Brevet FR2626976A1 — publié le 19890811

Procédé et dispositif pour l'analyse quantitative et différentielle en profondeur d'échantillons solides en mettant en oeuvre deux faisceaux d'ions." L'invention concerne un procédé et un dispo- sitif pour l'analyse quantitative et différentielle en profondeur d'échantillons solides en mettant en oeuvre deux faisceaux d'ions, procédé consistant en la combi- naison de la rétrodiffusion (rutherford) d'ions légers et la pulvérisation de corps solides par bombardements avec des ions mi-lourds ou lourds. L'invention est basée sur la notion que la capacité de rendement du procédé d'analyse connu en tant que spectrométrie par rétrodiffusion (rutherford) peut être notablement étendue et augmentée lorsque ce procédé est utilisé en combinaison avec une pulvérisa- tion de corps solides induite par des ions. Le principe et les applications de la spec- trométrie par rétrodiffusion ont été décrits en détail par W.-K. Chu, J. Mayer et M.-A. Nicolet dans l'ouvra- ge "Backscattering Spectrometry" (Academic Press, New York 1978). La nomenclature utilisée dans cet ouvrage est également utilisée couramment dans la description ci-après de l'invention. Les références à des égalités ou à des passages afférents de cet ouvrage seront pré- cédés de l'abréviation "Chu et al.". Dans le procédé de spectrométrie par rétro- diffusion, un faisceau d'ions légers rapides (en géné- ral He+ ou bien He2+) est dirigé sur un échantillon. L'information souhaitée sur la composition de cet échantillon, est obtenue par mesure du spectre d'éner- gie des particules primaires diffusées sous l'angle 8 dans l'élément d'angle spatial AQ. S'il se trouve un atome de masse M2 à la profondeur z de l'échantillon, z étant mesuré perpendiculairement à la surface de l'échantillon, une particule primaire de masse M1 et d'énergie initiale Eo, présente lors de sa sortie de l'échantillon, après la diffusion en M2, l'énergie E1 qui peut être représentée sous la forme (Chu et al., paragraphes 3.2.1, 3.2.2.): E1 = KEo - [ e] Nz (1) avec [] = K úe/cosSe + (Ea/cos6a). (2) Dans ce cas, K est ce que l'on appelle le facteur cinématique, qui pour un angle de diffusion donné 8 ne dépend que du rapport des masses M2/M1 (Chu et al., paragraphe 2.2 ainsi que tableaux II à V). La grandeur 8 désigne l'effort de freinage moyen de l'é- chantillon pour la particule primaire sur son trajet entre la surface et le centre de diffusion M2 (indice e' ou bien 'a' pour les particules entrantes ou sor- tantes). 8e et 8a caractérisent les angles entre les normales à la surface et les directions de propagation du faisceau de particules entrant ou bien sortant. N est la densité de l'échantillon en atomes par cm3. Sans autre information sur la composition de l'échantillon examiné, l'équation (1) ne peut être ré- solue car il s'agit, même si l'on connaît e, d'une équation à deux inconnues, à savoir K et z. Le problème à la base de l'invention consis- te à mettre en oeuvre le procédé précité de façon à éviter le manque de netteté du spectre de rétrodiffu- sion. La solution à ce problème est caractérisée en ce que l'échantillon est progressivement érodé par pulvérisation entre deux analyses successives par ré- tro-diffusion, de sorte que, non seulement l'échelle de masse et l'échelle de profondeur sont découplées dans le spectre de rétrodiffusion, mais qu'également des zones profondes de l'échantillon sont susceptibles d'être saisies par le faisceau d'analyses, et elle prévoit, conformément à l'invention, que l'on enregis- tre tout d'abord un spectre de l'échantillon non trai- té (désigné ici sous le nom de spectre zéro). Ensuite, en mettant en oeuvre un faisceau d'ions lents et lourds (par exemple Ar4), un élément d'épaisseur de couche Az est enlevé de l'échantillon par pulvérisa- tion et ensuite, un autre spectre de rétrodiffusion est enregistré, (spectre j). Du fait de l'érosion de la quantité Az, les structures caractéristiques ob- servées sur le spectre zéro sont décalées dans le spectre j vers des énergies plus élevées, conformément à l'équation (1) de la quantité: AE,j = [e] N zj (3) En mesurant