Mesure et évaluation de la température de surface locale induite par l'irradiation de faisceaux d'électrons nanométriques ou micrométriques

Introduction

Les faisceaux électroniques ont été utilisés comme sondes et sources d'énergie propre dans une variété d'applications pratiques, telles que l'imagerie de la morphologie de surface, l'analyse de structures cristallines, la production de motifs de lithographie, le dépôt de films minces, etc. Dans ces applications pratiques, l'effet de chauffage de surface local sous irradiation des faisceaux électroniques est une question intéressante. Pour certaines applications, dans la lithographie par faisceau électronique par exemple, cette chaleur de surface induite par le faisceau électronique peut provoquer une distorsion des motifs conçus à l'échelle nanométrique dans le processus d'écriture du faisceau électronique, entraînant ainsi une défaillance des dispositifs finaux [1,2, 3]. Dans certaines autres applications, l'effet de chauffage de surface local est utilisé pour le dépôt de couches minces [4], le recuit [5, 6, 7] ou même la sculpture de nanomatériaux [8, 9]. Pourtant, à ce jour, la mesure et l'évaluation précises des températures de surface locales sous irradiation par faisceau électronique restent un défi technique [10,11,12].

Lorsque les «électrons libres» dans les métaux reçoivent une énergie cinétique élevée, par exemple par chauffage ou par un champ électrique élevé, ils peuvent s'écouler de la masse métallique dans l'espace libre. Le faisceau d'électrons a été largement utilisé dans le soudage [13,14,15,16], la fusion [17], la découpe des bords [18], le traitement de surface [19, 20] et le dépôt physique en phase vapeur [21]. De nos jours, de nombreux progrès récents dans les procédés de fabrication additive métallique utilisant la fusion par faisceau électronique ont été réalisés [22,23,24,25,26]. Il a attiré de plus en plus l'attention sur l'utilisation du faisceau électronique pour faire fondre sélectivement la poudre métallique. Les faisceaux électroniques discutés dans ce travail font référence à ceux émis par des canons à électrons fabriqués à partir de fils de tungstène, LaB₆ pointes de cristal, ou pointes de cristal W [27, 28]. Après avoir accéléré sous un champ électrique élevé, un faisceau électronique devient une source d'énergie pure avec une moyenne de 5 à 30 keV par électron dans les microscopes électroniques à balayage (SEM), ou de 100 à 300 keV par électron dans les microscopes électroniques à transmission normale (MET ).

Les phénomènes associés au processus de rentrée d'un faisceau d'électrons libre dans le vide lorsqu'il est guidé pour entrer dans une surface solide propre dans un MEB ou un MET sont bien étudiés. Lorsqu'un faisceau électronique à haute énergie (5-300 keV) atteint une surface solide, il génère généralement de nombreux électrons secondaires, des électrons de rétrodiffusion, des électrons Auger, etc. -on effect » qui supprime certains atomes de surface, et peut casser la structure cristalline locale induisant ainsi des troubles et des défauts [29, 30]. En outre, ces interactions électron-solide provoquent une augmentation de la température locale du sujet sous l'irradiation par faisceau électronique.

En général, l'augmentation de la température locale résulte de la conversion de l'énergie cinétique du faisceau électronique au sujet sous irradiation. Des études antérieures ont montré que les températures locales sous un faisceau d'électrons à haute intensité (HIEB) pourraient être très élevées. Un HIEB dans un MET pourrait percer des nano-trous, couper des nano-ponts dans des nanofils (NW) et souder deux NW formant une jonction [8]. Avec des procédures opératoires minutieuses, on pourrait utiliser un faisceau électronique pour faire un pont de chaîne de carbone à un seul atome à partir d'un film mince de carbone continu [9]. En utilisant des faisceaux électroniques comme sources d'énergie in situ, on pourrait obtenir du MgB₂ supraconducteur phase d'un [Mg-B]_n multicouche film « superréseau » [5,6,7].

Cependant, cela reste une question controversée :quelle est la température locale exacte induite par un faisceau électronique ? Techniquement, il est difficile de mesurer directement la température locale induite par un faisceau électronique focalisé dans un MET ou un SEM. Plusieurs tentatives ont été faites pour résoudre ce problème [31, 32]. Par exemple, le profil de température à la surface d'un film de réserve sous une irradiation par faisceau électronique a été mesuré avec des thermocouples à couche mince submicroniques (TFTC). Des profils de température locaux avec une résolution spatiale du nanomètre ont été obtenus avec un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) et une spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) [33]. La mesure directe de la température locale dans un environnement nanométrique a été réalisée en MET avec une spectroscopie combinée de gain et de perte d'énergie électronique [34]. En utilisant la méthode de diffraction électronique à faisceau parallèle, la température locale dans un MET a été indirectement mesurée à partir du changement d'angle de diffusion induit par la dilatation thermique [35]. Profitant d'une transition de phase MET et solide-liquide d'îlots métalliques, des images thermiques à l'échelle nanométrique ont été obtenues, dont la résolution dépasse les limites d'une microscopie thermique basée sur la technique d'imagerie infrarouge [36]. En utilisant cette méthode, le mécanisme de chauffage Joule à distance d'un substrat de nitrure de silicium par un seul nanotube de carbone à parois multiples avait été découvert [37]. De plus, les microthermomètres, basés sur la transition métal-isolant, pourraient donner une évaluation quantitative du chauffage du faisceau d'électrons en détail [38].

