Coefficient cinématique et énergie des particules de recul

Figure III-28 : Interactions ion-particules en configuration ERDA

a) recul élastique sur un atome d’hydrogène (à l’origine d’un signal ERDA) ; b) rétrodiffusion de type Rutherford sur un noyau d’yttrium (à l’origine d’un signal RBS)

La cinématique de la réaction 1H(4He,1H)4He montre que l’hydrogène (1H) ne peut pas être émis à un angle supérieur à 90°. Ceci impose le choix d’un angle de détection faible. En standard, l’angle de diffusion 𝜑 est de 30° avec un angle d’incidence 𝛼^′ de 15° par rapport à la surface de l’échantillon et un angle de sortie 𝛽^′ de 15° par rapport à la surface de l’échantillon (soit les angles par rapport à la normale 𝛼 = 75° et 𝛽 = 75°, respectivement). En choisissant un faible angle de diffusion, les noyaux de recul d’hydrogène peuvent être éjectés hors du matériau (Figure III-28-a). Par la détection de ceux-ci et la mesure de leur énergie 𝐸^′ (Equation III-10), il est possible de mesurer non seulement la quantité globale d’atomes d’hydrogène dans un film mince mais aussi leur distribution en profondeur :

𝐸^′ = ( ^4𝑀1𝑀₂

(𝑀₁+𝑀₂)2𝑐𝑜𝑠²𝜑) 𝐸₀= 𝑘^′𝐸₀ (III-10) 𝐴𝑣𝑒𝑐 ∶

𝐸′ : l’énergie de recul

𝜑 : l’angle de recul (ou d’éjection)

Pour 𝛼^′ = 15°, 𝛽^′= 15° et 𝜑 = 30°, le facteur cinématique 𝑘^′ pour 1H(4He,1H)4He est égal à 0,48. Pour un atome d’hydrogène en surface de l’échantillon et 𝐸0= 2,8 𝑀𝑒𝑉, l’énergie de recul 𝐸′ de 1H est de 1,344 𝑀𝑒𝑉.

Chapitre III - Techniques expérimentales

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3.5.3. Section efficace et sensibilité de détection

La section efficace de la collision 1H(4He,1H)4He est supérieure à celle de simples collisions élastiques, i. e. de la section efficace Rutherford. S’agissant d’une collision entre deux atomes de faible numéro atomique, la distance minimale d'approche est très petite et les interactions nucléaires interviennent.

En simultané, des particules  rétrodiffusent après impact avec les atomes plus lourds de la cible (métaux, carbone, azote, oxygène, silicium du substrat, …) et ceci de façon beaucoup plus intense (Figure III-28-b).

Les sections efficaces de 1H(4He,1H)4He et 89Y(4He,4He)89Y à 2,8 MeV  _{et pour un angle de détection}

de 30° sont respectivement de 300 mb/sr [Bag92, Gur16] et de 223.103 mb/sr (section efficace de Rutherford), soit environ 3 décades supérieure pour 89Y(4He,4He)89Y par rapport à 1H(4He,1H)4He.

Les particules  issues de 89Y(4He,4He)89Y ont une énergie de 2,766 MeV, i. e. plus forte que l’énergie de recul 𝐸^′ des 1H éjectés (1,344 MeV). La probabilité de diffusion des  (4He) étant très supérieure à celle de recul de 1H, le signal de 1H(4He,1H)4He est donc noyé dans les signaux de diffusion (4He,4He) sur les éléments lourds de la cible (Figure III-29-a). Il faut donc filtrer les signaux pour s’affranchir de ces contributions et obtenir le seul signal de l’hydrogène (Figure III-29-b).

Filtration des particules à détecter

Pour cette opération, une feuille de Mylar de 13 µm d’épaisseur est disposée devant le détecteur.

Figure III-29 : Effet de filtrage d'une feuille de Mylar sur le spectre ERDA

a) simulation par SIMNRA d’un spectre ERDA d’une couche mince Yx(NOCH)y sur silicium contenant des concentrations constantes d’hydrogène, carbone, azote et oxygène (sans filtre) ; b) spectre ERDA d’une couche mince Yx(NOCH)y avec comme filtre une feuille de Mylar de 13 µm ; c) parcours moyen de 1H et de 4He dans le Mylar en fonction de l’énergie Le parcours des  _{est bien inférieur à celui des protons et ceci quel que soit le matériau cible et la}

gamme d’énergie. Les particules diffusées () possèdent un parcours inférieur à 13 µm lorsque leur énergie est inférieure à 2,9 MeV, ils ne peuvent donc pas traverser la feuille de Mylar tandis que les particules 1H éjectés le peuvent (Figure III-29-c). En revanche, en traversant le filtre, les particules 1H subissent un straggling en énergie, ce qui détériore la résolution en profondeur. L’épaisseur du filtre doit être connue précisément et renseignée lors de la simulation du spectre pour le calcul de perte et de dispersion en énergie de 1H au sein du filtre.

