Copyright
© 2000-2015 LHERBAUDIERE


4 pages à l'impression		 Hit-Parade version initiale 2002
INFORMATION dernière mise à jour
18 maars 2013
cliquez sur le mot avertissement ou information ci-dessus pour connaitre une info essentielle avant de lire ce module et n'hésitez pas à cliquer en bas de page sur l'icone sommaire du site ça vous ouvrira d'autres perspectives

TECHNOLOGIE DES COUCHES MINCES

caractérisation suite 1 (2/4): la structure

détermination de la structure
difficulté d'emploi des RX
morphologie d'une couche mince
le microscope à balayage
analyse des contraintes
visibles à l'oeil nu?
adhérence
du bon usage du scotch
une collection d'icônes pour visiter tout le site
Détermination de la structure.

En métallurgie des poudres ou des monocristaux, on a coutume d'analyser la structure des matériaux par le biais de la diffraction des rayons X traversant ledit matériau. Avec les films, eu égard à leur faible épaisseur, cette technique manque de sensibilité, de plus la présence d'un substrat conduit généralement à des interférences complémentaires du type orientation préférentielle des grains, macro et microcontraintes liées au processus de préparation. Il faudra donc prendre des précautions particulières si l'on veut à l'aide des RX obtenir des informations utiles sur la structure (ainsi un substrat monocristallin, typique d'une application sur semiconducteur, induit des angles de diffraction spécifiques qui se superposent et dépassent en intensité le signal couche mince). La solution dans ce cas consiste à orienter le substrat par rapport au faisceau de telle sorte que la condition de Bragg ne puisse être satisfaite pour le substrat, (rappelons que la condition dite de Bragg précise l'angle limite au dela duquel le processus de réfraction est impossible) ce qui en général n'aura pas d'incidence sur le film qui est le plus souvent polycristallin. Il n’empêche que si le film est trop mince (<200nm) on aura du mal à voir quelque chose.

Les effets des contraintes internes peuvent se traduire par des changements de position et l'élargissement des raies du spectre de RX. La dérive des lignes est caractéristique d'un changement de paramètre du réseau dû soit aux contraintes, soit à l'influence d'atomes étrangers présents dans le réseau. En général ce paramètre augmente avec l'épaisseur ce qui est caractéristique d'une décroissance des contraintes quand l'épaisseur augmente.

L'étude de la forme des lignes de diffraction donne des indications sur la taille des cristallites mais les microcontraintes ont aussi un effet sur cette forme. En fait, on peut faire la discrimination entre ces deux causes en raison du fait que seuls les effets de taille de grain s'appliquent sur tous les ordres de diffraction.

Morphologie d'une couche mince

Le microscope électronique à balayage (MEB) peut être utilisé pour l'étude analytique des surfaces sous fort grossissement. Par rapport au microscope optique il présente l'avantage essentiel d'une résolution accrue et d'une profondeur de champ importante, mais, en outre, le bombardement d'une surface par des électrons peut induire tout un ensemble de phénomènes exploitables pour l'analyse.

Rappelons que le MEB résulte des travaux initiaux de l'ingénieur allemand Max Knoll (en 1935) puis de bien d'autres dont Dennis McCullan et Charles Oatney qui construisirent le vrai premier MEB moderne en 1952 à Cambridge (GB), tandis qu'Everhart et Thornley inventaient en 1960 un détecteur efficace d'électrons secondaires et rétrodiffusés qui va accélérer le développement de la technique MEB.

Le grossissement d'un MEB varie généralement de 20 à 105, tandis que la résolution est typiquement de 10nm et peut dans certains matériels descendre à moins de 3nm.

Dans un MEB, le canon à électrons émet un faisceau d'électrons, selon le principe de la triode thermoélectrique, dont l'intensité, déterminée par la tension de l'électrode de Wehnelt, définira la résolution spatiale ultime, et dont l'énergie, ajustable de 1 à 40keV, sera dissipée à la surface de l'échantillon à analyser en produisant divers effets selon sa valeur.

La colonne électronique est essentiellement constituée de trois lentilles électromagnétiques qui vont focaliser le faisceau primaire en un spot ponctuel au niveau de l'échantillon. Les meilleures performances sont obtenues lorsqu’on peut focaliser un courant intense dans une tache aussi petite que possible. Le résultat dépend du canon (brillance) et des propriétés optiques de la dernière lentille focalisante (l’objectif).

Dans la colonne électronique se trouvent aussi les bobines de déflexion qui vont assurer le balayage de tout ou partie de la surface de l’échantillon par le faisceau d'électrons.

Il en résulte localement une émission de RX, de photons visibles, d'électrons secondaires et d'électrons rétrodiffusés qui tous peuvent être collectés, amplifiés et utilisés pour moduler en synchronisme le faisceau d'un tube cathodique balayé en synchronisme avec celui du MEB. Notons que cette simultanéité d'émission va permettre selon le type d'émission utilisé soit de générer une image de la surface, soit de procéder à une analyse quantitative. Dans le chapitre suivant on précisera ces possibilités. En règle générale un MEB va donc disposer de plusieurs types de détecteurs correspondant chacun à un type d'émission et dont les emplacements seront déterminés avec soin pour optimiser le résultat. Rappelons qu'un photon se déplace en ligne droite, tandis qu'une particule chagée peut être défléchie et/ou accélérée selon les besoins.

