Plateforme C3 Fab - Élaboration et caractérisation de Composants, Cellules PV et Capteurs

Logiciels de simulation de l’analyse par faisceaux d’ions

De Plateforme C3 Fab - Élaboration et caractérisation de Composants, Cellules PV et Capteurs
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Virtual Rutherford Backscattering Spectroscopy (Spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford virtuelle)

La simulation informatique dans l’analyse par faisceaux d’ions (Ion Beam Analysis, IBA) a été limitée à des simulations de spectres : les paramètres qui définissent l’échantillon analysé (épaisseur, composition) sont ajustés par des essais successifs afin de reproduire le spectre expérimental.

L’analyse des données nécessite la compréhension des bases physiques et expérimentales de la technique, et limite son utilisation aux laboratoires équipés d’un accélérateur.

  • VRBS est un outil qui permet d’exécuter une spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS) virtuelle, en simulant toutes les étapes d’une mesure réelle.
  • Il est conçu afin de promouvoir les techniques d’analyse par faisceau d’ions dans l’enseignement supérieur, la recherche et l’industrie.

Présentation

VRBS est une méthode générale de description et de simulation d’analyse par faisceau d’ions qui comprend la physique sous-jacente, l’instrumentation, les mesures et l’acquisition de données. Elle repose sur un outil multimédia qui permet à des non-spécialistes de réaliser une expérience de "RBS virtuelle" complète.

VRBS contient un cours sur la spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford, la description de l’instrumentation, un simulateur de protocole et des exercices et problèmes pour l’auto-évaluation. L’interprétation des données et les calculs sont facilités grâce à des outils remplaçants les tableaux (facteur cinématique, pouvoir d’arrêt, section efficace) et grâce à une simulation de spectre.

VRBS est la première méthode d’apprentissage de RBS qui ne soit pas basée sur un manuel, et qui peut intégrer les données de l’utilisateur à partir de mesures réelles ou de données virtuelles correspondant à une composition de cible choisie.

Cours classiques

Apprentissage de l’analyse par faisceau d’ion : cours "classiques"

Des manuels standards de physique sont utilisés. Le professeur donne un cours linéaire et enseigne une méthode de démonstration qui est supposée être adapté à "l’étudiant moyen virtuel". Il est impossible d’adapter le cours au niveau et au rythme d’apprentissage de chaque étudiant, le processus d’apprentissage n’est donc pas optimisé.

Des activités de laboratoire "toutes prêtes" sont proposées, et seuls les étudiants des quelques instituts équipés d’accélérateurs ont accès aux pratiques expérimentales.

Des manuels avec des tableaux sont nécessaires pour les exercices et l’interprétation de données : tableau périodique, facteurs cinématiques, sections efficaces, pouvoirs d’arrêts ...

Simulations de données "classiques" dans l’analyse par faisceau d’ion

Pour calculer le spectre simulé (RUMP, SAM...), chaque couche est divisée en fines sous-couches, pour lesquelles l’énergie moyenne et la section efficace sont déterminées et les contributions de ces sous-couches sont ajoutées pour générer un spectre calculé.

Des approximations de premier ordre sont utilisées (pas de diffusion multiple).

Les comparaisons avec les données expérimentales sont réalisées pour en déduire la composition exacte de l’échantillon (quand le spectre simulé s’adapte aux points expérimentaux), mais le résultat n’est pas déterminé de façon unique (et non ambiguë) et il est nécessaire de comprendre la physique de la méthode pour interpréter les données expérimentales, donc les analyses par faisceau d’ions sont limitées aux laboratoires :

  • équipés d’accélérateurs
  • disposant d’utilisateurs expérimentés dans l’analyse par faisceau d’ions.

Cours multimédia

Le développement et l’intérêt de la technologie multimédia

  • "Multimédia" signifie "média multiples" : texte, graphique, animation, vidéo et son sur ordinateur.
  • L’informatique multimédia se développe rapidement dans de nombreux nouveaux secteurs (communication, culture, enseignement, information, ...).
  • Elle ouvre un large domaine d’applications dans la recherche et les communautés académiques (cours, instrumentation ...).
  • Dans les environnements disposant de nombreux ordinateurs, comme la recherche et les universités, le multimédia est attractif car :
    • il améliore l’efficacité
    • il utilise des ordinateurs et des réseaux existants (et ne nécessite donc pas d’investissements spécifiques)

Comment le multimédia va améliorer l’enseignement de l’analyse par faisceau d’ions

  • La "génération Nintendo" sera habituée à d’autres média et s’attendra à de nouvelles méthodes.
  • L’efficacité de la procédure d’apprentissage est améliorée car :
    • il n’y a pas de séparation entre le cours et les simulations qui sont intégrées dans la procédure d’apprentissage,
    • chaque étudiant peut adapter son rythme à son propre niveau et optimiser l’efficacité de la formation,
    • l’auto-évaluation est toujours disponible pour contrôler la progression.
  • Les phénomènes physiques sont généralement des processus dynamiques et sont illustrés avec plus de clarté par des animations interactives (collisions ...) que par des images statiques.
  • Les manuels de tableaux pour l’interprétation de données sont remplacés par des fenêtres à l’écran.
  • L’équipement expérimental est décrit par des vidéos montrant l’installation réelle. Des liens hypertextes peuvent être créés avec des notes techniques qui sont régulièrement mises à jour.
  • Un simulateur de protocole est utilisé pour apprendre comment procéder avec une mesure réelle avant de travailler avec les appareils expérimentaux.
  • La simulation de spectre est incluse dans l’ensemble d’apprentissage.

Avec le logiciel multimédia, il est possible d’exécuter l’analyse par faisceau d’ions pour la formation.

