Utilisation d'ions lithium pour l'analyse des surfaces et des couches minces

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Utilisation d’ions lithium pour l’analyse des surfaces et

des couches minces

J.-P. Thomas, A. Cachard, M. Fallavier, J. Tardy, S. Marsaud, J. Pivot

To cite this version:

UTILISATION D’IONS

LITHIUM

POUR L’ANALYSE DES SURFACES

ET

DES

COUCHES

MINCES

_(*)

J. P. THOMAS

_(**),

A. CACHARD

_(***),

M. FALLAVIER

_(**),

J. TARDY

_(***),

S. MARSAUD

_(**)

et J. PIVOT

_(***)

Université Claude-Bernard

_Lyon-I,

_43,

bd du

_{11-Novembre-1918,}

69621

Villeurbanne,

France

Résumé. 2014 Dans la tendance actuelle à

utiliser des ions _plus lourds que les particules 03B1 en rétrodiffusion _{élastique (domaine d’énergie} de l’ordre du MeV), l’emploi d’ions lithium apparaît

constituer une amélioration notable des

_{caractéristiques}

essentielles de la méthode. Ceci est

parti-culièrement vrai en ce _qui concerne la résolution en _profondeur, avec le maintien de la résolution des _{détecteurs, pour} ce _type d’ions. Nous _{présentons ici,} en même temps qu’une étude comparative des _{performances analytiques} des ions Li et d’autres particules, quelques applications en montrant l’intérêt dans l’étude des surfaces et des couches minces. Parmi les _applications les plus caractéris-tiques, citons, pour des échantillons épais, l’étude simultanée de la composition des couches

d’oxy-dation _anodique formées à la surface d’aluminium et du comportement de l’impureté majeure du bain de formation. Dans les études de couches minces, outre la détermination _précise de la

stoechio-métrie des couches _{diélectriques AlN, SiO, Al2O3,} des effets d’implantation pourront être étudiés, comme l’oxygène dans les couches SiO.

Abstract. 2014 In the actual trend to _use ions heavier than

03B1-particles in backscattering (MeV

energy range) lithium ions appear as to lead to a noticeable _improvement of the main characteris-tics of the method. This is _{especially pointed} out with the depth resolution _owing to the fact that detector resolution is maintained for this type of particle. We present here, together with a compa-rative _study of the _{analytical performances} of Li ions and other _particles, some _applications devoted

to surface and thin film studies. Among the most characteristic applications, for thick samples, anodic oxidation _layers of aluminium can be characterized _through the aluminium and the solution

main _impurity distributions. For thin film studies, precise stoichiometry determination can be achieved for the dielectric layers AlN, SiO, Al2O3 and implantation effects can be followed like

for oxygen in SiO.

1. Introduction. - Parmi les méthodes de

micro-analyse

appliquées

aux études de surface et de couches

minces,

la rétrodiffusion

_élastique

_apparaît

comme

très

_largement

_{utilisée, compte}

tenu de la relative

sim-plicité

de la mise en oeuvre et de

_{l’interprétation}

des

spectres obtenus.

_L’emploi

des _protons

_[1]

mais

sur-tout des

_particules

_alpha,

est très

_répandu,

comme en

témoigne

le nombre

_important

de travaux

_publiés

au

cours des

_cinq

dernières années

_[2].

Le recours à des

particules plus

lourdes _peut

_cependant

_apporter

une

amélioration notable aux

_{caractéristiques}

essentielles de la méthode :

_{sélectivité,}

sensibilité et résolution en

profondeur.

Les

_{ions 12C, 14N, 16O}

ont ainsi été utilisés par divers auteurs

_{[3], [4]}

mais ont fait

_apparaître

une restriction

importante

au niveau de la résolution

des détecteurs

_(barrière

de

_surface)

_{classiquement}

uti-lisés.

_L’emploi

d’ions lithium 6 ou 7 non seulement offre un bon

_compromis

en sensibilité entre

_particules

alpha

et ions

_plus

lourds,

mais

_permet

en outre un

_gain

de sélectivité

_appréciable

_{pour les} éléments de Z moyen. De

plus,

et c’est un des intérêts

majeurs

de ce

type

de

_particule,

l’excellente résolution maintenue dans le détecteur autorise des résolutions en

profon-deur

_parmi

les

_plus

_performantes

de la méthode. Ces différents

_aspects

sont illustrés ici dans l’étude de couches

_{d’oxydation anodique}

formées à la surface d’échantillons massifs d’aluminium et dans

_l’analyse

de couches minces

_{diélectriques d’oxyde}

et nitrure d’aluminium ainsi _que

_d’oxyde

de silicium.

