Interaction ion-matière
Un ion pénétrant dans la matière interagit principalement avec le milieu par une série de collisions. On peut classer ces collisions en deux catégories : les collisions élastiques et inélastiques.
Les collisions élastiques reposent sur le principe de conservation de l’énergie cinétique et de la quantité de mouvement entre les particules impliquées dans la collision. Dans le cas d’une interaction ion-atome, la structure électronique de l’atome cible reste inchangée.
Le mécanisme de collision peut être décrit à l’aide d’un modèle théorique simple . Un projectile de masse m1 et de vitesse v1 entre en collision avec une cible de masse m2 et de vitesse v2 = 0. D’après les lois de la mécanique classique le transfert d’énergie entre les deux entités considérées sphériques peut avec E1 l’énergie initiale du projectile et ϕ l’angle de déviation de l’atome cible.
Comparaison entre les pouvoirs d’arrêt
Les modèles présentés ont chacun leur domaine de validité ainsi qu’une précision relative. Il existe de nombreux modèles théoriques permettant une description plus ou moins fine dans un domaine d’énergie défini. Pour obtenir le pouvoir d’arrêt d’un ion dans un matériau sur un large domaine d’énergies, il existe des tables de données. Le programme SRIM (Stopping and Range of Ion in Matter) permet d’obtenir le pouvoir d’arrêt calculé à partir de différents modèles théoriques et de données expérimentales. On peut remarquer le pic de Bragg aux alentours de 50 MeV. On peut aussi constater la faible proportion du pouvoir d’arrêt électronique dans le pouvoir d’arrêt total pour la gamme d’énergie nous concernant (de 1 keV à 10 keV). Les réactions engendrées par le passage d’un ion à ces énergies sont donc principalement dûes aux chocs nucléaires.
Pulvérisation par impact d’ion
Le dépôt d’énergie induit par le passage d’un ion est à l’origine de plusieurs phénomènes au sein du matériau cible. Parmi ces phénomènes, la pulvérisation (ou sputtering en anglais) consiste en l’éjection d’atomes, d’ions ou d’agrégats de la surface du matériau. Il se produit lorsque les atomes de la cible ont gagné une énergie suffisante à leur évasion de la surface.
On peut distinguer la pulvérisation induite par collision nucléaire et élastique. Pour chacun de ces cas, plusieurs théories coexistent avec différents domaines de validité.
Pulvérisation nucléaire : Lorsqu’un ion incident entre en collision avec un atome de la cible, il transfère à ce dernier une partie de son énergie cinétique. Cet atome issu de la première collision (primary knock-on atom, PKA) peut lui aussi entrer en collision avec d’autres atomes de la cible (et former des atomes de seconde collision, SKA). Si l’énergie transférée au PKA et SKA est faible, la probabilité que ceux-ci engendrent à nouveau des déplacements d’atomes reste alors faible. Les atomes en mouvement dans la cible sont donc majoritairement composés de PKA et SKA, le régime de pulvérisation est appelé régime de collision simple.
Si l’énergie transférée des premières collisions est élevée, une cascade de collisions se crée. Suivant la densité d’atomes en mouvement, la cascade peut être de différentes natures. Si cette densité est suffisamment faible pour que la probabilité que deux atomes en mouvement se rencontrent est proche de zéro, on dit que la cascade est linéaire. Au contraire si la densité d’atomes en mouvement est élevée, la probabilité que les atomes en mouvement entrent en collision est non négligeable, la cascade est alors non linéaire (ou régime de pointe).
Pulvérisation électronique
Les ions rapides sont essentiellement ralentis par freinage électronique. Les électrons excités par le passage de l’ion transmettent leur énergie aux atomes de la cible qui entrent en mouvement. Lorsque les conditions sont réunies, un atome peut être éjecté de la surface.
Ce processus indirect, appelé pulvérisation électronique, dépend principalement des propriétés spécifiques du matériau. La mise en mouvement des atomes dépend en effet du mécanisme de conversion de l’excitation d’électrons en énergie cinétique des atomes. Plusieurs modèles permettant la description de la pulvérisation électronique existent, ceux-ci ne permettent cependant pas la description de tous les types de matériaux. Nous présentons ici quelques modèles :
Modèle de la pointe thermique : Le modèle de la pointe thermique consiste en une approche thermodynamique similaire au modèle de la cascade non linéaire. Au passage de l’ion incident, les électrons sont excités, ils transfèrent alors leur énergie aux atomes. La vitesse de transfert dépend du couplage électron-phonon du matériau. Si ce couplage est efficace, la température au sein de la trace augmente rapidement, on parle alors de pointe thermique.
L’élévation de la température peut induire la pulvérisation d’atomes selon deux mécanismes : soit les atomes en mouvement quittent la surface de la même façon que lors de la pulvérisation nucléaire, on parle alors de pulvérisation thermique, soit les atomes sont évaporés du fait de la température atteinte, il s’agit alors de pulvérisation par flux gazeux.
Modèle de l’explosion coulombienne: Une seconde approche consiste à prendre en compte la répulsion des atomes suite à leur ionisation par le passage du projectile. Le mouvement induit par cette répulsion peut être à l’origine de la pulvérisation. Ce modèle impose cependant que le temps de neutralisation des atomes soit suffisamment grand, ce qui limite l’utilisation de ce modèle aux matériaux isolants.
