Méthodes d'analyse de film

La microscopie électronique à balayage

La microscopie électronique à balayage (MEB) est une technique où les électrons d'un canon à électrons sont accélérés par une tension élevée (5 à 50 kV) vers la surface de l'échantillon où ils provoquent l'émission d'électrons secondaires et la diffusion d'électrons de la surface de l'échantillon. Ces électrons primaires peuvent également être rétrodiffusés à partir de la surface. Les électrons secondaires sont recueillis par un détecteur et convertis en un signal électrique qui peut être affiché sur un moniteur ou être informatisé. Le faisceau d'électrons est focalisé sur un petit point et balayé sur l'échantillon afin qu'une image de la géométrie de surface puisse être enregistrée. La résolution d'une reproduction SEM est non seulement dépendante de l'instrument mais dépend également de l'échantillon. La limite est fixée par la façon dont le faisceau peut être focalisé et par des processus de diffusion dans la surface de l'échantillon. Les valeurs typiques de cette limite sont comprises entre 10 et 20 Å, ce qui signifie que des entités plus petites que celles-ci ne peuvent pas être détectées. Le contraste de l'image peut résulter de plusieurs phénomènes différents dont le contraste topographique signifie qu'il est plus probable de détecter des électrons diffusés à partir des surfaces d'échantillon proches du détecteur que des surfaces plus éloignées. Ce type de contraste donne des images faciles à interpréter. La préparation des échantillons n'est pas compliquée, les échantillons doivent être propres et de préférence conducteurs et non magnétiques. Les surfaces isolantes posent problème avec les charges saturées. Cela nécessite soit une tension d'accélération plus faible pour le faisceau (avec par conséquent une sensibilité plus faible) soit un revêtement auxiliaire de la surface par un film conducteur mince, par exemple un film d'or. Pour l'analyse de couches minces, le SEM est un outil approprié pour l'imagerie de la morphologie des surfaces de film et de la microstructure des sections de film.

Spectroscopie électronique pour l'analyse chimique

La spectroscopie électronique pour l'analyse chimique (ESCA), également connue sous le nom de spectroscopie de photoélectrons X (XPS), est un outil sensible à la surface pour l'analyse d'éléments où l'échantillon est irradié par des photons X monochromatiques. Les photons provoquent l'émission d'électrons avec une énergie cinétique caractéristique en fonction des différents éléments présents dans la surface de l'échantillon. La détection de ces énergies peut donner une analyse qualitative aussi bien que quantitative des éléments de l'échantillon. De même, l'état chimique des atomes de l'échantillon peut être déterminé par le biais du changement chimique, c'est-à-dire le changement de l'énergie de liaison d'un électron lorsque l'atome est lié à un autre atome. Avec la pulvérisation cathodique et l'analyse par tours, on peut obtenir des profils de profondeur de la composition de l'échantillon.

Diffraction des rayons X

La diffraction des rayons X (XRD) est une technique d'analyse de matériaux polyvalente pour les matériaux cristallins. Quelques exemples de ce que XRD peut être utilisé sont: la détermination des constantes de réseau, l'identification des substances inconnues, l'analyse de phase et les mesures de la taille des grains et de la contrainte intrinsèque.

L'idée derrière la diffraction des rayons X est qu'un cristal, avec sa structure régulièrement répétitive, diffractera le rayonnement électromagnétique avec une longueur d'onde de la même taille que la distance inter-atomique du cristal, tout comme un réseau optique diffractera la lumière visible. Une façon de comprendre la diffraction des rayons X est de considérer les plans des atomes dans le cristal comme une pile de miroirs semi-transparents. La diffraction peut maintenant être traitée comme des réflexions dans les plans d'atomes où chaque plan réfléchit une partie du rayonnement de sorte qu'il y aura plusieurs réflexions. Ces réflexions interfèrent de manière constructive lorsqu'elles sont en phase, c'est-à-dire que la différence de longueur de trajet est égale à un multiple entier d'une longueur d'onde. Cela se produit uniquement lorsque l'angle d'incidence satisfait la loi de Bragg: 2 d sin θ = nλ , où d est la distance entre deux plans atomiques adjacents, θ est l'angle de Bragg, n est un entier et λ est la longueur d'onde des rayons X. Pour tous les autres angles, il y aura une interférence destructive et pas de réflexion.