Aj et Aj, il est ainsi possible, conformément à l'égalité (2) en connaissant 8e et O., d'avoir une détermination univoque de K et donc de M2, dans la mesure o l'effort de freinage dépendant de l'énergie e = e(E) est connu par la littérature (par exemple par l'ouvrage de Chu et al., tableau VI). Cet- te situation se présente lorsqu'il s'agit d'un échan- tillon avec des impuretés inconnues mais avec des constituants principaux connus. Si E(E) est inconnu, alors l'érosion de l'é- chantillon par pulvérisation doit être poursuivie jusqu'à ce que les atomes de masses M2*, qui font ap- paraître une structure déterminée dans le spectre de rétrodiffusion, atteignent la surface du moment. Dans ce cas, la profondeur z' du moment, définie par la re- lation: k z' = z - rAzj (4) j = O est devenue nulle, de sorte que K (M2*) selon l'équa- tion (1) est déterminé de façon univoque: K (M2*) = E1 (Z' = 0) /Eo (5) Le procédé conforme à l'invention est carac- térisé en ce que l'échantillon est progressivement érodé par pulvérisation entre deux analyses successi- ves par rétrodiffusion, de sorte que, non seulement l'échelle de masses et l'échelle de profondeurs sont découplées dans le spectre de rétrodiffusion, mais qu'également des zones profondes de l'échantillon sont susceptibles d'être saisies par le faisceau d'analy- ses. Suivant une autre caractéristique de l'in- vention, pour obtenir une résolution élevée en profon- deur dans les zones voisines de la surface, l'analyse par rétrodiffusion s'effectue avec une incidence ra- sante du faisceau d'ions et/ou une sortie rasante des particules de diffusion saisies par le détecteur, tan- dis que la pulvérisation pour réduire les zones at- teintes par le rayonnement s'effectue avec une énergie ionique réduite et une incidence rasante des ions, de sorte que les zones profondes de l'échantillon sont mises à nu pour une analyse avec une résolution élevée en profondeur. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus indiqué, caractérisé en ce que les deux faisceaux d'ions sont dirigés successivement ou simultanément sur la même zone superficielle de l'échantillon à analyser avec un angle d'incidence susceptible d'être présélectionné à volonté pour chaque faisceau. L'invention va être exposée plus en détail ci-après à l'aide d'un exemple simple, au moyen des figures. - La figure i (en liaison avec les dessins a, b, c, d e et a', b', c', d', e') montre un échantillon multi- couches avec une structure esquissée sur la figure la. - La figure 2 montre un schéma des effets de la pulvé- risation d'ions lourds avec un bombardement plat. - La figure 3 montre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. On suppose qu'il s'agit d'un échantillon multi-couches avec la structure esquissée sur la figu- re la. Sur une infrastructure ne présentant pas d'au- tres intérêts ici, se trouve une couche épaisse 18 en silicium polycristallin (poly-Si), qui est muni d'une couche de recouvrement 19 en bi-oxyde de silicium (SiO2). Une étroite zone 20 de la couche de poly-Si 18 est dopée avec de l'arsenic. Le spectre de rétrodiffusion d'un tel échan- tillon est représenté schématiquement sur la figure la'. Les flèches verticales caractérisent selon l'é- quation (5), l'énergie relative E1 (z'=0)/Eo pour les éléments 160, 28Si, 75AS et 131Xe. Si maintenant, de minces couches de cet échantillon, comme cela est es- quissé sur les figures lb à le, sont successivement enlevées par pulvérisation, par exemple par bombarde- ments avec des ions xénon d'une énergie de quelques keV, les spectres de rétrodiffusion se modifient alors de la façon représentée sur les figures lb' à le'. A partir de la position des paliers et des maxima carac- téristiques et éventuellement de leur migration lors- que la pulvérisation progresse, on peut, en utilisant les équations (5) et (1) identifier les éléments con- tenus dans l'échantillon, et déterminer leur position ou leur profondeur dans l'échantillon. Le procédé conforme à l'invention est en particulier surtout utile lorsque, comme dans l'exem- ple de la figure 1, des éléments d'impuretés ou de do- page de masses M2,i