Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Procédé d’ingénierie des matériaux, l’implantation ionique permet de modifier non seulement les propriétés chimiques de la cible, mais également les 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 compatible chimiquement. Cet article aborde plusieurs domaines d’applications des faisceaux d’ions, certains comme outils de contrôles et de modifications des matériaux, avec ou sans analyse, et d’autres comme outils d’analyse permettant la compréhension de l’interaction ions/matière.
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Ion implantation, a materials engineering process can not only change the chemical properties of the target, but also its structural ones. It is essentially a non-thermodynamic equilibrium process, as it is theoretically possible to introduce any element in any material, be they chemically compatible or not. This article presents several application domains of ion beams; some are tools of control and changes in materials, with or without analysis, and others are analytical tools allowing for the understanding of ion/matter interaction.
Auteur(s)
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Franck FORTUNA : Centre de Spectrométrie Nucléaire et Spectrométrie de Masse (CSNSM), CNRS, université Paris-Sud Centre d'Orsay
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Erwan OLIVIERO : Centre de Spectrométrie Nucléaire et Spectrométrie de Masse (CSNSM), CNRS, université Paris-Sud Centre d'Orsay
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Marie-Odile RUAULT : Centre de Spectrométrie Nucléaire et Spectrométrie de Masse (CSNSM), CNRS, université Paris-Sud Centre d'Orsay
INTRODUCTION
Les faisceaux d'ions peuvent être vus comme 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.
Après avoir décrit les mécanismes physiques impliqués (pouvoir d'arrêt, création de défauts), le formalisme mathématique et la mise en œuvre des faisceaux d'ions (production, tri en masses, dispositifs expérimentaux) dans l'article précédent [M 4 395], nous aborderons ici plusieurs domaines d'applications des faisceaux d'ions :
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vus en tant qu'outils de contrôles et de modifications des matériaux, suivis ou non d'analyses. Nous présenterons plusieurs installations qui permettent de combiner les deux modes (analyse et modification contrôlée des matériaux), donnant ainsi accès à l'étude in-situ de la synthèse de nouveaux matériaux ;
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présenter les bases nécessaires à la compréhension de l'interaction ions/matière (déjà vue dans le [M 4 395]), ainsi qu'une vue globale du domaine à travers des exemples (sans prétention à l'exhaustivité).
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- Version courante de déc. 2021 par Erwan OLIVIERO
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Outil de contrôle de l'ordre local3. Modification et synthèse des matériaux par implantation
3.1 Formation de couches enterrées métalliques
À hautes doses, des ions dopants, implantés dans une matrice dans des conditions expérimentales adéquates (température de la matrice, énergie et flux des ions), permettent de synthétiser des couches d’alliage à une profondeur contrôlée .
Cette méthode est employée notamment dans le silicium pour former des couches enterrées de siliciures métalliques par implantation de Ni, Co ou Fe. Les différentes étapes de la synthèse de ces couches de siliciures enterrées, peuvent être suivies et quantifiées in situ en alternant successivement le faisceau d’implantation et un faisceau d'hélium pour une analyse en RBS.
Ces couches sont utilisées pour les interconnections en microélectronique. Pour obtenir une bonne qualité de ces couches (en particulier leur planéité) il est cependant nécessaire de procéder à des traitements thermiques ultérieurs.
HAUT DE PAGE3.2 Autres applications en microélectronique
L’implantation ionique est une technique indissociable de la microélectronique. En effet, l'introduction d’impuretés est cruciale dans les dispositifs à base de semi-conducteurs, car la fonctionnalité des matériaux semi-conducteurs dépend, en grande partie, de l'introduction contrôlée de dopants (i.e. des niveaux hydrogénoïdes accepteurs ou donneurs peu profonds en niveau d'énergie).
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Cette étape est, de nos jours, quasiment toujours réalisée par implantation ionique. Néanmoins, parallèlement à l'introduction des dopants, l'implantation crée un excès de défauts ponctuels qui, selon les paramètres d'implantation, peuvent s’agglomérer pour former des défauts étendus (pour une revue des défauts étendus induits par l’implantation ionique voir ...
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Modification et synthèse des matériaux par implantation
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, Insitut Of Physics (IOP) Publishing Ltd, 3 , pp. 8767-8776 (June 1991).
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(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, pp. 471-475 (decembre 1983).
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(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 mixing of Ni-Pt films on Si - Journal...
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