Quantification de l'élévation de température de surface par irradiation de faisceau d'électrons nano-micrométrique

Résumé

Les faisceaux d'électrons (faisceaux e) ont été utilisés comme sondes de détection et sources d'énergie propre dans de nombreuses applications. Dans ce travail, nous avons étudié plusieurs approches pour la mesure et l'estimation de l'étendue et de la distribution des températures locales sur une surface soumise à l'irradiation de faisceaux e nano-micrométriques. Nous avons montré qu'un faisceau e de haute intensité avec une densité de courant de 10^5-6 A/cm² pouvait entraîner la vaporisation de matériaux solides Si et Au en quelques secondes, avec une température de surface locale supérieure à 3000 K. Avec une intensité de faisceau plus faible de 10^3-4 A/cm², les faisceaux e pouvaient introduire une température de surface locale dans la gamme de 1000-2000 K en peu de temps, causant une fusion locale dans des nanofils métalliques et des films minces de Cr, Pt et Pd, et une transition de phase dans des films Mg-B métalliques. Nous avons démontré que des thermocouples à film mince sur une fenêtre autoportante de Si₃N₄ étaient capables de détecter des températures de surface locales maximales jusqu'à 2000 K et stables, et des températures dans une gamme plus basse avec une haute précision. Nous avons discuté de la distribution des températures de surface sous les faisceaux e, de la dissipation thermique du substrat épais, et d'un faible rapport de conversion de l'énergie cinétique élevée du faisceau e en chaleur de surface. Les résultats peuvent offrir des pistes pour de nouvelles applications des faisceaux e.

Introduction

Les faisceaux e 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 des structures cristallines, la production de motifs de lithographie, le dépôt de films minces, etc. Dans ces applications pratiques, l'effet de chauffage local de surface sous irradiation de faisceaux e est une question intéressante. Pour certaines applications, dans la lithographie par faisceau e par exemple, cette chaleur de surface induite par le faisceau e peut causer une distorsion des motifs conçus à l'échelle nanométrique dans le processus d'écriture par faisceau e, entraînant ainsi l'échec des dispositifs finaux [1-3]. Dans d'autres applications, l'effet de chauffage local de surface est utilisé pour le dépôt de films minces [4], le recuit [5-7], 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 de faisceau e restent un défi technique [10-12].

Lorsque les "électrons libres" dans les métaux reçoivent une énergie cinétique élevée, par exemple par chauffage ou champ électrique élevé, ils peuvent s'échapper du volume métallique dans l'espace libre. Le faisceau d'électrons a été largement utilisé dans le soudage [13-16], la fusion [17], la découpe de bord [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 d'électrons ont été réalisés [22-26]. Cela a attiré une attention croissante sur l'utilisation du faisceau d'électrons pour la fusion sélective de poudre métallique. Les faisceaux e discutés dans ce travail font référence à ceux émis par des canons à électrons faits de fils de tungstène, de pointes de cristal LaB₆, ou de pointes de cristal W [27, 28]. Après accélération sous un champ électrique élevé, un faisceau e devient une source d'énergie pure avec une moyenne de 5-30 keV par électron dans les microscopes électroniques à balayage (MEB), ou de 100-300 keV par électron dans les microscopes électroniques à transmission (MET) normaux.

Les phénomènes associés au processus de rentrée d'un faisceau d'électrons libres 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 e de haute énergie (5-300 keV) atteint une surface solide, il génère généralement de nombreux électrons secondaires, électrons rétrodiffusés, électrons Auger, etc. Il peut également induire l'excitation d'atomes sous irradiation, et causer un "effet de recul" qui retire certains atomes de surface, et peut briser la structure cristalline locale induisant ainsi des désordres et des défauts [29, 30]. En outre, ces interactions électron-solide causent une augmentation de la température locale du sujet sous l'irradiation du faisceau e.