Pourtant, ces tentatives n'étaient applicables qu'à une plage de basses températures. Dans ce travail, en analysant le changement de structure du matériau avant et après l'irradiation, et en mesurant directement la température locale avec des dispositifs et des techniques de mesure que nous avons développés [39, 40], nous avons analysé les effets de chauffage induits avec des faisceaux électroniques nanométriques pour une plage de température de six ordres de grandeur avec des expériences in situ en MET et SEM. Pour des températures supérieures à 10 ³ K, nous avons estimé les températures locales sous un faisceau d'électrons avec des changements de morphologie dans les nanofils semi-conducteurs et métalliques, ainsi que les nano-bandes de films minces métalliques. Pour des températures inférieures à 10 ³ K jusqu'à un frottement de 1 K, nous avons mesuré les températures locales sous un faisceau électronique avec des dispositifs micro-/nano-TFTC fabriqués sur du Si₃ autoportant N₄ cinéma. L'ensemble du spectre de la température maximale locale par rapport à l'intensité incidente du faisceau électronique peut offrir une référence précieuse pour de nouvelles applications impliquant des processus de faisceau électronique.

Détails expérimentaux

Les nanofils de Si (NW) utilisés dans ce travail ont été fabriqués avec un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) tel que décrit précédemment [8]. Les NW de Cu, les NW d'Au et les NW d'Ag ont été fabriqués avec un processus de dépôt électrochimique sur un substrat d'oxyde d'alumine anodisé poreux comme décrit précédemment [41].

Les thermocouples à couche mince de Pt-Cr ont été fabriqués avec des procédures standard de salle blanche et des techniques de dépôt de couche mince comme indiqué précédemment [40]. Dans ce travail, une couche mince de Cr a été déposée avec un système de pulvérisation magnétron (PVD75, Kurt J. Lesker, USA) dans du gaz Ar. Les motifs de Cr sont apparus après le processus de décollage et les motifs de Pt alignés sur les marqueurs Cr ont été fabriqués avec le même paramètre. Un Cr de 3 nm d'épaisseur a été déposé au préalable comme couche d'adhésion pour la couche de Pt. Pour les matrices Pt-Cr TFTC, des couches minces de Pt et Cr d'épaisseurs respectives de 90 nm et 50 nm ont été mesurées avec un profileur à pas. Sur chaque plaquette de 4 pouces, nous avons conçu 16 matrices identiques, disposées dans un réseau 4 × 4. Chaque puce avait une taille de 16 mm × 16 mm et consistait en un dispositif à matrice TFTC. Chaque réseau TFTC se composait de 24 TFTC, dont la taille de jonction variait de 2,0 μm × 2,5 μm à 8,0 μm × 8,5 μm. Les résistances des TFTC, allant de 0,7 à 75,6 kΩ, ont été obtenues par multimètre numérique (2400, Keithley) pour des TFTC de différentes tailles. La puissance thermique des TFTC a été calibrée pour être de 15,0  ± 0,3 μV/K sur une plate-forme maison.

Pour le micro-dispositif à couche mince fabriqué sur un Si₃ autoportant N₄ fenêtre qui était sur un substrat de Si (100), des couches de nitrure de silicium de 400 nm d'épaisseur ont été déposées des deux côtés de la plaquette de Si (100) par la technique de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD) et ont montré d'excellentes propriétés mécaniques. Après la fabrication des dispositifs TFTC sur la surface avant, des fenêtres de gravure carrées ont été modelées et gravées à l'arrière de la plaquette, un processus de gravure humide a été effectué pour graver à travers la plaquette de Si à partir de la face arrière, laissant un Si_{3 autonome} N₄ fenêtre à couche mince avec matrices TFTC pré-configurées pour les mesures thermiques dans un MEB.

Les expériences de broyage par faisceau d'ions focalisés (FIB) ont été menées sur le système à double faisceau FIB/SEM 820, qui a réduit la taille de la jonction TFTC de 5,0   × 5,0 μm ² à 1,0 × 1,0 μm ² . Un Ga ⁺ un faisceau d'ions, dont le courant de faisceau était de 12 pA avec une tension d'accélération de 30 KV, a été utilisé dans le processus de réduction.

