La propriété des éléments à émettre un rayonnement caractéristique, suite à une excitation par rayons X ou fluorescence X, est exploitée à des fins de quantification. Les équations décrivant cette interaction lumière-matière sont rappelées, ainsi que les conditions expérimentales nécessaires pour s’affranchir du besoin d’étalons de référence.
La fluorescence X peut aussi être exploitée en la combinant avec la réflectivité X pour l’étude des couches minces d’épaisseur nanométrique. L’approche présentée ici exploite les données fondamentales dont les enjeux de justesse et d’incertitudes associés sont abordés dans un souci métrologique.
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Yves MÉNESGUEN : Chercheur, PhD HdR - Université Paris-Saclay, CEA, LIST, laboratoire national Henri Becquerel (LNE-LNHB), Palaiseau, France
INTRODUCTION
La fluorescence X est l’émission d’un rayonnement de photons issus
d’une vacance créée dans le cortège électronique d’un atome par une
excitation photonique de plus haute énergie. Cette façon d’interroger
la matière est potentiellement non destructive pour l’échantillon
à mesurer car ne nécessitant pas de préparation particulière. La quantification
possible avec cette technique concerne la quantité de matière donnée
en masse ou masse surfacique ou encore nombre d’atomes, etc. Malgré
tout, dans la majorité des applications actuelles, la préparation
des échantillons est une étape essentielle, la raison étant la nécessité
d’étalonner l’appareil de mesure pour les gammes de masses d’intérêt.
Nous nous placerons ici dans le cadre général des équations fondamentales
de cette interaction afin de présenter la quantification sans référence,
c’est-à-dire ne reposant que sur les principes fondamentaux avec ses
atouts et ses inconvénients.
Nous présenterons les équations de cette interaction, puis une
application à la quantification des couches minces d’épaisseurs nanométriques
pour lesquelles il n’est pas réaliste d’envisager de recourir à de
multiples échantillons de référence pour étalonner un appareil de
mesure. En effet, la technique d’analyse combinant réflectivité X
(XRR) et fluorescence X en incidence rasante (GIXRF) se conçoit sans
référence à des étalons et utilise le calcul du champ électrique stationnaire
dans la/les couche(s) pour en déduire le profil d’émission de fluorescence
X. Cette méthode permet de combiner la sensibilité à la densité électronique
de la réflectivité X avec la sensibilité atomique de la fluorescence X
pour en déduire le profil en densité, épaisseur, rugosité d’interface
et composition atomique des couches minces.
Nous présenterons les outils nécessaires à la réalisation de cette
approche, ainsi que les données fondamentales sur lesquelles le calcul
est fondé. Les outils concernent la source de rayons X qui doit être
monochromatique et dont le faisceau doit présenter une divergence
aussi faible que possible compte tenu de la précision angulaire nécessaire.
Les détecteurs sont de deux natures :
les intégrateurs de photons de type photodiode qui mesurent
un courant proportionnel à la quantité de photons entrant, mais ne
renseignent pas sur leur répartition spectrale ;
les spectromètres qui mesurent l’énergie des photons individuellement
donnant un spectre de raies représentatif des différents atomes émetteurs.
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(1) - BECKHOFF (B.) - Reference-free X-ray spectrometry based on metrology
using synchrotron radiation. - Dans Journal
of Analytical Atomic Spectrometry, 23: 845 (2008).
(2) - SHERMAN (J.) - The theoretical derivation of fluorescent X-ray intensities...
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