Development of nano-probe techniques for work function assessment and application to materials for microelectronics

• Auteur / Autrice : Khaled Kaja
• Direction : Guy Feuillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble1991-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Graphène

Mots clés libres

Nanosondes

Résumé

La mesure fiable et spatialement résolue du travail de sortie de matériaux et nanostructures est l'un des problèmes les plus importants en caractérisation de surface avancée pour les applications technologiques. Parmi les méthodes de mesure du travail de sortie disponibles, la microscopie à sonde de Kelvin (KFM), basé sur l'AFM, et la spectromicroscopie de photoémission d'électrons par rayons X (XPEEM) apparaissent comme les méthodes les plus prometteuses. Nous nous sommes intéressés dans cette thèse à l'investigation de la mesure locale du travail de sortie par KFM sous air ainsi qu'à l'étude de la complémentarité entre les mesures obtenues par KFM et XPEEM. Nous présentons tout d'abord une analyse des variations des mesures KFM avec la distance pointe-échantillon sur différents échantillons métalliques. Ces variations peuvent être expliquées par un modèle simple basé sur des transferts de charges de surfaces associés à l'inhomogénéité locale du travail de sortie. L'influence de la pointe, de l'environnement et des paramètres expérimentaux a été aussi étudié. Nous avons ensuite mis en évidence une augmentation de la résolution spatiale de l'imagerie KFM sous air grâce à la mise en oeuvre, sur le microscope commercial, d'un mode combiné AFM-KFM basé sur l‘acquisition simultanée des mesures KFM et de la topographie de surface. Enfin, nous nous sommes focalisés sur la caractérisation croisée par KFM et XPEEM de couches de graphène épitaxiées sur un substrat SiC(0001). Les images du travail de sortie obtenues par KFM sous air permettent de révéler qualitativement, avec une grande résolution spatiale, l'hétérogéneité de ces couches en surface. La mesure complémentaire par XPEEM spectroscopique au seuil de photoémission montre que cette hétérogéneité est liée à l'augmentation du travail de sortie local dû à une épaisseur de graphène variant entre 1 et 4-5 monocouches d'après la littérature. Ceci est corrélé qualitativement avec les intensités locales Si2p et C1s extraites des images XPEEM correspondantes. Des voies pour la compréhension de cette évolution atypique du travail de sortie d'un matériau, sont esquissées d'après la littérature disponible et les résultats micro-spectroscopiques, en terme de couplage électronique avec le substrat SiC.

The reliable and spatially resolved work function measurement of materials and nanostructures is one of the most important problems in surface characterization for advanced technological applications. Among different methods for work function measurement, AFM-based Kelvin Force Microscopy (KFM) and X-ray Photo-Emission Electron spectro-Microscopy (XPEEM) are two of the most promising techniques. In this thesis, we were interested in the investigation of local work function measurements using KFM under ambient conditions, and in the study of complementarities between measurements obtained by KFM and XPEEM. We first present an analysis of KFM measurement variations with the tip-sample distance on various metal samples. These variations can be explained by a simple model based on surface charge transfers associated with the non-homogeneity in local work function. The influence of the tip, environmental and experimental parameters on KFM measurements was also investigated. We then show an increase in spatial resolution of KFM imaging in air through the implementation on the commercial microscope of an AFM-KFM combined mode, based on the simultaneous acquisition of KFM measurement with that of the surface topography. Finally, we focus on the characterization of epitaxial graphene layers on SiC(0001) substrate, using both KFM and XPEEM techniques. KFM work function images in air reveal, qualitatively, the heterogeneity of these layers on the sample surface with high spatial resolution. Complementary measurements by XPEEM at the photoemission threshold show that this heterogeneity is related to the increase in work function due to a local variation of graphene layer thickness between 1 and 4-5 monolayers, as reported in literature. This is qualitatively correlated with local intensities from the corresponding Si2p and C1s XPEEM core-level images. Ways for understanding this atypical variation in work function of graphene layers are outlined according to the literature and to micro-spectroscopy results, in terms of electronic coupling with the SiC substrate.