Dans nos expériences de recuit in situ de films minces de Mg/B, nous avons profité des limaces de magnésium du commerce (99,99 %) et du bore (99,5 %) pour être les sources d'évaporation pour le dépôt de films multicouches de Mg-B. Le vide de base dans la chambre de dépôt était d'environ 5,0 × 10 ^− 6 Pa. Une couche de magnésium de 15 nm d'épaisseur a servi de première couche, qui a été déposée par évaporation par faisceau d'électrons à température ambiante sur des substrats 6H-SiC (0001) dans une coucheuse à ultra-vide (UHV) Balzers UTT 400. Après cela, une couche B de 10 nm a été déposée sur la première couche. Les couches de Mg et B, déposées alternativement sur des substrats, étaient les films précurseurs avec une structure multicouche de [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_{N = 4} sur substrat SiC. L'épaisseur totale de la multicouche de Mg-B était de 100 nm, surveillée par un oscillateur à quartz in situ. Le rapport d'épaisseur de Mg:B = 3:2 (15 nm:10 nm = 3:2) peut satisfaire la composition de Mg:B = 1:2. La couche de bore supérieure de 10 nm d'épaisseur a servi de capuchon de film pour réduire la perte de Mg dans une certaine mesure pendant le recuit. Les films précurseurs ont été post-recuits dans une soudeuse à faisceau d'électrons EBW-6 avec une pression de vide de 5,0 × 10 ^− 3 Pa. La tension d'accélération d'un faisceau d'électrons de recuit était de 40 KV avec un courant de faisceau de 3 mA. Le diamètre d'un faisceau d'électrons était de 1,40 cm et la durée de recuit était de 0,1 à 1,0 s.

Les expériences HIEB en MET ont été réalisées sur un MET à émission de champ Jeol 2010F de 200 kV. Le courant du faisceau électronique a été mesuré à ~ 5 nA avec une coupelle de Faraday. Au diamètre du faisceau électronique de 0,5 à 1,0 nm, une densité de courant nominale de (0,6 à 2,5) × 10 ⁶ A/cm ² a été donné sur le spécimen. Des spécimens MET ont été préparés sur des grilles de carbone en dentelle à partir de suspensions de NW dans de l'éthanol. Les procédures employées pour le modelage et le soudage des NW ont suivi la description de la réf. [9]. Les expériences SEM ont été réalisées dans un poste à souder par faisceau d'électrons sous vide EBW-3H et un SEM à émission de champ (FEI QUANTA 600F). Le câblage et la connexion compliqués entre l'appareil dans la chambre à vide SEM et les instruments de mesure à l'extérieur de la chambre à vide ont été spécialement conçus et réalisés. Les sorties de signaux de faible tension du TFTC sous irradiation du faisceau électronique de SEM à différentes tailles de spot (de 1 à 7, au) et tensions d'accélération (de 2 à 30 keV) ont été mesurées avec un multiplexeur maison et un nanovoltmètre Keithley 2182A [ 39].

Résultats

Nous avons d'abord investi la limite supérieure de la température locale, T _max , qu'un faisceau électronique à l'échelle nanométrique dans un MET pourrait induire sur la surface d'un sujet. Des dizaines de preuves expérimentales ont montré que les atomes dans les couches superficielles d'un solide NW pouvaient être instantanément vaporisés sous l'irradiation d'un HIEB [8, 42], indiquant que le T correspondant _max les valeurs étaient supérieures aux températures de vaporisation des matériaux en question. La figure 1 présente un résultat typique pris dans un MET (Jeol 2010F) à une tension de fonctionnement de 200 kV et un courant de faisceau électronique de 5 nA. Le faisceau électronique était focalisé sur un diamètre aussi petit que 0,5 à 1,0 nm, et son intensité était suffisamment élevée pour percer des trous de 1 nm de diamètre dans un Si NW de 60 nm de diamètre en moins d'une seconde. La figure 1a est le Si NW d'origine, où un Au NW de 25 nm est situé en parallèle comme référence dans l'opération d'inclinaison. La figure 1b montre les huit nano-trous sur le Si NW réalisés avec le faisceau électronique à l'échelle nanométrique en 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 s, respectivement. Les trous ont tous un diamètre similaire :~ 1,0 nm. La figure 1c, d montre une vue latérale des trous pour le même Si NW après que l'échantillon a été incliné in situ de 10,0° et 20,0°, respectivement. On voit qu'après avoir irradié pendant 1 s avec le faisceau d'électrons de 0,5 à 1,0 nm de diamètre, un trou a été percé dans tout le Si NW. Avec l'augmentation de la durée d'irradiation de 1 à 8 s, le diamètre de l'ouverture avant et de l'ouverture inférieure s'agrandit, tandis que la région centrale des trous traversants reste d'un diamètre similaire de 1 nm, apparaissant ainsi comme ne changeant pas dans la vue de dessus illustrée à la Fig. 1b. .

