Academic literature on the topic 'Plasma diagnostic techniques'

Dry etching processes are crucial to the fabrication of VLSI and ULSI circuits and are likely to continue so for the foreseeable future. However, the technique remains difficult to implement and is not well understood. To a great extent, this is a result of the use of novel machine configurations and chemical recipes which are employed far in advance of any real understanding of the interactions occurring within the process chamber. Historically, process development in this field has proceeded as a result of improvements in vacuum technology coupled to empirical one-dimensional trend analyses. These traditional approaches to process development have become severely limited with the advent of ULSI. This project addressed the requirement for improved process characterisation by investigating diagnostic techniques and rigorous statistical modelling as applied to one of the most challenging leading edge processes: the BCl<SUB>3</SUB>/Cl<SUB>2</SUB>/He dry etching of aluminium alloys. Optical emission spectroscopy, electrostatic Langmuir probes and mass spectrometry were used to investigate the dry etch behaviour. During this research, a novel in-situ SIMS implementation of the mass spectrometer was used to investigate plasma generated positive ions. Details of detected ions and intensities during etching are presented. A CCF experimental design was formulated from the major RIE machine parameters of rf power, system pressure and % Cl<SUB>2</SUB>/BCl<SUB>3</SUB>. The final quadratic model covered 3 manipulated machine variables, 3 process parameters and 6 performance parameters. This is the first time that rigorous statistical modelling techniques have been applied to the BCl<SUB>3</SUB>/Cl<SUB>2</SUB>He based process or to an aluminium dry etch process in order to systematically characterise both the process and performance behaviour. This work presents these models, along with an estimate of each model's accuracy.

In this work, the characteristics of plasma jets produced by a commercial DC plasma spray torch connected to a controlled pressure chamber are investigated. The plasma gas employed is a mixture of argon, nitrogen and hydrogen with the initial gas flow rates of 40, 10, and 1 SLPM respectively. The plasma torch is operated at chamber pressures of 6.5, 13, 26, 39, 53 and 101 kPa and a fixed input power of 17.5 kW. Optical emission spectroscopy is used to measure the temperatures and electron density profiles. The measurements of temperature are carried out by means of a Boltzmann plot of several isolated argon atom spectral lines. The electron density is measured from the Stark broadening of the H[subscript bêta] line 486.1 nm and the continuum emissivity. Partially resolved spectra of the N[subscript 2]+ molecular band are used for the rotational temperature evaluation. The rotational emission from the (0,0) band of the first negative system is compared to synthetic spectra to evaluate the rotational temperature within the flow field. Finally, the measurements of the gas kinetic temperature and the plasma velocity are performed by the enthalpy probe technique. The experimental results show the occurrence and the position of the different gas dynamics zones; i.e., supersonic expansion, stationary shock front and subsonic relaxation at low pressures (less than 40 kPa). The plasma flow is accelerated to its maximum velocity at the expansion where a minimum in the electron density and temperature is observed. At the end of the expansion a stationary shock front occurs at 4, 8, 12, and 15 mm downstream from the nozzle exit at pressures 39, 26, 13 and 6.5 kPa respectively. The electron density profiles show the variations along the plasma axis that coincide with the position of the shock waves. Good agreement between the electron density results obtained from the Stark broadening and from the continuum emissivity is observed. Enthalpy probe measurements on gas kinetic temperature and plasma velocity reveal the general features of low pressure plasma jets, i.e., higher flow velocity and longer heating zone of expanded plasma with lower temperature. The measurements also coincide with the rotational temperature obtained from emission spectroscopy. The temperature results confirm that the local thermodynamic equilibrium LTE exists at pressures of 100 and 53 kPa. However, at lower pressures where the supersonic shock waves are formed, the slow energy exchange between the heavy and light particles leads to significant deviations from the LTE especially in the shock region.

