Brevet FR2503367A1 — publié le 19821008

i 2503367 t"Procédé et dispositif de préparation d'échantillons pour l'examen au microscope électronique". La présente invention concerne les techniques d'amincissement d'échantillons pour la préparation de ma- tières en vue de l'examen au microscope électronique. La résolution élevée que permet d'obtenir la microscopie électronique par transmission fait de cette dernière une technique d'un intérêt exceptionnel pour l'examen de la microstructure de matières. L'examen direct de matières par microscopie électronique par transmission exige que l'échantillon examiné soit transparent aux élec- trons. Par conséquent, l'épaisseur des échantillons doit être limitée à 100 à 200 mm. Il a donc été nécessaire de développer des pro- cédés de préparation d'échantillons de matières ayant des propriétés chimiques et mécaniques très variables. Les matières molles telles que les échantillons biologiques peuvent être préparées par traitement au microtome, bien qu'on rencontre quelquefois des difficultés lorsque des particules dures sont présentes. Pour certains métaux, semiconducteurs et autres matières minérales, les techniques d'attaque chimique et les techniques électrolytiques conviennent. Dans un procé- dé largement utilisé, la matière à amincir est placée dans une cuve d'attaque par un jet, et on observe le processus d'attaque à travers une lentille, avec une source de lu- mière derrière l'échantillon. L'action d'attaque du jet est prolongée jusqu'à la perforation de l'échantillon. Du fait que l'action d'attaque est plus forte au centre du jet qu'à sa périphé- rie, la perforation commence au centre et s'étale vers la périphérie. Ainsi, on arr4te immédiatement le processus d'attaque lorsque la perforation se produit, en rinçant l'échantillon avec un inhibiteur, ce qui laisse autour de la perforation des zones adjacentes qui sont habituel- lement suffisamment minces pour permettre de prendre des micrographies au cours de l'examen au microscope électro- nique. Pour les matières pour lesquelles il n'existe pas d'agents d'attaque chimique appropriés, comme certains verres, les céramiques et des échantillons géologiques, on a essayé diverses techniques de préparation mécanique. On peut broyer les échantillons et sélectionner des éclats fins, ou bien on peut produire des coupes minces par un polissa- ge mécanique très soigné. Ces opérations nécessitent une habileté considérable et ne peuvent généralement pas 9tre appliquées à des matières granulaires cassantes avec des vides. Une grande variété de matières qui ne se prêtent pas au traitement chimique peuvent être amincies par éro- sion ionique. Dans un équipement d'amincissement connu de type caractéristique, des faisceaux d'ions d'environ 2 mm de diamètre provenant de deux sources tombent en position cen- trale sur les deux faces d'un échantillon. On laisse le faisceau d'ions former un trou ou une perforation dans l'échantillon, le faisceau agissant d'une manière similaire à celle du jet chimique pendant l'attaque chimique. Lorsque la perforation se produit on arrête immédiatement le fais- ceau d'ions pour laisser autour de là perforation des zones minces adjacentes qui sont transparentes aux électrons. L'érosion ionique s'est avérée 9tre un outil de valeur croissante pour les personnes utilisant la micros- copie électronique, en particulier celles qui ont à exami- ner des classes de matières telles que les céramiques, les semiconducteurs dopés avec des impuretés et les alliages. Il appara t cependant une difficulté dans le cas des matières ioniques et covalentes, du fait que le bombardement par les particules chargées du faisceau d'ions peut avoir un effet nuisible sur la structure de la matière. L'invention a pour but d'offrir un procédé d'amincissement d'échantillons par bombardement de l'échan- tillon avec des particules, ce procédé faisant disparaître les défauts des techniques connues d'érosion ionique, dans le cas de matières ioniques et covalentes. L'invention consiste en un procédé de préparation 3 2503367 d'échantillons convenant à l'examen par les techniques de microscopie électronique, dans lequel on établit une source qui produit un faisceau de particules énergétiques non chargées ou neutres, et on irradie un échantillon avec le faisceau