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9 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : M4396 v2

Modification et synthèse des matériaux par implantation
Faisceaux d’ions - Applications

Auteur(s) : Erwan OLIVIERO

Relu et validé le 19 juil. 2022

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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.

20/12/2021

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.

05/01/2022

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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ABSTRACT

Ion beams - Applications

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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KEYWORDS

Ion beams   |   Ion implantation

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m4396


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3. 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 (Rutherford Backscattering Spectroscopy) (voir § 6).

Ces couches sont utilisées pour les interconnexions 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.

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3.2 Durcissement de surface

L’implantation ionique est couramment utilisée comme technique de traitement de surface pour augmenter la dureté des surfaces. En effet, en métallurgie, une amélioration des propriétés tribologiques, de la résistance au frottement, à la fatigue, à l’usure et à la corrosion peut être obtenue en implantant la surface des aciers et des fontes...

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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...

1 Annuaire

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1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Principaux fournisseurs d’implanteurs commerciaux ou services d’implanta- tions

Axcelis Technologies, Beverly, MA, États-Unis :

http://www.axcelis.com

Applied Materials, Horsham, Royaume-Uni :

https://www.appliedmaterials.com/

Sumitomo Eaton Nova, Tokyo, Japon :

http://www.senova.co.jp

Nissin Electric, Kyoto, Japon :

http://www.nissin.co.jp

Ibis Technology Danvers, MA, États-Unis :

http://host.web-print-design.com/ibis/index.html

Danfysik, Jyllinge, Danemark :

http://www.danfysik.dk

Advanced Ion Beam Technology, San Jose, CA, États-Unis :

http://www.aibt.com.tw/

Ion Beam Service, Peynier, France :

http://www.ion-beam-services.com

High Voltage Engineering, Amersfoort, Pays-Bas :

https://www.highvolteng.com/

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1.2 Laboratoires...

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