ANALYSE D'ÉCHANTILLONS STRATIFIÉS À LA MICROSONDE ÉLECTRONIQUE

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Submitted on 1 Jan 1984

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ANALYSE D’ÉCHANTILLONS STRATIFIÉS À LA MICROSONDE ÉLECTRONIQUE

J. Pouchou, F. Pichoir

To cite this version:

J. Pouchou, F. Pichoir. ANALYSE D’ÉCHANTILLONS STRATIFIÉS À LA MI- CROSONDE ÉLECTRONIQUE. Journal de Physique Colloques, 1984, 45 (C2), pp.C2-47-C2-50.

�10.1051/jphyscol:1984212�. �jpa-00223788�

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JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C2, supplCment au n02, Tome 45, f6vrier 1984

page

C2-47

J.L. Pouchou et F. Pichoir

O f f i c e NationaZ dlEtude e t de Recherches A&rospatiales, 29 avenue de Za Division LecZerc, 92320 Ch$tiZZon, France

R6sum'e : Quelques applications d'un nouveau modale de calcul adapt6 5 l'6tude quantitative d'gchantillons inhomoglnes en profondeur sont pr'esent'ees.

Abstract : Some applications of a new model allowing quantitative study of in-depth heterogeneous samples are presented.

L'idBe d'utiliser la microanalyse

B

tension variable pour 6tudier des h'et'ero- g'en6it'es superficielles n'est pas nouvelle 11, 2, 3, 41. Cependant, il semble qu'il n'ait pas 'et6 possible d'appliquer couramment la m6thode

B

des fins r'eellement quantitative~, faute de disposer d'une description analytique satisfaisante des lois physiques r'egissant l'Bmission X (ralentissement des 'electrons, section efficace d'ionisation, r&trodiffusion, et surtout distribution en profondeur du rayonnement engendrg).

Cet article a pour objet de montrer qu'une proc'edure de calcul plus r6aliste rend la m6thode quantitative dans le cas g'en6ral. La validit'e du modale utilisg sera illustr6e par quelques exemples relatifs

B

des 'echantillons-test stratifi'es, pr6sen- tant ou non une variation en profondeur du num'ero atomique. Des exemples concrets d'application montreront enfin les possibilitks de la m6thode.

I

-

ETUDE DE COUCHES MINCES DEPOSEES SUR SUBSTRATS DE Z VOISINS

Lorsque le num'ero atomique d'un stratifig ne varie pas notablement avec la profondeur, le modsle P. & p., consu pour llanalyse quantitative classique 151, peut Stre utilisg : l'intensit'e X caractgristique gmergeant d'une couche situ6e entre les profondeurs massiques pi et )~f s'obtient simplement B partir de lVint6grale entre ces limites de la distribution en profondeur,

y (

^f ^{z ) ,} et en tenant compte de l'absorption du rayonnement entre pf et la surface.

L'exemple de l'gmission Cu K- de stratifigs Cu sur Ni a 'et6 pr'esentg en 151 ; les figures 1, 2 et 3 concernent les &missions Ni Ka

,

Ni Lrx et Cu La de ces mg- mes 'echantillons. Les courbes de "concentrations apparentes" calcul'ees pour les

I(specl/I(stdl Cu FILMS on N i SUBSTRRTE

- P . K P.

- - RUSTE

N i K a

-

bulk s t d

I r

⁵

y , z / y

^I^{I 0}^I ¹⁵ ²⁰ ²⁵

^.

³⁰^, ³⁵^, ^{4 0}

^j

Rac. voltage 1kVI

I l r p c c l / I ~ r t d ) Cu FILWS on Ni SUBSTRRTE

1.001

. . . . . . .

^I

-

P . h P . N i La bulk rtd:

.

---

_RUSTE

-

3908 6

5 I0 15 2 0 25 3 0 35 48

Rcc. voltage ikV1

Fig.1

-

Cu sur substrat Ni (rayonnement Ni K w ).

Fig.2

-

Cu sur substrat Ni (rayonnement Ni L H ).

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1984212

(3)

C2-48 JOURNAL DE PHYSIQUE

I(spte)/I(std) Cu FILMS on N f SUBSTRRTE I(spec)/i(std) Pd 800 A ^/No - . SUBSTRPTE - -

18'

5 10 15 28 25 3 0 35 40 5 I 0 15 20 25 3 0 35 40

Rcc. v o l t a g e ( k V ) R c c . voltage ( k V )

Fig.3

-

Cu sur substrat Ni (rayonnement Cu Loc ).

Fig. 4

-

Pd sur substrat Mo (rayonnements Pd L A et Mo Lm ).

Bpaisseurs nominales 2 l'aide du modale P. & P. restituent bien l'ensemble des r6- sultats expgrimentaux relatifs aux couches comme aux substrats, quel que soit le rayonnement (K ou L) analyss. (L1Bpaisseur nominale des couches, contrslge par pesBe et au talistep, est connue 2 5 X prss environ). La forme des courbes issues du modsle de Ruste /6/ (extension de celui de Philibert

/?/)

ne traduit pas 116volution avec la tension des "concentrations apparentes" mesurees.