de façon à éroder l'échantillon jusqu'à la pénétration et à produire une zone entourant le point de pénétration qui a une épaisseur appropriée pour la transmission d'électrons. Le procédé d'amincissement d'échantillons de l'invention, avec un faisceau neutre, est particulièrement avantageux dans le cas de matières ioniques et covalentes, du fait que l'absence de charge de surface réduit la mi- gration de tout constituant chargé mobile de la matière qui est amincie. L'amincissement de l'échantillon au moyen d'une source de faisceau neutre peut 4tre effectué en utilisant deux faisceaux neutres de part et d'autre de l'échantillon et en amincissant l'échantillon jusqu'à la pénétration. On peut employer une technique plus rapide qui consiste à utiliser une seule source, avec la position de l'échantil- lon proche de l'ouverture d'émission du faisceau de la source, à l'endroit o l'intensité et donc la puissance d'érosion du faisceau de particules neutres sont les plus grandes. On peut employer n'importe quelle source eapable de produire un faisceau de particules chargées qui peuvent ensuite être neutralisées avant de tomber sur l'échantil- lon, et de telles sources sont bien connues de l'homme de l'art. On peut par exemple faire passer des ions à tra- vers un tube d'échange de charges à résonance, et projeter le faisceau neutre résultant sur l'échantillon. Une techni- que préférée consiste à utiliser une source à champ en forme de selle, avec un faisceau de sortie neutre, ce qui élimine le tube d'échange de chargesqui est encombrant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre non limitatif. La suite de la description se réfère au dessin annexé qui représente une vue en perspec- tive des principaux éléments d'un dispositif d'amincisse- ment capable d'émettre un faisceau de particules neutres. Comme on l'a mentionné précédemment, on connaît la technique d'amincissement par érosion ionique pour des échantillons destinés à être utilisés en microscopie élec- tronique, et la source d'ions à champ en forme de selle convient pour produire le faisceau neutre nécessaire à la mise en oeuvre de l'invention. La figure représente un dispositif d'amincisse- ment destiné à amincir des échantillons avec un faisceau neutre. Il comprend deux sources à champ en forme de selle et à faisceau neutre fin, 1 et 2, qui produisent des fais- ceaux neutres 3 et 4 d'environ 1,5 mm de diamètre, à par- tir des ouvertures de cathode 5. Les faisceaux neutres sont dirigés de façon à passer par le centre d'un support d'échantillon tournant 6 dont le centre P se trouve sur l'axe du pivot d'un bras 7 qui supporte les deux sources 1 et 2. Le bras 7 est entraené par un servomoteur 8 par l'intermédiaire d'un arbre tournant 9. Le bras tournant 7 peut 9tre réglé à un certain angle par rapport au plan du support d'échantillon 6, de 00 (incidence rasante) jusqu'à 180 en passant par 900 (incidence normale), et on peut le faire pivoter pour l'amener à n'importe quelle orientation entre ces limites. Au cours d'un processus d'amincissement, la ma- tière est enlevée de façon commandée de part et d'autre de l'échantillon par exposition aux faisceaux neutres provenant des deux sources 1 et 2 diamétralement opposées. L'échantillon est éclairé et on peut l'observer pendant le traitement au moyen d'un microscope binoculai- re (non représenté) qui est monté au-dessus du dispositif. Bien que l'amincissement de l'échantillon en utilisant le dispositif décrit, avec un faisceau neutre, puisse être effectué au moyen de deux sources de faisceau neutre situées de part et d'autre de l'échantillon, avec l'échantillon maintenu normalement à 2 cm de l'ouverture de la source, on peut employer une technique plus rapide en n'utilisant qu'une seule source. L'échantillon est alors positionné aussi près que possible de l'ouverture d'émission de faisceau (en respectant la possibilité d'in- sertion et d'enlèvement de l'échantillon entre la source et le support d'échantillon 6), à l'endroit o l'intensité et donc la puissance d'érosion du faisceau de particules neutres sont les plus grandes. En pratique, la puissance de faisceau préférée pour la source correspond à une ten- sion dans la plage de 4 à 8 kV, avec un courant de plasma s'élevant jusqu'à 0,5 mA. L'amiincissement d'échantillons