Physique de l’évaporation par effet de champ du silicium sous éclairement Laser ultra court : application à la sonde atomique

par Matthieu Gilbert

Thèse de doctorat en Physique. Sciences des matériaux

Sous la direction de Bernard Deconihout.

Soutenue en 2008

à Rouen .

mots clés

• Redressement optique
• Interactions laser matière
• Silicium
• Lasers femtoseconde
• Photoionisation
• Sondes atomiques tomographiques

Résumé

La sonde atomique est un microscope analytique donnant la distribution tridimensionnelle d’ions identifiés par spectrométrie de masse à temps de vol. Cet instrument pourrait jouer un rôle important dans le domaine de la microélectronique par l’utilisation d’impulsions Laser femtosecondes. Ce travail de thèse est la seconde étape du développement de ce nouvel l’instrument. Nous discutons des différents mécanismes pouvant conduire à l’ionisation des atomes de silicium. Nous montrons que la durée d’émission est un paramètre important. Elle est mesurée par un dispositif de mesure pompe sonde. Le cœur de ce travail porte sur la physique de l’évaporation du silicium. Nous avons mis au jour un mécanisme de photo ionisation résonnante, un mécanisme d’évaporation par redressement du champ optique et un mécanisme d’ionisation par échauffement. Chacun de ces mécanismes est discuté en fonction des observations expérimentales. Enfin, un scénario, basé sur la dynamique des porteurs est proposé.

Titre traduit

Field evaporation of silicon under ultra short Laser illumination : application to the tomographic atom probe

Résumé

The tomographic atom probe is a 3D analytical microscope. Ions are identified by time of flight mass spectrometry. This instrument could have a key role in the microelectronic field. The use of femtosecond Laser pulses permits the overcome of the analysis of resistive materials. We discuss on the different mechanisms which could lead to the ionisation of the specimen’s surface atoms. Through experiences gone on metals, we show that one of the pertinent parameter is the ionic emission duration. It could be measured by a pompe probe experiment. The heart of this work consists in the study of the physic of the field evaporation of silicon. Thus, we brought to light a photoionisation mechanism, a field evaporation mechanism due to an optical rectification process and a thermal pulsing mechanism. Each of these mechanisms is discuss regarding the experimental observations. Finally, a storyline, based on the carriers dynamic describes the overlapping of these different mechanisms is proposed.