En général, l'augmentation de la température locale résulte de la conversion de l'énergie cinétique du faisceau e vers le sujet sous irradiation. Des études antérieures ont montré que les températures locales sous un faisceau e de haute intensité (FEHI) pouvaient être très élevées. Un FEHI dans un MET pouvait percer des nano-trous, couper des nano-ponts dans des nanofils (NF), et souder deux NF formant une jonction [8]. Avec des procédures d'opération soigneuses, on pouvait utiliser un faisceau e pour créer un pont de chaîne d'atomes simples de carbone à partir d'un film mince de carbone continu [9]. En utilisant les faisceaux e comme sources d'énergie in situ, on pouvait obtenir une phase MgB₂ supraconductrice à partir d'un film "super-réseau" multicouche [Mg-B]_n [5-7].

Cependant, cela reste une question controversée : Quelle est la température locale exacte induite par un faisceau e ? Techniquement, il est difficile de mesurer directement la température locale induite par un faisceau e focalisé dans un MET ou un MEB. Plusieurs tentatives ont été faites pour résoudre ce problème [31, 32]. Par exemple, le profil de température à la surface d'un film de résine sous irradiation de faisceau e a été mesuré avec des thermocouples à film mince (TFTC) submicroniques. Des profils de température locale avec une résolution spatiale de l'ordre du nanomètre ont été obtenus avec un microscope électronique à transmission à balayage (METB) et la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (SPEE) [33]. La mesure directe de la température locale dans un environnement nanométrique a été réalisée dans un MET avec une spectroscopie combinée de gain et perte d'énergie des électrons [34]. En utilisant la méthode de diffraction électronique à faisceau parallèle, la température locale dans un MET a été mesurée indirectement à partir du changement d'angle de diffusion induit par l'expansion thermique [35]. En tirant parti d'un MET et de la transition de phase solide-liquide d'îlots métalliques, des images thermiques nanométriques 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 nanotube de carbone multi-parois unique avait été découvert [37]. De plus, les micro-thermomètres, basés sur la transition métal-isolant, pouvaient donner une évaluation quantitative du chauffage par faisceau d'électrons en détail [38].

Pourtant, ces tentatives n'étaient applicables qu'à une gamme de basse température. 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 techniques de mesure que nous avons développés [39, 40], nous avons analysé les effets de chauffage induits par des faisceaux e à l'échelle nanométrique pour une gamme de températures de six ordres de grandeur avec des expériences in situ dans le MET et le MEB. Pour des températures supérieures à 10³ K, nous avons estimé les températures locales sous un faisceau e avec des changements de morphologie dans des nanofils semi-conducteurs et métalliques, ainsi que des nano-bandes de films minces métalliques. Pour des températures inférieures à 10³ K jusqu'à une fraction de 1 K, nous avons mesuré les températures locales sous un faisceau e avec des dispositifs TFTC micro/nano fabriqués sur des films autoportants de Si₃N₄. Le spectre complet pour la température maximale locale versus l'intensité incidente du faisceau e peut offrir une référence précieuse pour de nouvelles applications impliquant des procédés par faisceau e.

Détails Expérimentaux

Préparation des Nanofils et Dispositifs

Les nanofils (NF) de Si utilisés dans ce travail ont été fabriqués par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) comme décrit précédemment [8]. Les NF de Cu, Au et Ag ont été fabriqués par un procédé de dépôt électrochimique sur substrat d'alumine anodisée poreuse comme décrit précédemment [41].

Les thermocouples à film mince Pt-Cr ont été fabriqués avec des procédures de salle blanche standard et des techniques de dépôt de films minces comme rapporté précédemment [40]. Dans ce travail, le film mince de Cr a été déposé avec un système de pulvérisation magnétron (PVD75, Kurt J. Lesker, USA) en gaz Ar. Les motifs de Cr sont apparus après le processus de lift-off et les motifs de Pt alignés sur les marqueurs de Cr ont été fabriqués avec les mêmes paramètres. Une couche d'adhérence de Cr de 3 nm d'épaisseur a été déposée à l'avance pour la couche de Pt. Pour les réseaux de TFTC Pt-Cr, des films minces de Pt et Cr d'épaisseurs respectives de 90 nm et 50 nm ont été mesurés avec un profileur à pas. Sur chaque wafer de 4 pouces, nous avons conçu 16 puces identiques, disposées en réseau 4 × 4. Chaque puce avait une taille de 16 mm × 16 mm et consistait en un dispositif de réseau TFTC. Chaque réseau TFTC consistait en 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, variant de 0,7 à 75,6 kΩ, ont été obtenues par multimètre numérique (2400, Keithley) pour TFTC de différentes tailles. La force thermoélectrique des TFTC a été calibrée à 15,0 ± 0,3 μV/K sur une plateforme maison.