Images de morphologie MET montrant huit trous de 1 nm forés dans un Si NW monocristallin de 60 nm de diamètre. Cela se fait en 1 à 8 s, respectivement, avec un HIEB de 0,5 à 1,0 nm de diamètre de courant 5 nA dans un TEM de 200 kV. un Le Si NW d'origine avec un Au NW de 25 nm de diamètre (apparaissant en noir sur l'image). b Une image après que huit nano-trous ont été créés par un HIEB. c , d Images du même échantillon après inclinaison in situ de 10,0° et 20,0°, respectivement

Le fait présenté sur la figure 1 était que les atomes de Si dans la région locale du point focal sous le HIEB de 1 nm de diamètre étaient totalement vaporisés. De même, un tel HIEB de 1 nm de diamètre était capable de forer des trous dans un Au NW [8]. Une conclusion logique est que la température locale doit être supérieure aux points d'ébullition des matériaux, ici Si ou Au. Comme le montre le tableau 1, les points d'ébullition sont de 3173 K pour Si et de 3081 K pour Au. Dans les deux cas, les températures locales sous un HIEB étaient supérieures à 3000 K. Des études antérieures ont montré que le point de fusion d'un nanomatériau est légèrement inférieur à celui de la masse [43,44,45], mais à la taille de 20– 100 nm, cette réduction du point de fusion ne devrait pas être remarquable.

Ici, comme la température locale était si élevée qu'aucune méthode n'est applicable pour mesurer directement la température réelle. Pour les capteurs thermiques de contact, la température locale était supérieure au point de fusion voire d'ébullition des capteurs. Pour les méthodes de luminescence sans contact, non seulement la taille de la zone locale était trop petite pour une fibre optique, mais l'ensemble du processus s'est également déroulé trop rapidement pour des mesures optiques fiables.

La température locale élevée estimée à plus de 3 000 K peut provoquer des polémiques. On peut affirmer qu'au lieu de la vaporisation causée par le chauffage thermique, l'élimination des atomes de Si locaux dans les huit nano-trous montrés sur la figure 1 a été causée par "l'effet d'entraînement". Si le forage de nano-trous avec un HIEM était vraiment un effet d'entraînement, puis en réduisant le flux de HIEM en agrandissant son diamètre de faisceau, on peut observer en continu l'élimination des atomes de surface sur une longue échelle de temps. Mais ce qui a été observé était le seuil existant pour l'intensité du faisceau, inférieur auquel, le processus de forage dans Si NWs, Au NWs, etc. n'a pas pu être réalisé [8]. Considérant que l'énergie cinétique de chaque électron dans un MET de 200 kV est d'environ 10 ⁻¹⁴ J, qui est plus grand que l'énergie de liaison par atome de Si de trois ordres de grandeur, la vaporisation et l'effet d'entraînement ont des effets synergiques dans un processus de « forage ». Par conséquent, en définissant la température locale nominale en tant que paramètre proportionnel à l'énergie cinétique moyenne des particules locales (ici des atomes de Si), les températures locales nominales au niveau des huit trous, les régions étaient vraiment plus élevées que le point d'ébullition du Si.

Auparavant, il a été signalé que lorsque la densité de courant du faisceau était de l'ordre de 10 ^3-5 A/cm ² , un faisceau électronique dans un MET pourrait être appliqué pour introduire une fusion locale dans les NW autonomes, par exemple les NW Au, les NW Cu, etc., en quelques minutes [8]. Les effets de fusion observés ont indiqué sans ambiguïté que les températures locales sur ces surfaces métalliques étaient comprises entre 1 000 et 2 000 K, comme indiqué dans le tableau 1.