Le procédé de projection plasma à pression réduite (voire très réduite, inférieur à 10mbar) est en plein essors et connaît actuellement un développement considérable. Cette technique permet d’obtenir des revêtements très denses avec un taux de porosité très faible tout en gardant un bon rendement de projection. Les caractéristiques des dépôts sont directement liées aux paramètres de projection (gaz plasmagène, puissance de la torche, débit de poudre), le réglage de ces paramètres peut être fait en mesurant les caractéristiques du plasma et des particules en vol. Le développement d’un tel procédé nécessite donc des moyens de diagnostics et de contrôles performants. Le but de ce travail est d’explorer les différents moyens de diagnostic optique applicable dans de telles conditions de projection. Notre approche pour cette étude utilise principalement le DPV2000 et la spectrométrie d’émission. Le DPV2000 est utilisé pour les mesures de la température, la vitesse et le diamètre des particules en vol. Dans le cas de fines particules et/ou de basse température les particules sont éclairées par un laser afin de mesurer la vitesse et le flux de particules en vol. La spectrométrie d’émission pour l’étude de la vaporisation des particules en vol et les dimensions de l’écoulement plasma<br>There is an increasing interest for thermal plasma spraying at working pressure lower than 10 mbars. By spraying at such low pressure, it is expected that resulting coatings have a very low porosity while keeping a deposition rate higher. Developing such processes requires adjusting operating parameters as gas mixtures, arc current and particle injection quantities, among others, in correlation with coatings to produce. Setting input parameters of this new spray processes can be made by measuring characteristics of the plasma and sprayed particles by using optical diagnose techniques. The aim of this study is to develop the use of different tools for optical diagnostics under such conditions. Particle measurements are performed by using the system DPV2000 with its sensor head located in a cooled tube at atmospheric pressure and measuring the particles through an optical window. When particles are too small or too cold to be detected, they are illuminated by a laser diode. In that case particle temperature measurements are not possible anymore but it is still possible to measure the in-flight particle velocity and flux. In addition to particle diagnostics, optical emission spectroscopy is used to quantify the plasma volume and to study the sprayed particle vaporization. The results allowed defining the characteristics of future process chamber to perform thermal spray technique at 0,1mbar pressure

Les efforts entrepris pour améliorer les performances des moteurs aéronautiques (réduction du délai d’allumage, prévention de l’extinction de flammes, extension des limites de flammabilité, réduction des émissions polluantes…) nécessitent de nouveaux concepts de combustion impliquant notamment l’utilisation de systèmes d’injection de carburant liquide basés sur la technologie Lean-Premixed-Prevaporized (LPP). Cependant, ces systèmes d’injection peuvent produire des instabilités de combustion qui induisent des contraintes dommageables pour leur exploitation industrielle. Ces perturbations peuvent néanmoins être réduites par de nouveaux concepts technologiques visant à modifier la cinétique chimique de la combustion. Celle-ci se produit par une production significative d’électrons qui ont pour rôle de produire un plasma hors-équilibre responsable de la dissociation partielle des réactifs en radicaux. Les radicaux, ainsi créés, contribuent à un accroissement des mécanismes réactionnels pouvant même conduire à l’allumage du mélange fuel/air. A la frontière entre les plasmas et la combustion, l’objectif de cette thèse pluridisciplinaire est d’améliorer notre compréhension sur les mécanismes thermiques et chimiques d’oxydation des réactants ainsi que sur les possibilités d’allumage du combustible induits par une décharge électrique nanoseconde produite dans un mélange gazeux méthane/air à pression atmosphérique. Le plasma hors-équilibre est produit par des impulsions de tension de 15kV et de largeur à mi-hauteur de 20 ns, répétée à une cadence maximale de 300Hz. Les évolutions temporelles des distributions de concentration de OH, CH et de H2CO sont mesurées par imagerie de fluorescence induite par laser (PLIF). Les mesures sont réalisées pour différentes richesses autour des limites d’allumage (0,5 – 1,3) dans le but de souligner les processus chimiques produits par la décharge hors-équilibre et non par la combustion elle-même. Les résultats expérimentaux associés à des mesures de température par DRASC sur N2 (Diffusion Raman anti-Stokes Cohérente) et à des caractérisations des propriétés électriques (température des électrons et densité des électrons) par diffusion Thomson sont ensuite comparés avec des simulations numériques réalisées avec le logiciel CHEMKIN couplé au mécanisme réactionnel dédié à la combustion du méthane : GRI-Mech 3. 