L'excellente résolution en profondeur offerte par le fonctionnement RF pulsé avec détection OES. L'échantillon est un miroir pour rayons X et comporte 60 empilements, chacun composé de multicouches Si/B4C/Mo. Chaque empilement mesure 7 nm d'épaisseur. Les détails de ces résultats et expériences ont été présentés lors de la 6e journée de GD.
Notre développement breveté d'une source RF pulsée (brevet américain numéro 10 52883, 2010), avec la vitesse et la capacité d'adapter les changements d'impédance en mode pulsé, a représenté une avancée majeure pour de nombreuses applications.
Le fonctionnement pulsé permet de minimiser la puissance moyenne (et donc les contraintes thermiques) tout en conservant une puissance instantanée élevée pour la sensibilité. Des cratères profonds dans le verre (jusqu'à 150 microns) ont été obtenus, et les cellules photovoltaïques sur verre sont facilement mesurables : le fonctionnement pulsé garantit l'absence de diffusion de Na pendant la mesure.
Le fonctionnement pulsé est également bénéfique pour le contrôle précis de la forme du cratère, offrant une résolution en profondeur améliorée.
L'exemple suivant illustre l'excellente résolution en profondeur offerte par le fonctionnement RF pulsé avec détection OES. L'échantillon est un miroir pour rayons X et comporte 60 empilements, chacun composé de multicouches Si/B4C/Mo. Chaque empilement mesure 7 nm d'épaisseur. Les détails de ces résultats et expériences ont été présentés lors de la 6e journée de GD.
HORIBA a breveté un coupleur RF qui tire parti des connaissances avancées sur les champs magnétiques pour fournir des signaux améliorés et des cratères plats.
Les champs magnétiques sont utilisés dans le dépôt de plasma (pulvérisation magnétron) et sont connus pour améliorer les signaux, mais ils ont été rarement essayés dans la GD car les gens transposaient simplement les configurations du magnétron et obtenaient des formes de cratère non plates.
HORIBA a breveté un coupleur RF qui tire parti des connaissances avancées sur les champs magnétiques pour fournir des signaux améliorés et des formes de cratères plans. Cela s'est avéré utile pour mesurer des verres et des céramiques particulièrement épais (plus de 5 mm d'épaisseur). Des présentations ont été faites lors des 6e et 7e journées GD.
Le plasma GD RF analytique est dense – environ 1014 (particules chargées/cm3), mais les ions incidents bombardant la surface ont une faible énergie – environ 50 eV – et, en raison de collisions multiples, ils ne sont pas unidirectionnels. C’est ce qui explique la rapidité de la pulvérisation cathodique et la faiblesse des dommages de surface par rapport aux faisceaux d’ions de pulvérisation cathodique à plus haute énergie.
Dans des conditions de fonctionnement moyennes, les métaux sont pulvérisés à une vitesse de 1 à 5 μm/minute. Une couche de 100 nm peut être pulvérisée en 3 à 10/15 s en mode pulsé. Un traitement thermique sur acier, où les éléments diffusent jusqu'à 50 μm, peut être vérifié en 12 minutes.
Une pulvérisation aussi rapide nécessite un système de détection rapide, et un système de détection très rapide pour l'analyse des couches minces, pour pouvoir suivre de manière adéquate les signaux variables.
Les pompes à vide sont nécessaires uniquement pour la source. Un plasma GD fonctionne à basse pression. Les pompes établissent le niveau de vide, puis un faible débit de gaz est introduit – le débit est d'environ 0,1 l/min pendant l'analyse – une bouteille de gaz permet donc une autonomie de plusieurs mois.
Nous utilisons 2 pompes à vide indépendantes dans notre source pour maintenir un contrôle de pression uniforme en utilisant la source GD comme préparation d'échantillons pour SEM.
Le double pompage assure que des cratères profonds jusqu'à 100-150 μm (parfois plus profonds - le record actuel est de plus de 500 microns dans une application spéciale) peuvent être obtenus en évacuant les particules pulvérisées.
La combinaison de la source RF pulsée et du double pompage avec 2 pompes permet d'obtenir une résolution de profondeur nanométrique.
Le double pompage, utilisant deux pompes, assure un contrôle adéquat de l'uniformité de la pression à la surface de l'échantillon pendant le profil de profondeur. Il est crucial pour la résolution en profondeur des couches ultra-minces. La combinaison de la source RF pulsée et du double pompage avec deux pompes permet d'obtenir la résolution en profondeur nanométrique illustrée ci-dessus.
La combinaison de la source RF pulsée et du double pompage avec 2 pompes permet d'obtenir une résolution de profondeur nanométrique.
Le pompage différentiel avec 2 pompes est également obligatoire pour l'utilisation du RF GD pour FESEM comme le montre le professeur Ken Shimizu dans « New Horizons of Applied Scanning Electron Microscope ».
Il est généralement relativement simple de trouver les conditions de fonctionnement conduisant à un cratère plat, nécessaire à une résolution en profondeur élevée. Si ces conditions ne sont pas optimisées, la forme du cratère peut être concave ou convexe, et la résolution en profondeur dégradée.
