effectuer en SDL des mesures de profil avec une résolution spatiale en profondeur élevée, il est nécessaire d’utiliser des détecteurs PM qui permettent d’obtenir à la fois une haute sensibilité et une vitesse d’acquisition élevée. Toutefois, les détecteurs PM sont fixes et ne permettent pas une acquisition sur tout le spectre mais seulement à quelques longueurs d’onde prédéterminées. Pour des applications de mesure de profil d’échantillons en couches minces, il est souhaitable de disposer d’un appareil SDL ayant à la fois une résolution temporelle élevée et permettant d’acquérir un plus grand nombre de longueurs d’onde qu’un appareil SDL à polychromateur équipé de PMs. Certains échantillons sont de composition inconnue. La détermination des longueurs d’onde où positionner les PMs requiert alors une étude préalable. Il est donc souhaitable d’acquérir des spectres d’émission optique sur une gamme spectrale la plus étendue possible et avec une résolution spectrale élevée, pour permettre la détection de toutes les espèces chimiques entrant dans la composition de l’échantillon, sans les connaître à l’avance. A cet effet, l’invention concerne un appareil de spectrométrie de décharge luminescente comprenant une lampe à décharge luminescente apte à former un plasma de décharge luminescente et un spectromètre optique d’émission apte à recevoir une partie d’un faisceau lumineux émis par le plasma de décharge luminescente. Selon l’invention, le spectromètre optique d’émission comprend un composant optique dispersif et un réseau à échelle, le composant optique dispersif et le réseau à échelle étant disposés et configurés pour former un spectre bidimensionnel du faisceaux lumineux, le spectre bidimensionnel étant dispersé dans une pluralité d’ordres de diffraction (P1, …Pj,…PT), la pluralité d’ordres de diffraction (P1, …Pj,…PT) s’étendant suivant une première direction (X) et chaque ordre de diffraction (P1, …Pj,…PT) s’étendant spectralement suivant une seconde direction (Y) transverse à la première direction (X) et un détecteur CMOS à matrice de pixels disposé et configuré pour acquérir le spectre bidimensionnel en fonction du temps. Selon un aspect particulier et avantageux, le détecteur CMOS est apte à acquérir au moins 20 images par seconde, par exemple 30, 50 ou même 100 images par seconde. Dans un exemple de réalisation, le détecteur CMOS comprend N lignes de M pixels, où N est supérieur ou égal à 512 et M est supérieur ou égal à 512, par exemple 1024x1024 pixels ou de préférence 2048x2048 pixels. Selon un autre aspect particulier et avantageux, chaque ordre de diffraction (P1, …Pj,…PT) s’étend sur une ligne du détecteur CMOS. De façon avantageuse, l’appareil de spectrométrie de décharge luminescente comprend un système de traitement des données configuré pour traiter les signaux du détecteur CMOS par macropixels, chaque macropixel comprenant au moins 2x2 pixels adjacents du détecteur CMOS. Dans un exemple de réalisation, l’appareil de spectrométrie de décharge luminescente comprend un système optique de couplage entre la lampe à décharge luminescente et une entrée du spectromètre optique d’émission. Selon un aspect particulier et avantageux, le composant optique dispersif comprend un prisme. Selon un mode de réalisation particulier, l’appareil de spectrométrie de décharge luminescente comprend un monochromateur ou un polychromateur apte à recevoir une autre partie du faisceau lumineux émis par le plasma de décharge luminescente, le monochromateur, respectivement le polychromateur, comprenant un réseau de diffraction et un détecteur photomultiplicateur, respectivement plusieurs détecteurs photomultiplicateurs, chaque détecteur photomultiplicateur étant adapté pour détecter une émission optique à une longueur d’onde déterminée. De façon optionnelle, l’appareil de spectrométrie de décharge luminescente comprend un interféromètre différentiel pour mesurer une profondeur de gravure d’un cratère d’érosion dans un échantillon exposé au plasma de décharge luminescente. L’invention concerne aussi un procédé de spectrométrie de décharge luminescente comprenant les étapes suivantes : former un plasma de décharge luminescente ; recevoir une partie d’un faisceau lumineux émis par le plasma de décharge luminescente sur une entrée d’un spectromètre optique d’émission ; disperser spectralement la partie du faisceau lumineux sur un réseau à échelle et un composant optique dispersif pour former un spectre bidimensionnel, le spectre bidimensionnel étant dispersé dans une pluralité d’ordres de diffraction (P1, …Pj,…PT), la pluralité d’ordres de diffraction (P1, …Pj,…PT) s’étendant suivant une première direction (X) et chaque ordre de diffraction (P1, …Pj,…PT) s’étendant spectralement suivant une direction transverse à la première direction ; et acquérir le spectre bidimensionnel sur un détecteur CMOS à matrice de pixels en fonction du temps. