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Many key technologies, to overcome some crucial steps, are needed for space missions. One of them concerns the re-entry: when the vehicle enters the atmosphere layer, its high velocity relative to the ground will generate significant friction and an increase in pressure. The kinetic energy of the object will be converted into heat energy and heat the gas forming a shock wave. Temperatures depend on the initial velocity, the atmosphere composition and its pressure. The gas is ionized and become plasma, it will therefore transfer its heat to the body of the probe not only by convection but also by radiation. To protect itself, the vehicle has a heat shield that can withstand extreme phenomena encountered during the descent. Additional constraints will impose a particular geometry and a heavy shield. So the goal is to have the lightest possible and effective protections to allow the probe to maximize its payload. For this, one of the key parameters is to know the behavior of the plasma and radiation produced during re-entry into the atmosphere. This thesis is positioned in this area of ​​study: experiments to create a re-entry plasma are intended to be observed by a spectrometer., La mise en œuvre de missions spatiales demande à développer de nombreuses technologies clés afin de surmonter certaines étapes cruciales. L’une d’entre elle concerne la rentrée atmosphérique : lorsque le véhicule pénètre dans la couche d’atmosphère, sa vitesse relative très grande par rapport au sol va engendrer des frottements importants ainsi qu’une augmentation de pression. L’énergie cinétique de l’objet va donc être transformée en énergie thermique et chauffer le gaz en formant une onde de choc. Les températures dépendent de la vitesse initiale, de la composition de l’atmosphère et de sa pression. Le gaz ainsi chauffé va s’ioniser et devenir un plasma, il va donc transférer sa chaleur au corps de la sonde non seulement par convection mais aussi par rayonnement. Afin de se protéger, le véhicule dispose d’un bouclier thermique pouvant résister aux phénomènes extrêmes rencontrés lors de la descente. Les contraintes supplémentaires vont imposer une géométrie particulière et un lourd bouclier. Ainsi l’objectif est d’avoir les protections les plus légères et efficaces possibles afin de permettre à la sonde de maximiser son emport en équipement scientifique. Pour cela, un des paramètres clés est de connaître le comportement et le rayonnement du plasma produit lors de la rentrée dans l’atmosphère. Cette thèse se positionne dans ce domaine d’étude: les expériences montées et réalisées ont pour objectif d’observer par moyens spectroscopiques un plasma correspondant à celui rencontré par les sondes spatiales.

This thesis focuses on two aspect of GaAs surface treatment using plasma in order to deposit controlled oxide and nitride layers. In both cases, various means of analysis were used to control the chemical composition and the thickness and the structure of produced layers. Theoretical calculations of the XPS signals established on a schematic representation of the samples allow the understanding the involved phenomena. The first study reported in this thesis has demonstrated the efficiency of a microwave plasma composed of O2 and SF6 for the cleaning of GaAs substrates having undergone one or several technological processes. The variation of plasma parameters such as composition, power and exposure time enables us to better understand the mechanisms of oxidation occurring on the surface. Particularly, the presence of SF6 in the plasma induces the decrease of the concentration of arsenic on the surface and thus improves the stability of the oxide. The second study of this work presents the nitridation of GaAs substrates with different orientations. More the benefits of using a low power GDS source to create high quality GaN layer on the surface is highlighted. This optimized process leads to an As-free nitride layer formed by the inter-diffusion of arsenic and nitrogen, and shows a near saturation of the nitride layer thickness as a function of exposure time. Furthermore, this layer is crystallized by annealing in a cubic lattice parameter close to that of c-GaN.; Ce mémoire porte sur deux aspects du traitement des surfaces de GaAs faisant appel à des plasmas, dans le but de déposer des couches contrôlées d’oxyde et de nitrure. Dans les deux cas divers moyens d’analyse ont été utilisés pour contrôler la composition chimique ainsi que l’épaisseur et la structure des couches créées. Des calculs théoriques des signaux XPS établis sur une représentation schématique des échantillons ont été à la base de la compréhension des phénomènes mis en jeu. La première étude exposée dans ce mémoire a permis de démontrer l’efficacité d’un plasma micro-ondes composé d’O2 et de SF6 pour le nettoyage de substrats de GaAs ayant subis un ou plusieurs processus technologiques. La variation de paramètres comme la composition ou la puissance du plasma et le temps d'exposition à celui-ci nous a permis de mieux comprendre les mécanismes d’oxydation se déroulant sur la surface. Notamment, la présence de SF6 dans le plasma diminue la concentration d’arsenic sur la surface et améliore ainsi la stabilité de l’oxyde. La seconde étude réalisée dans ce travail, qui présente la nitruration de substrats de GaAs suivant différentes orientations, a mis en évidence les avantages que procure l’utilisation d’une source GDS à faible puissance pour la création d’une couche surfacique de GaN de très bonne qualité. Ce processus optimisé amène à une couche de nitrure exempte de composés dus à l’inter-diffusion de l’arsenic et de l’azote, et montre une quasi-saturation de l’épaisseur de la couche de nitrure en fonction du temps d’exposition. De plus cette couche se cristallise par recuit en une maille cubique de paramètre proche de celui du GaN.

