Quelques outils de caractérisations de surfaces utilisés

Plusieurs méthodes de caractérisation de surfaces ont été utilisées pour obtenir des informations sur le greffage et la qualité des monocouches auto-assemblées. Certaines méthodes viennent caractériser les SAMs macroscopiquement afin de déterminer l’énergie de surface ou bien de calculer l’épaisseur de ces couches. D’autres caractérisations, se font à une échelle microscopique et qui donne accès à des informations sur la topologie de la couche semiconductrice déposée au- dessus des SAMs, ainsi que la rugosité et la forme des fibres de polymère des films étudiés.

II.2.4.1 Principe d’ellipsométrie

L’ellipsométrie est une méthode de caractérisation optique, non destructive et sans contact, qui se base sur la mesure du changement de polarisation de la lumière lors d’une réflexion en incidence optique sur une surface plane [12]. Il s’agit d’un faisceau de lumière monochromatique ou quasi-monochromatique, qui vient se réfléchir sur la surface de l’échantillon, la polarisation elliptique de cette lumière réfléchie est par la suite analysée (figureII.8).

(a) (b)

Figure II. 8 Schéma de principe de l’ellipsométrie, b) forme elliptique du faisceau réfléchi

Cette forme elliptique est caractérisée par deux paramètres :

 L’ellipticité, donnée par le rapport du grand axe et du petit axe, avec tan() liée à ce

rapport.

 L’angle de rotation Ф0 entre le grand axe et l’axe de polarisation P, avec Δ qui est lié à cet

angle de rotation.

Le paramètre tan()représente le rapport des modules des coefficients de réflexion et

p s

r r





réflexion pour la composante de l’onde parallèle au plan d’incidence (

r

𝐸𝑝𝑟

𝐸𝑝𝑖) et pour la

composante de l’onde perpendiculaire (

r

𝐸𝑠𝑟 𝐸𝑠𝑖) s’écrit :   i e rs rp tan( ) (II.2) p p i s s r r e r r  





Une mesure de ce rapport, effectuée à un angle d’incidence et à une longueur d’onde donnée, permettra le calcul de deux paramètres de l’échantillon : l’indice n et l’épaisseur e d’une couche connaissant son coefficient d’extinction k. C’est le type d’exploitation d’un ellipsomètre à une seule longueur d’onde.

II.2.4.2

Mesure de l’angle de contact

La mouillabilité caractérise la facilité avec laquelle une goutte de liquide s’étale sur une surface solide. C’est un paramètre fondamental dans un grand nombre de domaines comme les textiles, les peintures et les traitements de surface des composants électroniques. La mouillabilité dépend principalement de trois paramètres : la tension interfaciale solide-liquide, solide-vapeur et liquide-vapeur, représentées respectivement par







Figure II. 9 a) Représentation du principe de mesure de l’angle de contact lors du mouillage d’un substrat Si/SiO2.

C’est une méthode non destructive et reproductible caractérisée par l’angle de contact () du liquide sur une surface solide qui dépend principalement de l’état de la surface étudiée, de la rugosité ainsi que l’hétérogénéité des constituants chimiques qui la composent.

En utilisant l’eau comme liquide pour la mesure d’angle de contact, deux cas vont se présenter : soit on a un caractère hydrophobe (θ grand, faible énergie de surface) ou un caractère hydrophile (θ petit, grande énergie de surface) [13]. L’ensemble des mesures d’angles de contact ont été réalisées avec un appareil de type Digidrop (GBX Instrument). La figure II.9.b montre

une mesure typique de l’angle de contact d’une surface de diélectrique traitée avec des molécules auto-assemblées d’OTS, la surface montre un caractère hydrophobe après traitement.

II.2.4.3

Profilomètre

Le profilomètreest un instrument utilisé pour mesurer le relief d’une surface, il permet de déterminer la variation relative de la hauteur à l’aide d’une pointe (stylet) à force d’appui constante. Cette dernière, en contact avec la surface de l’échantillon, se déplace tout au long d’une distance selon son axe. La mesure de l’épaisseur des dépôts par cette méthode nécessite la réalisation d’une marche sur l’échantillon après la phase de dépôt. Cette marche est réalisée au moyen d’un cache qui permet de protéger une partie du substrat ou bien à l’aide d’un détourage.

