Etude de l'évaporation par effet de champ en sonde atomique tomographique : application à la métrologie de l'instrument

par Maria Theresa Gruber

Thèse de doctorat en Physique - Sciences des matériaux

Sous la direction de Bernard Deconihout et de François Vurpillot.

Soutenue en 2012

à Rouen , dans le cadre de École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime....-2016) , en partenariat avec Groupe de physique des matériaux (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1996-....) (laboratoire) .

mots clés

• Sondes atomiques tomographiques
• Surfaces (physique)
• Surfaces -- Défauts
• Monte-Carlo, Méthode de

Résumé

La sonde atomique tomographique est un instrument unique de nano analyse 3D à très haute résolution spatiale. Depuis le récent développement de la sonde atomique tomographique assistée par impulsions laser ultra courtes, l'instrument, autrefois confiné aux matériaux métalliques, a été ouvert au monde des dispositifs micro électroniques. Son champ de vision 3D (environ 100x100x100 nm3) avec une résolution spatiale inférieur à un 1 nm (dans les 3 dimensions) et la qualité des compositions chimiques mesurables en font un outil de choix pour la compréhension de la relation entre la distribution chimique à cette échelle et les propriétés macroscopiques des dispositifs. Dans ce microscope, la formation de l’image dépend de la forme de l’échantillon même, qui change en cours d’analyse. Ce changement de forme est lié et à la structure interne de l’échantillon et aux paramètres d’analyse comme par exemple la température de l’échantillon. Afin d'améliorer les conditions d'analyse et de comprendre les phénomènes qui peuvent dégrader les performances de l'instrument, un modèle multi physique, développé à l'origine pour l'évaporation des matériaux biphasé a été mise au point. L'évaporation par effet de champ est modélisée en tenant compte de la température de l'échantillon. Le modèle développé au cours de cette thèse a été utilisé pour comprendre les effets de déformation ainsi que l'influence de la température pour l'évaporation de l'échantillon.

Résumé

The tomographic atom probe is a unique tool for three dimensional nano analysis. Since the recent development of atom probe tomography assisted by ultra-short laser pulses, this instrument was opened to the world of micro-electronic devices. The field of view (about 100x100x100 nm3) of this instrument associated with its high spatial resolution (less than one 1nm) and the quality of measurable chemical compositions make this instrument an ideal tool for understanding the relationship between the chemical distribution scale and the macroscopic properties of analyzed devices. In this microscope, the formation of the image depends on the shape of the sample itself, which evolves during the measurement. This change in shape is linked to the internal structure of the sample and analysis parameters such as the temperature of the sample. To improve the analysis and to understand the physical phenomena that can degrade the performances of the instrument, a multi-physics model, originally developed for the simple two-phase materials has been developed. Field evaporation is modeled by taking into account the temperature of the sample using a Monte Carlo scheme. The model developed in this thesis was used to understand the effects of deformation and the influence of temperature in the process of erosion of the sample.