Dans ce travail, nous avons observé que lorsque l'intensité du faisceau était suffisamment élevée et que le temps d'irradiation durait quelques minutes, les faisceaux électroniques dans un MEB pouvaient également induire un effet de fusion local pour le dépôt de couches minces de Pt et de Cr sur Si, comme le montre généralement la Fig. 2 À partir de l'image SEM (Fig. 2a) et de l'image au microscope à force atomique (AFM) (Fig. 2b) du même échantillon après irradiation d'un faisceau électronique à haute intensité dans un SEM, on voit des trous et des saillies au niveau des régions de jonction de deux TFTC Pt-Cr (mis en évidence par des flèches rouges). Les températures de fusion du Cr et du Pt étaient respectivement de 2130 K et 2045 K. Nos résultats expérimentaux impliquaient que les températures locales de surface sous l'irradiation d'un faisceau d'électrons étaient plus élevées que les températures de fusion de ces métaux (~ 2000 K) [46]. Les protubérances qui se sont produites sur les bords de jonction à quelques microns des trous de fusion ont probablement été formées par diffusion et accumulation des atomes de Pt et de Cr. Cependant, nous n'avons pas réussi à obtenir les valeurs de température locales en temps réel avec les mêmes capteurs Pt-Cr TFTC sous irradiation. Au lieu d'afficher un incrément de température local de 2 000 K, nous avons mesuré un incrément de moins de 100 K. Comme nous le verrons plus tard, cette énorme différence a été causée par la dissipation thermique du substrat Si épais et la grande taille du capteur TFTC.

Effets de fusion locale observés dans un MEB. un L'image SEM d'un échantillon de matrice Pt-Cr TFTC, montrant deux trous (surlignés avec des flèches rouges) a été réalisée par irradiation par faisceau électronique au niveau des régions de jonction de deux capteurs Pt-Cr TFTC. b Image AFM des deux mêmes jonctions, montrant des informations 3D détaillées sur les deux trous. c Quatre capteurs Pd-Cr TFTC fabriqués sur un Si₃ autonome de 400 nm d'épaisseur N₄ fenêtre à film mince. Deux TFTC (surlignés par des flèches blanches) sur le côté gauche de la fenêtre ont été brûlés avec un laser focalisé à 785 nm. d Le pic de sortie correspondant du Pd-Cr TFTC lorsqu'il a été brûlé avec le laser

Dans un souci de fiabilité des dispositifs de mesure à haute température, nous avons doté nos expériences visées de lasers à haute énergie, dont la focalisation thermique sur la jonction suffit à compenser la dissipation thermique. La figure 2c montre nos dispositifs Pd-Cr TFTC fabriqués sur un Si₃ autoportant de 400 nm d'épaisseur N₄ fenêtre à film mince. Le Pd-Cr TFTC fabriqué avec le même paramètre de procédé que le Pt-Cr TFTC a été utilisé pour mesurer le laser médical par nos coéquipiers, au lieu du Pt-Cr TFTC, et des résultats significatifs ont été mentionnés ici pour confirmer la fiabilité à haute température de ce type d'appareil. [47]. Avec une irradiation au foyer d'un laser de 79 mW (puissance), 785 nm (longueur d'onde) pendant 2 s, deux jonctions Pd-Cr ont été brûlées (surlignées avec des flèches blanches). Pendant ce temps, l'appareil affichait un pic de sortie proche de 50 mV. En utilisant nos résultats d'étalonnage obtenus à température ambiante qui était d'environ 20 μV/K, cela représente une température de crête nominale de ~ 2400 K, comme le montre la figure 2d. Mais 2400 K est supérieur au point de fusion du film de Pd, 1825 K. Nous avons attribué cette erreur à un coefficient Seebeck changeant de Pd et Cr à haute température. Néanmoins, nos résultats ont indiqué que nos capteurs TFTC fabriqués sur Si₃ N₄ fenêtre à couche mince étaient applicables pour mesurer les températures locales jusqu'à une valeur proche des points de fusion des bandes métalliques, c'est-à-dire 1800 K.

La limite supérieure de la température locale T _max dans un MEB a également été révélé avec nos expériences sur le recuit de [Mg-B]_N films minces multicouches. Les résultats ont montré que les faisceaux électroniques à haute intensité pouvaient induire une transition de phase dans le [Mg-B]_N amorphe films minces multicouches en 1 s. En conséquence, une multicouche amorphe a été partiellement transformée en un MgB₂ phase supraconductrice [5,6,7]. La figure 3 et le tableau 2 présentent quelques résultats typiques. Les films précurseurs, notés [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_{N = 4} , ont été préparés avec une épaisseur totale de 100 nm. La tension d'accélération du faisceau électronique de recuit était de 40 kV, avec des courants de faisceau de 9,9 mA, 10,7 mA et 12,8 mA, respectivement. Les images SEM des échantillons ont révélé que différents courants de recuit pouvaient entraîner une rugosité différente sur la surface du film, comme le montre la figure 3. Sur une zone d'échantillon de 10   × 10 μm ² , la rugosité de la moyenne quadratique (RMS) a été mesurée à 3,11 nm, 3,56 nm et 7,53 nm, respectivement, pour ces échantillons. Les températures de transition supraconductrices T _c de ces échantillons étaient respectivement de 35,1 K, 35,8 K et 36,3 K (tableau 2). Cela impliquait que la température de recuit était cruciale pour l'évaporation de Mg, la diffusion dans les couches B et la vitesse de réaction avec B. Un courant plus important pouvait entraîner une température de recuit plus élevée, ce qui pouvait conduire à une réaction plus suffisante. Selon le diagramme de phase de MgB₂ , la température minimale requise pour une transition de phase pour la formation de MgB₂ supraconducteur était de 900 à 1 000 K. Par conséquent, les faisceaux électroniques avaient induit des températures locales d'environ 900 à 1 000 K, voire plus. Ce résultat était cohérent avec les résultats montrés dans la figure 2.