se trouvent à la profondeur Z rétrodiffusion, à une superposition des signaux provo- qués par les deux sortes d'atomes pour l'énergie El. Le "bruit de fond" (voir signal arsen sur la figure la'), très gênant pour une détermination quantitative de la concentration des atomes M2,i et provoqué par des signaux de matrice, peut être évité lorsque une couche d'épaisseur z est enlevée par pulvérisation de l'échantillon, de sorte que z - Az gration du signal arsen sur les figures la' à lc'). Un second avantage du procédé conforme à l'invention consiste en ce que, par combinaison du procédé de rétrodiffusion avec la pulvérisation indui- te par bombardements, même des zones se situant en profondeur dans l'échantillon, peuvent être analysées. Sans cette combinaison avec l'érosion par pulvérisa- tion, la profondeur maximale Zm, susceptible d'être atteinte lors de la rétrodiffusion, peut être évaluée à l'aide de l'équation (1) en posant l'énergie E1 de radiodiffusion égale à zéro, c'est-à-dire que: Zm. = KEo/N [C]. (7) La limitation indiquée par l'équation (7) est évitée, conformément à l'invention lorsqu'entre deux analyses successives par rétrodiffusion, un élé- ment d'épaisseur de couche approprié Az est enlevé de l'échantillon. Pour pouvoir déterminer sans lacune la composition de l'échantillon en fonction de la profon- deur, l'épaisseur Azj devrait être choisie de façon que les spectres de rétrodiffusion déterminés avant et après la pulvérisation, se chevauchent partiellement, c'est-à-dire que: azj= Az.a (8) avec 0,2 en profondeur non seulement au voisinage de la surfa- ce, mais également, à des profondeurs très importan- tes. Selon l'équation (1) la résolution en profondeur z peut être représentée sous la forme: /dz/ = 6E1/N [E] (9) Il découle de cette équation (9) que dz est d'autant plus petit, c'est-à-dire que la résolution en profondeur est d'autant meilleure, que E est plus pe- tit et que [ú] est plus grand. L'étendue d'énergie ÈE1 se compose de deux parties, la résolution d'énergie prédéfinie dEr du dispositif de rétrodiffusion et la diffusion d'énergie Es (Chu et al., paragraphe 7.4): 6El={ (ÈEr) 2+(ÈE) 211/2 (10) La diffusion de l'énergie croît proportion- nellement à la racine carrée de la longueur du trajet parcouru par le faisceau dans l'échantillon. Une bonne résolution d'énergie ÈEr ne peut ainsi être pleinement utilisée que lorsque 6Es est notamment valable lorsque la mesure de rétrodiffu- sion pour augmenter la résolution en profondeur dz s'effectue pour un facteur de freinage élevé [e], c'est-à-dire pour une entrée et/ou une sortie plate du faisceau d'analyses (Chu et al., paragraphe 7.5). La zone saisie avec une résolution en profondeur élevée est alors très étroite. Pour encore examiner l'échan- tillon avec une résolution en profondeur élevée même à une profondeur plus importante, l'échantillon est, conformément à l'invention, érodé progressivement par pulvérisation. Dans ce cas, il est utile d'effectuer la pulvérisation avec des ions lourds (par exemple Xe+) d'une énergie de moins de 1 keV avec un bombarde- ment plat (0pulvérisation > 60). De cette façon, on obtient que la zone 21 endommagée par le rayonnement produite lors de la pulvérisation ne s'étende que jusqu'à une faible profondeur (voir figure 2). Un dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé conforme à l'invention est représenté sur la fi- gure 3. Le faisceau d'ions légers rapide 1 est délivré par un accélérateur non représenté ici plus en détail, et comportant un aimant d'analyses correspondant. Sur son trajet le long du tube à faisceau 2 mis sous vide, le faisceau est colimaté au moyen des diaphragmes 3 à 6, avant qu'il atteigne l'échantillon 7 (18 à 20). L'échantillon 7 peut tourner autour de l'axe v perpen- diculaire au plan du dessin et il peut être déplacé en direction des axes u, v, ou bien w. Les ions 17 rétro- diffusés par les atomes de l'échantillon 7, sont enre- gistrés par le détecteur 8 et traités dans une élec- tronique d'identification branchée à la suite, et non représentée sur le dessin. Le faisceau d'ions 9 mis en oeuvre pour la pulvérisation, est