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V.4. L'origine du contraste dans les images de microscopie à balayage en réflexion.

Lorsque le faisceau d'électrons primaires (d'énergie variable entre 1 et 30 keV) pénètre dans un échantillon massif, il subit une succession de chocs inélastiques et élastiques qui contribuent à son ralentissement. On montre que l'ensemble des trajectoires suivies par ces électrons s'inscrit dans une "poire" telle que représentée dans la figure V.11, dont la largeur et la profondeur dépendent de l'énergie des électrons primaires et du numéro atomique moyen des atomes constitutifs de la cible.  Le ralentissement s'accompagne de réémissions diverses à partir de la surface irradiée : en particulier on y distingue plusieurs types d'électrons selon leur énergie cinétique (voir figure V.12).

Figure V.11 Pénétration d'un faisceau d'électrons de haute énergie dans une cible massive et définition des volumes de génération des différents types de signaux d'émission électronique.

Certains ont une énergie proche de l'nergie des électrons primaires (E0): ce sont donc des électrons du faisceau incident qui ont subi des chocs avec déviation angulaire supérieure à ?/2 et qui ressortent de la surface en ayant subi au maximum quelques collisions inélastiques accompagnant ce choc élastique. On les appelle électrons rétrodiffusés (R). On comprend alors pourquoi un tel signal contient une information significative sur la composition du matériau dans la mesure où la probabilité d'observer de telles interactions croît considérablement avec le numéro atomique (Z) des élements rencontrés. De plus l'origine de ce signal recouvre assez bien le volume de pénétration des électrons primaires.

Une autre famille d'électrons quittant la surface de l'échantillon possède une faible énergie cinétique de l'ordre de quelques eV à une centaine eV. Ce sont des électrons, appartenant essentiellement à la population d'électrons du solide, qui ont été mis en mouvement à la fin des différents processus en cascade impliqués dans le ralentissement du faisceau primaire : on les identifie sous le nom d'électrons secondaires (S). Comme leur énergie cinétique est faible, ils ne peuvent provenir que d'une couche de faible épaisseur sous la surface, sinon ils n'auraient guère l'énergie suffisante pour l'atteindre et en sortir. Par conséquent, l'information transportée par ces électrons est relativement limitée en termes de composition, mais reflète bien la topographie de surface, car leur taux de production dépend sensiblement de l'inclinaison de la face de sortie par rapport à la direction du faisceau primaire.

Figure V.12 La distribution énergétique des électrons réémis par une cible massive sous l'impact d'électrons primaires de haute énergie.

Comme déjà montré dans la figure III.15, la nature et la géométrie des détecteurs d'électrons implantés face au spécimen dans la chambre d'observation du microscope à balayage, ont été étudiées pour recueillir ces deux types de signaux et tirer partie de l'information spécifique à chacun. Les électrons rétrodiffusés sont mesurés par un détecteur semiconducteur annulaire situé sous la face inférieure de la pièce polaire de l'objectif. Dans les microscopes récents, ce détecteur est fendu en deux parties : quand on somme les différents signaux, on obtient l'image dite de composition. Au contraire quand on réalise, au moyen de l'électronique associée, des différences entre ces composantes, on a accès à une information topographique car la distribution spatiale des électrons rétrodiffusés dépend en fait légèrement de l'orientation de la surface de l'échantillon. Cet effet topographique est évidemment accru dans les images dites d'électrons secondaires réalisés avec le signal provenant en général d'un photomultiplicateur situé derrière une grille polarisée sous une faible tension positive afin d'attirer tous les électrons de faible énergie cinétique quittant la surface de l'échantillon. La figure V.13 présente un exemple de clichés de microscopie électronique à balayage utilisant ces deux types d'électrons.

Figure V.13 - Les détecteurs pour électrons secondaires et rétrodiffusés émis à partir d'une cible massive et utilisés en microscopie électronique à balayage en réflexion.

Etant donnée la complexité des processus mis en oeuvre, il est évident que l'interprétation quantitative de telles images est loin d'être équivalente à celle atteinte dans le domaine de la microscopie électronique en transmission à haute résolution. Dans certains cas, de géométrie et de composition simple, on peut cependant dépasser l'interprétation qualitative en comparant la distribution des intensités mesurées à des résultats de simulation dites de Monte-Carlo. On y reproduit les trajectoires réalisées par un grand nombre d'électrons primaires au moyen de lois de probabilité contrôlées par les ordres de grandeur et distribution des différents paramètres (sections efficaces différentielles en angle et en énergie, sections efficaces totales, libres parcours moyens) intervenant dans ces processus.

Figure V.14 - Micrographies (MEB) obtenues en modes électrons rétrodiffusés et secondaires à partir d'un échantillon de pyrite d'un interbanc argileux du grès armoricain (clichés J. Estéoule et J. Le Lannic, Rennes)

On peut aussi à travers ces calculs mieux appréhender la résolution spatiale accessible dans ces différents modes, celle-ci étant davantage contrôlée par la localisation des différents évènements élastiques ou inélastiques produits lors de l'interaction électron-matière, que par la qualité et la finesse de la sonde d'électrons primaires.

Signalons enfin que d'autres paramètres peuvent modifier les contrastes observés (cristallinité, texture, champs électromagnétiques près de la surface) et fournir d'autres informations relatives à la structure cristalline, à la présence de domaines électriques ou magnétiques ou à l'existence de potentiels de surface, par exemple. Pour être complets, mentionnons enfin les modes plus spécialement impliqués dans l'observation des circuits intégrés semiconducteurs par la mesure des courants induits sous le faisceau.