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 08-09
3. Analyse élémentaire et
moléculaire
3.1. Spectrométrie de masse d’ions secondaires
(SIMS)

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
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