_Avec,

dans certains cas, une confrontation des résultats obtenus à

partir

d’autres

méthodes,

une discussion est faite des limitations et des améliorations

_qu’on

_{peut apporter} à

une telle utilisation d’ions lourds

_légers.

2.

_{Caractéristiques}

de la rétrodiffusion

_élastique

d’ions lithium. - Les trois

caractéristiques

déjà

men-tionnées

_dépendent

évidemment de

_{l’énergie,}

mais aussi de la nature de l’ion incident. La sélectivité définie

comme

avec

ou

(* *) Institut de Physique Nucléaire.

(* * *) Département de _Physique des Matériaux.

66

(r

et i se référant à

_l’énergie

rétrodiffusée et

_incidente,

1 et 2 au _noyau incident et

_cible)

caractérise

_l’aptitude

pour un ion donné à assurer une meilleure ou moins

bonne

_{séparation énergétique}

pour deux masses

adja-centes.

On a ainsi

_représenté

sur la

_figure

1 la variation de ce

paramètre

en nous

restreignant,

hormis les ions 6Li et

’Li

aux

particules

a et aux ions

12C

_(pour

0 =

1600).

On observe

ainsi,

pour 18

M2

34,

FIG. 1. - Variation de la sélectivité

d(E’/E)/dM en fonction de la masse de l’élément analysé pour les particules a, 6Li, 7Li et

12C. Certains éléments intéressant plus particulièrement les

applications traitées sont _repérés.

qu’il

est _avantageux d’utiliser des ions lithium

₍₆

ou 7

suivant la

_masse).

Le carbone devient

_plus

sélectif _pour

M2

>

_34,

les

_particules

a _assurant, de loin la meilleure

sélectivité _{pour les} éléments

_{légers (M2}

_18).

Notons que c’est dans un domaine de masses

_{élevées, où,}

préci-sément la sélectivité est

_déjà

très diminuée

_quel

que soit le _type de

_particule

utilisé,

que les ions carbone

devien-nent

_plus

_{avantageux que les lithium.}

_Cependant

l’aptitude

à

_séparer

deux masses voisines

_apparaît

_déjà

comme limitée par la résolution du

détecteur,

suscep-tible d’évoluer avec

_l’énergie

nominale du faisceau. De ce

_point

de vue, on verra

_qu’à

_plusieurs

titres les

particules

alpha

conservent un

_grand

intérêt.

La sensibilité de la méthode liée au taux de

produc-tion d’informaproduc-tion

_(ou

vitesse de

_comptage

_pour un

type

d’ion

_déterminé)

_dépend

en

_premier

lieu de la

sec-tion efficace de rétrodiffusion. A cet

_égard,

dans les domaines

_d’énergie

accessibles aux

petits

accélérateurs

du _type Van de Graaff

_(de

0 à 5

_MeV)

la relation de Rutherford

apparaît

comme très bien vérifiée _pour les ions

lithium,

carbone et de masse

_plus

élevée. Il faut

_cependant

tenir

compte du fait que

l’augmentation

de ce

_paramètre,

quand l’énergie décroît,

est

_responsable

d’un

rende-ment très

_important

en cible

_épaisse

avec les

_risques

d’empilement

que cela

implique.

On limite ces derniers par

l’emploi

d’ions de

_plus

en

plus

lourds. C’est là un

des _avantages

_{prépondérants}

de leur utilisation

_[3].

On _peut aller dans certains cas

jusqu’à

l’élimination

complète

de la contribution de la matrice ou du

substrat

_(12C

avec _support

carbone,

_par

exemple).

