Info du pôle Publié le 23/07/2014

Bilan du séminaire sur les moyens de caractérisation du CERTeM

Formation :

« Le 9 juillet 2014, le Centre d'Etudes et de Recherches Technologiques en Microélectronique (CERTeM), STMicroelectronics, QUALTO Labs et le pôle de compétitivité S2E2 ont organisé un séminaire sur les moyens de caractérisation disponibles au CERTeM.
Cette demi-journée, qui s’est déroulée dans les locaux de STMicroelectronics autour de 90 personnes environ, a permis de faire un point sur les spécificités des moyens disponibles qui sont complémentaires à plusieurs niveaux (destructif/non destructif, résolution, temps d’analyse, taux d’occupation, type de matériaux à analyser, analyse en surface ou en profondeur…) et ceci autour de 5 présentations pédagogiques :

 

Méthodes d’analyse élémentaire de surface

La présentation a été effectuée par Roland BENOIT, Ingénieur au sein du Centre de Recherche sur la Matière Divisée (CRMD), entité du CNRS et de l’Université d’Orléans.

Dans le cadre notamment de l’évaluation de variations de la concentration de composés chimiques en surface et à l’intérieur de matériaux, deux méthodes d’analyse ont été présentées au travers du ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, Spectrométrie de masse à ionisation secondaire en Français) et du XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy ou Spectrométrie photoélectrique X en Français). 

La méthode XPS est présente depuis 50 ans dans les laboratoires (dont 30 ans au CRMD). Son principe repose sur l’irradiation par une source de rayonnements X monochromatiques d’un matériau placé sous ultravide. Cette irradiation provoque l’éjection d’électrons. Les électrons font ensuite l’objet d’une analyse de leur niveau d’énergie et de leur quantification. De cette façon il est possible de retracer l’atome d’où provient l’électron par comparaison avec des bases de données connues.

Cette méthode permet l’analyse de matériaux jusqu’à une profondeur de 10 nm environ. La limitation en profondeur provient du libre parcours moyen d’un électron dans le matériau. 

La méthode ToF-SIMS permet l’utilisation de différentes sources de faisceaux d’ions (molécules) focalisées sur la surface du matériau et qui provoque cette fois-ci l’arrachement de matière permettant une profondeur d’analyse comprise entre 3 et 5 Å. Cela permet de réaliser une cartographie de la composition des premières couches atomiques à la surface d’un matériau. 

Des exemples de caractérisation ont ensuite été présentés :
-       Caractérisation d’assemblage de matériaux semi-conducteur GaN par XPS ;
-      Evaluation d’un traitement plasma par l’analyse de la concentration chimique de l’état de surface et par une cartographie permettant de vérifier l’homogénéité du décapage. L’intérêt à consister en l’optimisation de la puissance du traitement plasma.
-       Identification d’une contamination de fer
-       Evaluation de l’impact de process industriel de fabrication de composants semi-conducteur sur les matériaux
-       Analyse d’un matériau caoutchouc permettant de comprendre des phénomènes de déstructuration/rupture.

           

La Microscopie atomique en champ proche

Damien VALENTE, Ingénieur de recherche au sein du Groupe de recherche en matériaux, microélectronique, acoustique et nanotechnologies (GREMAN), laboratoire de recherche de l'Université de Tours et du CNRS créé en partenariat avec le CEA et l'INSA Centre Val de Loire, a présenté la méthode de caractérisation par microscopie à champ proche (AFM pour Atomic Force Microscope). 

Au début des années 80, les progrès effectués dans le domaine des systèmes d’asservissement, du traitement d’image et surtout dans le domaine des micro puis nano déplacements induits par effet piézoélectrique ont contribué à l’émergence de microscopes dits en champ proche qui exploitent les interactions localisées existant entre une pointe extrêmement fine et la surface d’un échantillon. Le premier d’entre eux fut le microscope à effet tunnel (STM : Scanning Tunneling Microscope). Ce microscope fut le précurseur d'une nouvelle famille de microscopes : les microscopes à sonde locale (SPM : Scanning Probe Microscope). Parmi ces instruments on retrouve l’AFM, développé en 1986. 

L’AFM est une technique complémentaire à la profilométrie optique et à la microscopie électronique pour l’évaluation, notamment, de la topographie de la surface d’un matériau, car elle offre une haute résolution spatiale en x, y et z ainsi qu’une rapidité de mise en œuvre. Le fonctionnement de l’AFM repose sur l’utilisation d’une pointe de quelques micromètres de long dont l’extrémité possède un rayon de courbure de quelques nanomètres, pour venir sonder localement la topographie de la surface de l’échantillon. La pointe utilisée est montée à l’extrémité d’un levier de quelques centaines de micromètres de long qui fléchit lorsque la pointe est mise en interaction avec la surface et qu’elle est soumise à des forces. Pour détecter ces mouvements, un faisceau laser est focalisé sur le dessus du levier puis réfléchi vers une photodiode. La photodiode analyse les déplacements du spot laser induit par les variations de forces rencontrées par la pointe. Un maillage de l’échantillon est ensuite possible en imposant un mouvement de balayage rectiligne de l’échantillon par rapport à la pointe ou inversement. 