0. Les résultats de cette comparaison soulignent les principaux mécanismes réactionnels contrôlant l’allumage d’un mélange méthane/air. En particulier, une réduction conséquente du délai d’allumage observée expérimentalement est confirmée numériquement. La production significative de radicaux à partir de l’interaction plasma/fluide mène alors à un allumage en moins de 1 s. Ce délai est plus faible de plusieurs ordres de grandeur que celui observé avec un allumage conventionnel thermique. L’intégration de ce type d’actionneur plasma sur un injecteur LPP implique de connaître également le comportement des gouttes en présence du plasma. La dernière partie de ma thèse traite de cette interaction. Pour illustrer les effets thermomécaniques de la décharge sur une goutte isolée, une expérience est réalisée sur un jet de gouttes monodisperses auquel est combiné le système d’électrodes utilisée lors des expériences en milieu gazeux. La technique d’ombroscopie sert à caractériser cette interaction. Après passage des gouttes au travers de la décharge, ces dernières augmentent en taille pendant un délai de 30 μs puis se relaxent jusqu’à revenir à leurs conditions initiales. Des comportements similaires sont obtenus quelque soit le combustible (éthanol, eau, n-undecane et acétone). Des simulations numériques prenant en compte l’hypothèse du « flash boiling atomization » permettent de retrouver des évolutions similaires à l’expérience tout en donnant une interprétation à la nucléation au sein d’un fluide plongé dans un champ électrique à partir des données expérimentales<br>Efforts to further improve performances of aircraft jet engines (reduction of ignition delay, flame blow-off prevention and extension of flammability limits, reduction of pollutant emissions …) require new concepts of injection systems like for instance, Lean-Premixed-Prevaporized (LPP) injectors. However, these injection systems can produce combustion instabilities which induce serious limitations (i. E. Flashback) for industrial exploitation. We argue these perturbations can be mitigated by using alternative methods consisting on modifying the chemical kinetics of the combustion by generating and sustaining large electron number densities, which result in a non-equilibrium excitation of the gas mixture which favours the partial dissociation of reactants into radicals. These radicals then react releasing energy and broadening the radical pool and thereby ignite the fuel/air mixture. At the frontier between plasmas and combustion, the objective of this multidisciplinary thesis consists to improve our knowledge on the thermodynamics and kinetic mechanisms of fuel oxidation and also on the properties of ignition induced by a nanosecond pulsed discharge produced in an atmospheric methane/air mixture. The non-equilibrium plasma is produced by repetitive electrical pulses of 15 kV peak voltage, 20 ns pulse width and 300 Hz maximum repetition rate. Probing of the pulsed discharge has been performed with Laser-induced fluorescence (PLIF) in order to measure the temporal distributions of OH, CH and CH2O species concentrations during the plasma/gas mixture interaction. Measurements were performed for various equivalence ratios surrounding the ignition limits (0. 5 – 1. 3) in order to highlight the chemical processes produced by the discharge and not those induced by combustion. The experimental results combined with temperature CARS measurements (coherent anti-Stokes Raman scattering) and with electrical properties (electron temperature and electron density) obtained by Thomson scattering were compared with numerical simulations performed with the CHEMKIN program associated with the detailed chemical mechanism designed for the kinetic of methane/air mixtures: GRI-Mech 3. 