Micrographies SEM de [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_{N = 4} multicouches sur substrat SiC recuit avec HIEB dans un MEB avec les courants de recuit de a 0 mA, b 9,9 mA, c 10,7 mA et d 12,8 mA, respectivement

Lorsque l'intensité d'un faisceau électronique incident est encore réduite ou que la durée d'irradiation est réduite, un faisceau électronique provoque un effet de chauffage local mesurable à la surface sous l'irradiation. La figure 4 présente un ensemble de résultats de mesure types. La figure 4a est une image optique pour l'un des quatre types d'échantillons de réseau TFTC développés dans ce travail. Fabriqué sur un SiO₂ de 400 µm d'épaisseur Substrat /Si(100), ce dispositif se compose de 24 TFTC Pt-Cr identiques. Les 24 intersections, chacune d'une superficie de 5,0  × 5,0 μm ² , s'étendant sur 4 rangées, formant un motif en « croix » au centre de l'image. La figure 4b est une image SEM montrant le centre de l'appareil, où les faisceaux les plus lumineux sont les bandes Pt et les plus sombres sont les bandes Cr.

Images des échantillons TFTC dans Si et les résultats des tests. un Image optique d'un réseau TFTC sur Si avec une taille de jonction de 5,0 × 5,0 μm ² . b Image SEM du centre de l'appareil, montrant 24 jonctions de capteurs. c Résultats de mesure de l'augmentation de température locale avec les TFTC sous irradiation par faisceau électronique avec différentes tensions d'accélération et courants de faisceau

La figure 4c trace quelques données mesurées. Elles ont été prises à partir de différents capteurs TFTC sous irradiation par faisceau électronique à différentes tensions d'accélération de 10, 15, 20 et 25 kV, respectivement, avec des courants de faisceau croissants. Le diamètre du spot du faisceau a été fixé à 1 μm et le temps de mesure a été fixé à 30 s. Les expériences d'étalonnage ont révélé que la sensibilité moyenne des TFTC Pt-Cr était de 15,00  ± 0,29 μV/K, avec un écart type relatif de 1,9 %. Il montre que l'incrément de température locale augmente linéairement avec le courant incident du faisceau électronique. Cela indique un effet de chauffage de surface linéaire, que la puissance de chauffage convertie à la surface du sujet local (ici la jonction TFTC) était proportionnelle au flux d'électrons dans le faisceau électronique incident. A l'intérieur de l'erreur de mesure, la puissance de chauffage était également proportionnelle à la tension d'accélération. Cependant, comme nous le verrons ci-dessous, les données mesurées étaient bien inférieures à l'incrément de température local exact au centre du faisceau électronique.

Discussions

Répartition centralisée des températures locales sous un faisceau électronique à l'échelle nanométrique

Nous avons remarqué que lorsqu'un NW était irradié avec un faisceau électronique à l'échelle nanométrique, la région centrale avait une température beaucoup plus élevée que la région de repos. La figure 5a montre un Si NW monocristallin avec quatre nano-trous forés en MET avec un HIEB. Les deux trous de gauche, mis en évidence par des flèches bleues, ont un diamètre de 1,2 à 1,5 nm, et ce sont des trous peu profonds, qui ne pénètrent pas à travers le NW. Les deux trous de droite, mis en évidence par des flèches rouges, sont des trous traversants d'un diamètre de 2,5 nm et 4,0 nm, respectivement. Il est clairement démontré qu'une région de nano-anneau autour du trou présente une structure amorphe, tandis que la partie restante du NW conserve sa structure cristalline d'origine. Par exemple, la région centrale entre deux trous voisins, qui n'est distante que de 2 à 4 nm du bord du trou, présente des périodes cristallines claires dans deux directions.