La figure 4 rend compte de la prgcision et de la sensibilit6 d:une d6termination d'6paisseur : pour un stratifig Pd/Mo (d'gpaisseur nominale 800 A), elle prgsente, de part et d'autre du meilleur ajustement (obtenu pour 780 A), les courbes calcul6es pour des Bpaisseurs supgrieure et infgrieure de 10 %.

I1

-

ETUDE DE COUCHES MINCES DEPOSEES SUR SUBSTRATS DE,Z DIFFERENTS

Si 11hBt6rog6n6itB chimique de llBchantillon induit une forte variation de Z, le modsle prgcgdent ne s'applique plus. Une extension de ce modsle, conservant une distribution

y

( y z) continue, s'est toutefois averse restituer convenablement les mesures. Dans cette version gtendue, les paramstres de

rp ( p

z) (cf./5/) sont calcu- 16s comme suit :

-

la profondeur maximale d'ionisation px r6sulte d'un calcul it6ratif prenant en compte la nature et 1'6paisseur des strates successives,

-

2 partir de x sont d6finis plusieurs ensembles de concentrations fictives, chacun permettant re calcul d'un des param2tres de la distribution (ionisation su- perficielle, maximum de

~ (

z), facteur de r6trodiffusion, intggrale de

p ? ( P

²⁾⁾^.

I(rpec)/I(std) Cu FILMS on Mo SUBSTRRTE 1.00

. 8 0

. 6 0

. 4 0

. 2 0

5 10 15 2 0 25 3 0 35 40

Rcc. voltage (kV)

Fig.5

-

Cu sur substrat Mo

(rayonnements Cu KLX

,

Cu L s

,

MO L ci ).

I(spec)/I(std) Cu 480 6 ^/W SUBSTRRTE 1 . 0 0

. 8 0

. 6 8

P.h P. model

. 4 0 TRKE-OFF: 18.

. 2 0

5 10 15 2 0 .25 3 8 35 4 0

Rcc. voltage CkV)

Fig.6

-

Cu sur substrat W

(rayonnements Cu KH, Cu L m , W L a , W M*)-

(4)

Selon 1'6paisseur de la couche par rapport I px, ces parametres Cvoluent entre ceux des matgriaux constitutifs de la couche et du substrat. Ce modsle P. & P. 6tendu s'applique Bgalement 21 des Bchantillons multi-couches.

Les figures 5 et 6 (co~ches de Cu sur substrats Mo et W) montrent lladBquation des courbes calcul6es aux concentrations" exp6rimentales.

III

-

EXEMPLES D'APPLICATIONS PRATIQUES

1

-

Echantillon multi-couche Al/Cu/substrat A1 :

La figure 7 pr6sente l'analyse 2 tension variable de 1'6chantillon aprPs le pre- mier stade de sa r6alisation (dBp8t de Cu sur substrat A1 par bombardemeftt Blectro- nique sous ultra-vide). La restitution par hypotheses successives des concentrations apparentes" (raies A1 Kr* et Cu L 4 ) donne, pour la couche de cuivre, une Bpaisseur massique correspondant

B

530

A,

et conduit 1 admettre en surface la pr6- sence d'une couche d'oxyde Cu20, d'6paisseur 150 A.

Recouvert d'une couche d'aluminium, l'fchantillon prgccdent se caract6rise par les r6sultats de la figure 8. Le modele de calcul confere 3 cette couche une Bpais- seur de 500

A.

En r6alit6, la surface est certainement constitu6e d'une mince couche d'alumine, dont 1'6paisseur est trss voisine de celle qui recouvre naturellement le tgmoin, puisque les 6missions A1 K X de lt6chantillon et du t6moin sont identiques

1

tr2s basse tension.

AprZs diffusion (40 mn 2 300 C) et l6g2re 6rosion ionique, 116chantil.lon peut stre d6crit comme suit (figure 9) : une couche d'alumine, sup6rieure de 40 A 2 celle du t6moin Al, recouvre -une phase (probablement $2) de composition massique Cu 80

-

A1 20 et dq6paisseur 66,8 pg/cm2, soit 975 A pour une densit6 de 6,85. La mise en oeuvre par G. Blaise de sa m6thode d'ionisation thermique des produits de pulverisation /8/ a donn6 pour cette phase une teneur de 21 % en A1 et une Epaisseur de l'ordre de 70 )lg/cm2, et a confirm6 l'absence de cuivre B la surface de l'bchan- tillon.

Soulignons que dans un tel exemple, la microanalyse en profondeur n'offre une sensibilit6 int6ressante qu'B condition d'utiliser des rayonnements de faible Bner- gie, en particulier la raie L d du cuivre.

I ( s p e c ) / I ( s t d l Cu F I L M I R1 SUBSTR. I ( r p e c ) / I ( s t d ) R1 F I L M I Cu F I L M R I SUBSTR..