0. The results of this comparison highlighted the main kinetic paths controlling the ignition of methane/air mixtures. In particular, a large reduction of ignition delay observed experimentally has been numerically confirmed. The production of enough radicals from the plasma/gas interaction leads to ignition in less than 1 s. This delay is several orders of magnitude lower than the conventional ignition delay times observed with thermal ignition. The integration of the plasma actuator within a LPP injector involves also the knowledge of the interaction between plasma and droplets. The last part of this thesis deals with this interaction. To highlight thermomechanical effects of the discharge on one single droplet, an experiment including a monodispersed droplet stream coupled with the electrodes configuration from the gaseous experiments was performed. Shadowgraphy was used to characterize this interaction. After passing through the plasma the droplet grows in size during a period of around 30 μs then collapses. Similar behaviours are obtained whatever the fuel composition of the droplet (ethyl alcohol, water, n-undecane and acetone). Numerical simulations have been used to study the nucleation of a liquid inside an electric field with regards to the experimental data. “Flash boiling atomization” assumption was then used to obtain the same orders of magnitude observed on the experimental data

Le propos de cette thèse concerne l'étude des caractéristiques métrologiques des composants des chaînes de cinématographie opérant dans le domaine picoseconde. Un accent particulier est porté sur les propriétés de planétisme de la caméra à balayage de fente. Le document rapporte les méthodes expérimentales mises en œuvre pour accéder aux différentes grandeurs métrologiques. Elles utilisent de manière intensive l'instrumentation automatisée et les techniques d'approximation pour l'extraction de l'information, ce qui favorise le traitement d'un important volume de mesures. Les données recueillies sont mises à profit pour la correction des défauts inhérents à certains composants au travers de méthodes de traitement d'images (restauration). Les résultats montrent un gain substantiel en performances qui rend très attractive cette approche au regard des difficultés liées à l'amélioration technologique des éléments de la chaîne de cinématographie<br>The thesis purpose is dedicated to the study of the metrological characteristics of picosecond range high speed photography chain components. A special focus is turned to the streak camera planatism properties. The document reports experimental methods implemented to evaluate several metrological quantities. They intensively use automated instrumentation and mathematical approximation techniques to extract information, so that a large amount of measurements can be easily processed. Collected data are turned to account to correct defects due to some components through image processing methods (restoration). Results exhibit a gain in performance which makes this approach very attractive when looking at the difficulties encountered with technical improvements of high speed photography chain sub-systems

Lysophosphatidic acid (LPA) influences many physiological processes, such as brain and vascular development. It is associated with several diseases including ovarian cancer, breast cancer, prostate cancer, colorectal cancer, hepatocellular carcinoma, multiple myeloma atherosclerotic diseases, cardiovascular diseases, pulmonary inflammatory diseases and renal diseases. LPA plasma and serum levels have been reported to be important values in diagnosing ovarian cancer and other diseases. However, the extraction and quantification of LPA in plasma are very challenging because of the low physiological concentration and similar structures of LPA to other phospholipids. Many previous studies have not described the separation of LPA from other phospholipids, which may make analyses more challenging than necessary. We developed an SPE extraction method for plasma LPA that can extract LPA at high purity. We also developed an HPLC post-column fluorescence detection method that allows the efficient quantification of LPA. These methods were used in a clinical study for ovarian cancer diagnosis to help validate LPA as a biomarker of ovarian cancer. Moreover, molecular imprinted polymers (MIPs) were designed and synthesized as material for the improved extraction of LPA. Compared to the commercially available materials, the MIP developed shows enhanced selectivity for LPA. The extraction was overall relatively more efficient and less labor-intensive.