Dans des conditions de fonctionnement standard, le plasma recouvre toute la surface de l'échantillon faisant face à l'anode et il est généralement relativement simple de trouver des conditions de fonctionnement conduisant à un cratère plat nécessaire pour obtenir une résolution de profondeur élevée.
Cependant, si les conditions ne sont pas optimisées, la forme du cratère peut être concave ou convexe et la résolution en profondeur dégradée.
Le(s) spectromètre(s) optique(s) collecte(nt) et analyse(nt) la lumière émise par le plasma. Son rôle est de surveiller en continu les variations de composition de l'échantillon grâce à l'analyse de la lumière produite par le plasma. Lors de la pulvérisation cathodique, les espèces pulvérisées pénètrent dans le plasma où elles sont excitées par collisions et émettent des photons. Si l'échantillon est homogène en profondeur, le spectre est constant ; s'il est multicouche, les variations de la lumière émise reflètent les variations de composition de l'échantillon sur toute sa profondeur.
Le spectromètre optique doit donc être ultra rapide et offrir une mesure simultanée avec une plage dynamique élevée.
La gamme spectrale à couvrir est large, puisqu'elle va de H à 121 nm à K à 766 nm, couvrant les gammes VUV, visible et proche IR.
HORIBA est le leader mondial dans le domaine des réseaux. Les réseaux, les configurations optiques et le fonctionnement des détecteurs sont décrits en détail dans des ouvrages universitaires et des guides (HORIBA). Nous nous contenterons d'indiquer ici les spécificités de l'optique liées au fonctionnement de la GD, principalement la nécessité de collecter le maximum de lumière, le besoin de couvrir simultanément une large gamme spectrale et la nécessité d'une détection rapide dans le cas de l'analyse du profil de profondeur.
Les réseaux sont d'une importance capitale et doivent offrir une efficacité lumineuse optimale. Les réseaux de diffraction sélectionnés pour la GD sont des réseaux propriétaires HORIBA avec une efficacité accrue dans la gamme VUV.
Des polychromateurs haute résolution à montage Paschen Runge sont utilisés. Ces polychromateurs sont des systèmes véritablement simultanés qui permettent de suivre tous les éléments d'intérêt en fonction de la profondeur.
La gamme spectrale à couvrir est large, puisqu'elle va de H à 121 nm à K à 766 nm, couvrant les gammes VUV, visible et proche IR.
On utilise des polychromateurs haute résolution à montage Paschen Runge. Ceci est compréhensible, car le profil de profondeur est essentiel pour ces instruments. Les polychromateurs sont des systèmes véritablement simultanés et permettent de suivre tous les éléments d'intérêt en fonction de la profondeur.
Dans la conception spécifique du GD Profiler 2, HORIBA utilise un réseau à double ordre pour le VUV et l'UV, et un second réseau pour la région proche de l'IR.
La nécessité de couvrir une large gamme spectrale allant du VUV à l'IR tout en conservant une bonne résolution requiert une configuration optique légèrement plus complexe combinant plusieurs réseaux, chacun dédié à une partie spécifique du spectre. Par exemple, dans la conception spécifique du GD Profiler 2, HORIBA utilise un réseau à double ordre pour le VUV et l'UV, et un second réseau pour la région proche de l'IR.
Enfin, la transmission de la lumière VUV nécessite l'utilisation d'optiques dédiées (MgF 2) et la nécessité d'une atmosphère transparente (en purgeant l'optique à l'azote).
La sélection des lignes dans le polychromateur est totalement flexible. Un fin masque métallique comportant plus de 200 fentes pré-gravées permet une sélection multiple pour tous les éléments. Au départ, seules les lignes d'intérêt sont équipées de détecteurs, les autres étant masquées. Ce masque peut être retiré et des détecteurs supplémentaires ajoutés sur site si besoin.
Le polychromateur est central dans la GD, car une mesure simultanée hautement dynamique est obligatoire pour le profilage en profondeur.
La sélection des lignes dans le polychromateur est totalement flexible. Nous utilisons un fin masque métallique comportant plus de 200 fentes pré-gravées (offrant une sélection multiple pour tous les éléments). Au départ, seules les lignes d'intérêt sont équipées de détecteurs, les autres étant masquées. Ce masque peut être retiré et des détecteurs supplémentaires ajoutés sur site si besoin.
Des monochromateurs supplémentaires permettant l'observation directe du même plasma sont souvent intégrés aux instruments de recherche en complément du polychromateur. Ces monochromateurs peuvent être réglés sur n'importe quelle ligne et offrent également la possibilité de mesurer des éléments supplémentaires avec une résolution (5 à 10 pm) et une sensibilité élevées.