Modèle de pulvérisation par choc : Ce modèle prend en compte les effets collectifs induits par le passage de l’ion incident. La forte densité d’énergie déposée peut être à l’origine de la création d’une onde de choc se propageant dans le matériau. Lors de la rencontre entre l’onde et la surface, une ablation mécanique peut conduire à l’éjection d’atomes.
Le passage de l’onde peut aussi laisser la matière dans un état thermodynamique propice à la pulvérisation thermique ou par flux gazeux.
Conception d’un nouveau dispositif : PULSAR
Parmi toutes ces techniques d’analyses présentées précédemment nous avons opté pour la méthode collecteur analysé par spectroscopie des électrons Auger.
Le collecteur est choisi de sorte qu’il couvre une partie significative de l’angle d’émission, ce qui permet d’obtenir la distribution angulaire du rendement de pulvérisation et, par intégration, son rendement total. Avec un seuil de détection pouvant atteindre 0.1% de mono-couche atomique, l’AES permet une analyse quantitative très sensible de la surface du collecteur. Son faible encombrement nous permet de l’intégrer au dispositif de pulvérisation ce qui crée toute son originalité permettant ainsi l’analyse in situ des collecteurs. Les problèmes liés à la pollution sont de ce fait fortement diminués rendant accessible l’étude de matériaux composé de carbone. C’est à partir de ces exigences que nous avons conçu et réalisé un dispositif d’analyse de la pulvérisation. Le dispositif expérimental de mesure de distribution angulaire de pulvérisation a donc été conçu à partir des caractéristiques précédemment citées : la mesure par la méthode collecteur couvrant une part significative de l’angle d’émission, suivie d’une analyse in situ par spectroscopie des électrons Auger.
Ces caractéristiques impliquent certaines contraintes dans la conception du dis positif. La mesure de distribution angulaire contraint la forme géométrique du collecteur, celui-ci doit effectivement être dans le meilleur des cas hémisphérique.
En supposant que la distribution angulaire de la pulvérisation soit de symétrie axiale avec la normale, on peut réduire la géométrie du collecteur à une simple bande de forme cylindrique couvrant un angle de 90° par rapport à la normale. Cette forme géométrique ne convient cependant pas à l’analyse du collecteur, le spectromètre Auger n’acceptant que les échantillons plans, il a donc été nécessaire de chercher à résoudre cette difficulté.
Table des matières
Introduction
1 Pulvérisation induite par interaction ion-matière
1.1 Interaction ion-matière
1.2 Pouvoir d’arrêt
1.2.1 Pouvoir d’arrêt nucléaire
1.2.2 Pouvoir d’arrêt électronique
1.2.3 Comparaison entre les pouvoirs d’arrêt
1.3 Pulvérisation par impact d’ion
1.3.1 Pulvérisation nucléaire
1.3.1.a Régime de collisions simples
1.3.1.b Régime de cascade linéaire
1.3.1.c Régime de cascade non-linéaire
1.3.2 Pulvérisation électronique
1.3.3 Pulvérisation de matériaux cristallins
1.3.4 Simulation numérique
2 Dispositifs expérimentaux dédiés à la simulation plasma-paroi
2.1 Étude expérimentale de la pulvérisation
2.2 Conception d’un nouveau dispositif :PULSAR
2.2.1 Conception mécanique
2.2.2 Description du dispositif PULSAR
2.2.2.a Calcul du rendement de pulvérisation
2.2.2.b Corrections liées aux mesures
2.3 Production de faisceaux d’ions
2.3.1 Ligne très basse énergie
2.3.1.a Source ECR
2.3.1.b La ligne de décélération
2.3.1.c Mesures de fluence
2.3.2 Source à filament
2.3.3 Ligne de faisceau intense
2.3.3.a Source Mono1000
2.3.3.b Extraction et systèmes optiques
2.3.3.c Filtre de Wien
2.3.3.d Démarrage de la ligne
2.3.3.e Raccordement au dispositif PULSAR
3 Analyse des collecteurs par spectros copie Auger
3.1 Principe de la spectroscopie des électrons Auger
3.1.1 Émission Auger d’un atome isolé
3.1.2 Émission Auger d’un atome dans un matériau
3.2 Analyse quantitative d’un dépôt de matière
3.2.1 Parcours des électrons dans la matière
3.2.2 Modèles théoriques
3.3 Fonctionnement du spectromètre Auger
3.3.1 Analyseur à champ retardant
3.4 Calibrations pour les couches de carbone
3.4.1 Dispositif de calibration
3.4.2 Protocole de calibration
3.4.3 Spectroscopie Auger de couches minces de carbone
3.5 Calibrations pour les couches de tungstène
3.5.1 Protocole et choix des constantes
3.5.2 Spectroscopie des couches de tungstène
4 Résultats expérimentaux et discussions
4.1 Pulvérisation du carbone
4.1.1 Protocole expérimental
4.1.2 Résultats et discussion
4.1.3 Conclusion
4.2 Pulvérisation du tungstène
4.2.1 Protocole expérimental
4.2.2 Résultats et discussion
4.3 Interprétation de la distribution angulaire de pulvérisation
4.3.0.a Modèle de deThompson et Sigmund
4.3.0.b Modèle de Roosenda al et Sanders
4.3.0.c Modèle de Stepanova
4.3.0.d Comparaison modèles-expériences
4.3.0.e Modélisation empirique des résultats
4.3.0.f Interprétation de la présence de l’épaulement
4.3.1 Conclusion
5 Conclusion et Perspectives
5.1 Perspectives à court terme
5.2 Perspectives à long terme
