Présentation

La différence du STEM avec le TEM ou Conventionnal Transmission

Electron Microscopy (CTEM) est que le faisceau est concentré en une fine

pointe qui est balayée sur l’échantillon. La Figure 2.4 montre les deux

fonctionnements. L’avantage principal est une résolution beaucoup plus

élevée. Cependant, cela peut créer des artefacts sur les images lorsque le

microscope est mal réglé et donc nécessite une plus grande expertise de

la part de l’opérateur. Ensuite le mode Imaging est à mettre en opposition

avec le mode Diffraction. Le mode Imaging vise à imager l’échantillon

dans sa globalité pour récupérer une carte des matériaux (les modalités

influeront sur les informations misent en évidence). Le mode Diffraction

se concentre sur une région précise de l’échantillon choisie par l’utilisateur

afin d’observer les motifs cristallins de la zone (Figure2.5). De plus, pour

le Imaging STEM il existe plusieurs modalités qui mettent en évidence des

propriétés différentes de l’échantillon. L’intérêt principal de ces modalités

est qu’il est possible de les acquérir simultanément sur un échantillon dès

lors que le microscope est équipé des bons capteurs (Figure 2.6). Dans

notre cas, nous nous intéresserons au champ clair (Bright Field (BF)), au

champ sombre (Dark Field (DF)) et au champ sombre annulaire aux grands

angles (High Angle Annular Dark Field (HAADF)).

Figure 2.4 – Schéma des différences entre CTEM et STEM. Les images

proviennent de [15].

Tout d’abord, le champ clair est l’un des plus courants parmi les images

de notre base de données et principalement utilisé par les ingénieurs

pro-cédé. Cette modalité récolte les électrons qui passent directement à travers

l’échantillon. Parmi les modalités, celle-ci est la plus lumineuse. Elle a

l’avantage de produire des images qui contiennent beaucoup

d’informa-tions. En effet, on obtient une information de matériau car plus le numéro

atomique est haut et moins les électrons peuvent passer à travers

l’échan-tillon en ligne droite car ils sont plus facilement diffractés donc ces

ré-gions de matériaux sont plus sombres. Ensuite, on a aussi une information

2.2 Modalités TEM

Figure 2.5 – Schéma des modes TEM. Les images proviennent de [16]

sur l’épaisseur de l’échantillon. Plus l’échantillon est épais, plus l’image

est sombre. Cependant, pour ce point, les opérateurs pour l’industrie du

semi-conducteur cherchent à préparer des échantillons qui ont une

épais-seur homogène. Cette information est donc propice à créer des artefacts

si l’échantillon n’est pas préparé correctement. Enfin, on obtient aussi de

faibles informations sur l’orientation des zones cristallines. Comme ces

in-formations proviennent de l’absence des électrons diffractés, le signal de

cette information est plus faible que celle des matériaux ou de l’épaisseur.

Le champ sombre est la modalité la moins utilisée de notre base. Le

champ sombre est découpé en plusieurs sections (Figure2.6) selon les

mi-croscopes pour obtenir les différentes orientations cristallines. Cette

mo-dalité met en jeu les phénomènes de diffraction de Bragg afin d’avoir une

(a) Schéma d’un TEM. L’image provient de [17]. (b) Schéma d’une

disposition de capteurs

TEM

Figure 2.6 – Illustration de l’acquisition des modalités TEM et des

cap-teurs.

image plus ou moins lumineuse selon l’orientation de la maille

cristal-line locale de l’échantillon. Elle permet donc de voir si localement cette

orientation varie ou si l’échantillon est amorphe. Dans le monde du

semi-conducteur cette information est assez peu utilisée car les impacts de ces

orientations sur les propriétés physiques des matériaux ne sont pas très

bien connus. Cependant, elle peut être utile pour les étapes de dépôts de

couche mince car dans ce cas, une mauvaise orientation ou une

disconti-nuité d’orientation du matériau sur lequel est effectué le dépôt peut créer

de la rugosité sur le dépôt et donc dégrader les performances de la puce. Ce

genre de défaut se traduit par différents niveaux de gris dans un matériau

homogène.

Enfin, la modalité HAADF est la plus utilisée par les métrologues car

elle est considérée comme la plus fiable et précise pour effectuer des

me-2.2 Modalités TEM

sures sur les matériaux. Cette dernière récupère les électrons diffractés aux

grands angles qui permet d’obtenir un effet appelé Z-contrast. Cet effet

est expliqué par la diffraction de Rutherford. Les électrons transmis par

un matériau avec un grand numéro atomique verront leur trajectoire plus

fortement diffractée que dans un matériau avec un petit numéro atomique.

Ainsi les zones à forte diffraction pourront être captées par le HAADF et

apparaîtront comme claires et les autres seront foncées. Il existe une

va-riante de cette modalité, le champ sombre annulaire (Annular Dark Field

(ADF)) qui met en jeu les mêmes effets mais à des angles plus petits et

donc qui concerne une gamme de numéros atomiques plus bas. Dans notre

cas, comme nous imageons principalement du silicium et des métaux, la

modalité HAADF est plus indiquée. Dans les deux modalités, le rendu est

similaire si ce n’est que les matériaux seront mis en évidence diff

érem-ment.

Enfin afin d’illustrer ces propos, deux exemples de différences entre les

modalités sont disponibles dans les Figures 2.7 et 2.8. La première

fi-gure présente des images d’un alliage de titane et de nickel et montre le

fait que uniquement certaines orientations cristallines sont visibles dans le

champs sombre. La deuxième illustre un échantillon de biofilm encapsulé

dans de la résine. On y observe la meilleure résolution du Scanning TEM

(champs clair et champs sombre) en comparaison du TEM par une image

de meilleure qualité. De plus, on constate que le champs sombre

annu-laire ressemble au négatif du champs clair, les informations de cristaux en

moins. Dans ce cas, le matériau étant amorphe, il n’y a pas d’information

de cristaux vraiment visible.

Figure 2.7 – Exemples de différences entre BF et DF. Les images

pro-viennent de [18].

Figure 2.8 – Exemple de différence entre BF, ADF et CTEM. BF est en

haut à gauche, ADF en bas à gauche et CTEM à droite. Les

images proviennent de [19].

Dans le document segmentation appliquée à la métrologie de matériaux dans des images de microscopie électronique (Page 30-35)