Simulations du prototype REPA avec le logiciel SPIS

Les simulations de la configuration électrostatique du prototype en fonctionnement, réalisées avec le logiciel SPIS ont eu pour objectif de valider numériquement le principe de la méthode REPA. Les paramètres d’irradiation utilisés étaient représentatifs de ceux définis lors de l’étalonnage du prototype REPA. L’énergie et le flux incidents qui ont été utilisés étaient donc respectivement égaux à 20 keV et 1 nA.cm-2. De plus, l’échantillon qui a été défini lors de ces simulations était un métal (aluminium) polarisé à -500 V. La Figure 65 met en évidence les différences de configuration électrostatique et notamment des densités de charges des électrons secondaires (SE) au sein du prototype en fonctionnement, en fonction de la tension appliquée aux grilles. L’échelle colorée représente uniquement la densité de charges des électrons secondaires qui ont été générés par l’impact des électrons primaires provenant du canon, sur les différentes surfaces. Par conséquent, les électrons rétrodiffusés et les électrons secondaires générés par tous les électrons autres que les électrons primaires, n’ont pas été représentés dans ces simulations. Deux étapes de l’étalonnage ont été reproduites dans ces cas de simulations du prototype en fonctionnement. L’évolution de la densité de charges des électrons secondaires a donc été modélisée lorsque les grilles sont polarisées à -400 V puis à -600 V, soit respectivement, avec des tensions inférieure (en valeur absolue) et supérieure au potentiel de surface de l’échantillon étalon (-500 V). Pour des raisons de clarté,

Enceinte

Canon à électrons Echantillon

les schémas de la Figure 65 ont été représentés et orientés de la même façon que le schéma détaillé du dispositif REPA (Figure 60). Les deux grilles polarisées du dispositif ont été représentées par les doubles lignes en pointillés blancs (). Le collecteur est schématisé par la ligne noire () qui apparaît juste derrière la barrière électronique. Le porte-substrat () a été représenté par le rectangle noir. L’échantillon () a été positionné au centre du grand coté du porte-substrat.

Figure 65 – Représentations SPIS (vue de coté) de la densité de charge des électrons secondaires générés à partir des électrons primaires, dans le cas du prototype REPA, pour un potentiel de surface appliqué à un échantillon métallique égal à -500 V et une polarisation des grilles égale à (a) -400 V et (b) -600 V -  les grilles polarisées,  le collecteur,  le support échantillon à la masse,  l’échantillon [GUERCH et al. 2015]

Le diamètre du trou central du collecteur a été normalisé (environ égal à 11,3 mm) afin d’obtenir une surface ouverte approximativement égale à 1 cm². Lors de l’étalonnage et des simulations, le faisceau d’électrons a été défocalisé de telle sorte à ce que son diamètre soit supérieur à celui du trou central du dispositif. Dans les modélisations représentées en Figure 65, le faisceau a donc un diamètre environ égal à 12 mm. Il est aligné dans le même axe que le trou central de l’instrument REPA, ce qui permet d’irradier l’échantillon avec un faisceau homogène et reproductible de 1 cm². Toutefois, le contour du faisceau est intercepté par la face arrière du collecteur du prototype. Par conséquent, les électrons secondaires générés au bord du trou du dispositif sous l’impact des électrons primaires, sont collectés par la face arrière du détecteur. Le collecteur a été polarisé à +18 V dans le but de favoriser la collection des électrons secondaires notamment ceux émis de l’échantillon et du collecteur. Des simulations ont démontré que cette polarisation augmente le signal du courant d’émission mesuré. V_s= -500 V  U_g= -400 V V_s= -500 V U_g= -600 V    a b

La simulation du prototype REPA lorsque Ug < Vs (Figure 65 - a), a mis en évidence que les électrons secondaires émis à la surface de la plaque métallique ont des trajectoires curvilignes à cause du champ électrique induit par la tension de polarisation des grilles égale à -400 V. En effet, le champ électrique orienté vers l’échantillon est faible et les électrons secondaires émis du matériau sont très faiblement accélérés par celui-ci. De plus, la barrière électronique n’a pas un potentiel uniforme, particulièrement au niveau du trou central. Le potentiel est plus faible (en valeur absolue), notamment à cause du collecteur polarisé positivement qui est positionné juste derrière les grilles. De ce fait, les lignes de potentiels sont parallèles à proximité de l’échantillon puis deviennent de plus en plus convexes, comme le représente la Figure 66. Les lignes de champ ne sont donc pas orientées perpendiculairement aux grilles (dans la zone du trou central), mais légèrement vers l’extérieur par rapport à l’axe médian du dispositif. Par conséquent, les électrons émis puis faiblement accélérés sont davantage attirés dans la zone du trou central. En résumé, dans ce cas, la barrière électronique est comparable à une lentille électrostatique convergente.

Figure 66 – Représentation SPIS de 10 lignes (V = 20 V) de potentiel volumique (isolevels) entre -300 V et -500 V au sein du prototype en fonctionnement lorsque V_s = -500 V et U_g = -400 V

Cela a pour conséquence de diminuer la section efficace de collection des électrons secondaires à la surface du collecteur. Le signal du courant d’émission mesuré par le

Isolevels (V = 20 V) Volume Potentials -500 V -400 V -300 V 10 mm 4 mm 5 mm 14 mm  Grilles ^{ Collecteur} Support 

collecteur est donc relativement faible. De plus, le rapport signal/bruit est élevé car le collecteur est irradié sur sa face arrière par de nombreux électrons secondaires et rétrodiffusés qui proviennent de la chambre d’irradiation. En effet, ces « électrons parasites » qui augmentent l’incertitude de mesure, sont induits par les électrons émis de la face arrière du collecteur suite à l’impact du faisceau d’électrons primaires.

Lorsque les grilles sont polarisées à -600 V (Figure 65 - b), le potentiel de surface de l’échantillon est inférieur (en valeur absolue) et une partie des électrons secondaires émis du matériau est donc repoussée sur le porte-échantillon à la masse, aux bords du matériau. Par conséquent, ce prototype remplit bien sa fonction primaire qui est de mesurer une diminution du courant lorsque Vs est inférieur à Ug. Cette diminution du courant d’émission est proportionnelle à la densité d’électrons secondaires (provenant du matériau) qui ne sont pas collectés. Toutefois, dans le cas du prototype, cette diminution du courant d’émission qui est mesurée par le collecteur, est relativement faible. En effet, une certaine quantité d’électrons secondaires n’est pas repoussée par les grilles mais est focalisée au centre du dispositif avant d’être collectée au bord du trou du collecteur. De ce fait, le seuil de la diminution de courant qui apparait lorsque Ug  Vs, est plus faible que si tous les électrons secondaires étaient repoussés.

Certains éléments de conception tels que la distance entre l’échantillon et la barrière électronique, l’écart des deux grilles polarisées et le collecteur doivent alors être optimisés afin d’augmenter la surface de collection des électrons secondaires et de limiter le courant parasite qui réduit le SNR.