ANALYSE DES SURFACES SOLIDES PAR S.I.M.S. UTILISANT UN FAISCEAU PRIMAIRE DE PARTICULES NEUTRALISÉES

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Submitted on 1 Jan 1984

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ANALYSE DES SURFACES SOLIDES PAR S.I.M.S.

UTILISANT UN FAISCEAU PRIMAIRE DE PARTICULES NEUTRALISÉES

G. Borchardt, Sébastien J. Weber, H. Scherrer, S. Scherrer

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G. Borchardt, Sébastien J. Weber, H. Scherrer, S. Scherrer. ANALYSE DES SURFACES SOLIDES

PAR S.I.M.S. UTILISANT UN FAISCEAU PRIMAIRE DE PARTICULES NEUTRALISÉES. Jour-

nal de Physique Colloques, 1984, 45 (C2), pp.C2-801-C2-804. �10.1051/jphyscol:19842184�. �jpa-

00223859�

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C2, suppl6ment a u n02, Tome 45, f&vrier 1984 page C2-801

ANALYSE D E S SURFACES S O L I D E S PAR S , I , M , S , U T I L I S A N T UN F A I S C E A U P R I M A I R E D E P A R T I C U L E S NEUTRALISEES

G . Borchardt, S . Weber, H . Scherrer e t S . Scherrer

Laboratoire de Physique du SoZide ( L . A . 155), E. N.S.M.I. M., Parc de Saurupt, 54042 Naney Cedex, F ~ a n e e

Resume liskes daires

-

^L^a kthode S. I. M. S. u t i l i s a n t des particules prirriaires neutra- (NPB-SIMS) appliquke awc isolants p e m t d'analyser l e s ions secon- positifs ou n6gatifs sans m d i f i e r l a distribution des Blkmnts m- biles dans l e solide. Les conditions d respecter concernant l e s champs Clec- triques induits e t l e s m b i l i t k s des klkments sont discutkes pour des mtk- riaux t e l s que l e s oxydes e t verres silicatgs.

A b s t r a c t

-

Norrrally the analysis of insulators by the S. I. M. S. mthod i s disturbed by charge effects. The use of neutral prirrary particles (NPB- SMS) appreciably reduces these effects and mkes possible the analysis of both positive and negative secondary ions without changing the distribution of m b i l e species i n the solid t o be analysed i f certain conditions are res- pected. These conditions concerning internal fields and particle m b i l i t i e s are discussed. Typical results are given.

L'analyse des isolants par S. I. M. S. e s t perturbke par des "effets de charges".

Les variations du potentiel Blectrostatique de l a surface bordxwdke conduisent

a

des fluctuations des si&naux secondaires e t induisent l a migration d f 6 1 h t s m - biles dans l e solide. De nombreux efforts ont kt6 f a i t s dans diffkrents laboratoi- r e s pour r6duire cet e f f e t de charge [l, 2 , 3 , 41.

Pour nos travawc sur l a diffusion dans l e s s i l i c a t e s e t 116tude des &actions chimi- ques 2 l a surface des verres, nous avions besoin d'une kthode S. I. M. S. assurant des conditions d'extraction stables avec w, e f f e t de charge stationnaire t r k s fai- ble, une &solution locale suffisante e t , s i possible, des vitesses de pulvkris?;, tion convenables ( 2 0,l nm/s )

.

Nous avons dkveloppk 2 partkc d 'une technique de 1 a citke [51 une kthode d'analyse u t i l i s a n t des particules p r i m i r e s n e u t d i s k e s

(NPB-SIMS) [6, 7 , 81.

L'appareillage CAMECA SMI 300 adapt6 p e m t d'obtenir des rksultats exp6rkntaux reproductibles e t c e t t e kthode e s t devenue un pmckdk de routine au cows de nos ktudes sur l e s v e m s [9, 10 111

.

Nous rappelons s u c c i n c t m t i c i l e principe de l a &thode NPB-SIMS en discutant l e s conditions d'application pour l'analyse des oxydes e t v e m s silicatgs.

I.

-

PRINCIPE DE LA METHODE NPB-SIMS

Quand un isolant e s t bombard& p a r un faisceau de m i c u l e s chargkes (ions) l e ^COU- rant rgsiduel 1, en &g& p e m e n t e s t l a s o m de plusieurs contributions prove- nant du courant ionique p r i m i r e Ig e t des diffkrentes 6missions ioniques e t klec- tmniques secondaires [8]. I1 en resulte un potentiel r6siduel sur l a surface born bardke : Au ( m ) = Ir .&ff.

P d l e s diffkrents myens pour minimiser Au ^{( a ) ,}il e s t possible d ' u t i l i s e r un faisceau p r i m i r e de bombardmt constituk par des particules neutraliskes.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19842184

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C2-802 JOURNAL DE PHYSIQUE

Ce faisceau peut Stre obtenu principalement par kchange de charge en phase gazeuse ou par neutralisation sur des surfaces solides surtout dtalliques. Avec le micro- analyseur CAMECA SMI 300, c'est le premier &canis= qui s'est avk& le plus ef- ficace et le dispositif utilisk a kt6 publig par ailleurs [ 7 ] . Notons sirrrplant qu'il est nkcessaire de placer sur la surface de l'kchantillon un msque gtallique m i d'un trou pour pemttre le bornbardement 2 partir du faisceau primire neutra- lisk et compl&tenent dkfocalisk. A partir des cratires obtenus par bombardemat d'une plaquette de silicium avec des particules PY" et ArO, le rendant de neutralisation est estimk 2 25 % environ.