Cet _aspect est alors très

_important

dans

_l’analyse

d’éléments à l’état de traces _{mais n’a pas}

particulière-ment été

_développé

au cours de ce travail. Une

électro-nique rapide (0,5

ps de constante de

_temps)

mais conventionnelle a été utilisée mais à des taux de

comptage

relativement

modérés,

pour

garder

l’avan-tage d’une bonne résolution. Cet _aspect demeure

parti-culièrement intéressant _pour l’étude de couches minces

déposées

sur des substrats très

_légers

comme le

carbone,

ou _{autoportantes.} Pour les détecteurs

(barrière

de

sur-face)

des résolutions de l’ordre de 15

keV,

pratique-ment

_{indépendantes}

de

_l’énergie

sont couramment

obtenues en

_particules

a. De telles

_performances

ne

peuvent

être _{obtenues pour les} ions

_plus

lourds. Plusieurs auteurs ont noté l’évolution de cette résolu-tion avec

_l’énergie

_{pour différents types} d’ions : Abel

et al.

_[3]

_pour

_12C,

Petterson et al.

_[4]

_pour

160,

Bergstrôm et

al.

[5]

pour

12C, 2oNe,

@ 40Ar et 84Kr.

Sans avoir

_{d’explication}

définitive,

ce

_phénomène

semble bien

_provenir

d’une collection

_incomplète

des

charges

dans le détecteur et

_paraît

_également

lié à la variation du

_pouvoir

d’arrêt du matériau détecteur. Cette évolution

_{systématique}

de la résolution avec

l’énergie

des ions détectés

_{s’accompagne}

d’une

dégrada-tion

irréversible,

fonction de la dose reçue par la

jonction, probablement

corrélée à la création de défauts dans le cristal détecteur.

_L’emploi

d’ions lithium

_apparaît

_{intéressant,}

de ce double

_point

de vue

puisque

pour la gamme

d’énergie

des

_particules

détec-tées

₍₂₅₀

keV-2,3

MeV)

cette résolution n’excède _pas 30 keV suivant la courbe

_{expérimentale}

_{représentée}

(Fig. 2).

Les

_points

_{expérimentaux}

ont été obtenus à

FIG. 2. - Evolution de la résolution du détecteur _en fonction

de l’énergie de l’ion lithium détecté.

partir

de couches minces comme SiO

_déposé

sur

car-bone vitreux

₍₆₀

_À)

_{(Fig. 3)}

et Au

_également

_déposé

réso-FIG. 3. -

Spectre de rétrodiffusion 7Li à _{1,9 MeV,} 6 = 160°

sur une cible SiO 60 A déposée sur un _support de carbone et

permettant une détermination de la résolution du détecteur.

lution sur faisceau

_[5],

bien que

plus

délicate, peut

conduire à de meilleurs

résultats,

compte tenu de la difficulté à réaliser des cibles suffisamment minces et des

risques

de diffusion dans le substrat. Ces

_performances

expérimentales,

prévisibles

d’après

les données de

Bergstrôm et

al.

_[5],

_{n’apparaissent}

d’autre _{part que peu} affectées par la dose reçue

puisque

la résolution

opti-male

₍₁₇

keV à 310

_keV)

est conservée

_{après plusieurs}

jours

de fonctionnement

_{ininterrompu.}

La résolution en

_profondeur

de la méthode se déduit

directement de la résolution

_{expérimentale}

à

_partir

du

paramètre

de rétrodiffusion

_{élastique [S] qui s’exprime}

par

à

_partir

des

_pouvoirs

d’arrêt aux

_énergies

incidente

_E;

et rétro diffusée

_Er.

On en déduit les valeurs des

courbes

_{a), b), c)}

de la

_figure

_{4 pour} les éléments

_0,

Al

et Au

_{représentatifs}

des

_applications

dont nous

_parlons

ici. On notera en

_particulier

que,

compte

tenu de la variation du

_pouvoir

d’arrêt en fonction de

_{l’énergie,}

les ions

6Li

conduisent aux meilleures

_{performances,}

la

résolution en

_profondeur

_pour les

_particules

a restant

meilleure que pour les ions carbone

jusqu’à

2,5

MeV. Un autre avantage des ions lithium réside dans leur

pouvoir

d’arrêt. Ce

_dernier,

dans le domaine

énergé-tique

accessible à nos

_machines,

_{passe par} un maximum

à

_{partir duquel}

il décroît

lentement,

pour la

plupart

des éléments

_{(particulièrement}

_{pour les}

_lourds).