Projets MODEM

VRBS est la première application complète développée sur la base de nouveaux concepts validés par le projet MODEM.

Le projet MODEM européen

Multimedia Optimisation and Demonstration for Education in Microelectronics" ("Optimisation Multimédia et Démonstration pour l’Enseignement en Microélectronique", MODEM).

Financé par le programme DG XII de la Communauté Européenne : Télécommunications, Informations, Marché et Exploitation de la Recherche, le projet MODEM s’est concentré sur l’exploitation de nouvelles technologies émergentes dans les secteurs de l’apprentissage assisté par simulation, co-création et distribution de cours aménageables pour la microélectronique

Parmi leurs dix partenaires (NMRC-Cork, CIME INPG-Grenoble, Courseware Scandinavia-Copenhagen, ISA-Aarhus, PHASE-Strasbourg, TRIGONE-Villeneuve d’Ascq, Leeds University, RIKS-Maastricht, Twente University, UCL-London), huit ont examiné la modélisation et la simulation dans la technologie des semi-conducteurs (Virtual Wafer Fab) et deux (PHASE et ISA-Aarhus) ont développé de nouvelles méthodes d’apprentissage d’analyse de matériaux (RBS, SIMS, XPS).

Cadre général pour l’enseignement multimédia de la caractérisation des matériaux (MODEM)

La méthodologie qui a été développée est basée sur des similarités entre les différentes méthodes de caractérisation.

Un logiciel multimédia d’enseignement est structuré en trois parties principales :

  • Plan général du concept (index général)
    • historique
    • présentation
    • théorie
    • instrumentation
    • protocole
    • simulateur
  • Outils
    • tableaux (remplacés par des petits programmes)
    • programmes de calcul
    • simulation de données (spectre)
  • Annotations de l’utilisateur
    • commentaires
    • compléments
    • documentation technique (instrumentation)
    • des liens peuvent être échangés entre les utilisateurs (Internet)

Les annotations des utilisateurs deviendront la base de développement de mises à jour collectives.

VRBS est une application complète exécutant une mesure de RBS virtuelle.

Description

Index Général

Après avoir lancé VRBS, la première page, appelée Plan du Concept apparaît à l’écran.

Vrbs1.gif


Il y a six sections principales : Historique, Présentation, Théorie, Instrumentation, Simulateur de Protocole et Evaluation, qui sont accessible par clic sur les cubes correspondants. Dans chaque partie, des boutons de navigation en bas de page permettent une progression supplémentaire.

Les outils pour le traitement de données RBS peuvent être utilisés : le simulateur de spectres SAM et des programmes de calcul des facteurs cinématiques, des pouvoirs d’arrêts et des sections efficaces de Rutherford. Sections

  • HISTORIQUE Description du contexte historique de la méthode : les découvertes initiales de Rutherford sont rapidement résumées et la première publication sur la RBS est détaillée.
  • PRESENTATION Cette partie comporte une brève description de la méthode et des résultats caractéristiques, illustrés par un exemple de spectre RBS.
  • THEORIE Théorie détaillée de RBS avec des exemples : identification par la masse, géométrie 2D, résolution sur la masse, facteur cinématique, impureté de la surface, concentration de la surface, choc à deux particules, rendement de rétrodiffusion, section efficace, concentration, géométrie 3D, sensibilité, wafer, pouvoir d’arrêt, facteur de rétrodiffusion, spectre, épais ou fin, mesure de l’épaisseur, lourd sur léger, résolution sur la profondeur, léger sur lourd, épaisseur apparente, identification par la masse, profil de concentration, comparaison de zones, résolution sur l’énergie, largeur à mi-hauteur, hauteur de canal, traînée.
  • INSTRUMENTATION Vidéos (images virtuelles) décrivant les équipements expérimentaux : accélérateur, faisceaux d’ions, chambre d’expériences, acquisition de données et illustration des principes de fonctionnement.
  • SIMULATEUR DE PROTOCOLE Le Simulateur de Protocole utilise une vue idéale de l’équipement et les opérations sont réalisées étape par étape, selon le protocole d’usage lors de mesures réelles, pour effectuer une RBS virtuelle.
  • EVALUATION Des exercices, des problèmes et des QCMs sont disponibles pour une auto-évaluation et un contrôle de la compréhension.

Outils

  • SIMULATION DE SPECTRE SAM ("Simulation for Analysis of Materials", Simulation pour l’Analyse des Matériaux) est un programme de simulations de données RBS à partir de conditions expérimentales et de la composition de l’échantillon.
  • POUVOIR D’ARRET Classification des pouvoirs d’arrêts de 10 keV à 100 MeV pour toute combinaison d’ions (de Ziegler ...) dans une fenêtre avec des barres de défilement.
  • SECTION EFICACE Classification des sections efficaces de Rutherford pour toute combinaison d’ions, d’énergie et de géométrie, dans une fenêtre avec des barres de défilement.

Outils de développement

Le cours et le Simulateur de Protocole ont été développés grâce au logiciel de création multimédia Asymetrix Toolbook

Une interface de programmation spécifique écrite en plus d’Asymetrix Toolbook a été réalisée pour le simulateur de protocole : il s’agit à présent d’un outil général pour le développement de simulateurs.

Des simulations de données et des programmes remplaçant les tableaux ont été développés avec Delphi de Borland.

Support

VRBS est disponible sur CD-ROM

Il nécessite un PC (16 Mo de mémoire), doté d’un système d’exploitation Windows 95/98 ou NT - équipé pour le multimédia

Disponibilité

Pour recevoir une copie gratuite de VRBS, faire une demande à MULLER Dominique .

Auteurs

Yannick HERVÉ, Hervé MARCHAL, François PÊCHEUX, Roland STUCK et Jean-Paul STOQUERT ont développé VRBS.