Principe
I
fluorescence
II Absorption
III Géométrie
IV Analyse
des spectres
PrincipeLorsqu'un faisceau d'électrons traverse un échantillon il interagit avec celui-ci de deux manières : soit l'interaction est élastique, c'est-à-dire sans perte d'énergie, soit elle est inélastique, c'est-à-dire avec perte d'énergie pour les électrons incidents.
La fluorescence X fait partie des phénomènes de la seconde catégorie.
I fluorescenceLorsqu'un électron interagit de manière inélastique, l'atome avec lequel a eu lieu l'échange absorbe une certaine quantité de cette énergie et donc passe à un état excité. Au bout d'un moment il y a relaxation et retour à l'état initial par émission d'un photon X ou d'un électron dit Auger. Les électrons Auger sont très vite absorbés par le matériau, nous ne pouvons donc pas les détecter en microscopie électronique en transmission conventionnelle, c'est pourquoi nous nous attacherons à exposer seuls les principes de l'analyse X.
Les rayons X recueillis procèdent de l'ionisation du matériau, leur quantité est donc liée à sa section efficace d'ionisation.
Le rendement de fluorescence d'un atome, c'est-à-dire la fraction d'atomes ionisés qui donne naissance à un photon X, est très dépendant de son numéro atomique Z :
w = Z4/(Z4 + c)
Avec c constante variant de 106 à 109 selon la couche atomique ( K, L ou M).
Cette équation de Wentzel montre que sont mieux détectés les X des atomes lourds et des couches profondes. Pour les atomes légers nous utiliserons les pertes d'énergie décrites au chapitre suivant.
A ces variations de rendement dues au matériau lui-même
s'ajoute sa diminution liée au système de détection.
II AbsorptionLa détection des rayons X se fait généralement en utilisant les propriétés de photoélectricité d'un cristal de silicium dopé au lithium . Pour réduire la conductivité de ce dernier et pour stabiliser le lithium, le cristal est refroidi à la température de l'azote liquide. Ceci entraîne une contrainte : le cristal doit être sous vide afin d'éviter que du givre ne se forme sur sa surface. Comme le vide n'est pas permanent dans la colonne d'un microscope puisqu'il y a des entrées et sorties d'échantillon, la diode est isolée de la colonne par une fenêtre de Béryllium ou de polymères.
De plus l'effet diode est obtenu en déposant une mince couche métallique ( de l' or ), sur le cristal. La fenêtre et la couche d'or absorbent les rayons X émis par l'échantillon.
Et naturellement le nombre de photons détectés est proportionnel à la surface du détecteur.
III GéométrieDe plus l'émission X , à cause de la géométrie de l'échantillon et du faisceau, n'est pas isotrope et la position du détecteur joue un rôle important dans le rendement du système.
Pour recueillir un maximum de rayons émis, il faut donc placer le détecteur au plus près de l'échantillon, en choisissant bien son orientation, pour ce faire un logement est aménagé dans la lentille objectif du microscope.
Nous voyons par cette description succincte que beaucoup de phénomènes interviennent dans la formation et la trajectoire des rayonnements émis. Pour une évaluation quantitative des éléments composant le matériau il faut pouvoir les évaluer.
Pour ce faire une modélisation atomique est nécessaire, autant le modèle hydrogénique est maintenant bien modélisé, autant il est plus difficile de modéliser les atomes plus lourds et donc de déterminer de manière précise la section efficace d'ionisation , ainsi que les coefficients de fluorescence et d'absorption des atomes.
Du fait que ces coefficients interviennent pour l'échantillon,
la fenêtre, la couche métallique et le semi conducteur, nous
obtenons difficilement une valeur absolue des quantités détectées
et en pratique l'analyse des spectres se fait de manière comparative
à partir d'échantillons témoins et en donnant un rapport
de concentration.
IV Analyse des spectres+ connaître le plus parfaitement possible l'épaisseur de l'échantillon analyséNous avons vu qu'un matériau absorbe les rayons X, a fortiori le matériau lui-même qui les émet. Donc, pour cette analyse comparative, plusieurs précautions sont à prendre :
+ travailler dans les mêmes conditions d'illumination du matériau
+ travailler dans les mêmes conditions d'orientation de l'échantillon
+ faire les analyses avec le même détecteur.
+ faire la comparaison avec un échantillon de composition proche, ou tout au moins de même matrice.
Les deux étapes les plus difficiles à maîtriser sont la mesure d'épaisseur ( cf page principes de microscopie) et l'obtention d'un échantillon étalon.
Nous avons, grâce à cette méthode, pu obtenir un profil de concentration d'arsenic dans une zone dopée du silicium et mesurer des concentrations inférieures au millième.
figure : Profile As dans Si