_{On pourra}

donc,

comme l’illustre la

_figure

_4,

maintenir une

résolu-tion en

profondeur

optimale

et accroître la sélectivité

en travaillant à

l’énergie

la

plus

haute

possible.

3.

_{Applications.}

- 3. 1 DISPOSITIFS EXPÉRIMENTAUX. - Des

sources solides de lithium 7 ou 6

(enrichisse-FIG. 4. - Evolution de la résolution _en profondeur _en fonction

de l’énergie : a) Au dans Au ; b) Al dans _{Al 20 3 ; c)} 0 dans A1203. Les résolutions des détecteurs sont prises à 17 keV

pour les a, suivant la courbe de la figure 2 pour Li, d’après

[5]

pour 12C.

ment à 99

_{%) équipent}

l’accélérateur Van de Graaff de l’Institut de

_Physique

Nucléaire de

_Lyon,

permet-tant _pour ces ions une

énergie

maximale de 2 MeV.

L’extension du domaine

_d’énergie

sur le Van de Graff

4 MeV de l’I. P. N. est limitée _par les

_performances

de l’aimant

_d’analyse

à 900

_qui

ne

_permet

d’accéder

respec-tivement

_qu’à

2,4 MeV’Li

ou

_2,6

MeV

6Li.

Par contre cette machine dévie des

_particules

a

_{jusqu’à l’énergie}

maximale de 4 MeV. Les détecteurs utilisés _pour ces

études sont du _type barrière de

surface,

25

_mm2,

100 pm, 100 nA de courant de fuite à 60 V de

polarisa-tion et ont une résolution a de 14 keV

_(source

d’améri-cium). L’électronique

associée est conventionnelle

(Tennelec :

préampli

TC 163

_ampli

TC

_205),

la cons-tante de

_temps

étant fixée à

0,5

ps. Le traitement des

spectres

est

_{effectué, après analyse}

dans un

conver-tisseur

HP,

sur un calculateur HP 2116. Un tel

ensemble de détection a

_déjà

été décrit par ailleurs

_[7].

3.2 ETUDE DES COUCHES D’OXYDATION ANODIQUE

DE L’ALUMINIUM. - Dans la

technologie

de fabrica-tion des condensateurs

_{électrolytiques,}

la fabrication du

_{diélectrique}

_par une

_{technique d’oxydation}

ano-dique

dite de

_formation,

conduit à l’élaboration de couches barrière constituant l’anode du condensateur. La

_qualité

de ce dernier va

_dépendre

de cette couche barrière

_{classiquement}

obtenue à l’issue _{d’un processus}

en trois

étapes : A)

Formation sous

_{tension ;}

(incor-68

poration

d’ions

_{phosphore) ; C)}

Post-formation

(restructuration

de la

_couche).

_{Les bains utilisés pour} les stades A et C sont essentiellement

_phosphorique

et

carboxylique

pour des tensions inférieures à 300 V.

L’analyse

par rétrodiffusion

élastique

permet

d’obte-nir,

à chacune de ces

_étapes,

les informations

fonda-mentales que constituent

i)

la stoechiométrie et

l’épais-seur de la couche ou la variation de

_composition

de la

phase oxydée, ii)

la

_répartition

de

_{l’impureté majeure}

du bain de formation. La

_figure

5 illustre cette

possi-FIG. 5. -

Spectre de rétrodiffusion élastique à 160° d’ions 7Li sur une couche formée à 60 V en _carboxylique

_(A(b)).

On a différencié la contribution de l’oxygène de l’aluminium matrice

et de l’aluminium de l’oxyde. On a _{également superposé} le

spectre d’aluminium permettant le calcul des hauteurs de

plateaux.

bilité de détermination simultanée de ces

_paramètres

fondamentaux avec le _spectre de rétrodiffusion

élas-tique

à 160° d’ions 7 Li de

_1,9

MeV sur une couche

for-mée à 60 V en milieu

carboxylique. L’oxydation

de la

couche est traduite _{par la} marche sur le front de montée de l’aluminium et la

_{superposition}

sur le spectre carac

téristique

de la matrice d’aluminium du

_pavé

corres-pondant

à la rétrodiffusion sur

_{l’oxygène.}

De même une

contamination initiale en

_phosphore

est traduite _par un

pic

fin à

_plus

haute

_énergie.

