Chapitre II Techniques locales d’analyse pour la caractérisation de fils semi-
II.3 Méthodes microscopiques complémentaires
II.3.2 Spectrométrie de masse d’ions secondaires
La spectrométrie de masse d’ions secondaires est une technique d’analyse servant à la caractérisation de surface mais aussi de volume d’un matériau. Le Tof-SIMS repose sur la la séparation et le comptage d'ions de masses différentes par la mesure de leur temps de vol dans une colonne vers un détecteur. Cette technique permet l’acquisition en parallèle de tous les ions (jusqu’à des masses ~ 10 000 u.m.a) avec une résolution en profondeur permettant l’analyse de monocouches atomiques, et sur des échantillons de natures diverses (métal, semi-conducteur, isolant, organique) [197] [198]
Principes : SIMS et ToF-SIMS
II.3.2.1
En ToF-SIMS, un faisceau pulsé (inférieur à une nanoseconde) d’ions primaires provoque l’expulsion d’ions secondaires de la surface du matériau à la suite de la collision des ions primaires avec la surface. Par l’application d’un potentiel V entre la surface de l’échantillon et du système de détection les ions sont accélérés à une même énergie cinétique Ec.
M Š + @ 12 Rš9 (II-32)
où z est la charge électrique de l’ion, m sa masse, v sa vitesse et E0l’énergie initiale de l’ion juste
après l’ionisation et avant l’accélération. Les ions possèdent alors la même énergie cinétique pour des masses différentes (E0 étant négligeable devant V), ils possèdent donc des vitesses différentes.
L’expression du temps de vol tv permet de remonter à la masse de l’ion :
Ž› œ•2Š R+ @ (II-33)
Où s est la longueur du tube de vol. Par conséquent, un ion de rapport m/z élevé aura un temps de vol plus long. La résolution de masse du spectromètre correspond donc à une résolution temporelle entre l’arrivée de deux ions successifs.
La discrimination des ions suivant leur masse se fait dans l’analyseur à temps de vol. Le ToF- SIMS utilisé ici repose sur un analyseur à temps de vol équipé d’un réflectron. Les ions pénètrent dans le tube de vol et poursuivent leur trajectoire jusqu’à atteindre le réflectron. Les ions sont alors soumis à un champ électrique les repoussant dans la direction opposée. Les ions possédant un fort rapport m/z parcourent un trajet plus important et ce plus lentement (cf. Figure II-36 b.), ils sortent alors de ce tube de vol en retard par rapport aux ions plus légers.
Ces ions possédant des temps de vol différents frappent alors un détecteur avec des temps d’arrivée caractéristiques de leur masse. Ce détecteur est une MCP similaire au PEEM , les ions engendrent des électrons secondaires, puis génèrent des photons détectés par un photodétecteur. Ce bombardement est effectué par balayage, chaque pixel de la cartographie correspond à un bombardement d’ions primaires, la résolution spatiale est alors déterminée par la taille du faisceau. La Figure II-36 représente les différents éléments d’un spectromètre à temps de vol. Deux modes d’utilisation sont possibles. Le mode statique où le canon d’analyse est employé à faible courant (picoampère), la surface est analysée en retirant moins de 1% de la monocouche atomique de surface. Cela permet de déterminer l’état de la surface sans l’altérer (post traitement par exemple). Le mode dynamique quant à lui utilise un plus fort courant (nanoampère), cela provoque l’érosion rapide de l’échantillon (une à plusieurs couches monoatomiques par cycle).Ce mode permet d’analyser en profondeur la distribution des éléments. L’utilisation continue de la source
empêche cependant l’utilisation de ce mode en ToF-SIMS et provoque des effets dynamiques[199] .
En ToF-SIMS l’analyse en profondeur s’effectue par l’utilisation de deux canons (dual beam), le canon d’analyse et le canon d’abrasion. Une analyse est effectuée avec le canon d’analyse, puis une abrasion est réalisée avec le second canon, après un temps de repos, une seconde analyse est effectuée. En répétant ce cycle, il est possible d’analyser le matériau sur plusieurs micromètres de profondeur avec une résolution de 0,5 nm[200].