Comme il existe plusieurs ensembles de plans atomiques avec des espacements différents dans une substance cristalline, il y aura de fortes réflexions dans plusieurs directions pour un échantillon polycristallin. Chaque réflexion forte a deux propriétés, l'angle de diffraction et l'intensité, et ces données peuvent être comparées avec des bases de données et une substance inconnue et sa structure cristalline peut être déterminée.

Dans le cas de films très minces, l'intensité des réflexions du film peut être si faible qu'elles vont se noyer dans le rayonnement de fond, par exemple à partir du substrat. Ce problème peut être évité en utilisant une méthode d'incidence rasante, GI-XRD, qui signifie que les rayons X d'incidence ont un très petit angle par rapport à la surface et cela augmente l'intensité de sorte que la technique devient plus sensible à la surface.

En utilisant un miroir de Goebel, on obtient des rayons X d'incidence parallèles qui donnent une intensité plus élevée et simplifient la GI-XRD. Pour une XRD ordinaire, cela permet également d'analyser des échantillons non plats.

Le profilomètre de stylet

Un profilomètre à stylet est utilisé pour mesurer la rugosité de la surface et l'épaisseur du film. Le principe est de déplacer un stylet avec une très faible charge sur la surface et d'enregistrer acoustiquement la position verticale du stylet en fonction de la position horizontale.

Pour obtenir une mesure fiable de l'épaisseur d'un film mince, il doit y avoir une étape bien distincte entre la surface du substrat d'origine et le film. Sinon, l'étape ne peut pas être distinguée de la rugosité de surface si celle-ci est trop élevée. Une telle étape peut être obtenue en masquant une zone avant le dépôt ou en la gravant par la suite. Pour un bon profilomètre, une valeur typique de la résolution verticale est de 5 Å, mais cela peut limiter la possibilité de mesurer de grandes variations verticales. Les épaisseurs de film mesurables maximales typiques sont d'environ 15 μm pour les profilomètres commerciaux.

Analyse des propriétés mécaniques des films minces

Parmi les différentes propriétés mécaniques des films minces, la dureté est l'une des plus importantes. La dureté n'est cependant pas une propriété qui peut être déterminée sans ambiguïté, en particulier pour les films minces. Tout d'abord, la valeur de dureté dépend de la technique de mesure. Toutes les techniques comprennent un pénétrateur d'un matériau dur (par exemple du diamant) qui est pressé dans le matériau testé par une charge fixe. La valeur de dureté est ensuite calculée à partir de la charge et de la surface (réelle ou projetée) ou de la profondeur de l'indentation. Le pénétrateur peut avoir différentes formes (par exemple des pyramides) et différentes plages de charge qui donnent des résultats qui ne peuvent pas être comparés directement. Pour les couches minces, l'influence des substrats complique les mesures de dureté et pour diminuer cette influence, des techniques de mesure de la microdureté sont utilisées, où de très petites charges (0,01 - 10 N) sont utilisées. Deux des techniques de microdureté les plus courantes sont les micro Vickers et Knoop. Les deux techniques utilisent des pénétrateurs pyramidaux, mais Knoop utilise une pyramide allongée qui donne des indentations moins profondes que le pénétrateur Vickers. Malgré les petites charges, les mesures de microdureté donnent pour les couches minces la dureté du film et du substrat du système. Pour déterminer la dureté du film seulement, il peut être calculé à partir de la dureté du substrat revêtu et de la dureté du substrat non revêtu en utilisant un modèle, par exemple le modèle de Jönsson-Hogmark, ou être obtenu par une technique de nanoindentation. Dans de telles techniques, des charges extrêmement faibles (quelques mN) sont utilisées de sorte que les dimensions des indentations deviennent très petites en raison de la grande contribution de la déformation élastique. Par nanoindentation, les indentations peuvent être de l'ordre de 100 nm et ceci est suffisamment petit pour éviter l'influence des substrats pour des films d'une épaisseur de um, mais les indentations ne peuvent pas être mesurées optiquement comme dans un testeur de microdureté classique. Dans un nanoindenter, la relation entre la charge et le déplacement (profondeur) du pénétrateur est enregistrée en continu pendant tout le cycle de chargement et de déchargement. A partir de ces courbes de charge / décharge, non seulement la dureté du film peut être obtenue, mais également le module élastique (ou Young), c'est-à-dire la capacité d'un matériau à résister à une déformation élastique. Les valeurs de ces deux propriétés peuvent être calculées en utilisant un modèle d'Oliver et Pharr.