Préparation des échantillons

L’observation par MET nécessite l’utilisation d’échantillons avec une épaisseur très fine (quelques dizaines de nanomètres) pour permettre le passage des électrons à travers l’échantillon. Pour atteindre une telle épaisseur plusieurs procédés d’amincissement existent : par voie chimique / électrolytique, ionique ou mécanique ; la technique de réplique ; les techniques spécifiques aux matériaux divisés ou techniques d’augmentation du contraste et de marquage [Aya07].

Pour la réalisation des lames de Ti1-xAlxN les techniques de préparation choisies ont

été :

MET :

• méthode tripode (amincissement mécanique) pour les couches fines

(~ 300 – 500 nm) déposées sur Si ;

• découpe par faisceau d’ions focalisés (FIB) à l’intérieur de

l’empreinte d’indentation pour les couches épaisses (~ 2000 nm) déposées sur acier ;

MEBT :

• rayure de la surface de l’échantillon pour le film épais de TiN

déposé sur Si ;

• amincissement ionique pour le film épais de Ti0,14Al0,86N déposé sur

Si.

Les lames des échantillons Ti1-xAlxN préparées par la méthode tripode, par rayure de

la surface ou par amincissement ionique ont été élaborées à l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg. Les lames découpées par FIB à l’intérieur de l’empreinte d’indentation ont été réalisées au Centre Pluridisciplinaire de Microscopie électronique et de Microanalyse (CP2M), Université d’Aix-Marseille.

Dans ce manuscrit un accent plus particulier est mis sur la présentation de la méthode tripode, des détails sur la méthode FIB étant donnés dans l’Annexe IV. Pour les analyses par MEBT, nous avons essayé en premier lieu l’amincissement par la méthode tripode. Mais cette technique a posé plusieurs problèmes lors de l’amincissement final. Nos collaborateurs de

Strasbourg nous ont proposé les deux autres techniques qui seront présentées succinctement plus loin.

II.5.4.1 Amincissement par la méthode tripode

Le but de cette méthode est d’amincir l’échantillon sous forme d’une lame en biseau. L’extrémité biseautée devient alors transparente aux électrons. L’amincissement se réalise par un polissage mécanique doux sur une surface légèrement inclinée.

Le porte-échantillon utilisé pour ce type de polissage mécanique (figure. II.32) porte le nom de tripode à cause des trois vis micrométriques avec lesquelles il est possible de régler l’inclinaison de l’échantillon.

Fig. II.32 : Tripode (a) vue latérale ; (b) vue en dessus [Aya07].

Pour obtenir une vue transverse de la couche, il est nécessaire dans un premier temps de réaliser un sandwich à partir de l’échantillon à étudier (figure II.33 (a)). L’échantillon est

coupé en morceaux de 3x0,5 mm² qui l’on colle face à face pour former le sandwich.

Ultérieurement le sandwich est morcelé en tranches de 300 µm (figure II.33 (a)). Ensuite, les tranches sont polies en deux étapes : un polissage plan d’une des facettes suivi d’un polissage légèrement incliné de l’autre facette pour l’obtention d’un biseau (figure II.33 (b)). Pour le polissage, l’échantillon est collé sur le support en verre de la tripode avec de la colle cyanoacrylate de manière à pouvoir récupérer la lame par immersion dans un bain d’acétone.

Fig. II.33 : Schémas : (a) du sandwich de l’échantillon ; (b) de l’extrémité biseautée préparée par polissage.

Avant de coller l’échantillon, on doit vérifier la planéité réalisée entre les trois vis micrométriques et le verre. Le polissage se fait avec des disques abrasifs en polymère

incrustés de grains de diamant de granulométrie décroissante de 15 µm à 1 µm. Le polissage

final est réalisé sur un disque en feutre imprégné d’une solution de silice colloïdale. Pour le polissage sur les disques en polymère une faible vitesse de rotation est utilisée.

La facette plane de l’échantillon est polie jusqu’à une épaisseur de 250 − 300 µm, l’épaisseur de l’échantillon est contrôlée à l’aide d’un microscope optique. La même procédure de polissage est utilisée pour l’obtention de la facette inclinée, l’inclinaison étant donnée à l’aide des vis micrométriques. Le polissage est effectué jusqu’à l’apparition de la première frange de Fresnel, indiquant le fait que le bord biseauté est transparent aux électrons. La dernière étape dans le processus de préparation des lames consiste à coller une rondelle en cuivre sur l’échantillon aminci, l’échantillon étant introduit dans le microscope à l’aide de cette rondelle.

Par comparaison avec l’amincissement ionique, le polissage mécanique permet l’obtention d’une lame sans amorphisation avec une très grande surface observable, par contre la lame est très fragile et peut vibrer sous le faisceau d’électrons, inconvénient majeur de cette technique [Aya07].

II.5.4.2 Amincissement par faisceau d’ions focalisés (FIB)

L’amincissement par FIB a été utilisé pour obtenir des coupes verticales au milieu d’une empreinte d’indentation. Cette technique permet à la lame de garder l’intégrité structurale, chimique et morphologique de l’échantillon et son épaisseur inférieure à 100 nm la rend observable par MET. L’obtention de la lame se fait par abrasion du matériau par le balayage d’un faisceau d’ions en creusant deux tranchées parallèles de part et d’autre de la zone à étudier. Au préalable, il est nécessaire de déposer une couche de 1 µm de platine à la surface de la zone d’intérêt pour la protéger de l’attaque ionique.

Les lames ont été découpées avec un microscope Philips FIB 200 TEM, doté d'un

canon à ions Ga+ et d’un injecteur de Pt. La tension d’accélération des ions a été maintenue

constante pendant tout le processus à 30 kV. Au début du processus d’amincissement le courant est de 7000 pA et le diamètre du faisceau d’ions est de 1 µm. Le courant de finition d’amincissement est de 50 pA (pour éliminer les artefacts : rugosité de la surface, implantation d’ions, etc.) et le diamètre du faisceau d’ions est compris entre 10 et 100 nm. Ces conditions assurent une épaisseur constante de la lame sur une profondeur de 2 µm à partir de la surface libre.

II.5.4.3 Amincissement par rayure de la surface de l’échantillon

Pour l’analyse MEBT, l'échantillon est obtenu par la rayure de la surface de la couche avec une pointe fine en diamant. La technique consiste à déposer une goutte d'eau distillée sur la surface du film dans la région d'intérêt, puis de faire une rayure à l’intérieur de la goutte parallèle à la direction [100] de Si. Une grille de carbone pour MET à haute résolution (HRTEM) est glissée sous la goutte d'eau où des petits fragments de film sont confinés. Après le séchage de l’eau, la grille est prête à être utilisée. Seul TiN a été étudié par cette méthode et la préparation de l’échantillon a été effectuée par le Dr. J. Werckmann selon la procédure décrite plus en détails dans la référence Teo09.

II.5.4.4 Amincissement par bombardement ionique

(généralement Ar+) accélérés et dirigés au centre de l’échantillon [Aya07]. Les inconvénients de cette technique sont la redéposition de la matière, l’attaque sélective, l’implantation d’ions

d’Ar+. On peut limiter ces inconvénients par l’utilisation d’une faible tension d’accélération.

L’échantillon a été préparé par Dr. J. Werckmann.

Le bombardement ionique a été effectué avec un système Precision Ion Polishing System GATAN. L’amincissement a été réalisé à une tension de 4 kV, une dernière étape de nettoyage a été effectuée à 0,5 kV pour éliminer la couche amorphe déposée pendant le processus antérieur d’amincissement.