Sciences - Rapports

5.          Les appareils de mesure topographique

5.1.            Le profilomètre Dektap 32 : méthode mécanique

Le système de mesure utilise une méthode purement mécanique. Par rapport à un microscope à force atomique, la force appliqué par la pointe est beaucoup plus faible (ici la force appliquée correspond à 3mg soit environ 30mN). Nous mettons en contact la tête de lecture en diamant et la plaque de verre aux bords du dépôt (là où les plaquettes en inox masquaient le verre de la pulvérisation). La pointe va se déplacer sur la surface en suivant la dénivellation. Les déplacements sont traités par ordinateur.

Les résultats des mesures d’épaisseurs en vertical avec cette méthode sont donnés à 40 Å près.

5.2.            La station de mesure RM600 3-D : méthode optique

On utilise la station de mesure topographique Feinprüf Perthen RM600 3-D pour des mesures d’état de surface sans contact. Celle-ci permet d’obtenir la topographie d’un dépôt fragile ce qui est intéressant ici, puisque le carbone sous forme graphite est assez friable.

On éclaire l’échantillon à l'aide d'un faisceau laser et on réalise l'image du point incident à travers un objectif sur un capteur. Si l’altitude du point d’incidence change lors d’un déplacement, l’image de ce point va se déplacer sur le capteur. On pourra alors, en se déplaçant, restituer la topographie de l’échantillon.

La résolution verticale est de 5 nm.

5.3.            Le microscope électronique à balayage 

La microscopie électronique à balayage « Scanning Electron Microscopy » est une technique fondée sur la détection des électrons secondaires qui émergent sous l’impact d’un très fin faisceau d’électrons primaires balayant la surface observée.

Étant donné qu'ils proviennent des couches superficielles, les électrons secondaires sont très sensibles aux variations de la surface de l'échantillon ; la moindre dénivellation va modifier la quantité d'électrons collectés. Ces électrons permettent donc d'obtenir des renseignements sur la topographie de l'échantillon.

On obtient des images avec une résolution verticale entre 3 et 5 nm.

5.4.            Comparaisons des méthodes de mesures

En théorie les trois méthodes ont une résolution similaire en vertical. En pratique il n’en est pas de même. La station de mesure RM 600-D donne des résultats en micromètre au 1/100^ème, sa résolution ne peut donc pas être de 5nm mais plutôt de 20nm d’après un technicien. Cette station est donc celle qui donne les mesures avec le plus d’incertitude. Je présenterais dans mon rapport les résultats obtenus avec le profilomètre, car j’ ai effectué les mesures moi-même contrairement au microscope électronique à balayage.

 
n°3 : Graphe des différentes mesures de topographie pour un même échantillon

A part pour la mesure de la station RM600 sur la position A, les épaisseurs mesurées avec les trois méthodes restent relativement les mêmes; en effet chaque position (A, B, C, D, E) s’étale sur une surface de 1cm. Selon où a été effectuée la mesure, l’épaisseur peut varier d’une cinquantaine de nanomètres.

1.1.            Le LHC : Large Hadron Collider et les utilisations des accélérateurs

« Nous sommes comme dans un casino. La boule tourne… Sur quelle case va-t-elle s’arrêter ? » Citation de Monsieur Ellis John, théoricien anglais, à quelques heures des premiers tours de particules dans l’anneau du LHC, Sciences et avenir, mai 2008.

Le LHC a été construit cent mètre sous terre en moyenne, dans le but de résoudre l’énigme de l’univers à savoir, trouver les particules fondamentales dont la particule mère, nommée boson de Higgs, qui nous expliquerait comment la masse est venue à toutes les autres.

Les protons des faisceaux doivent atteindre une énergie de 7 TeV (7.10¹² eV) dans le LHC. Pour les obtenir, des atomes d’hydrogène sont dépouillés de leur électron pour former des protons. Ces protons sont ensuite accélérés par des premiers petits anneaux, dont le Proton Synchrotron et le Super Proton Synchrotron avant leur entrée dans le tunnel principal.

Des détecteurs de diverses expériences du LHC sont installés sur le parcours. Les deux plus gros, Atlas et CMS, sont dédiés à la recherche du boson de Higgs. Alice est dédié à la compréhension des soupes de particules semblables à l’état de l’univers au moment du BIG BANG. LHCb s’intéresse à l’anomalie de la disparition de l’antimatière dans l’univers en étudiant l’asymétrie entre particules et antiparticules. Enfin LHCf et Totem, réparti tout le long de l’anneau, fournissent des informations complémentaires aux autres expériences.

Illustration n°2 : Le parcours des particules au sein des accélérateurs et détecteurs. Cf. (13)

Qu’est ce qu’une particule?

La matière est constituée de «particules » de différentes tailles, au premier rang desquelles on trouve les molécules. Celles-ci sont en fait des assemblages d’éléments plus petits, les atomes, eux-mêmes constitués d’un noyau et d’électrons, les noyaux étant eux-mêmes constitués de particules plus élémentaires…

Tableau n°1: Domaines d’applications générales des accélérateurs de particules

C’est également au CERN, grâce au chercheurs Tim Berners-Lee et Robert Cailliau que le world wide web (www) fut inventé.

Les accélérateurs de particules ont de nombreuses applications dans divers domaines tels la médecine, l’archéologie, l’électronique ou le domaine qui nous intéresse ici c’est-à-dire la physique pour la recherche fondamentale sur les particules élémentaires.

Ces accélérateurs sont des instruments constitués d’une chambre à vide dans laquelle circulent à très grande vitesse des particules chargées électriquement. Ces particules collisionnent ensuite avec d’autres particules, ou avec une cible fixe, produisant des particules élémentaires qui sont ensuite étudiées.

Le choix du matériel constituant ces chambres à vide est très important car sa matière est soumise aux rudes conditions engendrées par le faisceau.

Des chercheurs du CERN ont observés des instabilités du faisceau liés au rendement d’électrons secondaires du matériau constituant la chambre à vide d’un accélérateur nommé SPSⁱ. Leur projet est donc de trouver un nouveau matériau qui pourrait être tapissé en couche mince à l’intérieur de la chambre. La technique de déposition a déjà été choisie en fonction des problèmes techniques qu’engendre la configuration des accélérateurs, ce sera par pulvérisation cathodique (bombardement d’une cible par des ions).

Mon sujet de stage est la production de couches minces à basse émission d’électrons secondaires à partir de codéposition carbone-métal par pulvérisation cathodique.

La première partie de mon rapport sera consacrée à la présentation du lieu de travail. Je cernerai ensuite mon sujet en expliquant précisément la recherche dans laquelle il s’insère. La troisième partie sera consacré au système de déposition des couches minces et aux méthodes utilisées pour l’analyse des échantillons; j’expliquerai les procédés de dépôt existant et celui utilisé ici: la pulvérisation cathodique. La quatrième partie sera le développement du protocole de déposition, de la préparation des substrats jusqu’à la remise à l’air ambiante. Pour finir, je présenterai les machines de mesures puis j’analyserai les résultats des dépositions.

_______________________________________________________________________________________

ⁱ SPS : (Super Proton Synchrotron) Avec une circonférence de 7 km, le supersynchrotron à protons est la plus grande machine du complexe d’accélérateur après le LHC, voir l’illustration n°2 en haut à droite pour sa localisation.