Figure II-36 : Schéma de principe du ToF.SIMS5. Une source d’ions primaires vient frapper l’échantillon entrainant l’émission
d’ions secondaires accélérés par l’extracteur. En fonction de leurs masses ils parcourent alors un trajet plus ou moins important et rapidement dans le tube de vol.
Information d’intérêt pour l’étude des fils dopés
II.3.2.2
Nous l’avons vu au chapitre précédent, la spectroscopie ToF-SIMS est peu adaptée à l’analyse d’objet possédant des facteurs de formes élevés. En utilisant des protocoles de préparation précis il est cependant possible d’obtenir des informations avec une résolution latérale suffisante à l’étude de microfils. Les résolutions spatiales du ToF-SIMS, latérale et en profondeur permettent d’obtenir des images en trois dimensions de la distribution des dopants. Bien que la spectroscopie par émissions d’ions secondaires ne permette pas de discriminer les dopants actifs des dopants neutres, cette technique apporte toutefois des informations essentielles sur la distribution radiale et axiale des éléments.
Instrument utilisé
II.3.2.3
La spectroscopie de masse d’ions secondaires a été effectuée grâce à un spectromètre IonTof TOF.SIMS5. Cet appareil se compose d’un sas d’entrée permettant de conserver un vide poussé
dans la chambre d’analyse où se trouvent les sources, le tube à temps de vol et le détecteur. Le support échantillon permet de mettre une dizaine d’échantillon d’environ 1 cm² à la fois.
Cet appareil est donc composé de trois canons à ions primaires, d’une colonne d’ions primaires focalisant et accélérant les ions sur l’échantillon, de l’échantillon et de la lentille extractrice pour les ions secondaires, de l’analyseur à temps de vol séparant les ions en fonction de leur rapport m/z et enfin du détecteur ionique.
Lors de l’analyse des échantillons de GaN la source d’abrasion utilisée est la source césium pour des considérations d’efficacité, permettant d’analyser le gallium et le silicium mais nous privant d’informations sur l’azote.
Figure II-37 : Tableau d’efficacité d’ionisation. La colonne IV peut être observée en utilisant les deux sources d’abrasion.
II.4 Conclusion :
Les différentes techniques d’analyse développées ici possèdent chacune leurs limitations et leurs points forts. Elles sont employées au cours de ce manuscrit dans le but de répondre à la problématique que nous nous sommes posée sur le dopage de structures filaires semi- conductrices dopés. L’XPEEM, la SCM et le KFM nous fournissent trois types d’informations s’inscrivant dans le cadre de cette étude.
L’XPEEM permet de déterminer le travail de sortie absolu de la structure et de mettre cela en relation avec les états chimiques des différents éléments en surface des fils étudiés. Les résolutions de l’XPEEM sont adaptées pour l’étude de telles structures avec une sensibilité de l’ordre de 20 meV, et une résolution énergétique descendant jusqu’à 200 meV en synchrotron. La résolution latérale est suffisante (~100 nm) que ce soit dans le cas des fils nano et micrométriques pour déterminer des contrastes axiaux et, nous le verrons, radiaux
La SCM permet d’obtenir rapidement le type de dopage présent par la mesure de la variation de capacité et ce avec une resolution spatiale encore meilleure. Le mode contact nous le verrons est un mode problématique dans le cas de ces structures.
Le KFM quant à lui permet de produire des données relatives au travail de sortie avec une résolution spatiale de quelques dizaines de nanomètre mais ce, au détriment du caractère absolu de la mesure. Le KFM fournissant une information de différence de potentiel, les valeurs mesurées le sont par rapport aux caractéristiques de la pointe. Néanmoins la résolution électrique (~10 meV) dépasse celle de l’XPEEM permettant d’obtenir des mesures d’autant plus précises. Enfin les techniques complémentaires (Auger et ToF-SIMS) possèdent un rôle de soutien nous apportant des indications utiles dans la détermination de la distribution du silicium élémentaire mais n’apportent pas d’information sur l’activation des dopants.