Pour le dispositif micro à film mince fabriqué sur une fenêtre autoportante de Si₃N₄ qui était sur un substrat Si (100), des couches de nitrure de silicium de 400 nm d'épaisseur ont été déposées des deux côtés du wafer 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 structurées et gravées sur le dos du wafer, un processus de gravure humide a été effectué pour graver à travers le wafer Si depuis le dos, laissant une fenêtre autoportante de film mince Si₃N₄ avec des réseaux TFTC pré-structurés pour des mesures thermiques dans un MEB.

Les expériences de fraisage par faisceau d'ions focalisés (FIB) ont été menées sur le système double faisceau FIB/MEB 820, qui a réduit la taille de jonction TFTC de 5,0 × 5,0 μm² à 1,0 × 1,0 μm². Un faisceau d'ions Ga⁺, 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.

Expériences de Recuit In Situ des Films Minces Mg/B

Dans nos expériences de recuit in situ des films minces Mg/B, nous avons utilisé des pastilles de magnésium commerciales (99,99 %) et du bore (99,5 %) comme sources d'évaporation pour le dépôt de films multicouches 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, déposée par évaporation par faisceau d'électrons à température ambiante sur des substrats 6H-SiC (0001) dans un coater ultra-haut vide (UHV) Balzers UTT 400. Ensuite, une couche de B de 10 nm a été déposée sur la première couche. Les couches Mg et B, déposées alternativement sur les substrats, étaient les films précurseurs avec une structure multicouche de [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_N=4 sur substrat SiC. L'épaisseur totale du multicouche Mg-B était de 100 nm, surveillée par un oscillateur à quartz in situ. Le rapport d'épaisseur Mg:B = 3:2 (15 nm:10 nm = 3:2) peut satisfaire la composition Mg:B = 1:2. La couche de bore supérieure de 10 nm d'épaisseur a servi de couche de protection pour réduire la perte de Mg dans une certaine mesure pendant le recuit. Les films précurseurs ont été recuits après dépôt dans un soudeur par faisceau d'électrons EBW-6 avec une pression de vide de 5,0 × 10^-3 Pa. La tension d'accélération du 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 0,1-1,0 s.

Expériences FEHI dans le MET

Les expériences FEHI dans le MET ont été réalisées sur un MET à émission de champ Jeol 2010F 200 kV. Le courant du faisceau e a été mesuré à ~ 5 nA avec une coupelle de Faraday. Au diamètre de faisceau e de 0,5-1,0 nm, une densité de courant nominale de (0,6-2,5) × 10⁶ A/cm² a été obtenue sur l'échantillon. Les échantillons MET ont été préparés sur grilles de carbone lacey à partir de suspensions des NF dans l'éthanol. Les procédures employées pour le structurage et le soudage des NF suivaient la description dans la référence [9]. Les expériences MEB ont été effectuées dans un soudeur par faisceau d'électrons sous vide EBW-3H et un MEB à émission de champ (FEI QUANTA 600F). Un câblage complexe et une connexion entre le dispositif dans la chambre à vide du MEB et les instruments de mesure à l'extérieur de la chambre à vide ont été spécialement conçus et réalisés. Les faibles signaux de tension de sortie des TFTC sous irradiation du faisceau e du MEB à différentes tailles de spot (de 1 à 7, a.u.) et tensions d'accélération (de 2 à 30 keV) ont été mesurés avec un multiplexeur maison et un nanovoltmètre Keithley 2182A [39].

