Méthodes d’analyse des couches minces

Nous présentons ici les différentes techniques d'investigation que nous avons utilisées pour la caractérisation des couches minces. Nous nous intéressons en particulier aux caractéristiques structurales de ces échantillons.

II.4.1. La microscopie électronique à balayage (MEB)

La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en anglais) est une technique de caractérisation non destructive qui permet d’obtenir des renseignements sur la morphologie de l’échantillon à analyser, de son mode de cristallisation, d’estimer parfois les tailles des cristallites qui forment l’échantillon et d’accéder à l’épaisseur de l’échantillon par une vue latérale [52]. Elle est capable de produire des images en haute résolution de la surface d’un échantillon en utilisant le principe des interactions électrons-matière. La technique MEB consiste en un faisceau d’électrons balayant la surface de l’échantillon à analyser qui, en réponse, réémet certaines particules généralement des électrons ou rayonnement X. Ces particules sont analysées par différents détecteurs qui permettent de reconstruire une image en trois dimensions de la surface [53]. Actuellement la résolution des MEB se situe entre 0.4 et 20nm.

Les observations au MEB sont faites sur des couches déposées sur différents substrats (verre, silicium et métal). Un nettoyage et rinçage à l’eau distillée précède chaque observation.

II.4.2. La microscopie électronique à transmission

La microscopie électronique en transmission (MET ou TEM en anglais pour Transmission Electron Microscopy) est une technique de microscopie où un faisceau d'électrons est transmis à travers un échantillon (à analyser) très mince. Les effets d'interaction entre les électrons et l'échantillon donnent naissance à une image. Il est aussi possible d'étudier la composition chimique de l'échantillon en étudiant le rayonnement X provoqué par le faisceau électronique, si le microscope est équipé d'un détecteur de ces rayons [52,54,55].

 d'un canon à électrons, qui fournit le faisceau électronique ;

 de lentilles magnétiques ;

 d'un système de détecteurs d'électrons. Ces éléments sont placés dans un vide poussé.

Figure.II.3: Schéma d'un microscope électronique à transmission [56].

1: Canon à électron. 2: Anode. 3: Système de condenseurs. 4: Diaphragme condenseur. 5: Objet mince. 6: Objectif. 7: Diaphragme objectif. 8: Plan image de l'objectif. 9: Lentilles de

Le microscope électronique en transmission a deux principaux modes de fonctionnement :  Mode image : le faisceau électronique interagit avec l'échantillon suivant l'épaisseur,

la densité ou la nature chimique de celui-ci, ce qui conduit à la formation d'une image contrastée dans le plan image. En plaçant le détecteur dans le plan image, on peut observer une image par transparence de la zone observée.

 Mode diffraction : lorsque le faisceau traverse un échantillon cristallographique, il donne lieu au phénomène de diffraction. Le faisceau est diffracté en plusieurs petits faisceaux, et ceux-ci se recombinent pour former l'image, grâce aux lentilles magnétiques.

Les observations au MET sont faites sur des couches qui ont été déposées sur des substrats en verre. Une attaque chimique dans un bain HF faiblement concentré permet de décoller la couche du substrat. L’avantage de cette méthode est d’avoir des films sans l’éventuelle couche d’oxyde SiO2 qui apparait à la surface du film. L’observation se fait toujours immédiatement après cette préparation.

II.4.3. Absorption dans l’infra-rouge

La spectroscopie infrarouge FTIR ( Fourrier Transform Infrared Spectroscopy en anglais) est une technique non destructive qui permet d’identifier les impuretés présentes dans un échantillon et, après calibration, de remonter à la concentration d’impuretés présentes dans l’échantillon. Un échantillon de référence (miroir 100 % réfléchissant) est nécessaire pour l’analyse des solides en mode réflexion [57].

Cette technique est basée sur l’existence de modes propres de vibration ou d’élongation de molécules dans l’infrarouge.

Dans notre cas, l’incorporation de l’hydrogène dans les films a-Si est nécessaire pour l’obtention d’un matériau de bonnes qualités électriques et optoélectroniques. Pour étudier l’effet de la puissance RF sur la concentration de l’hydrogène, nous avons utilisé cette méthode qui permet d’obtenir une évaluation quantitative et qualitative de l’hydrogène lié. Généralement, dans un spectre d’absorption, il y’a apparition des bandes d’absorption qui sont dues aux vibrations Si-Hn présentes dans le réseau sous l’excitation du rayonnement infra-rouge. Sur le tableau II.1, nous présentons les différents pics d’absorption I.R qui peuvent apparaitre lors de la caractérisation. Nous notons que cette mesure a été faite sur des

Figure III.4 : Schéma de principe d’un appareil de spectroscopie infrarouge [57].

échantillons élaborés sur des substrats en silicium spécialement pour cette caractérisation car le verre absorbe fortement les rayons infrarouges.

Les spectres de transmission de nos échantillons sont obtenus à l’aide d’un spectrophotomètre Perkin Elmer 175 à double faisceau ayant une gamme allant de 400 à 4000 cm^-1. Elles sont ensuite transformées en spectres d’absorption afin de les exploiter pour calculer le taux d’hydrogène.

La concentration d’hydrogène s’est calculée à partir de la surface du pic d’absorption à 640 cm^-1correspondant à tous les modes de vibration. Cette surface est proportionnelle au nombre d’oscillateurs N (groupe Si-Hn) selon la loi de Bear-Lambert [59]. Le taux d’hydrogène s’exprime alors par la relation suivante [60]:

CH=N/5.1022 (II.1)

II.4.4. Absorption dans le visible

L’absorption dans le visible peut être utilisée afin de déterminer l’épaisseur des films et leurs caractéristiques optiques telles que le seuil d'absorption optique, le coefficient d'absorption, la largueur de queue de bande de valence et l'indice de réfraction.

Dans notre cas, nous avons utilisé un spectrophotomètre enregistreur à double faisceau (Perkin Elmer Lambda 9), à travers lequel nous avons pu tracer des courbes représentant la variation de la transmittance, en fonction de la longueur d'onde dans le domaine de l'UV-visible. En exploitant ces courbes, nous avons pu déterminer les indices de réfraction des échantillons élaborés pour différentes puissances RF.

Dans le cas où la couche est épaisse et lisse, des réflexions multiples de la lumière se font entre la surface inférieure en contact avec le substrat et la surface libre de la couche, il en résulte dans le spectre de transmission des franges d’interférences avec des minima et des maxima en fonction de la longueur d’onde.

Soit λ1 et λ2 les longueurs d’ondes de deux transmissions maxima consécutifs TM1et TM2, Tm

la transmission minima qui se trouve entre les deux (Figure II.3).

Les indices de réfraction n1et n2de la couche pour les longueurs d’onde λ1et λ2sont tirés de la relation :

n1,2= [N1,2+ ((N1,2)2–S2)1/2]1/2 (II.2) S : indice de réfraction du substrat

et N1,2peut être calculé par la relation :

, = 2. . ,