Flexibles, ils peuvent être réglés sur n'importe quelle ligne et offrent également la possibilité de mesurer des éléments supplémentaires avec une résolution élevée (5-10 pm) et une sensibilité élevée. Ils peuvent être équipés de différents réseaux. La détection dynamique élevée est bien sûr disponible sur le monochromateur. En mode Image, ils enregistrent le spectre d'émission complet (de 180 nm à la plage maximale du réseau sélectionné) d'un échantillon global ou d'une couche.
« HDD » signifie « High Dynamic Detection ». HDD peut mesurer des concentrations élevées et faibles.
« HDD » signifie « High Dynamic Detection ». Le HDD permet de mesurer des concentrations élevées et faibles. Il s'agit d'une invention majeure pour le fonctionnement de la détection haute dynamique, brevetée aux États-Unis sous le numéro 5 726 438 en 1998.
Dans une analyse de profil en profondeur, un élément à mesurer peut être au niveau ppm dans une couche et à 100 % dans la suivante.
Avec le détecteur HDD, les deux niveaux de Cu et les niveaux majeurs sont visibles, ainsi que la plage dynamique 109.
Il est bien sûr impossible d'interrompre la mesure entre les couches et d'ajuster le gain des détecteurs en raison du processus de pulvérisation cathodique très rapide utilisé. Il est donc nécessaire d'utiliser des valeurs prédéfinies, ce qui limite considérablement la technique. Si le signal lumineux est faible, une valeur élevée est prédéfinie. S'il est élevé, une valeur plus faible sera privilégiée. Mais comment gérer les variations de concentration d'une couche à l'autre ?
Sans détecteur HDD, les échelles de mesure limitées à 0-10 V et les signaux de Ni et Cu apparaissent saturés.
Le détecteur HDD est la solution à ce problème. Une conception propriétaire ajuste en temps réel la tension appliquée au courant de sortie du détecteur, offrant une plage dynamique réelle de plus de 109 sur toutes les lignes.
Les avantages analytiques sont les suivants :
Le monochromateur offre la flexibilité nécessaire pour mesurer tout élément supplémentaire avec une haute résolution et une plage dynamique étendue. L'ajout de lignes sur site est également possible si un nouvel élément suscite un intérêt régulier.
L'image combine les avantages d'un monochromateur haute résolution, d'un balayage ultra rapide, de détecteurs hautement dynamiques et d'un logiciel propriétaire pour offrir l'enregistrement du spectre d'émission complet d'un échantillon en vrac ou d'une couche épaisse (plus de 1 μm).
L'image combine les avantages d'un monochromateur haute résolution, d'un balayage ultra-rapide, de détecteurs haute dynamique et d'un logiciel propriétaire pour enregistrer le spectre d'émission complet d'un échantillon massif ou d'une couche épaisse (plus de 1 μm). La précision exceptionnelle du système optique garantit une parfaite concordance des positions des raies avec les valeurs théoriques de la base de données (à l'échelle du picomètre !), garantissant une détection sans ambiguïté de la présence dans le matériau et fournissant des informations sur la concentration par comparaison avec des références.
Spécificités du spectre d'émission GD : en GD, les raies atomiques (raies I) sont généralement plus intenses que les raies ioniques (II). La sélection des raies est donc généralement simple et la plupart du temps, la mesure d'une seule raie par élément suffit en GD, à condition que la résolution du spectromètre soit suffisante.
La GD étant un plasma non thermique, son spectre est moins riche en raies que celui des plasmas ICP ou Etincelle. En GD, les raies atomiques (raies I) sont généralement plus intenses que les raies ioniques (II). La sélection des raies est donc généralement simple et la plupart du temps, la mesure d'une seule raie par élément suffit en GD, à condition que la résolution du spectromètre soit suffisante. Les bruits de fond sont également négligeables par rapport à l'ICP. La correction du bruit de fond est donc peu utile en GD, même pour une analyse d'un échantillon massif.
La gamme spectrale utile en GD analytique est très large, généralement de 120 nm à 766 nm et couvre donc les gammes VUV, UV, visible et proche IR.
Les éléments gazeux qui sont cruciaux pour la caractérisation du profil de profondeur ont leurs lignes les plus sensibles dans la gamme VUV, H (121 nm), O (130 nm), Cl (134 nm), N (149 nm), C (156 nm) lorsque l'alcali émet dans la région rouge, Li (670 nm), (K 766 nm).
Le spectromètre devrait donc pouvoir répondre facilement à ces exigences strictes.
Les mesures dans l'UV nécessitent que l'optique soit transparente à ces basses longueurs d'onde. Cela peut être réalisé soit en purgeant le polychromateur (avec une pompe à vide), soit en le remplissant de N ₂. La purge au N₂ est supérieure au vide, car elle garantit que les surfaces optiques ne se dégraderont pas avec le temps.
Le refroidissement par eau est particulièrement utile lorsque la source fonctionne en mode non pulsé. Le refroidissement de l'échantillon minimise la chaleur générée par la pulvérisation d'argon. La température de l'échantillon sera ainsi maintenue basse, évitant ainsi une éventuelle fusion (lors de la mesure de couches de Sn, In ou Zn, par exemple).