Une grande partie des électrons à basse énergie résulte de collisions inélastiques entre les électrons primaires et ceux faiblement liés du matériau. Ces derniers sont expulsés avec des énergies inférieures à 50 eV. Les électrons primaires qui pénètrent à l'intérieur du matériau subissent de multiples collisions dans un volume dont l'importance dépend de leur énergie initiale, et que l'on estime de diamètre compris entre 1 et 5µm. Les électrons réfléchis élastiquement proviennent de n'importe quel point de ce volume, il en résulte une dégradation importante de la résolution, surtout si on examine un film très mince puisqu'alors la contribution du substrat sera essentielle. on préfère alors examiner les électrons secondaires qui proviennent essentiellement d'une zone de moins de 10 nm sous la surface. Une grille placée devant le détecteur d'électrons, polarisée positivement (200-400 V), attire les électrons. De cette manière, la majorité des électrons secondaires sont détectés alors que les électrons rétrodiffusés, qui ont une énergie plus élevée, ne sont quasiment pas déviés par le champ électrique produit par la grille du collecteur. La quantité d'électrons secondaires produite ne dépend pas de la nature chimique de l'échantillon, mais de l'angle d'incidence du faisceau primaire avec la surface : plus l'incidence est rasante, plus le volume excité est grand, donc plus la production d'électrons secondaires est importante, d'où un effet de contraste topographique (une pente apparaît plus « lumineuse » qu'un plat).

Le contraste d'une image MEB dépend en fait de plusieurs facteurs: La principale distorsion d'image résulte de la présence de zones chargées lorsqu'on a des couches d'isolant à examiner (les électrons incidents chargent négativement ou positivement, si le rendement est supérieur à 1, la zone puis perturbent les émissions). On peut y remédier de diverses façons: par un dépôt de 20 nm de carbone ou d'or qui induit alors un taux uniforme d'émission à la surface (mais alors la couche ne peut plus être utilisée autrement!). On peut aussi utiliser une pression opératoire élevée (1 torr) au voisinage de la surface lorsqu'on s'intéresse aux seuls électrons rétrodiffusés (c'est à dire sans avoir besoin d'appliquer un potentiel sur le collecteur, sinon une décharge risquerait de se produire). Enfin on peut fortement réduire l'énergie des électrons incidents jusqu'à environ 1 keV de telle sorte que le rendement d'émission soit ajusté à 1 (dans ce cas d'équilibre parfait il n'y a pas de charge évidemment), cependant dans ce cas la luminosité va être réduite. Cette technique est en outre d'ailleurs fortement recommandée lorsqu'il s'agit de matériau ne pouvant supporter sans dommage un faisceau trop énergétique.

analyse des contraintes

En raison des procédures employées pour fabriquer des films minces, ceux-ci sont souvent contraints. La direction d'une contrainte dans un film peut être déterminée parfois par simple examen à l'oeil nu dans le cas d'un substrat mince recouvert sur une seule face. Si le coté recouvert est concave, la couche est en tension, elle est comprimée dans le cas inverse. La mesure du rayon de courbure donne la contrainte:
S = {E/6(1-n)r}(ts2/tf) relation dans laquelle:

  • E module d'Young du matériau, n coefficient de Poisson du substrat, ts épaisseur du substrat
  • tf épaisseur du film, r rayon de courbure
    • En fait la validité de cette relation nécessite deux conditions principales: une liaison importante entre le film et le substrat et pas de déformation plastique à l'interface. Celà signifie que lors du dépôt, et tout particulièrement au début, il n'y a pas eu de variation anormale de la température. On devra donc prendre garde à ce problème thermique lors de la réalisation.

    adhérence

    On vient de signaler l'importance de l'adhérence dans l'évaluation significative des contraintes. Il apparaît très difficile de préciser quantitativement les interactions atomiques ou moléculaires responsables de cette adhérence.

    En pratique on procède à 2 types de tests appelés par les anglo-saxons "tape and scratch methods":
    (1) Dans le premier cas, un ruban adhésif est appliqué sur la surface du film, puis arraché et examiné. Si le film est arraché, on peut procéder à des essais faisant varier l'angle d'incidence de l'arrachement ce qui peut donner des indications quantitatives.

    (2) le scratch test utilise un stylet chargé que l'on déplace sur le film: un film peu adhérent sera rayé. Ici encore en jouant sur la charge on peut quantifier l'adhérence, mais il faut tenir compte de la dureté du film dans l'interprétation.

    (3) un troisième test me parait plus significatif: il consiste à coller avec une colle à haute résistance de type cyanoacrylate, une pièce métallique, puis à appliquer une force de traction croissante jusqu'à rupture, soit du collage, soit de l'adhérence couche - substrat. Notons que pour que cet essai soit idéal, il faudrait que la géométrie de la couche recouvre exactement celle de la pièce d'essai, que la colle ne réagisse pas chimiquement avec le film et que la force appliquée n'ait pas de composante transversale. A titre d'exemple, une couche d'or déposée par évaporation thermique sur substrat de silice polie optiquement est arrachée dès que la force dépasse quelques kg/cm2 tandis qu'une couche d'alumine sur substrat d'acier poli supporte plus de 350 kg/cm2. Le test au ruban adhésif est souvent pratiqué non pour quantifier l'adhérence mais plutôt pour constater la propreté du substrat (un substrat bien nettoyé est gage de bonne adhérence).