Résultats

Limite Supérieure de la Température Locale

Nous avons d'abord examiné la limite supérieure de la température locale, T_max, qu'un faisceau e nanométrique dans un MET pouvait induire sur une surface de sujet. Des dizaines de preuves expérimentales ont montré que les atomes dans les couches de surface d'un NF solide pouvaient être instantanément vaporisés sous irradiation d'un FEHI [8, 42], indiquant que les valeurs correspondantes de T_max étaient supérieures aux températures de vaporisation des matériaux sujets. La Figure 1 présente un résultat typique obtenu dans un MET (Jeol 2010F) à une tension d'opération de 200 kV et un courant de faisceau e de 5 nA. Le faisceau e a été focalisé en un diamètre aussi petit que 0,5-1,0 nm, et son intensité était suffisamment élevée pour percer des trous de 1 nm de diamètre dans un NF de Si de 60 nm de diamètre en moins d'une seconde. La Figure 1a montre le NF de Si original, où un NF de Au de 25 nm est situé en parallèle comme référence dans l'opération d'inclinaison. La Figure 1b montre les huit nano-trous sur le NF de Si faits avec le faisceau e nanométrique en 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8 s, respectivement. Les trous ont tous un diamètre similaire : ~ 1,0 nm. Les Figures 1c, d montrent la vue de côté des trous pour le même NF de Si après que l'échantillon a été incliné in situ de 10,0° et 20,0°, respectivement. On voit qu'après une irradiation de 1 s avec le faisceau e de 0,5-1,0 nm de diamètre, un trou a été percé à travers tout le NF de Si. Avec l'augmentation de la durée d'irradiation de 1 à 8 s, le diamètre de l'ouverture avant et de l'ouverture inférieure se sont tous deux agrandis, tandis que la région centrale des trous traversants reste un diamètre similaire de 1 nm, apparaissant ainsi comme ne changeant pas dans la vue de dessus montrée à la Fig. 1b.

Le fait présenté à la Fig. 1 est que les atomes de Si dans la région locale focale sous le FEHI de 1 nm de diamètre étaient totalement vaporisés. De même, un tel FEHI de 1 nm de diamètre était capable de percer des trous dans un NF de Au [8]. Une conclusion logique est que la température locale devrait être supérieure aux points d'ébullition des matériaux, ici, Si ou Au. Comme montré dans le Tableau 1, les points d'ébullition sont 3173 K pour le Si et 3081 K pour l'Au. Dans les deux cas, les températures locales sous un FEHI étaient supérieures à 3000 K. Des études antérieures ont montré que le point de fusion d'un nanomatériau est légèrement inférieur à celui du volume [43-45], pourtant à la taille de 20-100 nm, cette réduction du point de fusion n'est pas attendue comme remarquable.

Ici, comme la température locale était si élevée qu'aucune méthode n'est applicable pour mesurer directement la vraie température. Pour les capteurs thermiques de contact, la température locale était supérieure au point de fusion ou même au point 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 aussi tout le processus se produisait trop vite pour des mesures optiques fiables.

La température locale élevée estimée à plus de 3000 K peut causer débat. On peut arguer qu'au lieu de la vaporisation causée par le chauffage thermique, l'enlèvement des atomes de Si locaux dans les huit nano-trous montrés à la Fig. 1 était causé par "l'effet de recul". Si le perçage de nano-trous avec un FEHI était vraiment un effet de recul, alors en réduisant le flux de FEHI en agrandissant son diamètre de faisceau, on pourrait observer en continu l'enlèvement d'atomes de surface sur une longue échelle de temps. Mais ce qui a été observé était l'existence d'un seuil pour l'intensité du faisceau, en dessous duquel le processus de perçage dans les NF de Si, NF de Au, etc. ne pouvait pas être effectué [8]. Considérant que l'énergie cinétique de chaque électron dans un MET 200 kV est d'environ 10^-14 J, qui est plus grande que l'énergie de liaison par atome de Si de trois ordres de grandeur, la vaporisation et l'effet de recul ont des effets synergiques dans un processus de "perçage". Par conséquent, en définissant la température locale nominale comme un paramètre proportionnel à l'énergie cinétique moyenne des particules locales (ici, atomes de Si), les températures locales nominales aux huit régions de trous étaient vraiment supérieures au point d'ébullition du Si.

