Une analyse de surface des couches minces

La spectroscopie à décharge luminescente SDL (angl. GDOES pour Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy) est une méthode d’analyse élégante et rapide pour analyser des matériaux revêtus et traités superficiellement. Elle permet d’effectuer une analyse chimique quantitative des surfaces métalliques et non métalliques. L’épaisseur de la couche superficielle à analyser se trouve typiquement dans le domaine micrométrique. L’analyse SDL fournit, d’une part, la composition chimique de la couche, d’autre part, un profil quantitatif de la couche superficielle (composition chimique en fonction de l’épaisseur).

 

Fig. 1: Profil en profondeur d’un disque dur ayant un cratère de mesure typique.

Des couches minces

Nous avons déjà présenté le principe de la spectroscopie à décharge luminescente dans cette revue [1]. Le but de cette deuxième contribution est de se focaliser sur l’analyse SDL des couches minces ayant une épaisseur inférieure à 1 µm.

Au cours des dernières années, la tendance des matériaux et composants revêtus en utilisant la technologie des couches minces (comme CVD, PVD), a de plus en plus évolué vers des couches minces jusqu’à l’échelle nanométrique. Celles-ci sont utilisées dans de nombreux domaines, tels que la microtechnique, la protection contre l’usure, l’optique ou la technique solaire. Avec la réduction de l’épaisseur de la couche, les exigences sur les méthodes d’analyse sont devenues plus grandes.

L’analyse des couches minces est typiquement réalisée par spectrométrie photoélectronique X (XPS), spectroscopie Auger (AES) ou spectrométrie de masse à ionisation secondaire (SIMS). Ces méthodes plutôt onéreuses peuvent souvent être remplacés par la méthode SDL, qui est beaucoup moins cher et qui devient donc de plus en plus concurrentielle envers les méthodes mentionnées ci-dessus. Cela est particulièrement le cas lorsque la composition chimique et la distribution des éléments dans la couche sont à analyser.

 

L’analyse des couches minces…

Bien que l’analyse SDL n’ait pas été conçue pour la plage des couches minces (<1 µm), il est parfaitement possible, aujourd’hui, par modification de la technique de mesure (allumage du plasma, propreté de la source, conditions de plasma optimales, ainsi qu’une faible rugosité de l’échantillon), d’obtenir d’excellents résultats des profils quantitatifs dans le domaine submicrométrique. Par rapport à d’autres méthodes, le temps de mesure par SDL est nettement plus court.

Le profil de profondeur dans la figure 1 montre la mesure SDL (GDA Spectruma 750) des couches supérieures d’un disque dur d’ancienne génération. Le temps de mesure pour le profil de profondeur de 400 nm est de 5 s environ. De plus, on remarque le cratère de mesure d’un diamètre de 2,5 mm et d’une profondeur d’environ 2 µm, dû au fait que le matériau a été pulvérisé durant la mesure (enregistrement avec l’interféromètre de lumière blanche Sensofar).

La figure 2 montre les profils de profondeur de deux échantillons d’un acier à ressort revêtu de cuivre et de zinc: à gauche, la mesure sur un échantillon revêtu correctement, à droite la mesure sur la décoloration d’une couche défectueuse. La quantification des mesures montre des différences importantes dans la composition de la couche en cuivre-zinc. De telles mesures peuvent être très utiles pour résoudre des problèmes dans certains processus de production.

 

... jusqu’à des couches ultra minces

La notion de couche ultra mince (les disques durs de dernière génération, par exemple) est généralement utilisée pour des épaisseurs de couches dans la plage du nanomètre (<10 nm). Des analyses SDL de ces couches ultra minces sont possibles, lorsqu’on arrive à stabiliser les paramètres de mesure et faire la lecture des données en quelques ms.

Dans des cas extrêmes, on peut même rendre visible des couches atomiques. Cela a permis au groupe de recherche à Shimizu, en 2004, de détecter par SDL-RF une monocouche d’un film de thiourée sur un substrat de cuivre poli [2].

 

Bibliographie

[1] Oberflächen Polysurfaces, 2011, Nr. 5, S. 21

[2] Shimizu K. et al: J. Anal. At. Spectrom., 19, 2004, S. 692-695

 

Marcel Baak, Dr chim.

Thomas Nelis, Dr rer. nat.

Gerhard Tschopp,
ing. chim. ETS

 

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