Distribution de la température locale sous irradiation d'un faisceau électronique à l'échelle nanométrique. un Un Si NW monocristallin avec quatre nano-trous forés avec un HIEB en MET. Deux trous peu profonds sont mis en évidence avec des flèches bleues et deux trous traversants sont mis en évidence avec des flèches rouges. b T estimé (r ) fonction pour la température locale en fonction de la distance au point central

Ce phénomène implique que sous un nano-e-beam, le centre du sujet sous irradiation a une température la plus élevée, et loin de ce centre, la température locale diminue fortement. La figure 5b illustre schématiquement l'hypothèse :Le T (r ) est similaire à une fonction delta, où T est la température locale et r est la distance du point central du faisceau d'électrons. Nous pouvons également supposer que lorsque le faisceau d'électrons augmente son diamètre, il y a un plateau au milieu du T (r ), où la température locale sature, et lorsque le diamètre du faisceau augmente encore, le plateau augmente sa zone de saturation.

En plus des observations en MET comme le montre généralement la figure 4a, l'hypothèse ci-dessus de distribution de température locale a été testée qualitativement avec nos réseaux TFTC sous un faible faisceau d'électrons en SEM. La figure 6a est une image SEM de face pour un réseau Pt-Cr TFTC réalisé sur une plaquette de Si. Sur la figure 6b, nous présentons les résultats d'une mesure unique. Les données ont été obtenues à la condition que le faisceau électronique soit focalisé pour avoir une taille de faisceau de 1 μm, tandis que le point focal du faisceau électronique était déplacé in situ sur les faisceaux Pt ou Cr de chaque capteur Pt-Cr TFTC. La distance entre le point focal et la région de jonction TFTC a été soigneusement mesurée. Dans cette configuration expérimentale, nous avons supposé que la température locale du point focal était presque la même, tandis que les données mesurées différaient remarquablement à mesure que la distance changeait. Les résultats ont montré qu'après une distance de 1,5 mm de la zone de jonction, l'effet thermique causé par le faisceau électronique focal était presque négligeable.

Une matrice TFTC et ses résultats de mesure. un Image SEM d'un échantillon de matrice Pt-Cr TFTC sur la surface avant d'un Si₃ N₄ /Si(100)/Si₃ N₄ tranche. Le réseau TFTC au centre de l'appareil se composait de 24 TFTC, dont la taille de jonction variait de 2,0  x 2,5 à 8,0  × 8,5 μm ² . b Sorties mesurées d'un capteur TFTC lorsqu'un faisceau électronique focalisé de diamètre 1 micro irradiait sur un point des deux bandes métalliques à couche mince du TFTC, à savoir Pt et Cr, à une certaine distance de la région de jonction Pt-Cr

Influence de la taille du capteur et sur les résultats de mesure

Nous avons constaté que la taille de jonction de nos TFTC avait une influence cruciale sur les résultats de mesure. Sur un Si avec 24 TFTC Pt-Cr, les jonctions d'origine avaient une taille de 5,0  × 5,0 μm ² . Nous avons utilisé la technique du faisceau d'ions focalisé (FIB) pour transformer certaines des jonctions en une taille de jonction plus petite de 1,0   ×   1,0 μm ² , comme le montre la figure 7a, b. Sous la même irradiation de faisceaux électroniques, les sorties prises du TFTC avec une petite taille de jonction de 1,0 ×  1,0 μm ² étaient beaucoup plus élevés que ceux avec une taille de jonction de 5,0 × 5,0 μm ² , comme le montre la figure 7c. Par exemple, irradié avec un e-bema de tension d'accélération de 15 kV et de courant de faisceau de 113,3 nA, le TFTC avec une taille de jonction de 5,0   × 5,0 μm ² mesuré un incrément de température local de 35,0 K. Dans les mêmes conditions, un incrément de 161,4 K a été mesuré par le TFTC avec une taille de jonction de 1,0  ×   1,0 μm ² , amélioré cinq fois. Encore une fois, cela a confirmé que le pic de température de surface sous un faisceau électronique nano-micrométrique était localisé dans une très petite zone.

SEM images of a TFTC array and its measurement results. un SEM image of a Pt-Cr TFTC array on thick Si wafer with identical original junction size of 5.0 × 5.0 μm ² . One junction (highlighted with a dashed yellow frame) was cut with FIB to a junction area of 1.0 × 1.0 μm ² . b SEM image of the FIB fabricated junction area in (a ). c Measured outputs from an original TFTC and the small junction TFTC under the same e-beam irradiation

Influence of Freestanding Si₃ N₄ Window on the Measurement Results

The substrate for our TFTC sensor plays an important role on the maximum local surface temperature of a subject under irradiation of nano-microscaled e-beams. When the substrate is thick, heat dissipated through the substrate may be much more than the local heat accumulates on the subject surface. As a result, the measured local temperature could be much lower than the possible T _max induced by the incident e-beam.