Précédemment, il a été rapporté que lorsque la densité de courant du faisceau était dans la gamme de 10^3-5 A/cm², un faisceau e dans un MET pouvait être appliqué pour introduire une fusion locale dans des NF autoportants, par exemple NF de Au, NF de Cu, etc., en quelques minutes [8]. Les effets de fusion observés indiquaient sans ambiguïté que les températures locales sur ces surfaces métalliques étaient dans la gamme de 1000-2000 K, comme listé dans le Tableau 1.

Dans ce travail, nous avons observé que lorsque l'intensité du faisceau était suffisamment élevée et que la durée d'irradiation durait des minutes, les faisceaux e dans un MEB pouvaient également induire un effet de fusion locale pour des films minces de Pt et Cr déposés sur Si, comme présenté typiquement à la Fig. 2. À partir de l'image MEB (Fig. 2a) et de l'image de microscope à force atomique (AFM) (Fig. 2b) du même échantillon après irradiation d'un faisceau e de haute intensité dans un MEB, on voit des trous et des protrusions aux régions de jonction de deux TFTC Pt-Cr (surlignés par des flèches rouges). Les températures de fusion du Cr et du Pt étaient respectivement 2130 K et 2045 K. Nos résultats expérimentaux impliquaient que les températures locales de surface sous l'irradiation du faisceau e étaient supérieures aux températures de fusion de ces métaux (~ 2000 K) [46]. Les protrusions qui se produisaient aux bords de jonction à quelques microns des trous de fusion étaient probablement formées par diffusion et accumulation des atomes de Pt et Cr. Cependant, nous n'avons pas réussi à obtenir les valeurs de température locale en temps réel avec les mêmes capteurs TFTC Pt-Cr sous irradiation. Au lieu de montrer une augmentation de température locale de 2000 K, nous avons mesuré une augmentation de moins de 100 K. Comme discuté plus tard, cette énorme différence était causée par la dissipation thermique du substrat Si épais et la grande taille du capteur TFTC.

Avec la préoccupation de la fiabilité du dispositif pour la mesure de haute température, nous avons fourni nos expériences de référence avec des lasers de haute énergie, dont la chaleur se concentrant sur la jonction est suffisante pour compenser la dissipation thermique. La Figure 2c montre nos dispositifs TFTC Pd-Cr faits sur une fenêtre de film mince autoportant Si₃N₄ de 400 nm d'épaisseur. Le TFTC Pd-Cr fait avec les mêmes paramètres de processus que le TFTC Pt-Cr a été utilisé pour mesurer le laser médical par nos collègues, au lieu du TFTC Pt-Cr, et des résultats significatifs ont été référés ici pour confirmer la fiabilité à haute température de ce type de dispositif [47]. Avec irradiation au point focal 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). Au même moment, le dispositif a montré un pic de sortie près de 50 mV. En utilisant nos résultats de calibration obtenus à température ambiante qui était d'environ 20 μV/K, cela représente une température de pic nominale de ~ 2400 K, comme montré à la Fig. 2d. Mais 2400 K est supérieur au point de fusion du film de Pd, 1825 K. Nous avons attribué cette erreur à un coefficient de Seebeck changeant du Pd et Cr à haute température. Néanmoins, nos résultats indiquaient que nos capteurs TFTC faits sur fenêtre de film mince Si₃N₄ étaient applicables pour mesurer des 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 révélée avec nos expériences sur le recuit de films minces multicouches [Mg-B]_N. Les résultats ont montré que des faisceaux e de haute intensité pouvaient induire une transition de phase dans des films minces multicouches [Mg-B]_N amorphes en 1 s. En conséquence, un multicouche amorphe était partiellement transformé en une phase MgB₂ supraconductrice [5-7]. 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 e 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 MEB des échantillons ont révélé que différents courants de recuit pouvaient résulter en différentes rugosités sur la surface du film, comme montré à la Fig. 3. Sur une zone d'échantillon de 10 × 10 μm², la rugosité quadratique moyenne (RMS) a été mesurée à 3,11 nm, 3,56 nm et 7,53 nm, respectivement, pour ces échantillons. Les températures de transition supraconductrice T_c de ces échantillons ont été trouvées à 35,1 K, 35,8 K et 36,3 K, respectivement (Tableau 2). Cela impliquait que la température de recuit était cruciale pour l'évaporation du Mg, la diffusion dans les couches B, et le taux de réaction avec B. Un courant plus important pouvait apporter 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 formant du MgB₂ supraconducteur était de 900-1000 K. Par conséquent, les faisceaux e avaient induit des températures locales autour de 900-1000 K, ou même plus élevées. Ce résultat était cohérent avec les résultats montrés à la Fig. 2.

