VI. Chapitre Discussion
2. Comparaison entre les effets thermiques macroscopiques et d’irradiation
2.2 Effet thermique macroscopique et d’irradiation des couches minces
Dans cette partie, l’effet de recuit pur (thermique macroscopique) des couches minces est présenté dans un premier temps, puis des comparaisons de l’évolution de la structure sont faites avec les matériaux irradiés par des ions Xe 92MeV (très électronique) et ceux irradiés par des ions Au 0,5 MeV.
2.2.1 Présentation des effets de recuit (thermique macroscopique) des couches
minces
1 2 3 4 5 6 Refle cti vi te(u.a.) Reflect ivite(u .a.) 2theta (o) 300oC 400oC 500oC 600oC 800oC 900oC 1000oC 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 2theta (o)La Figure VI-15 présente les courbes de RRX de couches 2D 4nm recuites à différentes températures sans irradiation. Les échantillons recuits à 400°C sont ceux qui ont été utilisés lors des irradiations. Les conclusions tirées de ces mesures sont les suivantes :
i) Le pic de Bragg se déplace progressivement vers les angles plus grands jusqu’à l’effondrement total de la structure à 1000°C, cet effet est comparable à celui de l’irradiation en régime balistique. Ce résultat indique que la distance inter-pores diminue, ce qui peut s’interpréter comme un rétrécissement des pores. Cependant, aucun élargissement ni diminution d’amplitude n’est associé avec ce déplacement angulaire, contrairement à l’effet d’irradiation. Sous irradiation, l’arrangement des pores est désorganisé, alors que sous recuit thermique, les pores se rétrécissent tout en gardant leur organisation.
ii) L’encart de la Figure VI-15 montre l’évolution des angles critiques en fonction de la fluence. De manière similaire aux effets d’irradiation balistique, les angles critiques se déplacent progressivement vers les angles plus grands lorsque la température augmente, jusqu’à la densification totale à 1000°C.
iii) Les franges de Kiessig du premier ordre s’élargissent progressivement en fonction de la température, ce qui indique une diminution d’épaisseur de la couche. Cependant, les franges Kiessig du deuxième ordre (entre le premier et le deuxième pic de Bragg) sont plus nombreuses à partir de 600°C, ce qui pourrait être une conséquence de l’oxydation du wafer de Si. Ce phénomène conduit à la formation d’une couche transitoire épaisse qui s’ajoute à l’épaisseur totale. Cette couche oxydée est plus facilement observée lorsque l’angle d’analyse augmente (entre le premier et le deuxième pic de Bragg) car le faisceau du rayon-X pénètre plus profondément dans la couche de silice.
iv) Entre 900°C et 1000°C, les pores s’effondrent complètement entrainant la disparition des pics de Bragg.
2.2.2 Effet électronique, balistique et thermique sur couches minces
Nous allons maintenant comparer les différents effets : recuit thermique, irradiation par des ions Au 0,5 MeV (régime balistique), irradiation par des ions Xe 92MeV (régime électronique, formation de traces, dE/dx très élevé~11keV/nm), sur des couches minces mésoporeuses 2D 4 nm. Les effets d’irradiation sur ces couches ont été présentés dans les chapitres III et IV, pour mémoire ils sont représentés sur les Figure VI-16 et Figure VI-17.
2.2.2a. Xe 92MeV 1 2 3 4 5 6 1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 0,01 0,1 1 10 Bragg Reflect ivite(a .u.) 2theta (o) 0 5E12 Xe/cm2 1E13 Xe/cm2 3E13 Xe/cm2 6E13 Xe/cm2
Figure VI-16. Effets des irradiations sur les couches minces 2D 4nm. Gauche : Courbes de RRX obtenues après irradiation par des ions Xe 92MeV. Droite : Cliché MEB obtenu après
irradiation par des ions Xe 92MeV à 1×1013 Xe/cm2.
2.2.2b Au 0,5MeV 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Reflect ivite (a. u.) 2theta (o) 0 Au/cm2 0,5E14 Au/cm2 1E14 Au/cm2 1,5E14 Au/cm2 3E14 Au/cm2 4E14 Au/cm2 7E14Au/cm2 Bragg
Figure VI-17. Effets des irradiations sur les couches minces 2D 4nm Gauche : Courbes de réflectivité des rayons-X obtenues après irradiation par des ions Au 0,5MeV. Droite : Cliché
MEB obtenu après irradiation par des ions Xe 92MeV à 1,5×1014 Xe/cm2.
2.2.2c Recuit Thermique 1 2 3 4 5 6 Refle cti vi te(u.a.) Reflect ivite(u .a.) 2theta (o) 300oC 400o C 500oC 600oC 800o C 900o C 1000oC 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 2theta (o )
Figure VI-18. Courbes de RRX des couches 2D 4nm sous recuit purement thermique pendant 5h.
- L’irradiation par des ions Xe 92 MeV qui conduit à des effets purement électroniques dans un régime de formation de traces, induit une diminution de l’amplitude des pics de Bragg, jusqu’à leur disparition totale. Leur position angulaire ne se déplace que légèrement. (Figure VI-16). Le cliché MEB montre clairement l’apparition des traces.
- L’irradiation par des ions Au 0,5MeV induit des effets principalement balistiques, les pics de Bragg s’atténuent, s’élargissent et se déplacent vers les « hauts angles ». (Figure VI-17)
- Après le recuit thermique, on n’observe qu’un déplacement des pics de Bragg vers les « hauts angles », les pics de Bragg ne s’atténuent pas jusqu’à 1000°C, à cette température on observe un effondrement complet de la porosité. (Figure VI-18)
A partir de ces observations, nous avons proposé des schémas d’effondrement de la structure en fonction de la sollicitation mise en œuvre. Ces schémas sont représentés sur les trois images suivantes :
(a) (b) (c)
Figure VI-19. Schéma d’effondrement des pores du fait des sollicitations : (a) irradiation ions Xe 92MeV, (b) irradiation ions Au 0,5MeV et (c) recuit thermique.
· (a) Sous irradiation par des ions Xe 92MeV (effet électronique), les pores dans la zone locale des traces sont complètement écrasés avec un seul passage d’ion. Mais les pores hors de cette zone restent intacts, d’où l’observation des pics de Bragg sur les courbes de RRX. En conséquence, leur position, qui est reliée à la distance interpore, c’est-à-dire à la dimension de bicouche (pores + mur), se déplace légèrement. Lorsque la fluence augmente, l’échantillon est de plus en plus recouvert des traces, ce qui entraine une diminution de l’amplitude de ces pics.
· (b) L’impact de l’irradiation par des ions Au 0,5MeV (effet balistique) est plus global sur la structure. Le diamètre de la totalité des pores diminue simultanément de façon aléatoire en fonction de la recombinaison des défauts à la surface des pores. Ce phénomène entraine une déformation aléatoire des pores qui induit l’amorphisation de la structure.
· (c) Sous recuit thermique, l’écrasement des pores est homogène. Pendant le recuit, les pores sont dans un état de quasi-équilibre où le rayon caractéristique est déterminé par la température. Par conséquent, les pores se rétrécissent tout en restant organisés.