Generally, an incident nano-micro-scaled e-beam generates an amount of local heat, Q , at the surface of the subject under irradiation, which can be described by Q  = P ·Δt ·γ , where P ·is the incident kinetic power, Δt is the time duration, and γ is the converting ratio. Ignoring the relativity effect, roughly P ·Δt ·γ = Je ·V ·Δt ·γ , où Je is the beam current, and V is the accelerating voltage. Some heat is expected to dissipate though the substrate, TFTC leads, and radiation. The remaining part causes increment of the local surface temperature that is measurable by the TFTC sensors. That is, Q  = Q _substrat + Q _lead + Q _radiation + Q _sensor , and Q _sensor = C ·ΔT  + λ . Here, Q _substrat , Q _lead , and Q _radiation represent thermally dissipated heat through the substrate, sensor leads, and radiation effect, respectively. Q _sensor corresponds to the remained heat measured by the sensor, C is the thermal capacity of the sensor junction, ΔT is the increment of local temperature as compared to the cold ends of TFTCs, and λ is the latent heat of phase transition. Our previous studies have shown that, under the irradiation of the same e-beams, the measured output from TFTC sensors made on freestanding Si₃ N₄ window was 10–30 times larger than that taken from the same sensors on thick Si wafers [40]. This factor of enhancement indicated that Q _substrat was much larger than Q _sensor .

We noted that the converting ratio γ , or referred as thermal efficiency value in some publications, depended very much on the average kinetic energy. The converting ratio γ of a welding electron beam with an accelerating voltage of 70 kV had been revealed in the range of 0.33–0.48, and it was found that this ration had little correlation with the weld geometry [48]. Experiments had manifested that under low energy high current pulsed electron beam (LEHCPEB) irradiation, a homogeneous layer had been formed on the surfaces of steels, which could improve the anti-corrosion properties of steels dramatically [49]. However, in our TEM experiments, the γ values were extremely lower than one unit by several orders of magnitude. The underlying physics need further investigation.

We summarize the results and discussions of this work in Fig. 8. Our experimental results taken from irradiation of high-intensity e-beams in either a TEM or a SEM were consistent with each other. A local surface T _max higher than 1800–2000 K was achievable in both TEM and SEM, as revealed by local meting phenomena observed in Au NWs, Cu NWs, Pt, and Cr thin film stripes. In TEM, since the nanomaterials investigated in this work were naturally freestanding, T _max higher than 3000 K was evaluated from the observed nano-drilling experiments on Si NWs and Au NWs. Local vaporization effects were induced in seconds by 1 nm diameter e-beams.

An illustration for the overall picture of the nominal local temperatures under irradiation of nano-/micro-scale e-beams. The gray oval indicates the comparison between small and large TFTCs on thick Si wafers. The yellow oval indicates the comparison between TFTCs on thick Si wafers and on freestanding Si₃ N₄ thin film windows. Pour T  > 1500 K, the data points are estimated values from morphology or phase change

We showed that TFTC on a freestanding Si₃ N₄ thin film window resulted in an enhanced sensitivity by a factor of 10–30 times, and we showed that a 1-μm-wide TFTC sensor had a sensitivity higher than that of a 5-μm-wide TFTC by a factor of five times. This is because thick substrate and wide leads both dissipated a large amount of local heat. For precise measurement of local surface temperature at the nano- and micro-scales, ideally one should fabricate TFTC sensors as small as possible, and make them on thermal isolation layers, such as freestanding Si₃ N₄ thin film windows or Parylene layers.

Conclusion

In summary, we investigated several approaches for the measurement and estimation of local surface temperature under irradiation of nano-micro-scale e-beams. E-beams of 10 ^5-6 A/cm ² could induce local vaporization of Si and Au in seconds, showing a temperature higher than 3000 K. E-beams with intensity of 10 ^3-4 A/cm ² could introduce local melting in Cr, Pt, and Pd thin film stripes; Au and Cu nanowires; and phase transition in Mg-B thin films, with a local temperature of 1000–2000 K. We demonstrated that TFTC arrays made on freestanding Si₃ N₄ windows worked well in detecting peaked temperature up to 1500 K or higher. By combining analysis techniques of surface morphology, electrical measurement, and TFTC sensors, we could estimate the local temperature in a wide range. We also discussed the distribution of surface temperatures under e-beams, thermal dissipation of thick substrate, and a small converting ratio from the high kinetic energy of e-beam to the surface heat.

The results are helpful for applications of e-beams, and may offer valuable clues for developing novel sensing techniques and evaluation methods for high temperatures in the range of 1500–3000 K.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

EELS:

Electron energy loss spectroscopy

FIB:

Focused ion beam

HIEB:

High-intensity e-beam

LPCVD:

Low-pressure chemical vapor deposition

NW :

Nanofil

SEM :

Microscope électronique à balayage

STEM:

Scanning transmission electron microscope

TEM :

Microscope électronique à transmission

TFTC:

Thin film thermocouple

UHV:

Ultra-high vacuum