Chapitre 1 : Nucléation-croissance de films minces et contraintes associées : description et
1.2 Outils de diagnostic in-situ et en temps réel permettant de sonder les mécanismes
1.2.2 Mise en exergue d’outils de caractérisation in-situ des premiers stades de
L’utilisation d’un rayonnement dans le domaine des X durs (diffraction, absorption, diffusion) a comme principal avantage d’être faiblement absorbé par la matière et donc d’être utilisable quel que soit l’environnement de travail utilisé (ultravide, plasma, atmosphère contrôlée, gradient de température), contrairement aux techniques comme le LEED ou le RHEED, qui, pour une étude in-situ et en temps réel ne peuvent être utilisés qu’en environnement ultravide. Notons que très récemment, la possibilité d’utiliser ces dernières dans un environnement de pulvérisation semble se développer grâce à l’utilisation de systèmes de pompages différentiels très perfectionnés.
a) Possibilités de caractérisations à l’échelle nanométrique à l’aide d’une
source de rayons X synchrotron
Disposant d’un faisceau Synchrotron, toute une série d’études peuvent être menées par diffraction, absorption ou diffusion des rayons X, à l’échelle nanométrique. Celles-ci sont résumées sur la figure 1.2.5, les configurations et détecteurs nécessaires à chacune des techniques sont représentés figure 1.2.6. Nous voyons sur la figure 1.2.5 que la diffraction des rayons X aux grands angles (à gauche) permet, dans des conditions 24
idéales, d’obtenir des informations sur la structure cristallographique de surface et la composition chimique en surface ou dans les premières couches enterrées, de déterminer des relations d’épitaxies et même les déformations induites dans le film et dans le substrat et donc d’en déduire la génération de dislocations. La diffusion aux petits angles (à droite) permet de déduire entre autres l’état de surface du substrat ainsi que la morphologie des nanoparticules ou la microstructure du film ultramince.
a) b)
Figure 1.2.5 : Vue d’ensemble des principales techniques d’études : a) Structurales ; b) Morphologiques, des surfaces, interfaces et nanostructures effectuées à l’aide d’un rayonnement X (G. Renaud).
Chacune des techniques mentionnées figure 1.2.5 requiert des systèmes d’acquisition différents pour caractériser chaque type d’interaction entre les rayons X et la matière tels que décrits figure 1.2.6. Là où les techniques d’absorption X nécessitent un détecteur résolu en énergie, les techniques de diffraction nécessitent des détecteurs de type photomultiplicateurs. De manière à pouvoir faire une acquisition en temps réel, le détecteur doit être à 2D, ce qui évite tout balayage de la plage angulaire1 et ainsi toute perte de
statistique. Lors d’une étude de diffraction de surface, le faisceau incident monochromatique est rasant, de manière à limiter la pénétration des rayons X dans la matière.
Figure 1.2.6 : Représentation schématique d’expériences destinées à l’étude structurale de surfaces, d’interfaces ou de nanostructures à l’aide d’un rayonnement X (G. Renaud).
En plus des travaux Renaud et al., nous pouvons citer les travaux de de Lazzari et al. ou ceux de l’équipe de C. Detavernier [Dendooven, 2014] à Ghent qui étudie la fluorescence X et la diffusion centrale des
1 Le balayage de la plage angulaire est inévitable aux grands angles pour « trouver » l’échantillon, sauf si le substrat est
amorphe, ce qui est majoritairement notre cas d’étude.
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rayons X en incidence rasante sur Synchrotron, in-situ et en cours de croissance, pour des dépôts par couches atomiques.
b) Suivi en temps réel de la croissance par microscopie à effet tunnel
La mesure de la taille des grains ainsi que la rugosité de la surface peuvent s’obtenir par des mesures en microscopie champ proche ex-situ. Malheureusement, la contamination des échantillons par mise à l’air complique l’observation des premiers stades de croissance pour lesquels une mesure in-situ en cours de croissance serait plus adéquate. En ce sens, nous souhaitons mettre en avant l’intérêt d’un microscope à effet tunnel (STM) couplé à un bâti de dépôt. L’intérêt d’un STM multi pointes est décrit en annexe C.Les premières avancées permises par des mesures STM in-situ et en temps réel sur les phénomènes dynamiques liés à la croissance l’ont été lors de dépôts par électrodéposition ou au cours d’une oxydation de surface [Uosaki, 1989 ; Allongue, 2004 ; Radisic, 2006 ; Imai, 2009] et parallèlement lors de dépôts par épitaxie en régime de flux moléculaire [Orr, 1991 ; Voigtländer, 1993 ; Goldfarb, 1997]. Les résultats apportés par ces études sont tout d’abord techniques, mais concernent aussi la croissance Stranski-Krastanov du Ge/Si(001) dont certains mécanismes mis en avant lors d’une croissance en épitaxie restent valables pour notre étude. Enfin, plus récemment, Rost et al. ont mis en avant le rôle des joints de grains lors des premiers stades de croissance [Rost, 2003 ; Rost, 2013], et ont été pionniers dans l’imagerie champ proche en temps réel de processus dynamiques de croissance (cf. Fig. 1.2.7) [Rost, 2007].
Leurs récents travaux portent sur l’élaboration d’un STM permettant de filmer en continu la croissance de films en cours de dépôt à des fréquences d’acquisition (i.e. des vitesses de dépôt) plus élevées
[Rost, 2005 ; Schitter, 2008 ; Rost, 2009] ce qui est pressenti pour être une nouvelle révolution en microscopie.
Enfin citons leurs récentes avancées sur la microscope à force hétérodyne qui, en quantifiant le mélange en amplitude et en phase de signaux modulés (système de modulation-démodulation ou modem…), permet d’obtenir des informations sous la surface du film [Verbiest, 2013], de quoi laisser espérer être prochainement capable d’imager en direct la croissance de la matière.
Figure 1.2.7 : Images de topographie de surface obtenues par STM et extraites d’un film pris en continu lors de la croissance d’or à 293 K.
Enfin, une partie des avancées sur la compréhension des mécanismes de contraintes à l’échelle atomistique que nous présenterons dans la partie suivante a été rendue possible par le couplage d’un STM, connecté sous ultravide à un bâti de dépôt doté d’une mesure de contrainte in-situ. C’est le cas des travaux de Sander et al. [Sander, 1996 ; Sander, 1998] portant sur la compréhension des contraintes d’épitaxie et leur interaction avec la contrainte de surface ou encore pour les travaux de Koch et al. [Koch, 2001 ; Koch, 2005] sur les boîtes quantiques SiGe, de croissance Stranski-Krastanov, et sur la génération des contraintes à la nucléation et à la coalescence.