La déconvolution

schéma-tique

représentée

sur la

_figure

5 illustre la

_possibilité

de

mesure de

l’épaisseur

de cette couche

_d’oxyde,

la meil-leure

_précision

étant évidemment obtenue à

_partir

du

pavé

d’aluminium dans

_A1203.

La

_{largeur énergétique}

du

_palier

conduit à la détermination de

_{l’épaisseur}

_par l’intermédiaire des relations

_{énergie-profondeur}

déduites des

_pouvoirs

d’arrêt de Li dans

_A1203

déter-minés à

_partir

de la loi

_pondérale

de

_Bragg

et des tables de Northcliffe et

_{Schilling [6].}

Pour des interfaces nettes, la

_{précision s’étage}

de 10 à 3

_%

_{pour des}

épaisseurs

comprises

entre 400 et 1 000

Á.

Au-delà de

ces

valeurs,

l’insuffisance de la

_largeur

du

_palier

et

l’effet de

_straggling

constituent une limitation. Dans un cas

_{exposé ci-après,}

l’interface

_métal-oxyde

est très

perturbée.

Les variations de densité du milieu n’auto-risent alors

_qu’à

donner un ordre de

grandeur.

La stoechiométrie de la couche _peut être déterminée

par

simple comparaison

de la hauteur des

paliers

ainsi que

l’indique également

la

figure

5. Pour une

stoechio-métrie

_A1203

le _rapport de ces hauteurs

_s’exprime

par :

à

_l’énergie

maximale de

rétrodiffusion,

DE correspon-dant au contenu d’un canal soit à une

_épaisseur

dx.

Avec

défini au

_chapitre

_précédent,

on aura

pour ’Li de

1,9

MeV et 0 = 160°.

Avec une

_précision

de l’ordre de 6

_%

l’écart à la stoechiométrie n’excède

_{jamais 3 %}

_pour une formation

du _type A.

L’influence du traitement B

_apparaît

alors sur les

figures

6 et 7

_{(spectres B)}

avec une réduction

_prévisible

de

_{l’épaisseur}

et un écart

_marqué

à la stoechiométrie

(sous-stoechiométrie

en

Al).

Une forte concentration en

_{phosphore apparaît}

dans

_chaque

cas

_{plus marquée}

et

_{plus superficielle}

_pour l’échantillon _ayant subi une

formation

_{phosphorique.}

Pour le traitement C

_(Fig.

6

et

_7,

_spectres

_C),

on note _pour le traitement

phospho-rique

une restauration de la couche en stoechiométrie et en

_épaisseur

_accompagnée

d’une diminution

_importante

de la concentration en

_phosphore

_par ailleurs

_plus

uniforme. Par _{contre, le} traitement

_carboxylique

dété-riore

_{complètement}

la couche : l’interface est détruite

et la zone

perturbée

est de l’ordre de 3 000

À.

Cette constatation _peut

_également

être faite à

_partir

de la

FIG. 6. - Spectres de rétrodiffusion élastique à l d0° d’ions 7Li

sur les échantillons correspondant aux traitements B(a) et C(a)

FIG. 7. -

Spectres de rétrodiffusion _élastique à 160° d’ions 7Li sur les échantillons _{correspondant} aux traitements _B(b) et _C(b)

en _{carboxylique.}

distribution de

_{l’oxygène.}

L’ensemble de ces résultats est

_consigné

dans le tableau I.

A

1,9

MeV

_l’emploi

des

ions 7 Li

ne _permet

_l’analyse

du

_phosphore

que sur une

_épaisseur

de l’ordre de 700

Á,

inférieure à celle de la couche

_d’oxyde,

mais

avec une résolution en

_profondeur

de 150

A.

Cette zone peut être étendue à 1 700

A

avec des

_particules

ce de

3,5

MeV au détriment de la résolution en

_profondeur

alors

_égale

à 350

A.

Cette

_{complémentarité}

_d’emploi

des deux _types de

_particules

est illustrée _{par la}

_figure

8 pour le traitement C en

_{carboxylique.}

Ces résultats ont été confrontés à ceux d’autres

méthodes

_{physiques d’analyse}

dont

_l’emploi

de la

réaction 2’Al(p,

y).