Sensibilité de détection

La sensibilité de détection de 1H par la technique ERDA est de l’ordre de 1% at. sur une profondeur de l’ordre du micron. En revanche, même si la quantité globale d’hydrogène peut être suffisamment précise, l’extraction de profils de concentration est plus difficile qu’en RBS ou NRA, notamment pour les films en couches minces.

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3.6. Dépouillements des spectres RBS, NRA et ERDA

Dans le cadre de cette étude de matériaux getters en couche mince, nous mettons en œuvre les techniques IBA pour la mesure de la concentration des métaux (par RBS), des éléments légers (carbone, azote et oxygène) (par NRA) et enfin de l’hydrogène (par ERDA). La simulation des spectres obtenus par les trois techniques permet d’obtenir la composition élémentaire de la couche getter, composition qui peut présenter des gradients de concentrations.

Pour illustrer la potentialité des techniques IBA pour cette problématique et présenter les spécificités de notre étude, nous utiliserons dans la suite de ce chapitre les spectres obtenus sur une couche mince getter composée de l’alliage Y31Ti69 avant traitement thermique d’activation.

Figure III-30 : RBS et NRA du film mince Y31Ti69 sur substrat de silicium (NR)

a) RBS en  de 2 MeV ; b) NRA en deutons de 900 keV, zoom sur les pics 16O(d,p0), 16O(d,0) et 12C(d,p0)

Un spectre RBS présente dans le cas d’une couche mince de Y31Ti69 sur un substrat silicium les deux pics des métaux (yttrium et titane) à hautes énergies et le pic en plateau du substrat de silicium en dessous des 1000 keV (Figure III-30-a). Les signaux des éléments de masse inférieure (Z < 28) seront d’une part convolués au front de silicium et d’autre part de faible intensité par rapport au signal de ce plateau puisque la section efficace Rutherford est proportionnelle au carré de Z2. Il est ainsi possible de voir par exemple la présence d’oxygène mais néanmoins tous ces éléments ne sont néanmoins pas quantifiables avec précision en RBS standard 2 MeV α. Pour palier cela et poursuivre la quantification des éléments légers, nous mettons en œuvre la technique NRA. Dans le film mince pris en exemple (Figure III-30-b), nous observons les pics de carbone et d’oxygène, très bien séparés. Pour se trouver dans des conditions où les pics sont bien définis et ne se chevauchent pas, il faut étudier les cinématiques de réactions nucléaires (voir Chapitre III - 3.4.2). Les deux précédentes techniques étant aveugles à la présence d’hydrogène, nous devons réaliser une analyse ERDA pour quantifier cet élément dans le film.

Plusieurs logiciels existent pour la simulation des spectres IBA, dont le logiciel SIMNRA communément utilisé par la communauté IBA. SIMNRA est un programme de simulation de spectres d'énergie de particules nucléaires rétrodiffusées (RBS, NRBS), émises par réaction nucléaire (NRA) ou de recul (ERDA). Il intègre le calcul de la cinématique des réactions, les sections efficaces de Rutherford, non-Rutherford et une base de données des sections efficaces expérimentales pour les réactions nucléaires émissives en particules nucléaires, ainsi que les pouvoirs d’arrêt nucléaire et électronique de Ziegler & Bierzack : ZB [Zie85].

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La simulation des spectres RBS, NRA et ERDA obtenus lors de ce travail a été réalisée avec le logiciel SIMNRA. Le couplage des techniques IBA permet d’accroître la justesse de nos résultats de caractérisation des matériaux getter mais rend difficile ce travail de dépouillement. Depuis peu, des logiciels tels que MultiSIMNRA [Sil16] et DataFurnace [Bar08] ont été développés pour réaliser une analyse auto-cohérente de plusieurs spectres obtenus par différentes techniques IBA et/ou dans différentes conditions expérimentales sur la même cible. Dans le futur, nous envisageons de mettre en œuvre le logiciel IBA DataFurnace pour une cohérence objective des simulations multi-spectres.

La simulation d’un spectre par le logiciel SIMNRA est réalisée en considérant la cible comme une succession de couches dont l'épaisseur et les concentrations des éléments sont ajustées manuellement par l’utilisateur de sorte que le spectre calculé corresponde aux données expérimentales. Une définition incorrecte des épaisseurs des différentes couches peut induire une mauvaise interprétation ou une surinterprétation des données expérimentales. Les épaisseurs des multicouches doivent être ajustées à la résolution en profondeur. SIMNRA ne calculant pas les écarts entre le spectre expérimental et le spectre simulé, les profils de profondeur extraits par différents utilisateurs peuvent légèrement variés.

Nous rappelons les caractéristiques d’un spectre en énergie de particules nucléaires détectées, caractéristiques importantes à connaître pour le dépouillement de spectres RBS, NRA ou ERDA. Le signal d’un élément d’une couche mince suffisamment épaisse sur un spectre RBS, NRA et ERDA se caractérise par :

- l’aire Ai du pic des particules légères détectées qui est la signature du nombre d’atomes par cm2

de l’élément 𝑖 sondé ;

- la hauteur du plateau de saturation du signal qui informe sur la concentration de l’élément 𝑖 sondé ;

- la largeur du pic qui est directement liée à l’épaisseur de la couche mince analysée.