Mesure de Températures Locales par TFTC

Lorsque l'intensité d'un faisceau e incident est encore réduite, ou que la durée d'irradiation est réduite, un faisceau e cause un effet de chauffage local mesurable à la surface sous l'irradiation. La Figure 4 présente un ensemble de résultats de mesure typiques. 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 substrat SiO₂/Si(100) de 400 μm d'épaisseur, ce dispositif consiste en 24 TFTC Pt-Cr identiques. Les 24 jonctions, chacune avec une surface de 5,0 × 5,0 μm², s'étendent sur 4 rangées, formant un motif "croix" au centre de l'image. La Figure 4b est une image MEB montrant le centre du dispositif, où les bandes plus brillantes sont les bandes Pt, et les plus sombres sont les bandes Cr.

La Figure 4c trace quelques données mesurées. Elles ont été prises à partir de différents capteurs TFTC sous irradiation de faisceau e à différentes tensions d'accélération de 10, 15, 20 et 25 kV, respectivement, avec des courants de faisceau croissants. Le diamètre du spot de faisceau était fixé à 1 μm et le temps de mesure était fixé à 30 s. Les expériences de calibration 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 %. Cela montre que l'incrément de température locale augmente linéairement avec le courant de faisceau e incident. Cela indique un effet de chauffage de surface linéaire, que la puissance de chauffage convertie vers la surface du sujet local (ici la jonction TFTC) était proportionnelle au flux d'électrons dans le faisceau e incident. Dans l'erreur de mesure, la puissance de chauffage était également proportionnelle à la tension d'accélération. Cependant, comme nous le discuterons dans la suite, les données mesurées étaient bien inférieures à l'incrément exact de température locale au centre du faisceau e.

Discussions

Distribution Centralisée des Températures Locales sous un Faisceau e Nanométrique

Nous avons remarqué que lorsqu'un NF était irradié avec un faisceau e nanométrique, la région centrale avait une température beaucoup plus élevée que le reste de la région. La Figure 5a montre un NF de Si monocristallin avec quatre nano-trous percés dans le MET avec un FEHI. Les deux trous de gauche, surlignés avec des flèches bleues, ont un diamètre de 1,2-1,5 nm, et ce sont des trous peu profonds, qui ne pénètrent pas à travers le NF. Les deux trous de droite, surlignés avec des flèches rouges, sont des trous traversants avec un diamètre de 2,5 nm et 4,0 nm, respectivement. Il est clairement montré qu'une région en nano-anneau autour du trou montre une structure amorphe, tandis que la partie restante du NF conserve sa structure cristalline originale. Par exemple, la région centrale entre deux trous voisins, qui n'est qu'à 2-4 nm du bord du trou, montre des périodes cristallines claires le long de deux directions.

Ce phénomène implique que sous un nano-faisceau e, le centre du sujet sous irradiation a la température la plus élevée, et en s'éloignant de ce centre, la température locale diminue fortement. La Figure 5b illustre schématiquement l'hypothèse : La fonction T(r) est similaire à une fonction delta, où T est la température locale et r est la distance du point central du faisceau e. Nous pouvons également supposer que lorsque le faisceau e augmente son diamètre, il y a un plateau au milieu de la courbe 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 dans le MET comme typiquement montré à la Fig. 4a, l'hypothèse ci-dessus de distribution de température locale a été testée qualitativement avec nos réseaux TFTC sous un faisceau e faible dans le MEB. La Figure 6a est une image MEB de face avant pour des réseaux TFTC Pt-Cr faits sur un wafer Si. Dans la Fig. 6b, nous présentons les résultats d'une mesure unique. Les données ont été obtenues sous la condition que le faisceau e était focalisé pour avoir une taille de faisceau de 1 μm, tandis que le point focal du faisceau e était déplacé in situ sur les bandes Pt ou Cr de chaque capteur TFTC Pt-Cr. La distance du point focal à la région de jonction TFTC a été soigneusement mesurée. Sous 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 région de jonction, l'effet thermique causé par le faisceau e focal était presque négligeable.

