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Analyse et technologie des surfaces
l’ordre de 10 –2 à 10 –5 ou encore plus petite. Leur rapport caractéristique de masse
sur charge (m/z) permet d’identifier les éléments correspondants de l’échantillon
bombardé. La méthode de la spectrométrie de masse d’ions secondaires (SIMS
Secondary Ion Mass Spectrometry) est complémentaire de l’ESCA et de l’AES
parce qu’elle analyse des produits éjectés de la surface. Cette technique permet de
mettre en évidence tous les éléments du tableau périodique, avec une forte sensibilité pour la plupart d’entre eux. Les progrès récents, notamment au niveau des sources d’ions et des détecteurs, ont permis d’obtenir des analyses sur des échantillons
conducteurs et isolants:
• des spectres de masse en surface (SIMS statique) – première couche atomique;
• des cartes élémentaires avec une résolution latérale d’environ 100 nm;
• des profils de concentration en fonction de la profondeur, à partir de la surface jusqu’à quelques microns (SIMS dynamique) (voir chapitre 6).
La sensibilité de la méthode SIMS est plus élevée que celles des méthodes
ESCA ou AES (la limite de détection de SIMS est de 10 –3 à 10 –7 d’une monocouche soit 10 12 à 10 8 atomes/cm 2 ). Toutefois, à cause de l’effet de matrice influençant
fortement l’ionisation des particules émises, la méthode SIMS est souvent difficile à
quantifier. Sauf pour les applications en micro-électronique (teneurs faibles dans les
matrices de Si, Ge ou de GaAs), la méthode SIMS est donc uniquement semi-quantitative impliquant une comparaison avec des échantillons de référence.
Les méthodes qui ionisent les particules neutres émises sont la méthode SNMS
(Secondary Neutral Mass Spectrométrie) et la spectroscopie à décharge luminescente; elles permettent de quantifier l’analyse avec une sensibilité souvent inférieure au SIMS. Ces techniques seront introduites respectivement aux sections 5.6
et 5.7.
5.3 PRINCIPE
5.3.1 Modes de travail
La figure 5.1 représente l’interaction d’un ion avec une cible et illustre le processus de pulvérisation: sous bombardement avec des ions primaires, des particules
neutres, ions secondaires, photons et électrons sont émis.
La profondeur d’échappement et celle de pénétration des ions primaires sont
déterminées par le faisceau primaire. Les paramètres principaux sont la dose ionique primaire (densité de courant exprimée en ions/cm 2 ) et l’énergie de l’ion primaire. Cela détermine le degré de perturbation de la surface sous bombardement
ionique. On distingue deux modes qui visent à mettre en évidence la ou les molécule(s) présente(s) soit en surface (première monocouche) soit en profondeur z:
• SIMS statique (SSIMS) surface analysée: z < 0,3 nm,
• SIMS dynamique (DSIMS): z = 10-5000 nm (chap. 6).
Analyse et technologie des surfaces
l’ordre de 10 –2 à 10 –5 ou encore plus petite. Leur rapport caractéristique de masse
sur charge (m/z) permet d’identifier les éléments correspondants de l’échantillon
bombardé. La méthode de la spectrométrie de masse d’ions secondaires (SIMS
Secondary Ion Mass Spectrometry) est complémentaire de l’ESCA et de l’AES
parce qu’elle analyse des produits éjectés de la surface. Cette technique permet de
mettre en évidence tous les éléments du tableau périodique, avec une forte sensibilité pour la plupart d’entre eux. Les progrès récents, notamment au niveau des sources d’ions et des détecteurs, ont permis d’obtenir des analyses sur des échantillons
conducteurs et isolants:
• des spectres de masse en surface (SIMS statique) – première couche atomique;
• des cartes élémentaires avec une résolution latérale d’environ 100 nm;
• des profils de concentration en fonction de la profondeur, à partir de la surface jusqu’à quelques microns (SIMS dynamique) (voir chapitre 6).
La sensibilité de la méthode SIMS est plus élevée que celles des méthodes
ESCA ou AES (la limite de détection de SIMS est de 10 –3 à 10 –7 d’une monocouche soit 10 12 à 10 8 atomes/cm 2 ). Toutefois, à cause de l’effet de matrice influençant
fortement l’ionisation des particules émises, la méthode SIMS est souvent difficile à
quantifier. Sauf pour les applications en micro-électronique (teneurs faibles dans les
matrices de Si, Ge ou de GaAs), la méthode SIMS est donc uniquement semi-quantitative impliquant une comparaison avec des échantillons de référence.
Les méthodes qui ionisent les particules neutres émises sont la méthode SNMS
(Secondary Neutral Mass Spectrométrie) et la spectroscopie à décharge luminescente; elles permettent de quantifier l’analyse avec une sensibilité souvent inférieure au SIMS. Ces techniques seront introduites respectivement aux sections 5.6
et 5.7.
5.3 PRINCIPE
5.3.1 Modes de travail
La figure 5.1 représente l’interaction d’un ion avec une cible et illustre le processus de pulvérisation: sous bombardement avec des ions primaires, des particules
neutres, ions secondaires, photons et électrons sont émis.
La profondeur d’échappement et celle de pénétration des ions primaires sont
déterminées par le faisceau primaire. Les paramètres principaux sont la dose ionique primaire (densité de courant exprimée en ions/cm 2 ) et l’énergie de l’ion primaire. Cela détermine le degré de perturbation de la surface sous bombardement
ionique. On distingue deux modes qui visent à mettre en évidence la ou les molécule(s) présente(s) soit en surface (première monocouche) soit en profondeur z:
• SIMS statique (SSIMS) surface analysée: z < 0,3 nm,
• SIMS dynamique (DSIMS): z = 10-5000 nm (chap. 6).