La résonance très fine

_(F

100

_eV)

de cette réaction à 992 keV a

_déjà

été utilisée _par Amsel

FIG. 8. -

Comparaison des _{spectres obtenus} sur les échantillons

aux stades B(039403940394) et _C(111) du traitement carboxylique

en rétrodiffusion élastique de _particules a de _3,5 MeV (,x) et

d’ions lithium de _1,9 MeV (Li). On peut voir les variations

identiques de la répartition en oxygène 1, en aluminium 2 et

en _phosphore 3.

et al.

_[8]

_pour déterminer la stoechiométrie de couches

d’oxydation anodique

d’aluminium. Avec une

largeur

expérimentale

de 1 keV pour cette

résonance,

la résolu-tion en

_profondeur

est de 135

A

en surface mais se

70

détériore

_rapidement

avec le

straggling.

De la même

façon

la stoechiométrie se déduit du _rapport des

hau-teurs de

_plateaux

du rendement de la réaction

quand

on

analyse

par

déplacement

de la résonance

_(variation

de

l’énergie nominale),

l’aluminium de la couche

_oxydée,

puis

l’aluminium de la matrice. De même, la zone

éner-gétique

pour

laquelle

le rendement de la réaction est

constant _{pour Al dans}

_AI,03

_permet de mesurer

l’épaisseur

de la couche.

_Cependant,

avec

l’épaisseur

de la

couche,

l’intervention du

_straggling

et

_{l’apparition}

de nouvelles résonances à

_plus

haute

_énergie

font décroître la

_précision.

L’accord tant _{pour la}

stoechio-métrie que pour

l’épaisseur

demeure

_cependant

excel-lent _pour les couches à interface

définie,

comme le

montre le tableau I. Il faut noter que la mise en oeuvre

de cette dernière méthode nécessite un _temps environ

dix fois

_supérieur

à la

_{précédente.}

Enfin deux méthodes

spécifiques

pour l’alumine

permettent

également

d’accéder aux

_{épaisseurs : l’ellipsométrie}

qui

_{suppose la}

couche

_homogène

et d’indice de réfraction connu et les

mesures de

_capacité

en contre-électrode

liquide

ou

solide. On constate

_{(Tableau I)}

_que ces résultats sont

pour la

plupart

cohérents avec ceux obtenus par

rétro-diffusion

_élastique

et réaction

_{27 AI(p,}

_y)

encore que

systématiquement

supérieurs (ellipsométrie)

ou infé-rieurs

_{(capacités).}

Le

_plus

marquant reste

_cependant

le désaccord sur

_{l’épaisseur}

déterminée par mesure capa-citive en contre-électrode

liquide,

_{pour la} couche _ayant

subi le traitement C en

carboxylique qui

manifeste par

ailleurs un _comportement

_électrique

satisfaisant

_[9].

Il est incontestable _{que dans} ce cas

_typique,

la

rétro-diffusion

_élastique

seule lève cette incertitude sur les mesures

_électriques

et

_complète

les

résultats,

sujets

à

caution,

de

_{l’ellipsométrie.}

3.3 ETUDE DE COUCHES MINCES. - On retrouve

pour l’étude des couches minces les mêmes avantages à utiliser la rétrodiffusion

_élastique

des ions lithium. La meilleure résolution en

_profondeur

_permet la mesure

d’épaisseurs

de couches très minces

₍

500

_À)

soit _par

l’élargissement

du

_pic

_{caractéristique}

d’un des éléments du

_composé

soit _par le recul du front du substrat sur

lequel

est

_déposée

la couche. La

_précision

de cette

détermination est meilleure que dans le cas

_précédent

(couches

épaisses), puisqu’obtenue

à

_partir

d’un

_pavé

massif et non d’une marche. La

_principale

indétermina-tion

réside,

là encore, dans la connaissance des pou-voirs d’arrêt des

_particules

_pour des milieux

_plus

ou

moins

_complexes.

La loi de

_Bragg

demande en

parti-culier dans le cas de certains

_composés,

à être vérifiée

expérimentalement.

