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NOTE DE L'ÉDITEUR
Cet article est la version actualisée de l’article intitulé « Faisceaux d’ions. Applications » rédigé par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO et Marie-Odile RUAULT et paru en 2010.
Cet article est la version actualisée de l’article intitulé « Faisceaux d’ions. Applications » rédigé par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO et Marie-Odile RUAULT et paru en 2010.
RÉSUMÉ
Les faisceaux d’ions permettent de nombreuses applications dans divers domaines. Par exemple, l’implantation ionique, procédé d’ingénierie des matériaux, permet de modifier non seulement les propriétés chimiques de la cible, mais également ses propriétés structurelles. Il s’agit fondamentalement d’un processus hors équilibre thermodynamique, puisqu’en théorie il est possible d’introduire tout élément dans tout matériau, même non compatibles chimiquement. Cet article aborde plusieurs domaines d’applications des faisceaux d’ions, certains comme outils de synthèse et de modifications des matériaux, d’autres comme outils d’analyse tous basés sur la compréhension de l’interaction ions/matière.
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Ion beams have many applications in various fields. For example, ion implantation, a materials engineering process, can not only modify the chemical properties of the target, but also its structural properties. This is fundamentally a non-thermodynamic equilibrium process, since in theory it is possible to introduce any element into any material, even chemically incompatible. This article discusses several areas of application of ion beams, some as tools for synthesis and modification of materials, others as tools of analysis, all based on an understanding of the ion / matter interaction.
Auteur(s)
-
Erwan OLIVIERO : Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM), CNRS, université de Montpellier, France
INTRODUCTION
En produisant et en accélérant des particules chargées, il est possible de créer des faisceaux d’ions. Pour pouvoir maîtriser ces faisceaux d’ions, il a été nécessaire de comprendre leur interaction avec la matière ainsi que les phénomènes physiques associés, comme la perte d’énergie, le pouvoir d'arrêt, la création de défauts, etc. Le formalisme mathématique et la mise en œuvre des faisceaux d'ions (production, tri en masse, dispositifs expérimentaux) ont été décrits dans l'article [M 4 395].
Les faisceaux d'ions peuvent être assimilés à un outil polyvalent permettant d'aborder aussi bien la synthèse de nouveaux matériaux que l'analyse structurale et chimique de systèmes complexes. Leur emploi apporte un paramètre supplémentaire à l'expérimentateur pour parcourir les diagrammes de phase : le système restant figé (à la manière d'une trempe) dès que l'on coupe le faisceau.
Nous aborderons dans cet article, de manière non exhaustive, plusieurs domaines d'applications des faisceaux d'ions :
-
en tant qu'outils de synthèse et de modifications des matériaux, comme le mélange ionique de couches minces, le durcissement de surface en métallurgie, l’implantation ionique en microélectronique, la nanostructuration et la lithographie assistée par faisceau d’ions (Focused Ion Beam) ;
-
en tant qu’outils d’analyse et de contrôles et également de simulation des irradiations aux neutrons. Nous décrirons les différentes techniques d’analyses par faisceau d’ions qui permettent de nombreuses applications : caractérisation des matériaux multicouches et multiéléments, obtention des profils en profondeur d’éléments légers, détermination de l’origine de polluants et de contaminants, réalisation des analyses non destructives d’objets du patrimoine culturel.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
Ion beams | Ion implantation
VERSIONS
- Version archivée 1 de sept. 2010 par Franck FORTUNA, Erwan OLIVIERO, Marie-Odile RUAULT
DOI (Digital Object Identifier)
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8. Glossaire
Loi de Moore
Loi empirique qui vise à prévoir l'évolution de la puissance de calcul des ordinateurs et de la complexité du matériel informatique. Elle prévoit le doublement de la densité (nombre de transistors par unité de surface des puces électroniques) tous les deux ans grâce au passage à une gravure plus fine.
Cofondateur de la société Intel, Gordon Moore postule, en 1965, que le nombre de transistors par circuit de même taille allait doubler, à prix constant, tous les ans. Quelques années plus tard Moore rectifia sa prédiction à un doublement du nombre de transistors présents sur une puce de microprocesseur tous les deux ans. Ce second postulat se révéla particulièrement exact, et popularisa le terme de « loi de Moore ».
