Caractérisation de traitement de surface mono à multi-couches - ToF-SIMS

Un traitement de surface est un revêtement déposé à la surface d’un objet par une opération mécanique, chimique, électrochimique ou physique. L’objectif de cette opération est la modification de l'aspect ou de la fonction de surface des matériaux. D’un pare-brise de voiture autonettoyant, des verres de lunettes anti-reflets, anti-rayures, antibuée… aux prothèses médicales antibactériennes, les traitements de surfaces sont utilisés dans une grande majorité des objets de notre quotidien.

Ces revêtements sont si puissants qu’avec une épaisseur de seulement quelques nano- ou micromètres, ils modifient radicalement la fonctionnalité et la performance d'un produit. 

Le plasma est un état de la matière au même titre que l’état solide, liquide ou gazeux. Il n'existe pas de transition de phase pour passer d'un de ces états au plasma et inversement. C’est une matière sous forme d’ions et d’électrons globalement électriquement neutre.  Il peut est visible à l'état naturel à des températures élevées favorisant les ionisations, l'exemple le plus connu sur Terre est la foudre.

Le plasma affiche une réactivité chimique importante lui permettant de modifier la surface de beaucoup de matériaux.

Au niveau industriel, le plasma va être utilisé pour trois types de réaction :
-    Le nettoyage de surface, les technologies plasma permettent d’éliminer toute contamination présentes en surface d’un matériau, qu’elles soient de nature organique ou hydrocarbure.
-    L’activation de surface, le plasma est utilisé afin de modifier la nature de la surface d’un matériau par ajout d’atomes ou de molécules. La polarité de la surface est augmentée et sa mouillabilité adhésive est améliorée afin d’accroître l’adhérence d’une colle, d’un vernis, d’une peinture…
-    Le dépôt de couches minces par plasma est utilisé pour couvrir d’un revêtement ultra fin des surfaces à fonctionnaliser.

La Spectrométrie de Masse d’Ions Secondaires à Temps de Vol (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry " ToF-SIMS ") va permettre l'évaluation chimique de ces couches minces. Cette méthode d’analyse élémentaire et moléculaire à très haute sensibilité de l'extrême surface (‹ 1 nm) est une source précieuse d'information pour la caractérisation de ces dépôts. Le mode profil donne accès à la chimie de distribution en profondeur jusqu'à 20 µm en alternant des cycles d'analyse et d'abrasion avec un clusters d'Argon (GCIB) pour les matériaux organiques ou un canon à Césium (Cs⁺) ou Oxygène (O₂⁺) pour les matériaux inorganiques.

Le ToF-SIMS permet de détecter des traces d'éléments jusqu'au ppb en extrême surface (< 1 nm) et jusqu'à 20 µm en mode profil sur des échantillons de tous types compatibles avec le vide.

En alternant des séquences d’acquisition et d’abrasion, un profil de composition peut être tracé avec une résolution nanométrique en profondeur. Le faisceau d’ions primaires réduit à un spot de faible diamètre balaie la surface à imager. L’optique secondaire d’extraction et d’analyse en masse est fixe. L’image est reconstruite par synchronisation du signal secondaire avec le balayage du faisceau primaire. La résolution latérale des images dépend de la taille du micro-faisceau (de 100 nm à 3 µm de diamètre selon les conditions d’analyse).

TESCAN ANALYTICS possède une expertise de plus de 20 années dans l'utilisation du ToF-SIMS sur tous types de matériaux, isolants ou conducteurs... Avec des instruments de dernière génération, notre équipe d'experts travaille avec l'ensemble des secteurs industriels.

 

Figure 1 : Profil ToF-SIMS d'un wafer recouvert de 40 couches minces


Figure 2 : Image 2D ToF-SIMS de la coupe latérale (a) sur toute la profondeur du profil (b) avec agrandissement sur les couches minces Figure 3 : Image 3D ToF-SIMS de la coupe latérale sur toute la profondeur du profil
 

Une analyse ToF-SIMS en mode profil est réalisée via des cycles d'analyse/abrasion avec une source clusters d'argon. Le profil est acquis sur une profondeur de 1,5 µm et sur une aire de 400 x 400 µm² avec une image tous les 10 scans d'abrasion.

En Figure 1, est présenté le profil chimique des ions d'intérêt du substrat (wafer de silicium) et des différents revêtements déposés à sa surface. Une première couche top coat siliconée d'environ 100 nm est observée. Un revêtement barrière de 1 µm est ensuite détecté, ce dépôt plasma de 40 couches minces est de composition organique azoté. Les ions carbonés présentent 40 pics espacés d'environ 23 nm dans la couche barrière. Une couche d'adhésion de 200 nm sépare cette barrière du substrat exclusivement composé de silicium et visible à partir d'une profondeur de 1.2 µm.




En Figure 2 et 3, les reconstructions latérales en 2 et 3 dimensions sont présentées. La Figure 2 présente une vue 2D de la coupe latérale du substrat recouvert de différentes couches. Sur ces imageries sont visibles chacun des 40 dépôts composant la couche barrière. Il est à noter la très bonne résolution en z de cette imagerie qui permet de distinguer chacune des couches espacées de 23 nm.

Avec une détection des éléments allant jusqu'au ppb et une profondeur d'abrasion jusqu'à 20 µm, le ToF-SIMS donne accès à des profils de distribution en profondeur permettant des reconstructions 3D très instructives pour l'évaluation et le contrôle de revêtement nanométrique. Cette méthode fournit des informations sur la composition élémentaire et moléculaire de chacune des couches ainsi que leur épaisseur.

Le ToF-SIMS est un outil très résolutif pour la caractérisation chimique de dépôts nanométrique. 

Dans d’autres travaux, le ToF-SIMS a été utilisé pour réaliser des cartographies 2D et 3D de contaminants en surface de pièces techniques.

Pour plus de note d'application avec le ToF-SIMS ou nos autres techniques, consultez notre page thématiques.

D'autres techniques complémentaires peuvent être utilisées pour caractériser les couches minces, tels que l'XPS, le TEM ou le SEM.