Influence de la Taille du Capteur sur les Résultats de Mesure

Nous avons trouvé 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 originales avaient une taille de 5,0 × 5,0 μm². Nous avons utilisé la technique de faisceau d'ions focalisés (FIB) pour faire certaines des jonctions en une taille de jonction plus petite de 1,0 × 1,0 μm², comme montré à la Fig. 7a, b. Sous la même irradiation de faisceaux e, les sorties prises du TFTC avec une petite taille de jonction de 1,0 × 1,0 μm² étaient beaucoup plus élevées que celles avec une taille de jonction de 5,0 × 5,0 μm², comme montré à la Fig. 7c. Par exemple, irradié avec un faisceau e de tension d'accélération 15 kV et courant de faisceau 113,3 nA, le TFTC avec une taille de jonction de 5,0 × 5,0 μm² a mesuré un incrément de température locale de 35,0 K. Sous la même condition, un incrément de 161,4 K a été mesuré par le TFTC avec une taille de jonction de 1,0 × 1,0 μm², amélioré cinq fois. Encore une fois, cela confirmait que la température de surface maximale sous un faisceau e nano-micrométrique était localisée dans une zone très petite.

Influence de la Fenêtre Autoportante Si₃N₄ sur les Résultats de Mesure

Le substrat pour notre capteur TFTC joue un rôle important sur la température maximale de surface locale d'un sujet sous irradiation de faisceaux e nano-micrométriques. Lorsque le substrat est épais, la chaleur dissipée à travers le substrat peut être bien plus grande que la chaleur locale qui s'accumule sur la surface du sujet. En conséquence, la température locale mesurée pourrait être bien inférieure au T_max possible induit par le faisceau e incident.

Généralement, un faisceau e nano-micro-échelonné incident génère une quantité de chaleur locale, Q, à la surface du sujet sous irradiation, qui peut être décrite par Q = P·Δt·γ, où P est la puissance cinétique incidente, Δt est la durée, et γ est le rapport de conversion. En ignorant l'effet de relativité, grossièrement P·Δt·γ = I·V·Δt·γ, où I est le courant de faisceau, et V est la tension d'accélération. Une certaine chaleur est attendue pour se dissiper à travers le substrat, les connexions du TFTC, et le rayonnement. La partie restante cause l'incrément de la température de surface locale qui est mesurable par les capteurs TFTC. C'est-à-dire, Q = Q_substrat + Q_connexion + Q_rayonnement + Q_capteur, et Q_capteur = C·ΔT + λ. Ici, Q_substrat, Q_connexion, et Q_rayonnement représentent la chaleur dissipée thermiquement à travers le substrat, les connexions du capteur, et l'effet de rayonnement, respectivement. Q_capteur correspond à la chaleur restante mesurée par le capteur, C est la capacité thermique de la jonction du capteur, ΔT est l'incrément de température locale par rapport aux extrémités froides des TFTC, et λ est la chaleur latente de transition de phase. Nos études précédentes ont montré que, sous l'irradiation des mêmes faisceaux e, la sortie mesurée des capteurs TFTC faits sur fenêtre autoportante de Si₃N₄ était 10-30 fois plus grande que celle prise des mêmes capteurs sur wafers Si épais [40]. Ce facteur d'amélioration indiquait que Q_substrat était bien plus grand que Q_capteur.