produit au moyen d'un petit accélé- rateur 10. Pour la filtration de masses ou de vites- ses, le faisceau 9 passe à travers un filtre de Wien 11 et un diaphragme 12. Au moyen d'une lentille unique g 13, le faisceau 9 est focalisé sur l'échantillon 7. Par application de tensions appropriées dépendantes du temps à la double paire de plaques 14, le faisceau ainsi focalisé peut être déplacé suivant une trame sur l'échantillon 7, de sorte qu'une surface de grandeur A, est bombardée en moyenne dans le temps avec une densité de courant constante. L'érosion uniforme de l'échantillon 7 (18 à 20) est ainsi garantie sur la surface As. Afin d'obtenir pour un courant prédéfini du faisceau d'ions 9, une vitesse d'érosion élevée, la surface A. doit être égale ou seulement peu supérieure à la surface Ar atteinte par le faisceau d'analyses 1. Pour des analyses avec une incidence plate, c'est-à-dire pour 80' beaucoup plus réduite que la hauteur bv de la fente. Pour une divergence suffisamment réduite du faisceau 1, on obtient dans le cas bu = b, cos O., que Ar ait une forme quadratique avec des longueurs d'arêtes by. Les mesures absolues du flux d'ions arrivant sur l'échantillon 7 peuvent être exécutées à l'aide du Bêcher de Faraday 15 ou bien 16. Pour la mesure du flux, les axes du faisceau correspondant sont libérés en un court instant. Cela peut être atteint grâce au mode opératoire de prise d'échantillon dans une des directions u, v ou w. En ce qui concerne la disposition des axes des faisceaux i et 9 l'un par rapport à l'autre, il n'y a pas de limitation. Il doit simplement être ga- ranti que l'échantillon 7 puisse être irradié respec- tivement par les deux faisceaux 1, 9 sous un angle d'incidence susceptible d'être librement choisi. Il y a lieu en outre, de prévoir une chambre d'analyse (non représentée) avec un manipulateur d'échantillon et des moyens pour déterminer l'énergie des ions légers dif- fusés sur les atomes de l'échantillon. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour l'analyse quantitative et différentielle en profondeur d'échantillons solides, procédé consistant en la combinaison de la rétrodiffu- sion (rutherford) d'ions légers et la pulvérisation de corps solides par bombardements avec des ions mi- lourds ou lourds, procédé caractérisé en ce que l'é- chantillon (7) est progressivement érodé par pulvéri- sation entre deux analyses successives par rétro- diffusion, de sorte que, non seulement l'échelle de masse et l'échelle de profondeur sont découplées dans le spectre de rétrodiffusion, mais qu'également des zones profondes de l'échantillon (7) sont susceptibles d'être saisies par le faisceau d'analyses (1). 2.- Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que, pour obtenir une résolution élevée en profondeur dans les zones voisines de la surface, l'analyse par rétrodiffusion s'effectue avec une inci- dence rasante du faisceau d'ions (1) et/ou une sortie rasante des particules de diffusion saisies par le dé- tecteur (8), tandis que la pulvérisation pour réduire les zones atteintes par le rayonnement, s'effectue avec une énergie ionique réduite, et une incidence ra- sante des ions, de sorte que les zones profondes de l'échantillon (7) sont mises à nu pour une analyse avec une résolution élevée en profondeur. 3.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dispositif constitué par un accélérateur pour obte- nir un faisceau d'ions légers rapides (par exemple H+, He+, He2+, Li+) avec une énergie de l'ordre de 0,1 à 5 MeV, un autre accélérateur étant prévu pour obtenir un faisceau d'ions lents, mi-lourds ou lourds (par exem- ple Ar+, Xe+) avec une énergie d'environ 0,5 à 10 keV, une chambre d'analyse étant également prévue avec un manipulateur d'échantillons et des moyens pour déter- miner l'énergie des ions légers diffusés sur les ato- mes de l'échantillon, dispositif caractérisé en ce que les deux faisceaux d'ions (1, 9) sont dirigés succes- sivement ou simultanément sur la même zone superfi- cielle de l'échantillon (7) à analyser, avec un angle d'incidence susceptible d'être présélectionné à volon- té pour chaque faisceau.