Figure II. 10 Profilomètre permettant de mesurer l’épaisseur de la couche déposée

L’enregistrement du mouvement mécanique de la pointe donne la différence au niveau de la marche par conséquent l’épaisseur de la couche active. L’ensemble des données et des résultats peuvent être enregistrés dans des fichiers pour traitement ou visualisation.

II.2.4.4 Microscopie à champ proche (Atome Force Microscopy « AFM »)

Le principe de la microscopie à champ proche repose sur l’interaction d’une pointe métallique avec une surface à une distance de quelques nanomètres [14]. Cette interaction se manifeste par un passage d’un courant par effet tunnel entre la pointe et la surface étudiée. La microscopie à champ proche permet de caractériser la surface d’un matériau et de nous renseigner sur sa rugosité. La résolution obtenue avec ce type de microscopie est de l’ordre du nanomètre.

a. Principe de fonctionnement

La figure II.11 représente le schéma de principe de la microscopie à champ proche :

Figure II. 11 Schéma de principe de la microscopie à champ proche

L’AFM est constituée d’une pointe en silicium sous forme pyramidale avec un rayon de courbure de 10 nm en tête, supportée par un cantilever et un système de déplacement piézo- électrique permettant le déplacement de l’échantillon ou de la pointe dans les trois directions. Les forces d’interaction entre la pointe et la surface étudiée provoquent une déflexion du cantilever dans la direction z et ces variations sont donc enregistrées en fonction de x et y. Ces déflexions sont détectées par une photodiode à quatre cadrans, qui reçoit un faisceau laser focalisé vers la face arrière du cantilever et se réfléchit sur un miroir [2]. Chaque réflexion correspond à une tension proportionnelle à la surface éclairée, il suffit donc de suivre le mouvement du faisceau laser associé à chaque déflexion pour constituer l’image topographique de la surface donnée par une échelle de couleur.

Appartenant à la catégorie des procédés à champ proche, l’AFM exploite les effets des champs à courte portée, qui sont de nature attractive ou répulsive. Les effets attractifs sont généralement attribués à des formes de potentiels de type Van der Waals (V(r)~_𝑟61) qui se manifestent à une distance supérieure à 1nm. Pour une distance pointe-matériau inférieure à 1nm la répulsion entre les noyaux des atomes de la pointe et les noyaux des atomes du matériau étudié

constitue la contribution dominante avec un potentiel d’interaction proportionnel aussi à 1

𝑟6[15]

(figure II.12).

Figure II. 12 Représentation des différentes forces rencontrées par la pointe [15].

b. Modes de fonctionnement

 Mode non-contact

Ce mode correspond à un fonctionnement dans la région des plus grandes distances où les interactions de Van der Waals dominent. En revanche, ces forces sont tellement faibles qu’il est souvent difficile de contrôler ce mode.

 Mode contact

Dans ce mode, la pointe appuie sur l’échantillon à analyser. Une force répulsive entre la surface et la pointe se crée à cause des forces de répulsion des électrons de l’échantillon et ceux de la pointe. Dans ce cas, l’interaction faible entre l’échantillon et la pointe est maintenue constante en changeant la hauteur de l’échantillon dans l’appareil. La variation de la hauteur donne la hauteur de la surface à l’endroit étudié et par conséquent la topographie de la surface.

 Mode tapping ‘‘ intermittent ’’

La pointe est mise en oscillation à une fréquence donnée d’une centaine de kiloHertz (kHz) et à une amplitude fixe. Ce mode n’induit pratiquement pas de forces de frottement, ce qui permet d’éviter l’usure ainsi que la déformation des échantillons qu’on peut rencontrer en mode contact. Dans ce cas, l’échantillon exerce une force d’attraction (type Van der Waals) de courte portée sur le cantilever et la pointe. Lorsque la pointe pénètre dans la zone des forces répulsives, l’amplitude

de sa vibration change considérablement et la fréquence de résonance est déplacée. La rétroaction sur le quartz, qui asservit le déplacement de l’échantillon en maintenant le maximale d’amplitudes des vibrations, donne alors une image de la surface. Il existe deux méthodes pour constituer l’image de la surface, soit en mettant en œuvre ces interactions via la mesure de la capacité entre la pointe et la surface, soit en s’intéressant à la déviation du faisceau par l’extrémité de poutre qui porte la pointe. Cette dernière, est la méthode la plus simple, car elle dépend moins de la nature de l’échantillon contrairement à la méthode capacitive. Le mode Tapping est utilisé dans l’ensemble des caractérisations de surface de nos échantillons.