Méthodes expérimentales de la physique Physique des surfaces

Méthodes expérimentales
de la physique
Physique des surfaces
3. Caractérisation avec ions
Analyse élémentaire et moléculaire
Jean-Marc Bonard
Année académique 07-08
Impact d’un ion
sur une surface
!Production d’atomes et
ions secondaires
"Éléments
"Molécules ou fragments
de molécules
!Analyse de la masse des
fragments?
Dr Postawa Zbigniew,
http://users.uj.edu.pl/~ufpostaw

3. Analyse élémentaire et
moléculaire
3.1.!Spectrométrie de masse d’ions secondaires
(SIMS)
Spectroscopie de masse
d’ions secondaires (SIMS)
!Bombardement de la surface avec
un faisceau d’ions
"Particules secondaires:
- Atomes neutres
- Ions
- Molécules et fragments de
molécules
!Analyse en masse des ions
secondaires (positifs et négatifs)
!Avantages
"Haute sensibilité à la surface
"Haute sensibilité chimique (1 ppb)
"Imagerie possible
"Désavantage: destructif

SIMS II
!Identifications des espèces
"Atomes
#Isotopes / rapports isotopiques
#Composés: oxydes, carbures, etc…
"Molécules
#Abondance relative des fragments
#Fragments de masse élevée
#Bibliothèques de spectres
caractéristiques
#Spectres souvent très complexes
!P.ex.: polystyrène
"Monomère de masse 104uma
"Pics réguliers distants de 104uma
SIMS III
!Deux types d’instruments
"Principale différence:
courant d’ions primaires vitesse d’ablation
!SIMS statique
"Courant < 1 nA!cm-2
"Temps d’acquisition d’un spectre beaucoup plus faible que le temps nécessaire à
l’ablation d’une monocouche (<1%)
"Analyse de l’extrême surface, identification moléculaire
"Généralement, spectromètre à temps de vol
!SIMS dynamique
"Courant d’ions primaires élevé, taux de fragmentation et d’ablation élevé
"Profils de concentration en profondeur d’atomes et petites molécules
"Généralement, spectromètre à secteur ou à temps de vol

Profil en profondeur:
SIMS statique
!Taux d’ablation très faible:
analyse à faible profondeur
!Exemple
Couche de dopage “!” de B
dans Si
"Implantation d’ions B de 100 eV
"Contamination par alcalins
"Dynamique de 3+ décades!
"Résolution de 0.5 nm en
profondeur
"Analyse quantitative: utilisation
d’un standard indispensable
Source: “Surface and Thin Film Analysis”
Nguyen Hong Ky et al., J. Appl. Phys. 86, 259 (1999)
Concentration d’Al [%]
Concentration d’impuretés [cm-3]
Profil en profondeur:
SIMS dynamique
!Exemple
"Diffusion de Zn dans une structure
GaAs/AlGaAs
"Couches périodiques de
Al0.2Ga0.8As de 10nm
"Dopage Si (2!1018 cm-3)
"Après 4h de diffusion à 575°C
#Front de diffusion à 0.8"m sous la
surface
#La structure en couches est
fortement perturbée par la diffusion
#Le mécanisme de diffusion implique
le déplacement d’atomes d’Al

Imagerie SIMS I
!Exemple: Identification de contaminants sur peinture automobile
"Lubrifiant(s) fluoré(s)
"Résolution spatiale # 10 "m
CxHy
CxFy
Imagerie SIMS II
!Exemple: couche de
passivation sur alliage Nb
"Constituants répartis de
façon inhomogène (Nb, Zr,
Fe)
"B détecté à l’interface
#Pas détecté en EDX ou
XPS!
"Résolution spatiale ~ 1 "m
20µm