Faisceau d’ions focalisé ; Focused Ion Beam (FIB)
Instrument scientifique qui utilise un faisceau d'ions focalisé. Il s’agit également d’une technique utilisée en particulier dans l'industrie des semi-conducteurs, la science des matériaux et de plus en plus dans le domaine biologique pour l'analyse, le dépôt et l'ablation de matériaux à des échelles nanométriques.
Nanofil
Un nanofil est une nanostructure, dont le diamètre est exprimé en nanomètre.
PKA (Primary Knocked-on Atom)
Premier atome frappé (PAF) lors de la collision d’une particule incidente énergétique avec un solide. Après avoir été déplacé de son site initial, le PKA peut induire le déplacement d’autres atomes du réseau s'il possède une énergie suffisante, et créer une cascade de déplacement.
dpa (displacements per atom)
Nombre moyen de déplacements subis par les atomes d’un matériau soumis à un faisceau d’ions.
Matériau amorphe
Solide ne présentant aucune structure atomique ordonnée à moyenne et longue distance, les atomes y sont aléatoirement distribués comme dans un liquide.
RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy)
Technique d’analyse par faisceau d’ions basée sur la rétrodiffusion Rutherford. Elle permet de déterminer la structure et la composition de matériaux, de mesurer et contrôler l’épaisseur et la composition de matériaux multicouches. En mode canalisation (channeling RBS ou C-RBS), lorsque le faisceau incident est aligné avec l'axe majeur de symétrie d’une structure...
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Glossaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KOSTLER (H.), TRAVERSE (A.), NEDELLEC (P.), DUMOULIN (L.), RUAULT (M.-O.), SCHAPBACH (L.), BURGER (J.P.), BERNAS (H.) - A new hydride : MgHx prepared by ion implantation. - Journal of Physics : Condens. Matter, Institut Of Physics (IOP) Publishing Ltd, 3, p. 8767-8776 (1991).
-
(2) - RAUSCHENBACH (B.), KOLITSCH (A.), HOHMUTH (K.) - Iron nitride phases formed by nitrogen ion implantation and thermal treatment. - Physica Status Solidi A, n° 2, Wiley Interscience, 80, p. 471-475 (1983).
-
(3) - HANSEN (M.), ANDERKO (A.K.) - Constitution of Binary Alloys (Constitution des alliages binaires). - Metallurgy and metallurgical engineering series, Genium Publishing Corporation Amsterdam & New York., 2e édition, 1305 p., © 1958 (1985).
-
(4) - HANSEN (M.), ELLIOT (R.P.) - Constitution of Binary Alloys : first supplement (Constitution des alliages binaires, suppléments à [81]). - Schenectady, N.Y. : Genium, 874 p. (1986).
-
(5) - SAWADA (K.), PAI (C.S.), LAU (S.S.), POKER (D.B.), BUCHAL (CH.) - Ion...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Émission X induite par particules chargées (PIXE) : théorie.
-
Émission X induite par particules chargées (PIXE) : applications.
-
Spectrométrie de collisions élastiques et de réactions nucléaires. Théorie.
-
Spectrométrie de collisions élastiques et de réactions nucléaires. Applications.
-
Spectrométrie de masse organique – Principe, méthodes d’introduction et d’ionisation.
-
...
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Principaux fournisseurs d’implanteurs commerciaux ou services d’implanta- tions
Axcelis Technologies, Beverly, MA, États-Unis :
Applied Materials, Horsham, Royaume-Uni :
https://www.appliedmaterials.com/
Sumitomo Eaton Nova, Tokyo, Japon :
Nissin Electric, Kyoto, Japon :
Ibis Technology Danvers, MA, États-Unis :
http://host.web-print-design.com/ibis/index.html
Danfysik, Jyllinge, Danemark :
Advanced Ion Beam Technology, San Jose, CA, États-Unis :
Ion Beam Service, Peynier, France :
http://www.ion-beam-services.com
High Voltage Engineering, Amersfoort, Pays-Bas :
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