Ceci est d’autant

_plus

_{vrai pour les}

oxydes

ou nitrures

_présentés

ici avec l’utilisation d’un

pouvoir

d’arrêt déterminé _pour un élément à l’état gazeux

[10]. L’épaisseur

maximale

analysable dépend

évidemment des constituants de la

couche,

mais on a vu

qu’en

se

_plaçant

à la

_plus

haute

_énergie

_possible,

on

étendait ce domaine tout en

_gardant

la résolution en

profondeur optimale.

Ces considérations sont illustrées par la

figure

9 où sont donnés les _spectres obtenus à

FiG. 9. -

Spectre caractéristique de la rétrodiffusion d’ions 7Li à E = 1,9 MeV, 0 = 160°. En points noirs : couche de _A1203

2 000 A autoportante. En triangles : couche _évaporée de 1200 A,

sur _support de carbone.

1,9

MeV 7 Li sur des couches de 1 200 et 2 000

Á

de

A1203 respectivement

autoportante et

_déposée

sur un

support

de carbone. Pour les couches

_SiO,

_Si02

et

A1203,

cette

_épaisseur

est de l’ordre de 3 500 à 4 000

Á

si l’on étudie la contribution de l’aluminium ou du

sili-cium,

mais _peut être

_plus

faible dans le cas où diverses

impuretés

majeures

sont

_présentes.

Par

_exemple

_{pour le} nitrure _{d’aluminium obtenu par}

_{pulvérisation}

catho-dique

diode en milieu _argon

[11 ] la séparation

alumi-nium-argon

nécessite 2 300

Á

au

_plus

et la

_séparation

azote-oxygène

1 250

À.

Le

_{plus important}

dans cette

_analyse

de couches minces reste

_cependant

la mesure de stoechiométrie

avec une

_{grande précision.}

Etant donné la validité de la relation de Rutherford à moins de 1

_%,

cette détermi-nation à

_partir

de

_{l’intégrale}

des

_pics

des éléments de la couche aura une

_précision

essentiellement

dépen-dante de la

_statistique

du _comptage. On a _{ainsi pu}

confirmer les résultats obtenus en

_{(d, p)}

sur SiO

_(écart

à la stoechiométrie

_théorique

2

_%)

et sur

_A1203

(

3

_{%) [12], [13]}

mais en se

dispensant

d’étalons,

ce

qui

constitue

_{l’avantage prépondérant}

de la méthode. Pour les mesures absolues du nombre

d’atomes/cm2

on _peut

_toujours

se ramener à un étalon

_simple

d’épais-seur

_{massique parfaitement}

déterminée _par toute autre

méthode et utiliser là aussi la relation de Rutherford. La détermination de

_profils

de

_répartition

d’un élément du

_composé

ou d’une

_impureté

de ces couches minces est

_également

affinée par

l’emploi

d’ions

_lithium,

et

particulièrement

pour les éléments

légers,

comme on l’a vu au niveau de la résolution en

profondeur.

On _peut

ainsi accéder à

_{l’interprétation}

de certaines croissances de couches comme dans

_l’exemple

de la

_figure

_10,

avec un

_spectre

de rétrodiffusion d’ions

6Li

de

_1,9

MeV obtenu sur une cible de nitrure d’aluminium

_{[11 ].}

Cette dernière a été obtenue par

pulvérisation

réactive

diode,

sans

_{pré-pulvérisation}

de la cathode avant

_dépôt,

et sur un substrat refroidi _par une circulation d’eau. La contamination de la cathode est

_responsable

d’un

_dépôt

d’alumine en début de

_{pulvérisation,}

le nitrure étant

synthétisé

dès _que la cathode est _propre.

_{L’importante}

FIG. 10. -

Spectre de rétrodiffusion élastique 6Li sur une couche en nitrure _{d’aluminium,} montrant l’évolution de la

couche d’oxyde pendant la _{pulvérisation.}

l’excès d’aluminium obtenu lors des

_dépôts

sur un

substrat refroidi.

Le dernier volet de cette revue

_{d’applications}

de la rétrodiffusion

_élastique

d’ions lithium concerne la

détermination de la

_{profondeur d’implantation}

d’ions dans les couches

minces,

et

_{plus particulièrement}

ici d’ions

160+

_d’énergie

_comprise

entre 10 et 40

_keV,

dans 3 000

Á

de

_monoxyde

de silicium SiO

_[14].