Il existe un grand nombre de mode de fonctionnement de l’AFM que l’opérateur choisira en fonction des propriétés recherchées ou des matériaux étudiés. Cependant trois grands modes de fonctionnement ont été présentés : contact, non contact, contact intermittent (« tapping » en Anglais). Le mode « tapping » (figure 1) est le plus utilisé notamment car il limite les dommages potentiels sur le matériau. Dans ce mode, la pointe est mise en oscillation à une fréquence proche de sa fréquence de résonance, là où la sensibilité est la plus forte. 

La pointe est approchée de la surface ce qui se traduit par l’apparition de forces qui modifient les conditions d’équilibre entraînant une modification de l’amplitude d’oscillation. Les variations d’amplitude sont détectées à l’aide du système optique (laser et photodiode). Le signal issu de cette photodiode est utilisé dans une boucle de régulation pour maintenir constante l’amplitude d’oscillation de la pointe pendant le balayage.

Un focus a ensuite été fait sur des cas d’applications (validation de process industriel pour des composants de puissance…) ou des méthodes complémentaires d’utilisation dans le cadre de projets de R&D :

-       Projet CEZNO, labellisé par S2E2 dans le cadre d’un appel à projets de recherche de la Région Centre, pour la caractérisation de nanofils dans le cadre de la génération de nanocourants électriques.
-       Technique SSRM (Scanning Spreading Resistance Microscopy) pour l’observation de la résistivité de matériaux, évaluée dans le cadre du projet G2REC labellisé par S2E2
-       Technique PFM (Piezoresponse force microscopy) utilisée dans le cadre du projet TOURS 2015, labellisé par S2E2 au titre du Programme des Investissements d’Avenir.

 

La spectroscopie Raman

Mustapha ZAGHRIOUI, Maître de conférences au GREMAN a présenté la méthode de spectroscopie Raman, pour la caractérisation de la composition moléculaire et la structuration externe de matériaux. Elle consiste en l’analyse par un monochromateur (composé d’un réseau de diffraction) de la lumière diffusée par un matériau éclairé par une source laser monochromatique de puissance ajustable. Les différences de fréquence de la lumière proviennent des modes de vibrations des molécules (phonon). Les résultats obtenus sont comparés à une base de données qualifiée permettant de remonter à la constitution du matériau analysé.

 

La diffusion des rayons X aux petits angles

Pascal ANDREAZZA Maître de conférences au CRMD a apporté un éclairage sur les méthodes de caractérisations structurelles des matériaux au travers des techniques SAXS (Small Angle X-rays Scattering) et GISAXS (Grazing Incidence Small-Angle X-Ray Scattering). 

La technique SAXS permet une mesure non destructive au travers de l’analyse de la diffusion de la lumière dans un matériau où la source de rayonnement X incidente est normale à la surface. En résulte une information sur la taille, les distributions de tailles, les formes,… des objets à la surface d’un matériau. 

La techniques GISAXS est quasi similaire à la précédente, sauf que l’incidence du rayonnement X n’est plus normale à la surface, mais rasante. L’analyse de l’hétérogénéité de surface se fait de 1 nm à 10 µm environ. 

Une comparaison face aux techniques de microscopie, notamment électronique a ensuite été effectuée. Les méthodes d’analyse des rayons X aux petits angles permettent ainsi :
De prendre en compte un plus grand nombre de particules et de procéder à une évaluation statistique significative ;
De s’affranchir en général de la préparation de l’échantillon à analyser car il n’y a pas de problème de pénétration du rayonnement dans l’échantillon ;
De permettre une analyse dans un volume inaccessible avec un accès à des couches enterrées ;
De suivre l’évolution d’un matériau pendant la croissance des nanostructures, un recuit,…

Les résultats sont exploités avec des comparaisons de simulations. Les simulations sont réalisées en faisant varier les paramètres d’influence. Lorsque les courbes simulées et les courbes expérimentales se recoupent les paramètres d’influence la simulation sont pris comme étant les paramètres significatifs du matériau.

 

Microscope électronique à balayage combiné à un faisceau d’ions focalisé

Nicolas VIVET de STMicroelectronics a présenté une technique permettant la visualisation en haute résolution de la surface d’un échantillon pour l’étude notamment de défaillance de matériaux et/ou de composants et de phases de construction pendant différents process industriels. 

Cet équipement de mesures et d’analyses est utilisé à des fins très applicatives et est composé d’un FIB (Focused ion beam et Sonde ionique focalisée en Français) pour essentiellement l’ablation de certaines parties d’un matériau, et est couplé à un SEM (scanning electron microscope et Microscope électronique à balayage en Français) pour l’analyse à proprement parlé des matériaux. 

Un focus a été fait sur la tomographie FIB-SEM consistant en l’ablation successive de couches de matériaux conjuguée à une acquisition successive d’images. Ces données font ensuite l’objet d’une reconstruction par superposition d’images pour obtenir une représentation 3D. 

Dans le cadre du CERTeM, cet équipement est partagé entre STMicroelectronics, le GREMAN, le CEA et Silimixt sur des durées fixes de 3 heures pour un taux d’utilisation d’environ 90 %.