Nous avons noté que le rapport de conversion γ, ou appelé valeur d'efficacité thermique dans certaines publications, dépendait beaucoup de l'énergie cinétique moyenne. Le rapport de conversion γ d'un faisceau de soudage avec une tension d'accélération de 70 kV avait été révélé dans la gamme de 0,33-0,48, et il a été trouvé que ce rapport avait peu de corrélation avec la géométrie de soudure [48]. Des expériences avaient manifesté que sous irradiation de faisceau d'électrons pulsé de basse énergie et haut courant (LEHCPEB), une couche homogène avait été formée sur les surfaces d'aciers, ce qui pouvait améliorer les propriétés anti-corrosion des aciers de manière spectaculaire [49]. Cependant, dans nos expériences MET, les valeurs de γ étaient extrêmement inférieures à l'unité de plusieurs ordres de grandeur. La physique sous-jacente nécessite une investigation plus approfondie.

Nous résumons les résultats et discussions de ce travail dans la Fig. 8. Nos résultats expérimentaux pris de l'irradiation de faisceaux e de haute intensité dans un MET ou un MEB étaient cohérents entre eux. Une température de surface locale T_max supérieure à 1800-2000 K était réalisable dans le MET et le MEB, comme révélé par les phénomènes de fusion locale observés dans les NF de Au, NF de Cu, bandes de films minces de Pt et Cr. Dans le MET, puisque les nanomatériaux étudiés dans ce travail étaient naturellement autoportants, T_max supérieur à 3000 K a été évalué à partir des expériences de nano-perçage observées sur les NF de Si et NF de Au. Des effets de vaporisation locale ont été induits en quelques secondes par des faisceaux e de 1 nm de diamètre.

Nous avons montré que les TFTC sur une fenêtre de film mince autoportant Si₃N₄ résultaient en une sensibilité améliorée par un facteur de 10-30 fois, et nous avons montré qu'un capteur TFTC de 1 μm de large avait une sensibilité plus élevée que celle d'un TFTC de 5 μm de large par un facteur de cinq fois. C'est parce que le substrat épais et les larges connexions dissipaient tous deux une grande quantité de chaleur locale. Pour une mesure précise de la température de surface locale aux échelles nano- et micro-, idéalement on devrait fabriquer des capteurs TFTC aussi petits que possible, et les faire sur des couches d'isolation thermique, telles que des fenêtres autoportantes de film mince Si₃N₄ ou des couches de Parylène.

Conclusion

En résumé, nous avons étudié plusieurs approches pour la mesure et l'estimation de la température de surface locale sous irradiation de faisceaux e nano-micro-échelle. Des faisceaux e de 10^5-6 A/cm² pouvaient induire une vaporisation locale de Si et Au en quelques secondes, montrant une température supérieure à 3000 K. Des faisceaux e avec une intensité de 10^3-4 A/cm² pouvaient introduire une fusion locale dans des bandes de films minces de Cr, Pt et Pd ; NF de Au et Cu ; et transition de phase dans des films minces Mg-B, avec une température locale de 1000-2000 K. Nous avons démontré que les réseaux TFTC faits sur fenêtres autoportantes Si₃N₄ fonctionnaient bien pour détecter des températures de pointe jusqu'à 1500 K ou plus. En combinant des techniques d'analyse de morphologie de surface, de mesure électrique, et de capteurs TFTC, nous pouvions estimer la température locale dans une large gamme. Nous avons également discuté de la distribution des températures de surface sous les faisceaux e, de la dissipation thermique du substrat épais, et d'un faible rapport de conversion de l'énergie cinétique élevée du faisceau e vers la chaleur de surface.

Les résultats sont utiles pour les applications des faisceaux e, et peuvent offrir des indices précieux pour le développement de nouvelles techniques de détection et méthodes d'évaluation pour les hautes températures dans la gamme de 1500-3000 K.

Abréviations

AFM :

Microscope à force atomique

SPEE :

Spectroscopie de perte d'énergie des électrons

FIB :

Faisceau d'ions focalisés

FEHI :

Faisceau d'électrons de haute intensité

LPCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur à basse pression

NF :

Nanofil

MEB :

Microscope électronique à balayage

METB :

Microscope électronique à transmission à balayage

MET :

Microscope électronique à transmission

TFTC :

Thermocouple à film mince

UHV :

Ultra-haut vide