isolants en uti- lisant un faisceau constitué exclusivement par des parti- cules neutres est plus rapide qu'avec un faisceau d'ions ou un faisceau constitué par un mélange d'ions et de par- ticules neutres de m6me énergie et de même densité de flux. Pour comparer les effets du bombardement avec des ions et avec des particules neutres sur la stoechiomé- trie, on a bombardé des échantillons minces d'oxyde de magnésium, par un coté de l'échantillon, en procédant sé- parément avec des ions et des particules neutres. En ap- pliquant 6 kV à la source à champ en forme de selle, l'analyse par rayons X a montré que la concentration de cations à la surface non amincie a augmenté de 80% sous l'effet du bombardement par des ions, tandis que l'augmen- tation a été de 20 % avec un bombardement par des particu- les neutres. De plus, la vitesse de pulvérisation de l'oxy- de avec une source neutre était supérieure de 15 % à cette même vitesse avec une source d'ions ayant la même densité de flux. Pour expliquer cet effet, on suggère que les ions chargés positivement dans un faisceau d'ions exercent des forces électrostatiques sur les ions situés dans l'échantillon. La force attractive sur les anions produit une augmentation de la pulvérisation préférentielle des ions oxygène avec une création associée d'une région de surface chargée positivement. Les forces électrostatiques 6 2503367 répulsives provenant à la fois du faisceau et de la surface produisent ainsi une force d'entraînement qui chasse les cations de la surface amincie. Avec un faisceau neutre, ces forces d'entraîne- ment sont réduites. Cependant, une certaine charge de sur- face positive peut encore demeurer, à cause de l'émission d'électrons secondaires. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent etre apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVEIDICATIONS 1. Procédé de préparation d'échantillons conve- nant à l'examen par les techniques de microscopie électro- nique, caractérisé en ce qu'on établit une source (1, 2) destinée à produire un faisceau (3, 4) de particules éner- gétiques non chargées ou neutres, et on irradie un échan- tillon avec le faisceau, afin d'éroder l'échantillon jus- qu'à la pénétration et de produire une zone entourant le point de pénétration qui a une épaisseur appropriée pour la transmission d'électrons. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillon est maintenu aussi près que pos- sible de l'ouverture (5) de la source, c'est-à-dire à un endroit o l'intensité et donc la puissance d'érosion du faisceau neutre sont les plus grandes, afin d'amincir rapidement l'échantillon jusqu'à la pénétration. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on emploie une paire de sources de faisceau neu- tre (1, 2) pour agir respectivement de part et d'autre de l'échantillon, afin d'amincir l'échantillon jusqu'à la pénétration. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la source est une sour- ce à champ en forme de selle. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la source comprend une source d'ions et un tube à échange de charges à résonance. 6. Dispositif destiné à la préparation d'échan- tillons convenant à l'examen par les techniques de micros- copie électronique, caractérisé en ce qu'il comprend un support (6) destiné à supporter un échantillon, et une source (1, 2) destinée à produire un faisceau de particules neutres (3, 4) et disposée par rapport à l'échantillon de façon qu'au cours de l'utilisation, le faisceau produit par la source soit dirigé sur l'échantillon afin d'amincir ce dernier jusqu'à la pénétration. 7. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce qu'une source est positionnée de chaque côté de l'échantillon, de façon que Luxsfaisceawu (3, 4) puissent 9tre dirigés sur l'échantillon pour amincir une partie de celui-ci jusqu'à la pénétration. 8. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 6 ou 7, caractérisé en ce que la source est une source d'ions à champ en forme de selle qui est modifiée pour produire un faisceau de particules neutres. 9. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 6 ou 7, caractérisé en ce que la source comprend une source d'ions et un tube à échange de charges à réso- nance qui est associé à la source d'ions pour produire le faisceau neutre.