EPES (Elastic Peak Electron Spectroscopy) allows measuring the percentage he of elastically backscattered electrons from the surface excited by an electron beam. This is a non destructive method which is very sensitive to the surface region. The aim of this work is to model the trajectory of elastic electrons in the matter with a computer simulation based on Monte Carlo method. This simulation allows interpreting experimental results of the EPES spectroscopy. We have moreover adapted this simulation for different surfaces transformed to micrometer and nanometer scales. Using an original method, based on a description of material layer by layer, I realized a computer program (MC1) that takes into account the path of elastic electrons in different layers of material. The number of electrons emerging from the surface depends on many parameters such as: the electron primary energy, the nature of the material, the incidence angle and the collection angles of the analyzer. In addition, I was interested in the effect of surface roughness and I showed that it plays an important role in the intensity of the elastic peak. Then, through an association of the EPES and the Monte Carlo simulation results, I deduced the growth patterns of gold on silver and copper substrates. The effects of the atomic arrangement and the surface excitations were then studied. For this, a new simulation MC2 that takes into account these two parameters has been developed to study nanoscale surfaces. These parameters not previously included in our MC1simulation play a important role in the elastic intensity. Then I have got a simple formula for interpreting the results obtained by the simulation for a RFA analyzer. To validate the different results of the simulation MC2, I realized nano-structured silicon surfaces, using aluminium oxide masks. Nano-pores have been created by Ar+ ions bombardment in UHV chamber on silicon surfaces.To control the morphology of the surfaces, I realized SEM images (Techinauv Casimir) ex-situ. The Monte Carlo simulations, developed here, associated with the EPES experimental results can estimate the depth, the diameter, the morphology of pores without the help of other ex-situ techniques., La spectroscopie EPES (Elastic Peak Electron Spectroscopy) permet de mesurer le pourcentage he d’électrons rétrodiffusés élastiquement par la surface d’un échantillon soumis à un bombardement électronique. C’est une méthode non destructive et extrêmement sensible à la surface. L'objectif de ce travail est de modéliser le cheminement des électrons élastiques dans la matière grâce à une simulation informatique basée sur la méthode Monte Carlo. Cette simulation contribue de manière essentielle à la connaissance et à l'interprétation des résultats expérimentaux obtenus par spectroscopie EPES. Nous avons, de plus, adapté cette simulation à différentes surfaces transformées à l’échelle micrométrique et nanométrique. A l’aide d’une méthode originale, basée sur une description couche par couche du matériau, j’ai réalisé un programme informatique (MC1) rendant compte du cheminement des électrons élastiques dans les différentes couches du matériau. Le nombre d’électrons ressortant de la surface dépend de nombreux paramètres comme : la nature du matériau à étudier, l’énergie des électrons incidents, l’angle d’incidence, les angles de collection des analyseurs. De plus, je me suis intéressé à l’effet de la rugosité de la surface et j’ai démontré qu’elle joue un rôle déterminant sur l’intensité du pic élastique. Ensuite, grâce à l’association de la spectroscopie EPES et de la simulation Monte Carlo, j’ai déduit les modes de croissance de l’or sur substrat d’argent et de cuivre. Les effets de l’arrangement atomique et des pertes énergétiques de surfaces ont ensuite été étudiés. Pour cela, une deuxième simulation MC2 tenant compte de ces deux paramètres a été réalisée permettant d’étudier les surfaces à l’échelle nanométriques. Ces paramètres jusqu’alors non pris en compte dans notre simulation MC1, joue un rôle essentiel sur l’intensité élastique. Ensuite, j’ai obtenu une formulation simple et exploitable pour l’interprétation des résultats obtenus par la simulation MC2 pour un analyseur RFA. Afin de valider, les différents résultats de la simulationMC2, j’ai réalisé des surfaces de silicium nanostructurées, à l’aide de masques d’oxyde d’alumine réalisés par voie électrochimique. J’ai pu créer des nano-pores par bombardement ionique sous ultravide sur des surfaces de silicium. Afin de contrôler la morphologie de la surface, j’ai effectué de l’imagerie MEB ex-situ. La simulation Monte Carlo développée associée aux résultats EPES expérimentaux permet d’estimer la profondeur, le diamètre et la morphologie des pores sans avoir recours à d’autres techniques ex-situ.Cette simulation MC2 permet de connaître la surface étudiée à l’échelle nanométrique.

