Un groupe de chercheurs du Département de physique de l’Université de Fribourg a réussi à mesurer pour la première fois la «diffusion Raman résonnante de rayons X» en haute résolution sur un échantillon de silicium. Les principaux résultats de cette expérience, qui devraient permettre d’abaisser le seuil de détection des impuretés d’aluminium dans les cristaux de silicium ultra-purs, ont été publiés dans la revue réputée «Physical Review Letters».

Le silicium est un élément qui joue un rôle de première importance dans la vie de tous les jours, particulièrement dans les domaines de l'électronique et de l"informatique. Le développement rapide de la technologie des semi-conducteurs exige des cristaux de silicium de plus en plus purs. Il s'agit donc de trouver non seulement des procédés de purification de plus en plus performants, mais aussi des méthodes permettant de déterminer avec précision la pureté des cristaux produits. La méthode la plus efficace pour déterminer le taux d"impuretés dans des cristaux de silicium est la méthode TXRF (Total reflection X-Ray Fluorescence), laquelle consiste à irradier l'échantillon cristallin avec des photons monoénergétiques sous un angle d"incidence très petit et à mesurer l’intensité relative des raies X caractéristiques des impuretés par rapport à celle des  raies X du silicium. L’énergie des photons incidents doit être proche du bord d’absorption 1s du silicium, c’est-à-dire comparable à l’énergie de liaison des électrons les plus proches du noyau atomique. La sensibilité de la méthode TXRF est cependant limitée par un rayonnement X «parasite» provenant de la diffusion inélastique par le silicium d’une partie des photons incidents. Cet effet est généralement négligeable sauf lorsque l’énergie des photons incidents est très proche du bord d’absorption 1s. On assiste alors à un phénomène de résonance qui amplifie considérablement l’intensité des rayons X «parasites». Ce phénomène appelé «diffusion Raman résonnante de rayons X» (traduction littérale de l’expression anglaise X-ray resonant Raman scattering ou XRRS en abrégé) n’avait jamais pu être mesuré avec des instruments de haute résolution jusqu’à présent.

Dans ce but, le groupe du Prof. Jean-Claude Dousse, en collaboration avec des physicien-nes de l’ESRF et de l’Université de Kielce, en Pologne, ont réalisé une expérience à l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, à Grenoble, France), qui a permis de déterminer avec précision l’intensité et la forme du spectre XRRS en fonction de l’énergie des photons incidents, ce qui devrait permettre d’améliorer dans un avenir proche le seuil de détectabilité des impuretés d’éléments légers dans le silicium. L’échantillon de silicium a été irradié avec du rayonnement synchrotronique monochromatique et la fluorescence X de la cible a été analysée au moyen d’un spectromètre à cristal incurvé développé dans les laboratoires du Département de physique de l’Université de Fribourg.

Liens : « Physical Review Letters » : http://link.aps.org/abstract/PRL/v97/e073001

«Physical Review A» : http://link.aps.org/abstract/PRA/v75/e022512

Contact : Jean-Claude Dousse, Département de physique, tél. +41 26 300 90 73, e-mail : jean-claude.dousse@unifr.ch

Légende 1^ère photo : Le spectromètre à cristal von Hamos photographié durant l’expérience  réalisée à Grenoble auprès de la Source européenne de radiation synchrotronique (ESRF).

Légende 2^ème photo : groupe du Prof. J.-Cl. Dousse avec, au premier plan, le spectromètre à cristal von Hamos utilisé pour l’expérience à ESRF, Grenoble.
De gauche à droite : Prof. J.-Cl. Dousse, Dr. J. Hoszowska (docteure-assistante), M. Berset (ingénieur-électronicien), Y.-P. Maillard (doctorant), K. Fennane (doctorante), W. Cao (doctorant),  M. Szlachetko (doctorante), J. Szlachetko (doctorant) et Y. Kayser (étudiant en master).