1.00 . . . , . . ,

TRKE-OFF: 48' TRKE-OFF: 48'

.80

P . R P . model f o r 158 Cu20 + 530 R Cu + R1 s u b s t r a t e

d . .

. . .

,

. 1

5 I0 15 28 25 30 35 40

R c c . voltage ( k V >

R I K m

P . R P . model f o r 508

4

A1 150 9 C"20 + 530 R Cu + R I s u b s t r a t e

l i .

. . . . . .

1

5 I0 15 20 25 30 35 40

Rcc. v o l t a g e ( k V )

Fig.?

-

Cu sur substrat A1 Fig.8

-

~l/Cu/substrat Al

(rayonnements Al K a et Cu Lw ) (rayonnements A1 K* et Cu L x ).

2

-

DBtermination d'epaisseur de couches de carbone sur substrat silicium : La structure du carbone d6pos6 par pulv6risation cathodique est telle qu'il prgsente une 6mission caractBristique diff6rente aussi bien de celle du graphite que de celle du diamant. Les tentatives pour r6aliser des d6p6ts Bpais (plusieurs microns) asssmilables

B

des thoins massifs se sont r6v616es infructueuses.

En l'absence de t6moin carbone appropri6, les d6terminations dlQpaisseur ont 6t6 effectu6es en Btudiant le rayonnement Si K M du substrat (figure lo), et en v6ri- fiant par le calcul que les Cpaisseurs obtenues 6taient compatibles avec le rapport des intensitCs

$

K d 6mergeant des deux couches propos8es. (La densitf des couches gtudices, mesuree indgpendamment, est de 1,8).

(5)

(22-50 JOURNAL

DE

PHYSIQUE

f i r ]

^p.ap. model + o r

I ( s p e c ) / I ( s t d ) R I F I L M / Cu FILM / R1 SUBSTR. _-. I ( r p e c ) / I ( s t d ) Carbon FILMS on S i SUBSTRRTE 1 . 0 0

4 0 6 R1203

a X

⁺⁵^, ^,,2 ^oh,,. ^{( 2 0}^.t% ^{R l )}

1

.BE

\

+ R 1 substrate

1

I . . . . . . . I

5 10 15 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0

R c c . voltage ( k V 1 D ~ f f u s ~ o n 4 0 m n 3 0 0 C + s h g h t )on etching-'

- TRKE-OFF: 40'

Fig.9

-

Al/Cu/substrat A1

aprZs diffusion et 6rosion ionique

,9"

bulk r t d .

. 6 0 -

C K r

-

. 4 0 -

1tz4ae 61 / I ( ~ ~ B B 6)

. 2 8 . -

TOKE-OFF: 48. P.& P. model

5 I0 15 2 0 2 5 38 3 5 4 0

Rcc. voltage ( k V )

Fig.10

-

C sur substrat Si (rayonnements C Ka et Si Koc ).

3

-

Autres applications :

La m6thode a recemment Bt6 appliquee avec succss B d'autres cas pratiques, tels que l'analyse et la mesure d'6paisseur de couches d'oxydation anodique (sur Al, Si, stratifies Ta/Al), de couches constitutives de thermocouples pelliculaires (couches de Cu-Ni, Au-Pd, Au-Pt-Pd, A1203, Si02 d6pos6es sur A1 et Ni), ou l'6tude de stratifigs apres diffusion (Al/~g).

IV

-

CONCLUSION

Une procedure de calcul bien adaptee peut conf6rer un caractere r6ellement quan- titatif B la microanalyse d'6chantillons inhomogenes en profondeur.

Pour des hete$ogBneit6s superficielles de nature chimique connue, la m6thode de restitution des concentrations apparentes" mesur6es B tension variable permet de d6tecter des Bpaisseurs aussi faibles que 1 pg/cm2, et de determiner B 5 % prZs environ, B partir d'un nombre r6duit de mesures, des 6paisseurs comprises entre 10 pg/cm2 et 1 mg/cm2 environ.

Si sa composition est inconnue, l'h6t6rogSnSitS doit avoir une Bpaisseur d'autant plus grande qu'elle est profondement localis6e sous la surface pour que le calcul de restitution puisse conduire b une solution unique d16paisseur et de concentration.

Si tel n'est pas le cas, on peut n'avoir accZs qu'8 la masse d1616ment sGgr6g6, et B sa localisation moyenne en profondeur. Dans tous les cas, et m h e si 1'6chantillon est binaire, ce n'est qu'B l'issue d'une confrontation des hypothzses relatives b l'ensemble des 616ments prgsents que la mkthode permet des conclusions exemptes d'ambiguitd.

Les auteurs expriment leur reconnaissance 3 M. le Professeur R. CASTAING, insti- gateur de ce travail, pour ses suggestions et ses critiques fructueuses. 11s remer- cient Cgalement M. F. GIRARD, dont les travaux prsliminaires ont permis d'orienter cette 'etude, ainsi que MM. R. VANDEMEULEBROUCK et D. BOIVIN pour leur contribution expgrimentale.

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