Caractérisation des surfaces et des matériaux stratifiés par rayons X

Dans différents types d'applications, des qualités précises sont requises pour la surface, ou une très faible épaisseur, qu'il faut donc caractériser. Dans certains cas, la couche superficielle à laquelle on s'intéresse est la première couche atomique et éventuellement quelques autres plus profondes ; cela correspond à des épaisseurs de l'ordre du nanomètre. Pour d'autres applications, la couche superficielle, l'interface ou les couches multiples sous-jacentes à étudier sont de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres ou même quelques micromètres. À chacune de ces échelles, la description la plus appropriée peut être différente et diverses techniques sont spécialement adaptées. Mais dans tous les cas, de la monocouche atomique à la couche de plusieurs micromètres, les rayons X permettent d'apporter des informations de façon non destructive aussi bien sur la composition que sur la structure .

La topographie d'une surface, c'est-à-dire ses variations dans les trois dimensions, est souvent appelée rugosité si l'on considère les défauts à courte distance. Pour l'étudier, plusieurs méthodes complémentaires sont nécessaires, car on doit regarder des fréquences spatiales depuis le millimètre jusqu'au dixième de nanomètre. Des profilomètres de type mécanique ou optique (interférométrie, microscopies de différents types) ont été développés pour satisfaire ces divers besoins. La microscopie électronique a aussi été utilisée pour les études de surfaces. Beaucoup plus récemment sont apparus un ensemble de techniques de microscopie dites à champ proche, effet tunnel, forces atomique ou magnétique.

En fait, dans nombre d'applications, on souhaite non seulement décrire la topographie de la surface mais aussi connaître l' épaisseur d'une couche déposée ou formée, sa nature chimique et celle de l'interface entre la couche de surface et son substrat. Alors que les dépôts par voie électrolytique sont relativement anciens, ceux par évaporation sont plus récents et de plus en plus employés. La microélectronique, par exemple, utilise un grand nombre de matériaux en couche mince dont on doit strictement contrôler les qualités. Les tests à l'échelle macroscopique ou microscopique des surfaces et interfaces de composants électroniques, par exemple, permettent de caractériser la composition chimique des surfaces ou interfaces des motifs gravés et celles des supports de semi-conducteurs.