La

figure

11 montre les _spectres

_{représentatifs}

de la zone non

implantée

et

_{implantée (40}

keV

16O+

dose de 6

_Jlgjcm2).

On _peut noter _{pour la} zone

_implantée

que

l’excès

_{d’oxygène correspond}

à un défaut de silicium.

FIG. 11. - Spectre de rétrodiffusion élastique d’ions 7Li sur une couche de SiO 300 A non _{implantée (AAA)} et implantée

en 160+ 40 keV (...). Les spectres superposés ne _{sont pas}

normalisés pour permettre une meilleure différenciation. En

encadré, on a donné la répartition de l’oxygène implanté par

soustraction des pics correspondant à l’oxygène.

La modification de la

_composition

du film inhérente à

l’implantation

traduit

_{l’élargissement}

des

_pics

repré-sentés par ailleurs _pour deux

_{intégrations}

du courant Li total

_légèrement

différentes.

_Après

normalisation des

spectres et soustraction de la contribution en

_oxygène,

on donne

_(cf.

encadré de la

_Fig.11)

la courbe de

répar-tition en

_profondeur

des ions

_oxygène

_implantés.

La surface

_intégrée

est

_{proportionnelle}

à la dose

_implantée

et la

_profondeur

de

_{pénétration}

_peut être mesurée. Un écart maximal de 20

_%

_pour des ions de 10 keV à 40 keV avec la théorie de Lindhart pour des

_composés

à deux _corps

_apparaît

satisfaisant étant donné que ni la

modification continue de stoechiométrie ni l’auto-diffusion

_possible

des ions dans la couche ne sont

_pris

en _compte.

_{L’intégration}

des

_pics

de silicium des couches

_implantée

et non

implantée

permet par ailleurs de vérifier

_{qu’il n’y}

a _{pas de}

_sputtering

aux

_énergies

d’implantation

utilisées. Enfin la stoechiométrie de la

zone

_implantée

a _{pu être mesurée} comme

_No/Ns;

_=1,31

à 40 keV pour une valeur

_théorique

de

_1,30.

4. Conclusion. -

L’emploi

d’ions lithium en rétro-diffusion

_élastique

semble constituer un

_apport

intéres-sant à une

technique

actuellement très

_développée

_pour

l’analyse

des couches minces et des surfaces.

_Compte

tenu des limitations inhérentes aux ions de

_plus

en

plus

lourds au niveau de la résolution des

_détecteurs,

ces

ions lourds

_légers

semblent actuellement réaliser le meilleur

_compromis

entre

sélectivité, sensibilité,

réso-lution en

_profondeur

et

_profondeur

_d’analyse.

Comme pour la

majorité

des ions

lourds,

une étude

expérimen-tale

_plus

fine reste nécessaire _pour déterminer avec une

meilleure

_précision

les

_pouvoirs

d’arrêt et _parcours,

surtout dans les milieux

_complexes.

A

_{l’exception}

des

mesures de stoechiométrie

_globale,

la

_qualité

de toutes

les informations en

_dépend.

De

_même,

l’évolution de la

résolution des détecteurs à barrière de surface avec

l’énergie

de l’ion détecté doit être établie avec une

_plus

grande précision.

Ces deux études font

_l’objet

de tra-vaux en cours. Il est toutefois intéressant de

_souligner

à

nouveau _{que pour} ces ions

lithium,

le domaine

d’éner-gie

de l’ordre du

MeV,

c’est-à-dire

_parmi

les

_plus

accessibles aux

_petits

_{accélérateurs,}

conduit au meilleur

compromis

sur l’ensemble des

performances

attendues.

De ce

point

de vue, l’extension du domaine

d’énergie

de

l’accélérateur Van de Graaff de l’I. P. N.

_Lyon

de

2,6

MeV actuellement

_(limitation

au niveau de l’aimant

à

₉₀₀₎

à 4 MeV constituerait un

_gain

_{appréciable.}

Sans

préjuger

des

_{performances optimales}

des détecteurs

actuels,

il

_{apparaîtrait}

_également

intéressant

d’entre-prendre

une

investigation

des ions de masse

_voisine,

comme 9Be et surtout lOB

ou 11 B.

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