EPES (Elastic Peak Electron Spectroscopy) allows measuring the percentage he of elastically backscattered electrons from the surface excited by an electron beam. This is a non destructive method which is very sensitive to the surface region. The aim of this work is to model the trajectory of elastic electrons in the matter with a computer simulation based on Monte Carlo method. This simulation allows interpreting experimental results of the EPES spectroscopy. We have moreover adapted this simulation for different surfaces transformed to micrometer and nanometer scales. Using an original method, based on a description of material layer by layer, I realized a computer program (MC1) that takes into account the path of elastic electrons in different layers of material. The number of electrons emerging from the surface depends on many parameters such as: the electron primary energy, the nature of the material, the incidence angle and the collection angles of the analyzer. In addition, I was interested in the effect of surface roughness and I showed that it plays an important role in the intensity of the elastic peak. Then, through an association of the EPES and the Monte Carlo simulation results, I deduced the growth patterns of gold on silver and copper substrates. The effects of the atomic arrangement and the surface excitations were then studied. For this, a new simulation MC2 that takes into account these two parameters has been developed to study nanoscale surfaces. These parameters not previously included in our MC1simulation play a important role in the elastic intensity. Then I have got a simple formula for interpreting the results obtained by the simulation for a RFA analyzer. To validate the different results of the simulation MC2, I realized nano-structured silicon surfaces, using aluminium oxide masks. Nano-pores have been created by Ar+ ions bombardment in UHV chamber on silicon surfaces.To control the morphology of the surfaces, I realized SEM images (Techinauv Casimir) ex-situ. The Monte Carlo simulations, developed here, associated with the EPES experimental results can estimate the depth, the diameter, the morphology of pores without the help of other ex-situ techniques.; La spectroscopie EPES (Elastic Peak Electron Spectroscopy) permet de mesurer le pourcentage he d’électrons rétrodiffusés élastiquement par la surface d’un échantillon soumis à un bombardement électronique. C’est une méthode non destructive et extrêmement sensible à la surface. L'objectif de ce travail est de modéliser le cheminement des électrons élastiques dans la matière grâce à une simulation informatique basée sur la méthode Monte Carlo. Cette simulation contribue de manière essentielle à la connaissance et à l'interprétation des résultats expérimentaux obtenus par spectroscopie EPES. Nous avons, de plus, adapté cette simulation à différentes surfaces transformées à l’échelle micrométrique et nanométrique. A l’aide d’une méthode originale, basée sur une description couche par couche du matériau, j’ai réalisé un programme informatique (MC1) rendant compte du cheminement des électrons élastiques dans les différentes couches du matériau. Le nombre d’électrons ressortant de la surface dépend de nombreux paramètres comme : la nature du matériau à étudier, l’énergie des électrons incidents, l’angle d’incidence, les angles de collection des analyseurs. De plus, je me suis intéressé à l’effet de la rugosité de la surface et j’ai démontré qu’elle joue un rôle déterminant sur l’intensité du pic élastique. Ensuite, grâce à l’association de la spectroscopie EPES et de la simulation Monte Carlo, j’ai déduit les modes de croissance de l’or sur substrat d’argent et de cuivre. Les effets de l’arrangement atomique et des pertes énergétiques de surfaces ont ensuite été étudiés. Pour cela, une deuxième simulation MC2 tenant compte de ces deux paramètres a été réalisée permettant d’étudier les surfaces à l’échelle nanométriques. Ces paramètres jusqu’alors non pris en compte dans notre simulation MC1, joue un rôle essentiel sur l’intensité élastique. Ensuite, j’ai obtenu une formulation simple et exploitable pour l’interprétation des résultats obtenus par la simulation MC2 pour un analyseur RFA. Afin de valider, les différents résultats de la simulationMC2, j’ai réalisé des surfaces de silicium nanostructurées, à l’aide de masques d’oxyde d’alumine réalisés par voie électrochimique. J’ai pu créer des nano-pores par bombardement ionique sous ultravide sur des surfaces de silicium. Afin de contrôler la morphologie de la surface, j’ai effectué de l’imagerie MEB ex-situ. La simulation Monte Carlo développée associée aux résultats EPES expérimentaux permet d’estimer la profondeur, le diamètre et la morphologie des pores sans avoir recours à d’autres techniques ex-situ.Cette simulation MC2 permet de connaître la surface étudiée à l’échelle nanométrique.