La RBS mesure, sans détruire l’échantillon, l’épaisseur et la composition d’une couche mince (métal, oxyde, semiconducteur) sur les deux premiers micromètres de sa surface, utile par exemple pour contrôler un dépôt, un dopage, ou une oxydation.
La spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS) repose sur la diffusion élastique coulombienne d’ions incidents (généralement des particules alpha ⁴He⁺ d’énergie 1-2 MeV) par les noyaux atomiques de l’échantillon analysé.
Principe physique
Lorsqu’une particule alpha entre en collision avec un noyau cible, elle est rétrodiffusée avec une énergie caractéristique qui dépend :
- De la profondeur à laquelle a lieu la collision (perte d’énergie dans la matière)
- De la masse de l’atome cible (facteur cinématique K)
Caractéristiques techniques
- Faisceau incident : ⁴He⁺ ou ¹H⁺ (1-2 MeV)
- Détecteur : détecteur silicium à barrière de surface
- Angle de détection : 165° (rétrodiffusion)
- Sensibilité : ~10¹³ at/cm² (éléments lourds)
- Résolution en profondeur : 10-20 nm (surface)
- Profondeur analysée : jusqu’à ~2 µm (⁴He⁺)
Avantages
- Technique quantitative absolue
- Non destructive
- Sensible aux éléments moyens et lourds (Z > 6)
- Profils de concentration en profondeur
- Mesure d’épaisseur de couches minces
- Rapide et reproductible
Limitations
- Faible sensibilité aux éléments légers (H, Li, Be…)
- Résolution en masse limitée pour éléments proches
- Résolution en profondeur dégradée en profondeur
Applications typiques sur SAFIR
- Films minces métalliques (TiN, TiAlN, CrN…)
- Analyse d’oxydes (Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂…)
- Diffusion interfaciale dans les multicouches
- Contrôle de dopage dans les semiconducteurs
- Corrosion et oxydation de surfaces
- Matériaux pour la microélectronique
Complémentarité avec les autres techniques
RBS est souvent couplée à l’ERDA pour la détection de l’hydrogène, à la NRA pour les éléments légers (C, N, O), et à la canalisation d’ions pour l’analyse cristallographique.
Publication de référence
S. Rigo, C. Cohen, A. L’Hoir, E. Backelandt, « Precision absolute thin film standard reference targets for Rutherford backscattering microanalysis », Nuclear Instruments and Methods, vol. 149, p. 721–726, 1978. DOI : 10.1016/0029-554X(78)90958-8