La borne srabilitk dans le temps, l'unifomnitk de la densitk du faisceau neutralis6 permettent d'obtenir une &solution en profondew suffisante pour des vitesses de pdvkrisation de l'ordre de 0,3 nrnlsec.

11.

-

APPLICATION DE LA NETHODE ET DISCUSSION

I1

-

¹

-

Analyse d'ions secondaires positifs

Lors de l'analyse des ions secondaires positifs une contribution importante au courant rksiduel Ir est due aux klectrons gmis par l'klectrode d'extraction sous l'im- pact des ions secondaires et attids par l'kchantillon. Dans le cas des verres sili- cat&, il en &sulte l'apparition sur la surface d'un potentiel additionnel Au (-)

compris entre

-

^{25 et}

-

45 volts pour une tension d'extraction de + 4,5 kV.

L'influence de ce potentiel Asiduel sur la distribution en 6nergie des ions secondaires kmis peut S t w compenske par une tension amiliaire superposke 2 la tension d'extraction ou par filtmge C51.

L'influence sur la distribution locale des Qlkxents mbiles dans le solide 2 analyser peut Stre est%e 2 partir d'une comparaison klk~ntaire en* le f l m de parti- cules pulvkrisges et le flux de diffusion d'ions mnovalents du au champ glectrique induit [8]. Ceci conduit 3 la condition suivante valable 3 la temperature ambiante :

E champ klectrique (V/cm) perpendiculaire 2 la surface D; coefficient de diffusion en v o l m de l'klkmt i (cm2/s)

.

Avec des valeurs expkrhntales de D 2 340 K pour le sodium et l'hydroghe dans des verres type Na20

-

Ca 0

-

^Si⁰²^(Di²^10-l6

. .

^-10-l4cm2/s) la condition pdcgdente p&voit une migration possible si E .t lo4 V/cm. Ceci n'est s m n e n t pas le cas avec les valeurs de Au ( m ) mntiornkes pAc6derronent.

I1

-

²

-

Analyse des ions secondaires nggatifs

Si l'on considi-re l'extraction d'ions secondaires nkgatifs, c'est l'kmission Qlec- tronique 2 partir de la cible qui apporte m e contribution importante au courant

A-

siduel. Par ailleurs la surface bonibardge chargge positivement par rapport au prte- Qchantillon et au msque peut capter une certaine fraction des Qlectrons secondaires (surtout ceux kmis 2 partir du msque). h s ces conditions, le courmt Asiduel peut s'kcrire r 8 1 :

yeff coefficient d'kmission klectmnique T 2 partir de la surface bombardke coefficient d

'

kmission klectronique du msque

fH nonibre positif dkpendant de la ggo&trie du systim de collection et des conditions d'extraction.

1Jne cornensation de charge ngcessite que Yeff T = yH fH

.

Dans le cas de nos conditions expkrimntales, m e valewe limite infgrieure est est%e 2 yH fH = 0,25, Pour les oxydes ou v e m s silicat6s,

Yzff

est voisin de 2, on doit donc s'attendre 2 un effet de charge important. Pour pallier cette difficult6 on peut 6va-r une fine

(4)

couche d t a l l i q u e (Au, Al, 2 50 run) sur la surface de l'hchantillon en plus du msque. Dans ces conditions l e potentiel d s i d u e l resurk e s t kgal 2 Au (a)=+ 30 V.

Notons que la condition (1) du paragraphe prkckdent e s t toujours v d a b l e e t que la migration d ' k l k m t s m b i l e s dans l e solide e s t peu probable.

Signalons qu'en thgorie l ' u t i l i s a t i o n d'ions p r i m i r e s n6gatifs e s t plus favorable [ I ] mis l a mise en oeuvre du prockd6 ne p e m t pas des v i t e s s e s de pulvkrisation a u s s i grandes que la &thode NPB-SIMS.

I1

-

3

-

^Exemple^:^corrosion^d'unverre biologique dans une solution organique Des kchantillons de verre s i l i c a t k contenant du phosphore ( S i 02 : C a 0 : YazO : P2

o5

= 45 : 24, 5 : 20, 5 : 10 % en poids fournis par Saint-Gobain) ont kte m e r - g6s dans une solution de glycine (H2N - CH2

-

C02 H) plus HC1 (pH = 7,4 = c t e ) , mintenue 2 40° C pendant des temps a l l a n t jusqu'a plusieurs heures. La surface rkaztive e s t une cassure fraiche de 2 cm2 environ. La figure 1 indique quelques f a i t s typiques de c e t t e rkaction.

Fig. 1

-

Verre biologique : p r o f i l s d'intensitk des klkrents aprss cormsion pendant (a) 0,5 h ; (b) 1,5 h

On y observe la f o r m t i o n d'une couche de verre hydratg e t l e dkvelopperrent avec l e temps de couches s u p e r f i c i e l l e s plus riches en phosphore e t calcium. Des d k t a i l s ex- p k r i m t a u x e t l l i n t e r p & t a t i o n des d s u l t a t s seront donnks p a r a i l l e u r s [12 I

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