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où : est une vue schématique d’un appareil de spectrométrie de décharge luminescente selon l’invention, est une vue schématique d’un spectre bidimensionnel sur un détecteur CMOS, est une vue schématique d’un système optique de couplage simultané vers un spectromètre à échelle et vers un polychromateur équipé de photomultiplicateurs selon un mode de réalisation particulier. Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente comprenant une lampe (1) à décharge luminescente apte à former un plasma (2) de décharge luminescente et un spectromètre optique d’émission apte à recevoir une partie d’un faisceau lumineux (20) émis par le plasma de décharge luminescente caractérisé en ce que le spectromètre optique d’émission comprend un composant optique dispersif (7) et un réseau à échelle (8), le composant optique dispersif (7) et le réseau à échelle (8) étant disposés et configurés pour former un spectre bidimensionnel (26) du faisceaux lumineux, le spectre bidimensionnel (26) étant dispersé dans une pluralité d’ordres de diffraction (P 1 , …P j ,…P T ), la pluralité d’ordres de diffraction (P 1 , …P j ,…P T ) s’étendant suivant une première direction (X) et chaque ordre de diffraction (P 1 , …P j ,…P T ) s’étendant spectralement suivant une seconde direction (Y) transverse à la première direction (X) et un détecteur CMOS (10) à matrice de pixels disposé et configuré pour acquérir le spectre bidimensionnel (26) en fonction du temps. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente selon la revendication 1 dans lequel le détecteur CMOS est apte à acquérir au moins 20 images par seconde. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le détecteur CMOS comprend N lignes de M pixels, où N est supérieur ou égal à 512 et M est supérieur ou égal à 512. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente selon l’une des revendication 1 à 3 dans lequel chaque ordre de diffraction (P 1 , …P j ,…P T ) s’étend sur une ligne du détecteur CMOS. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente selon l’une des revendication 1 à 4 comprenant un système de traitement des données configuré pour traiter les signaux du détecteur CMOS par macropixels, chaque macropixel comprenant au moins 2x2 pixels adjacents du détecteur CMOS. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente selon l’une des revendication 1 à 5 comprenant un système optique de couplage entre la lampe (1) à décharge luminescente et une entrée (4) du spectromètre optique d’émission. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente selon l’une des revendication 1 à 6 dans lequel le composant optique dispersif (7) comprend un prisme. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente selon l’une des revendication 1 à 7 comprenant un monochromateur ou un polychromateur (15) apte à recevoir une autre partie du faisceau lumineux (21) émis par le plasma de décharge luminescente, le monochromateur, respectivement le polychromateur (15), comprenant un réseau de diffraction et un détecteur photomultiplicateur, respectivement plusieurs détecteurs photomultiplicateurs, chaque détecteur photomultiplicateur étant adapté pour détecter une émission optique à une longueur d’onde déterminée. Appareil (100) de spectrométrie de décharge luminescente selon l’une des revendication 1 à 8 comprenant un interféromètre différentiel pour mesurer une profondeur de gravure d’un cratère d’érosion dans un échantillon exposé au plasma (2) de décharge luminescente. Procédé de spectrométrie de décharge luminescente comprenant les étapes suivantes : - former un plasma de décharge luminescente ; - recevoir une partie d’un faisceau lumineux (20) émis par le plasma de décharge luminescente sur une entrée (4) d’un spectromètre optique d’émission ; - disperser spectralement la partie du faisceau lumineux sur un réseau à échelle (8) et un composant optique dispersif (7) pour former un spectre bidimensionnel, le spectre bidimensionnel étant dispersé dans une pluralité d’ordres de diffraction (P 1 , …P j ,…P T ), la pluralité d’ordres de diffraction (P 1 , …P j ,…P T ) s’étendant suivant une première direction (X) et chaque ordre de diffraction (P 1 , …P j ,…P T ) s’étendant spectralement suivant une direction transverse à la première direction ; et - acquérir le spectre bidimensionnel sur un détecteur CMOS à matrice de pixels en fonction du temps.