Dans son ensemble, les techniques de pointe actuelles procurent l'information nécessaire à une analyse approfondie de la cellule, ce qui nécessite cependant l’utilisation d’instruments et de plateformes analytiques différentes. Les biopuces à cellule permettent l’analyse des cellules vivantes en temps réel et constituent donc un outil important pour de nombreuses applications dans la recherche biomédicale telles que la toxicologie et la pharmaceutique.En effet, le suivi en temps réel de la réponse non-seulement physique mais aussi chimique des cellules, obtenue suite à des stimuli externes spécifiques et en utilisant un système d'imagerie cellulaire, peut fournir une meilleure compréhension des mécanismes et des voies de signalisation impliquées dans la réaction toxicologique.Le développement de tels dispositifs multianalytiques pour l'analyse biologique repose essentiellement sur la capacité de produire des surfaces fonctionnelles de pointe permettant une interaction et organisation contrôlée des cellules et d'autres entités telles que par exemple des anticorps ou des nanoparticules. Par conséquent, un grand effort technologique repose sur le développement des techniques permettant la création de motifs fonctionnels sur une surface de nature souvent inerte. Dans cette thèse, nous proposons deux techniques de micro- et nanofabrication permettant la création de motifs de cellules et d’anticorps sur un revêtement non-adhésif composé de poly (oxyde d'éthylène) (« PEO-like ») déposé par plasma. La première approche consiste à immobiliser par physisorption un micro-réseau de molécules adhésives de la matrice extracellulaire (par exemple la fibronectine) en utilisant des techniques d’impression par microcontact et par non-contact. La deuxième approche permet la création de motifs adhésifs sur la surface constitués de nanoparticules d'or (Au NPs) en utilisant des techniques d’impression similaire. L'immobilisation des Au NPs sur le revêtement « PEO-like » ne nécessite pas de modifications chimiques et est réalisé par une technique d'autoassemblage simple et irréversible. Ces surfaces d'or nanostructurées ont été testées pour l’analyse du phénomène de reconnaissance biomoléculaire et en tant que plateforme de culture cellulaire. Finalement, cette plateforme a été intégrée à un microscope plasmonique qui a permis, de façon préliminaire, la surveillance et la visualisation de la motilité d’une cellule unique, cela en temps réel et sans marquage, ainsi que la détection spécifique et sensible de protéines tests<br>State of the art techniques give as a whole the required information needed for the complete cell analysis but require different instruments and different types of platforms. The concept of cells on-a-chip allowing real-time analysis of living cells is, therefore, an important tool for many biomedical research applications such as toxicology and drug discovery. Monitoring in real-time the physical but also chemical response of live cells to specific external stimuli using live-cell imaging can provide a better understanding of the mechanisms and pathways involved in the toxicological reaction. The development of such multianalytical devices for biological analysis relies essentially on the ability to design advanced functional surfaces enabling a controlled interaction and organisation of cells and other nanostructures (e.g antibodies and nanoparticles). Therefore, a large technological effort is related on the development of advanced patterning techniques. In this thesis, we propose two simple and direct micro- and nano-fabrication techniques enabling the creation of cellular and sensing patterns on a non-adhesive and cell repellent plasma-deposited poly (ethyleneoxide) (PEO-like) coating. The first approach consists in immobilising a microarray of ECM molecules (cell-adhesive proteins, e.g fibronectin) on the cell repellent PEO-like surface by physisorption using microspotting or microcontact printing techniques. The second approach enables the creation of Gold nanoparticles (Au NPs) adhesive patterns on the surface using similar spotting techniques. The immobilization of Au NPs on PEO-like coatings does not require any prior chemical modifications and is achieved by a straightforward and irreversible self-assembly technique. These gold nanostructured surfaces have been tested for protein bio-recognition analysis and as a cell culture platform. Ultimately, this platform was integrated to a novel plasmonic microscope which enabled, preliminarily, the label-free monitoring and visualisation of a single cell attachment and detachment in real time, as well as the specific and sensitive detection of test proteins in a cell-free environment

En analysant l'evolution du rapport de la densite des ions negatifs sur celle des electrons, en fonction du courant de decharge, pour differentes pressions, nous avons pu mettre en evidence la forte dependance de ce terme en fonction de la temperature electronique. Les observations des signaux de photodetachement, observes au centre de la source et dans la region proche de l'extracteur, nous ont conduit a ameliorer la comprehension de ce signal. Nous en avons conclu que le signal de photodetachement est la superposition de deux signaux: un signal capacitif de courte duree plus un signal conductif beaucoup plus long. Nous avons mis en evidence la dependance du signal capacitif en fonction de la densite des ions negatifs, et developpe une nouvelle technique de mesure de la temperature des ions negatifs, par sondes capacitives